工業園區污水處理管控一體化系統

程倩如，杜樹新，陳 哲，劉保龍

（1.湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000；2.杭州海知慧環境科技有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

相比于傳統的工廠企業場所，工業園區具有產業聚集度高、設施配套完善、全方位優質服務等優點。作為一種集約化發展模式[1]，工業園區在我國國民經濟中發揮著重要作用。園區內工業活動的高度集中，在一定程度上有利于區域經濟可持續發展和環境保護工作的開展，但同時也使它成為環境問題最突出的聚集區之一[2]。工業園區企業在研發和生產中會產生大量含有毒有害物質的工業污水，對園區周邊環境安全造成威脅，為此需要在工業園區進行工業污水集中處理，保證園區污水達標排放，并且在運營過程中對污水管理進行風險控制，將環境風險降到最低。

工業園區污水處理規模較小，早期的污水處理過程通常采用人工操作，例如人工檢測污水、手動控制設備，從而難以對水質變化做出快速反應，導致污水處理的控制管理效率低下[3]。隨著網絡技術的快速發展，污水處理自動化控制、信息化管理成為企業關注的焦點，如英國很多水務公司已經實現實時監測數據并快速可視化、整合不同系統數據，并且通過大數據分析可以做到水資源流域洪澇管理、預測供水需求等功能，為企業減少因損耗帶來的損失[4]。國內大部分水務公司使用SCADA 在線監測系統，管理水處理過程中產生的各類數據[4]。然而，互聯網技術對污水處理生產模式的影響速度并沒有它本身發展的那么迅速，許多污水處理廠沒有將污水處理控制與管理進行有效結合，從而導致各模塊之間不能互聯互通，出現數據不完善甚至孤立的問題。

本文針對以上問題，運用計算機、自動化、物聯網等綜合信息化技術開發了一套污水處理管控一體化系統，一方面具備現場實時監測控制功能，另一方面實現了污水處理數據的綜合分析。多個功能集于一體的模式對于實現污水處理工藝的遠程監控和信息化管理、提高整個污水處理廠工作效率具有十分重要的意義。

1 污水處理工藝

污水處理工藝包括四部分：預處理、物化處理、生化處理和深度處理。預處理是通過隔柵、沉淀或者氣浮等處理，去除污水中所含的石塊、沙石和脂肪。由于一些污水含有高濃度銅、磷等，且顏色深，物化處理是通過添加酸堿、助凝劑等，調節反應池的pH 值，降低污水上層清液色度，減輕生化處理的負擔[5]。生化處理采用A/O 法[6]、活性污泥法等去除不可沉懸浮物和溶解性可降解生物有機物。深度處理是采用活性炭吸附水中剩余污染物和氯消毒以達到殺滅細菌和病毒的目的。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程

2 污水處理管控一體化系統

2.1 系統架構

污水處理管控一體化系統由現場控制層、數據層、執行層和管理層構成，如圖2 所示?，F場控制層主要進行數據采集工作。污水處理廠通過在處理過程各環節安裝的在線檢測儀器，如溶解氧分析儀、COD 在線分析儀、酸堿值測量儀、液位傳感器和流量計等，對污水處理過程的溶解氧濃度、氨氮含量和pH 值、液位和流量等進行實時、準確、自動的采集處理，實現各工況數據的及時獲取?，F場數據通過污水廠的工業網絡系統被傳輸到數據層。數據層通過服務器備份存儲各類設備傳感器與PLC 采集的工藝數據，并進行實時數據傳輸，確保數據的高性能存儲和信息共享的穩定可靠。執行層主要負責執行計劃，對現場傳感器傳入到系統的數據進行實時監測，并存入相應的數據庫進行分類管理，形成設備歷史日志、藥劑管理、人員組織架構、設備實時報警、污水處理工藝等模塊。管理層主要進行計劃決策和行為預測，通過執行層提供的各項數據，對生產污水處理所使用的藥劑成本、設施運行維護臺賬、電能消耗、運營資金進行核算，制定合理的計劃確保污水處理工藝符合設計要求，實現達標排放。同時對污水處理過程中的潛在風險進行預測，避免給污水處理廠帶來經濟損失。

圖2 系統架構

2.2 主要功能

（1）污水處理成本分析

污水處理成本主要由能源動力成本、藥劑消耗成本、維保成本、污泥成本以及其他成本構成[7]。

能源動力成本：電費是污水處理的主要成本，根據設備的功率和利用率計算每月處理噸水所消耗的電能，按照谷、峰、平不同時段分時計價的方式計算電成本。

藥劑消耗成本：根據污水水質特點，使用絮凝劑、碳源、消毒劑以及各種化學試劑等對污水進行物化處理和生化處理，通過藥劑倉儲管理數據計算每月處理噸水所使用各種藥劑的投入成本。

維保成本：包括日常的設備保養費、故障設備維修費、儀器儀表的校驗費等。

污泥成本：是指運輸、填埋污泥的成本。

其他成本：包括人工成本、折舊費、繳稅、垃圾處理等費用。

其中，藥劑消耗和電消耗是運行成本的主要部分。在污水處理過程中，對污水出水口水質要加大分析監控力度，在保證污水處理效果的同時，最大限度減少藥劑投入以減少藥劑成本。同時重點關注耗電的設備，結合水質檢測報告，對設備進行相應調整，減少電能消耗，以科學的管理手段對運行成本進行控制。

（2）設備保養計劃

工業園區污水處理廠中包含各種設備，例如提升泵、風機、攪拌機、閥門、鼓風機污泥脫水設備等。實時采集不同時間段各設備使用頻次和故障停機數據，結合設備使用說明書以及運行設備上次保養時間，按照年度、季度、月度設定周期性檢查設備的時間間隔，生成設備保養計劃，要求工作人員按照計劃嚴格執行，定期保養設備，延長設備使用壽命。同時強化設備巡查和點檢力度[8]，遇到設備異常情況及時處理并上報。

