基于PLC的城市污水处理系统设计
王惠1 杨晓楠1 聂建华2 陈迪1
（1．泰山科技学院，山东 泰安 271038；2．山东省人民政府机关政务保障中心，山东 济南 250000）
摘 要：随着城市化进程的加快，生活废水的数量愈加庞大，以往的直接排放进入河流的处理方式明显不能满足国家生态治理的要求，因此，简洁高效的污水处理方式成为首选。本设计通过PLC控制系统实时采集污水的温度、pH值和溶氧量，采用生物法和化学法结合，高效的处理污水中的有机物，从而达到排放标准。
关键词：污水处理系统；PLC；有机物
Design of urban sewage treatment system based on PLC
Wang Hui1，Yang Xiaonan1，Nie Jianhua2，Chen Di1
(1Taishan University of science and technology,Taian,Shandong 271038
2 Government affairs Guarantee Center of Shandong Provincial People’s Government,Jinan,Shandong 250000)
Abstract:With the acceleration of urbanization, the amount of domestic wastewater is becoming larger and larger. The previous treatment method of direct discharge into the river obviously cannot meet the requirements of national ecological governance. Therefore, a simple and efficient sewage treatment method has become the first choice. This design collects the temperature, pH value and dissolved oxygen of sewage in real time through the PLC control system, and adopts the combination of biological method and chemical method to effectively treat the organic matter in sewage, so as to meet the discharge standard.
Keywords: Sewage treatment system;PLC;organic matter
0 问题提出
城市生活污水中的化学有害物质较少而常见有机物较多，如果与工厂的污水一块处理，将会增加处理成本和运营负担[1]。因此，设计一款独立的城市生活污水处理系统显得尤为重要。
1 解决思路
本设计工作流程，当两种污水经过格栅池去除固体杂质后分别存储集水池内，再汇聚到同一个综合调节池，需要根据两种污水的pH值和综合调节池内污水液位，决定是1号还是2号集水池内的污水进入或者同时进入综合调节池内。当综合调节池内污水无法通过进水来平衡pH值时，就需要使用加药箱设备加药调节综合调节池内的pH值。调节后的污水在流入UASB罐和加氧生化池内前需要进行温度监测，以便为菌体提供适宜的环境温度。经处理后的水，流入沉淀池内沉淀，最后排出处理后的水。其中UASB罐和沉淀池产生的污泥，将会通过污泥管道送到污泥浓缩池进行处理[2]。污水处理系统流程图如图1所示[3]。
图1 污水处理系统流程图
2 组成及作用
（1）格栅池：拦截污水中大块的漂浮物和悬浮物，确保后续单元正常运行。（2）集水池：汇集、储存和均衡污水的水质水量。（3）综合调节池：调节污水的pH值，增大污水处理系统的负荷能力，保护生物法处理工序中微生物的存活。（4）UASB厌氧罐：污水处理能力强，可产生沼气，减少污泥排放量。（5）加氧生化池：微生物在池内进行有氧呼吸，有效去除污水中的有机物。（6）沉淀池：利用沉淀作用，有效去除污水中的悬浮物。（7）污泥浓缩池：减少污泥中的含水量，减轻污泥的重量和体积[4]。
3 硬件设计
控制部分采用西门子S7-1200PLC，使用和扩展的输入输出信号有数字量输入信号15个、数字量输出信号29个和模拟量输入信号18个[5]。模拟量输入信号如表1所示。
表1 模拟量输入信号
模拟量输入信号 名称 地址 作用
1 1格栅池液位 IW112 监测1号格栅池液位
2 1集水池液位 IW114 监测2号格栅池液位
