倒置A2O工艺的污水处理SCADA系统开发_王雪.pdf

随着工业化、城镇化以及居民生活水平的提升，城市水体污染在整体水污染中所占比例超50%1。污水处理厂作为城镇污水处理的重要环节，通过设计合适的工艺路线、开发精确的控制系统可实现水体污染高效治理，早日完成“双碳”目标2。目前大部分的城市污水处理厂采用的核心工艺都是生化处理，生物处理的主流工艺为活性污泥法3。活性污泥法主要包括传统活性污泥法、改良型A/O工艺、厌氧-缺氧-好氧（A2O）工艺、氧化沟法和序批式活性污泥法（SBR）4-6。A/O法分为缺氧-好氧工艺和厌氧-好氧工艺，前者主要用于脱氮，后者除磷效果较好，而A2O法兼备脱氮和除磷的功能，在同步脱氮除磷中，工艺最为简单，且水力停留时间小于其他工艺7。传统A2/O工艺出水水质仅能达到国家一级B类排放标准，根据国家污水防治相关政策，为防治水体富营养化，城市污水应进行二级强化处理，提高污水排放标准。随着自动化控制、计算机网络技术的融合应用，城市污水处理厂朝着高度自动化、智能化的方向发展，能够实现污水处理的智能管理和精确控制，使污水处理更为高效环保，极大改善了污水处理排放效能，并对其回收利用以实现能源中和以及碳中和。然而，目前许多现有的污水处理厂仍沿用人工管理的方式，自动化程度较低。由于污水处理工艺流程复杂，工艺参数较多，且设备位置相对分散8，为了提升设备运行、管理和维护的便利性和高效性，降低整体系统处理能耗，及时通过上位机监控系统获取水厂数据，排查故障，本文开发了一套基于三层自动控制架构的监督控制和数据采集的SCADA系统9，分别为中央监控层、现场控制层、现场设备层，核心思想为集中管理，分散控制。实际运行证明该污水处理控制系统鲁棒性较好，完全满足设计要求。1工程概况本文以上海市某污水处理厂扩建工程项目为背景，该污水处理厂现状规模20万m3/d，本次扩建规模为20万m3/d，采用倒置A2O+双AO工艺的处理方法，可有效脱氮除磷，提高污水处理效率和出水水质。该污水处理厂总体工艺流程分为三级：一级预处理，二级生物处理以及三级污泥处理，工艺处理流程如图1：图1污水处理厂工艺流程图倒置 A2O 工艺的污水处理 SCADA 系统开发Development of SCADA System for Wastewater Treatment on Inverted A2O Process王雪1严良文1陈善超2黄闪1魏鸣森1（1上海大学机电工程与自动化学院，上海200444；2北京亚控科技发展有限公司，北京100086）摘要：以上海市某污水处理厂扩建工程项目为背景，分析了该污水处理厂的工艺流程并重点阐述了生物反应池这一核心工艺环节，开发了一套倒置A2O工艺的污水处理SCADA系统，在传统厌氧-缺氧-好氧（A2O）工艺的基础上设立预缺氧池并加置两个缺氧-好氧（AO）池。SCADA系统的下位机选用Rockwell Control Logix系列以及Siemens S7-1200的PLC，人机界面采用组态软件KingSCADA3.7进行开发。整个自控系统通过工艺流程模块进行画面实时监控，可以实时记录运行参数、显示参数趋势曲线等。运行结果表明，该污水处理自控系统实现了污水处理厂的集散控制，满足工艺要求，提升了脱氮除磷效率和出水水质。关键词：污水处理；倒置A2O；自动控制；SCADA；PLCAbstract:This paper takes the expansion project of the wastewater treatment plant(WWTP)in Shanghai as the back-ground.The process flow of the WTTPs is analyzed and the core process of the biological reaction tank is emphasized.Awastewater treatment SCADA system based on the inverted A2O process is developed in this paper,which sets up preanoxic tank and two anoxic aerobic(AO)tanks based on the traditional A2O Process.Rockwell Control Logix series andSiemens s7-1200 PLC are selected for the lower part of the three-layer automatic Control system.The human-machine in-terface is developed by using the configuration software KingSCADA3.7.The picture is monitored in real-time,the data iscollected by the data query module,the parameter trend curves are generated,and the alarm events are checked throughthe whole automatic control system.The operation results show that the wastewater treatment automatic control system real-izes the centralized management and decentralized control of the WWTPs,it can meet the process requirements.Keywords:wastewater treatment,Inverted A2O,automatic control,SCADA,PLC倒置A2O工艺的污水处理SCADA系统开发24工业控制计算机2023年第36卷第2期（1）一级预处理一级预处理阶段包括中、细格栅、曝气沉砂池、进水计量井、初沉池等，格栅过滤出的栅渣通过螺旋输送压榨机外运。