重慶市某污水處理公司是三峽庫區首批啟動的19個水環境治理項目單位之一，負責重慶郊區廣闊區域的污水處理任務，處理后的水排入長江，直接保障三峽庫區的水質安全。該公司于2011年建成投產，處理能力為旱季5×104 m3/d，雨季8×104 m3/d。污水處理廠進水中工業廢水占60%，生活污水占40%。廢水處理使用改良A2/O工藝[1]，預處理過程包括粗格柵處理、細格柵處理、曝氣沉砂池和輻流式初沉池等，后期使用紫外線消毒渠，污泥經濃縮脫水后運至專業填埋場進行填埋，系統工藝流程如圖1所示。

　　A2/O工藝設置厭氧、缺氧和好氧3種工作環境，多種類微生物包括聚磷菌、反硝化菌、硝化菌和異養菌等能夠有機配合，在脫氮除磷的同時去除有機物，并且絲狀菌不會大量繁殖生長，污泥不會大量膨脹[2]，但多種微生物共存在同一個活性污泥池中，對基質、泥齡等條件必然產生競爭，對出水水質造成影響[3]。為此對A2/O工藝進行改良，加強工藝流程的控制，對NH4+-N、PO43--P、DO等進行實時測定，并根據參數情況實時調整工藝的HRT、混合液回流比等，最后保證系統出水水質滿足一定要求(見表1)。

?圖1 污水處理工藝流程

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　　出于對A2/O工藝改良的需求，需要加強對BOD5、COD、總磷、氨氮等多參數的測量與監控，大大增加了工作量和人力投入，因此在二期工程中逐步增加自動控制系統對各參數進行在線測控操作，根據水質情況調整混合液回流比、HRT等，同時引入物聯網技術加強對工作場所的參數監控，提高系統工作效率。

　　1 自動控制技術應用

　　1.1 自動控制結構

　　該污水處理廠需要保持24 h不間斷運行，且各類建筑物分布區域較廣，因此按照“集中管理、分散控制”的原則控制布局，使用微型計算機+可編程邏輯控制器[4]的松耦合控制結構，共分3層結構，其一級控制站進行集中管理，在廠控制中心設監控中心，二級控制站為各區域的可編程邏輯控制器分站，第三級為工作現場控制設備，其結構如圖2所示。

?圖2 自動控制結構?

　　圖2中，自動控制系統通過工業以太網和光纖冗余環網傳輸數據信息和控制信息，使用監控中心、二級控制站和現場控制器等設備實現自動控制功能的分級分散。在監控中心進行工藝管理和自動控制，實時監控各設備工作狀態、工藝流程參數。下設2個二級控制站，分別位于鼓風機房和污泥脫水間內，二級控制站1控制3個現場控制設備，分別為鼓風機房、生化池和變電所，二級控制站2分別監控紫外線消毒間、1號脫水機和2號脫水機。這種松耦合控制結構可提高系統的可靠性，即使監控中心出現故障，下級的分控站和現場控制設備也能獨立延續原狀態運行，降低了通信系統故障可能引起的失控風險。

　　1.2 自動控制策略

　　由于季節差異、流量變化、水質特征等因素影響，處理流程的各種狀態參數實時變化，需要根據狀態和自動控制策略實時應對調整[5]，系統中可編程邏輯控制器使用西門子S7-300系列，主要硬件配置包括PS307電源模塊、CPU314中央處理器、SM321數字量輸入模塊、SM322數字量輸出模塊、SM311模塊量輸入模塊和SM332模擬量輸出模塊等。通過S7-300系列監視系統各部分工作情況并酌情采取自動控制措施。各現場控制設備的自動控制策略如表2所示。

　　表2 為主要控制部位及其控制策略，在工程應用中系統各環節也有監控措施。如預處理系統中有2臺螺旋輸送壓榨機和3臺粗格柵，通過液位差值智能監控粗格柵運行狀態，柵格初始狀態按設定的周期運轉，在粗柵格前后各安裝1個超聲液位差計，測定液位差后輸入到自動控制系統中，根據液位差是否大于閾值判定粗格柵是否存在堵塞，如大于閾值則判定堵塞，系統自動控制除污機增大運轉量，直至液位差小于閾值的80%后除污機恢復常態工作量。細格柵、沉砂池等部位也有相應的監控部位執行功能，通過智能監控和自動控制策略減少人力操作，提高系統的工作效率和可靠性。

　　2 物聯網測試應用

　　為實現自動控制必須實時、準確地監控各部位工作狀態，而物聯網技術可實現傳感器與網絡的多方互聯，是解決自動監視問題的較優策略。在自動控制系統中采用物聯網[6]進行從下到上感知層、網絡層、應用層的架構，對應結構如圖3所示。

　　感知層使用傳感器進行專業監測，要求具備數字化、高精度和實時性;網絡層使用工業以太網和光纖冗余環網將感知層的傳感器數據傳入到應用層，實現物理鏈路的互聯互通[6]，使用TCP/IP協議，保證數據交互的安全性和高速率;應用層對傳感器數據進行匯總分析、圖文展示，并配置相關的應用程序進行動態處理。

　　感知層狀態監控是實現自動化控制的關鍵依據，其主要監控數據如表3所示。

　　控制中心匯總各種傳感器數據，經整理分析可得整個生產流程的關鍵數據如耗電量、進出口水量等，并算出出口水質指標如BOD5、COD、NH3-N等。

　　3 效果分析

　　該污水處理廠進口的污水量雖然在重慶市污水處理廠所占比例相對較小，但由于地處郊區，服務區域較大，要接收3條溝渠的污水，監控難度較大，同時污水直接排入長江，必須嚴格控制水質，為此引進物聯網技術進行自動控制管理。系統實時測試各環節、各系統狀態并傳輸到控制中心，控制中心經分析計算后確定各系統工作狀態，并使用可編程邏輯控制器自動控制各系統采取應對措施，減少了人工操作工作量，提高了操作的精確性和及時性。系統可提供圖形化示意圖，測試周期為60 min，可選擇SS、COD、BOD5、NH3-N、TP、水量、平均耗電量等參數，最多能顯示4種參數，當刷新的參數值連續超出閾值時表明系統故障，狀態框將會標示異常并告警，否則顯示狀態正常，移動光標將顯示參數測量時間和數值。

　　使用自動控制系統之后，系統運行穩定性得到提升，數據采集測試頻率可穩定維持在15 min/次(實際中一般設定為30 min測試1次，甚至更長時間)，出水達標率>90%，耗電量<0.35 kW·h/m3。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。

　　4 結論

　　可行性分析和試運行結果表明，使用融合物聯網技術的自動控制系統對污水處理廠進行智能化監控，通過關鍵參數和關鍵部分的狀態參數測試明確各部位工作情況，并根據預定原則進行自動化、智能化處理是可行的，且在效率和效益上都得到一定提升，控制系統建設較為完善，具有較優越的性能，借鑒國外的先進經驗，可在重慶地區進一步推廣。但該系統復雜度較高，同時因污泥濃度計、pH計等感知層傳感器使用維護要求較高，接觸探頭需要定期維護清洗并標校，而且國內技術基礎較為薄弱，一般使用進口器件，價格較為昂貴，一定程度上增加了污水處理系統的投資建設費用和維護成本，這是進一步推廣面臨的主要問題之一，但這種自動化智能控制策略是國內外污水處理系統發展的必然趨勢，在后續工作中將研究更為穩定可靠、維護更為簡便、效費比更高的自動化控制系統，使自動化系統得到推廣普及。