3 2格栅池液位 IW116 监测1号集水池液位
4 2集水池液位 IW118 监测2号集水池液位
5 综合调节池液位 IW120 监测综合调节池液位
6 1集水池pH值 IW122 监测1号集水池pH值
7 2集水池pH值 IW124 监测2号集水池pH值
8 综合调节池pH值 IW126 监测综合调节池pH值
9 UASB罐pH值 IW128 监测UASB罐pH值
10 沉淀池出水pH值 IW130 监测沉淀池出水pH值
11 UASB进水前温度 IW132 监测UASB污水温度
12 UASB内污水温度 IW134 监测加氧生化池污水温度
13 加氧生化池进水前温度 IW136 监测加氧生化池溶氧量
14 加氧生化池污水温度 IW138 监测UASB进水前温度
15 加氧生化池溶氧量 IW140 监测加氧生化池进水前温度
16 加氧生化池液位 IW142 监测加氧生化池液位
17 沉淀池液位 IW144 监测沉淀池液位
18 加氧生化池pH值 IW146 监测加氧生化池pH值
部分模拟量输入电气接线图如图2所示
图2 模拟量输入电气接线图
其他硬件包括全自动二腔式加药箱、空气压缩机、pH传感器、温度传感器、液位传感器、溶解氧分析仪和触摸屏[6]。
3.1 全自动二腔式加药箱
选用远扬环保设备全自动二腔式加药箱（定制），加药箱内部的控制设备通过PLC给出的控制信号，决定加药时间和中和反应时间。经过一定中和反应时间后，若pH值仍不符合控制要求，则通过PLC控制再进行加药处理。
3.2 空气压缩机
选用波莱特空气压缩机，规格为BLT4-250A/W。空气压缩机提前压缩空气存储在压缩机内部到一定气体压力，送出压缩气体降低内部气体压力，则再次运转开始压缩空气。本文中空气压缩机需要等到PLC给出控制信号后，将压缩空气送出。
3.3 pH传感器
选用BT6108-pH传感器，电流信号4～20MA。BT6108-pH传感器采用玻璃电极填充凝胶技术，具有低磨损和稳定性的特点。BT6108-pH传感器可以在0-14pH的范围和低导电的范围中自由地选择量程，传感器不需要频繁的校准。
3.4 温度传感器
选用NTC温度传感器（UL2651），电流信号4～20MA。NTC温度传感器是由多种氧化物烧结而成的陶瓷组件，其电阻值随着温度的升高而降低。
3.5 液位传感器
选用BOS-H108-W液位传感器，电流信号4～20MA。液位传感器采用隔离型扩散硅敏感元件。首先传感器将液体静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。最后根据所测液体静压与该液体的高度成比例的关系计算出液体高度。
3.6 溶解氧分析仪
选用BT6108-DO溶解氧分析仪，电流信号4～20MA。溶解氧分析仪可以发射出蓝色光，而溶解氧分析仪产生的蓝光光强，与水中的氧气成反比，溶解氧分析仪还会产生红光，而溶解氧分析仪产生的蓝光和红光之间有时间延迟，延迟的时间和含氧量成反比，溶解氧分析仪就是靠着蓝红光之间的波形图，再经过溶解氧分析控制器转换，最后成为可见数据。
3.7 触摸屏
选用KTP700 Basic PN立式触摸屏（订货号：6AV2 123-2GB03-0AX0），是西门子新一代的低成本HMI（精简面板）。西门子研发二代触摸屏，满足了用户对高品质可视化和便捷操作的需求，同时其性能范围也有了显著扩展，主要优势在于其高分辨率和65500色的颜色深度。
4 软件设计与组态界面
本设计中，为了保证动作的准确性，每个处理池均有程序[7]。当pH值不同时，执行对应程序[8]。
4.1 系统状态一
污水处理系统中的每个系统部分的液位、pH值、溶氧量和温度都处在正常适宜状态，因此，污水处理系统中各部分系统都持续进水工作，不需要进行加药、加氧和控温等操作。格栅池清污电机和沉淀池污泥刮板处于正常运行状态。UASB罐内进清水稀释污水浓度电机和浓缩池污泥刮板电机处于停止状态，只有工作人员手动操作才能运行。沉淀池出水pH值正常，报警灯不亮。
4.2 系统状态二
若1号集水池和综合调节池内的污水pH值监测为酸性，2号为碱性。1号和2号格栅池、1号和2号集水池液位还没有到达限制高度2.4米，故两个集水池持续进水。综合调节池内的污水为酸性污水，需要进行酸碱度调节，又因综合调节池内污水液位大于2米且小于4.2米，所以，使用综合调节池2号进水口进碱性污水，中和综合调节池内酸性污水。此时，加氧生化池内污水为酸性污水，因此，需要添加碱性药剂，又因为池内污水液位没有达到指定液位，所以仍在进水。
此时其他系统部分：沉淀池污泥刮板和格栅池清污电机处于正常运行状态；UASB罐内进清水稀释污水浓度电机和浓缩池污泥刮板电机处于停止状态，只有工作人员手动操作才能运行；UASB罐内停止进入污水，UASB罐、沉淀池和污泥浓缩池都正常工作；沉淀池出水pH值正常，报警灯不亮。