废水经过预处理后，仅能过滤部分悬浮物、有机物来减轻腐化程度，生化需氧量（BOD）去除率仅为25%40%，此时还达不到排放标准。（2）二级生物处理二级生物处理阶段采倒置的A2O工艺并后接两段AO工艺，可有效脱氮除磷，降解水中有机物，此时BOD浓度小于30 mg/l，可达到农田灌溉和废水排放标准。（3）三级污泥处理污水流经二沉池、中间提升泵房最终进入三级处理阶段，通过高效沉淀池、反硝化深床滤池、消毒氧化池等最终进入出水泵房，现状工程及扩建工程处理污水均接至出水泵房排放至长江。此外，来自初沉池的初沉污泥、二沉池的剩余污泥以及高效沉淀池的化学污泥会通过污泥管流入储泥池，经浓缩脱水后变成污泥块作干化焚烧处理。2倒置A2O生物反应池在同类脱氮除磷工艺中，A2O工艺流程最为简单，总水力停留时间（HRT）小于其它类工艺，可有效节约能耗，运行中无需投药，且厌、好氧阶段只用轻轻搅拌，不增加溶解氧浓度，运行费用低10。传统的A2O工艺具有一定的局限性，生物脱氮和除磷所需条件相反。缺氧池中的反硝化细菌与厌氧池中的聚磷菌存在碳源性竞争，因此可能会导能致碳源不足使反硝化不彻底，影响脱氮性能，碳源过多则会对好氧段硝化反应产生抑制，减弱系统硝化能力，所以很难同时取得好的脱氮除磷效果。通过改变传统A2O工艺的空间布局，如图2所示，将缺氧区置于生化反应系统首位，即设立预缺氧池，优先满足反硝化碳源需求，强化了处理系统的脱氮功能，在倒置A2O段后增设两个缺氧好氧（A/O）段，可优化污水硝化和反硝化环境，进一步增强脱氮效果。二次沉淀池的污泥回流至预缺氧池，回流液挟带的硝酸盐在预缺氧池中得到反硝化，降低了回流污泥中硝酸盐对厌氧释磷的影响，提高了处理系统的除磷能力。同时通过调控厌缺氧池的氧化还原电位值和污泥浓度来控制污泥回流量，从而确保所有回流污泥全部经过完整的厌氧释磷与好氧吸磷过程。图2倒置A2O生物反应池工艺流程3自动控制系统拓扑本污水处理自动控制系统是一套由中央监控层、现场控制层以及现场设备层三层架构组成的集中管理、分散控制的SCADA系统。系统拓扑图如图3所示：图3SCADA自动控制系统3.1中央监控层中央监控层配有1套工程师站、2套操作员站以及1台运行数据库服务器。工程师站可用于在线调试修改运行系统参数以及后期的系统维护，同时工程师站也可作为操作员站来使用；操作员站是工作人员与污水处理自动控制系统的交互中心，可以实时监测现场硬件设备的运行状态，读取仪器仪表数据如液位、泵流量、进出口压力、电机转速等，同时还可以读取系统实时和历史数据趋势曲线、查看特定运行时间段的系统报表并打印以及根据系统报警功能及时排查工艺设备故障11。两个操作员站互为冗余，保证工作的连续性。其中工程师站与运行数据库服务器型号为英特尔至强E5-2620 2.00G以上，4GB ECC内存x2，RAID 1，热插拔500G串行硬盘x2，1000M以太网网卡x2750W 1+1冗余电源，24寸宽屏显示器(1920*1080)，预装Windows Server简体中文标准版，且含5个CAL。3.2现场控制层现场控制层采用8台PLC结合人机界面作为现场控制站点，控制层接收现场设备采集的数字量及模拟量数据，各现场站点控制范围如下：（1）一级预处理站（PLC01-03）：PLC01主要负责总配水井、细格栅及曝气沉砂池、进水仪表小屋、进水计量井、放空泵房、放空水计量井等单体内各设备自控和数据采集；PLC02和PLC03分别负责南侧和北侧初沉池配水井、初沉池及初沉池污泥泵计量井等的控制和数据采集。（2）二级倒置A2O生反池站（PLC02-03）：PLC02和PLC03分别负责南侧和北侧A2O生物反应池、二沉池等设备自动控制和数据采集。（3）三级深层处理站（PLC04-08）：PLC04负责中间提升泵房及高效沉淀池内各设备自动控制和数据采集；PLC05负责深度处理计量井及深床滤池内各设备自控和数据采集；PLC06负责消毒氧化池、加药加氯间、出水仪表小屋、出水计量计井等单体内各设备自控和数据采集；PLC07位于污泥脱水机房控制室，主要负责污泥脱水机房公用设备、储泥池等单体内各设备自控和数据采集；PLC08负责污泥脱水机房内各成套设备自控和数据采集。3.3现场设备层现场设备层包括现场仪器仪表（如空气流量计、超声波液位计、电磁流量计、压力变送器以及COD、SS、TP、TN、NH4-N、pH等关键参数测定仪）及执行设备（闸门、风机、水泵、阀门等）。254污水处理监控系统4.1系统下位机设计该污水处理厂自控系统采用罗克韦尔Control Logix系列1756-L72、1769-L30以及西门子S7-1500系列PLC，通信采用Ethernet/IP实时工业以太网协议。为满足系统安全可靠的设计原则以及工艺处理要求，本工程采用本地手动控制和远程自动控制两种方式：本地控制由操作人员切换控制柜上的操作按钮来实现，此时PLC仅能读取现场设备信息，无法更改程序，常用于工程调试阶段；远程控制由自动控制系统实现，此时由上位机监控整个系统，无需人工干预，获取管理员权限后也可以在自控系统上进行手动操作。手动自动切换由控制柜上的转换开关实现，且手动控制的优先级高于自动控制。根据系统工艺划分，该污水处理自控系统的预处理层PLC点位分布如表1所示：表1预处理层PLC点位分布4.2系统上位机开发4.2.1系统框架设计本污水处理系统是基于组态软件的二次开发，上位机选用北京亚控科技的KingSCADA3.7，通过调用精灵图或创建图形模型进行模型复用，缩短了开发周期。系统基于C语言编写脚本，采用模块式开发、集成化管理，具备可视化操作以及智能诊断控制等功能，融合了数据库、历史库、远程终端及其他控制系统构建开放性数据平台。整个系统的功能模块如图4，总体可分为工艺流程画面和数