（3）日常巡檢管理

巡檢周期主要分為日檢、周檢、月檢，系統根據不同巡檢周期設定的時間間隔在系統中定時生成巡檢任務報表。將污水處理廠中每個污水池的信息錄入系統，同時綁定該污水池的巡檢任務，就可以通過不同巡檢任務查詢相應的巡檢任務信息。巡檢任務的派發可以通過移動手機端完成，巡檢人員登錄工業園區污水處理管控一體化小程序后，對現場巡檢情況進行拍照反饋，系統同步更新巡檢時間、激活狀態等。如果未在有效周期內進行巡檢上傳，系統自動將未完成的巡檢任務納入漏檢列表中。

（4）故障預警遠程診斷

系統可動態實時監測設備運行狀態、污水處理總量、藥劑庫存等，還可以對水質參數、設備操作功率設置報警上下限。當系統監測數據存在持續性異常，則發出預警信號，通知工作人員異常發生的位置及異常信息，工作人員根據異常信息可以進行遠程診斷和遠程調參，無需前往現場即可快速定位并解決故障問題。如所監控的站點污水池液位超過最高液位時，立即發出報警信號，遠程調整電動閥門開關，控制進出水的流動，實時監測液位變化。

（5）過程控制

pH 值控制：pH 值是判斷污水水質的一個重要因素，它會影響污水中重金屬的形態和活性污泥中微生物的生活環境。當pH 值不在6 ～9 范圍時，對污水的物化處理和生物處理會產生不利影響；pH 值低于6 的酸性廢水，會對污水處理設備產生腐蝕作用，因此要控制調節污水處理過程中的pH 值。本系統可以對污水處理過程中的pH 值進行實時在線監測，當污水pH 值過高或過低時，調整中和藥劑的投加量，適當增加中和反應時間[9]，控制pH 值以達到排放要求。

PLC 控制：系統所有設備的啟動和停止分為三種模式：手動模式、自動-程序模式、自動-強制模式[10]。當選擇開關置于自動擋時，設備的工作方式處于自動-程序模式，設備的啟動和停止完全由PLC 控制。

溶解氧控制：生化反應是污水處理中的核心部分，其中溶解氧是生化反應中非常重要的工藝參數，控制溶解氧對出水水質和系統能耗有直接影響。本系統通過溶解氧分析儀檢測曝氣池中溶解氧的實際值，計算實際值和設定值之間的差值，調節曝氣池的輸氣量，保證生化池內的空氣需求量[11]。

2.3 系統特點

（1）一體化設計。污水處理自動化控制與信息化管理相結合，通過對設備自動化控制、工藝智能化監控，將污水處理水質數據和設備運行參數傳入系統，工作人員通過系統中的數據進行分析預測和成本計算，制定最佳的污水處理方案，為設備自動化控制提供科學依據[3]，為污水處理的管理提供精準的策略，保證污水處理高效有序運作。

（2）數據信息共享。管控一體化系統采用API 進行統一數據管理，兼容小程序、手機、電腦端使用，同步數據信息，節約時間成本，有利于各部門交流溝通。同時，在生成API的過程中還對信息進行加密處理，保證數據的真實有效。

（3）管理更規范。為污水處理廠站建立一套污水處理檔案，檔案中包括工藝流程控制數據、廠站報警報表、自動監控視頻、日常巡檢記錄等，全面清晰地反映污水廠的基本信息，有利于工作人員掌握排污情況，實現對污水廠精細化、規范化管理。

3 在電鍍園區的應用

工業園區污水處理管控一體化系統已應用于浙江某電鍍園區，具體成效包括：

（1）解決數據信息孤島問題，實現信息化管理；對污水處理廠各類數據進行管理分析，實現各模塊相互聯通；實時監控污水處理工藝，根據進出水口水質和設備運行情況，指揮資源調度，調整工藝參數[12]，優化處理工況。

（2）對污水處理工藝和數據進行監控，分析系統在線數據，及時處理突發情況，保證設備高效運行，降低能源消耗成本，使得管理決策更可控更規范。

（3）將物聯網、移動互聯網等技術與日常管理工作相結合，實現保養計劃、日常巡檢工單、報警表單數字化，管理效率更高；實現批量上傳與導出進出水口水質數據，無紙化辦公，節能減排[13]。

圖3 為水質采集數據分析頁面，采用折線圖統計分析污水處理過程中各類水質指標的變化趨勢。圖4 為設備事件頁面，表中對廠站、異常情況、執行情況、上報時間進行統計，并按照緊急情況進行排序，實時更新執行情況，動態掌握設備運行狀況。圖5 為藥劑單價變化趨勢界面，通過條形圖統計不同時間段各種藥劑單價成本以計算藥劑消耗總成本，及時調整各污水廠藥劑的使用量，在保證污水處理效果最大化的同時，降低成本。圖6 為實時達標概況界面，統計各個污水廠的處理水量和出水水質評分，實時掌握污水處理信息。

圖3 水質采集數據分析頁面

圖5 藥劑單價變化趨勢

圖6 實時達標概況界面

4 結 語

高效的污水處理設施是保護生態、創造優質生活、促進高質量發展的重要保障。污水處理管控一體化系統大大提高了污水處理控制和管理的質量和效率，滿足了污水處理廠的各種需求，使污水處理運行站點向更加智能化、信息化發展。同時，對采集到的數據進行處理與分析，為高效率地處理污水提供了強有力的數據支撐。