4.3 系统状态三
若1号集水池和综合调节池内的污水pH值监测为酸性，2号为碱性。1号和2号格栅池、1号和2号集水池液位还没有到达限制高度2.4米，故两个集水池持续进水。综合调节池内的污水为酸性污水，需要进行酸碱度调节，又综合调节池内污水液位大于2米且小于4.2米，所以使用综合调节池2号进水口进碱性污水，中和综合调节池内酸性污水。此时，加氧生化池内污水为酸性污水，因此，需要添加碱性药剂，但是因为池内污水液位没有达到指定液位，所以仍在进水。
此时其他系统部分：沉淀池污泥刮板和格栅池清污电机处于正常运行状态；UASB罐内进清水稀释污水浓度电机和浓缩池污泥刮板电机处于停止状态，只有工作人员手动操作才能运行；UASB罐内停止进入污水，UASB罐、沉淀池和污泥浓缩池都正常工作；沉淀池出水pH值正常，报警灯不亮[9]。此时，组态界面如图3所示。
图3 组态界面
4.4 系统状态四
若1号、2号集水池和综合调节池内的污水pH值监测为中性。1号和2号格栅池、1号和2号集水池和综合调节池液位还没有到达限制高度，故污水处理系统的此部分在正常工作，持续进水。由于UASB罐进水时的污水温度过高，需要对污水进行冷却处理。此时，加氧生化池进水时的污水温度过低，需要对污水进行加热处理。此时，沉淀池出水的pH值为碱性，因此，沉淀池出水pH灯亮红灯。沉淀池液位达到指定液位，停止进水。
此时其他系统部分：沉淀池污泥刮板和格栅池清污电机处于正常运行状态；UASB罐内进清水稀释污水浓度电机和浓缩池污泥刮板电机处于停止状态，只有工作人员手动操作才能运行；UASB罐和加氧生化池内停止进入污水，UASB罐、加氧生化池和污泥浓缩池都正常工作。
4.5 系统状态五
若1号格栅池和1号集水池污水液位都位于高液位，故1号格栅池和1号集水池都停止进水。此时，综合调节池内污水液位大于4.2米，但是，两个集水池和综合调节池内pH值为7，因此，综合调节池内将会通过2号进水口进水，池内污水液位到达4.5米时停止进水。此时，加氧生化池内污水溶氧量为2.17mg/L，因此，需要向池内增加氧气。加氧生化池内污水液位达到指定液位，因此池内停止进水。
此时其他系统部分：沉淀池污泥刮板和格栅池清污电机处于正常运行状态；UASB罐内进清水稀释污水浓度电机和浓缩池污泥刮板电机处于停止状态，只有工作人员手动操作才能运行；UASB罐内停止进入污水，UASB罐、加氧生化池、沉淀池和污泥浓缩池都正常工作；沉淀池出水pH值正常，报警灯不亮。
4.6 其他系统状态
当综合调节池液位在2米以下时，综合调节池pH值不在6.8～7.2范围内，应该由两个进水口同时进水。在初步设想中并没有考虑这一进水方式。经过修改完善PLC程序后，在之后的调试中完美的解决了该类问题，由于可变参数的数量繁多，所以无法将污水处理系统的各个运行状态全部列举出来[10]。
5 结束语
基于PLC的城市污水处理系统满足了城市污水处理的需求，减轻了工业污水处理厂的压力，为河流降污和环境治理指明了方向。
参考文献
[1]邓乂寰, 吴坤, 阳平坚, 赵泉林, 叶正芳. 我国城镇污水处理厂发展历程及技术建议[J]. 工业用水与废水, 2021, 52(04): 1-5.
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[3]张璐怡. 新形势下我国污水处理行业发展现状分析[J]. 环境保护, 2021, 49(02): 32-36.
[4]赵超. 城市污水处理系统中一体化泵站设计及智能化研究[J]. 皮革制作与环保科技术,
2022,3(8):110-112.
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[6]王翔, 商细彬, 姜晶. 城市污水处理系统电气控制自动化研究[J]. 中国科技投资, 2017, (29): 338.
[7]杜文弓. 基于PLC的污水处理系统设计[D]. 华北理工大学, 2020.
[8]叶建亭. 以可编程控制器为核心的城市污水处理系统设计[J]. 城市建设理论研究(电子版), 2012, (5).
[9]施汉昌, 柯细勇, 刘辉. 污水处理在线监测仪器原理与应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008. 11-32.
[10]赵恩海, 朱文亭. 我国污水处理发展趋势[J]. 城市环境与城市生态, 2000, 13(4): 39-41.
作者简介：王惠（1990—），男，山东省泰安人，硕士研究生，工程师。研究方向：计算机控制。
