目前，我国寒冷地区的中小城镇污水处理厂普遍存在着能耗高、运行稳定性低的问题，其主要原因有污水处理厂所处地区的自然环境、运行负荷率、处理工艺以及污染物的性质等。良好的污水厂运行管理能很大程度地改善污水处理厂的运行状况，实现污水处理厂自动控制是提高运行管理水平的重要途径。榆树市江北污水处理厂采用自动控制系统获得了稳定的出水水质和较好的节能效果。
榆树市江北污水处理厂位于中国吉林省长春五棵树开发区，地处中国东北平原腹地，属北温带大陆性季风气候区，冬季寒冷漫长，工程（一期）的建设规模为：2.0×104m3/d，是典型的寒冷地区中小型污水厂。污水处理厂污水来源为开发区的工业废水和部分生活污水，处理工艺以CASS工艺为主体，前段为预处理系统，包括粗格栅、细格栅、旋流沉砂池以及酸化水解池等，后端为D型滤池、紫外线消毒渠。污泥采用浓缩脱水一体机处理后，运至垃圾填埋场填埋，处理工艺流程如图1所示。
榆树市属中温带半湿润温和气候区，四季分明，冰封期污水水温较低。根据国内外大量的运行经验〕，低温对污水厂氨氮出水达标率影响较大，需采取适当增大溶解氧、维持较高的污泥浓度、降低污泥负荷、延长泥龄等措施；污水处理厂配套的管网不健全，设计不满负荷，这对污水厂的运行管理是严峻考验。采用自动控制系统实时监控并对设备进行调控可以使系统处于稳定的最佳平衡点，获得稳定的出水水质，同时减少了提升泵、曝气泵、加药装置的频繁启动和运行时间，减少电耗和药耗，达到节能减排的目的。
归纳总结了榆树市江北污水处理厂自动控制系统设计方案和组成，并对其控制流程和控制策略进行重点介绍，旨在为寒冷地区中小型污水处理厂的自控系统设计提供示范。
1自动控制系统组成及功能
自动控制系统由可编程序控制器（PLC）及自动化仪表组成检测控制系统，即现场分控站对各生产过程进行分散控制；再由通讯系统、数据服务器、监控计算机组成中央控制系统，即中央控制室，实行集中管理；各分控站与中央控制室之间由工业以太网进行数据通信。控制系统如图2所示。
1.1中央控制系统
中央控制系统以数据服务器为核心，监控工作站冗余配置，采用具有客户机/服务器（C/S）结构形式的计算机局域网络；中央控制室通过光纤冗余环和工业以太网交换机与各分控站连接，传输速率为100Mbps。
中央控制系统设有工程师站、操作站、数据服务器、数据图表打印记录等装置。按照工艺及控制对象的功能、设备量，根据工艺流程和平面布置，工程设一个中央控制室（CCR）。中控室完成工程自动控制和生产的管理，集中了监视、管理、控制生产过程和工艺过程。对生产过程的自动控制、自动保护、自动操作、总调节、以及工艺流程中的各重要参数、设备工况等都进行在线实时监控。
1.2现场监控系统
具有PLC的区域分控站LCS，可以独立运行。现场分控站通过PROFIBUSDP现场总线连接现场总线型测控设备。按照工艺及控制对象的功能、设备量，根据工艺流程和平面布置，设两个现场分控站（LCS1和LCS2）。
1.2.1现场分控站LCS1
LCS1设在鼓风机房，由主站PLC1和一个远程I/O站RIO11以及测控区域内的自控仪表等组成。
PLC1包括1套可编程控制器、1台HMI、1台UPS电源，以变电所、鼓风机房、生化池为监控范围，I/O配置（含15%冗余量）为：DI=144（手动/自动、运行、报警信号），DO=38（开停/控制信号），仪表4～20mA输入信号AI=24，设备4～20mA变频控制信号AO=9。
RIO11监控范围为预处理间和初沉池，I/O配置（含15%冗余量）为：DI=120（手动/自动、运行、报警信号），DO=43（开停/控制信号），仪表4～20mA输入信号AI=15，设备4～20mA变频控制信号AO=0。
1.2.2现场分控站LCS2
由主站PLC2和2个远程I/O站以及测控区域内的自控仪表等组成。PLC2包括1套可编程控制器、1台HMI、1台UPS电源。LCS2设在综合泵房内，监控范围为综合泵房，I/O配置（含15%冗余量）：DI=55，DO=20，AI=7，AO=0。RIO21设在污泥脱水间，I/O配置（含15%冗余量）：DI=63，DO=22，AI=7，AO=0。
RIO22设在D型滤池，I/O配置（含15%冗余量）：DI=150，DO=51，AI=15，AO=5。
2现场分控站监控流程及控制策略
针对临江市污水处理厂规模较小、水质水量变化大、污水水温季节差异较大的特点，自动控制系统的控制策略也将根据处理效果进行调整。
2.1鼓风机房LCS1站
主要对鼓风机房、CAST生化池、变配电室进行监测及控制。
2.1.1鼓风机房
LCS1PLC站主要对鼓风机进行控制，保护风机和调节风量，优化鼓风量，在确保氧转移效率的前提下最大可能地节省能耗。鼓风机的控制流程为：安装在好氧池的DO测定仪的检测值输入PLC站内，PLC根据该测定值与DO浓度设定值（一般为2mg/L）之间的差值来调节鼓风机的转速，自控系统利用溶解氧仪、流量计以及压力表等设备实时监控反馈的信号Uf，与PLC中设定值Us比较，两者作差得到控制量Ut，并根据Ut调节鼓风机的开动及阀门的开闭，实现闭环控制，如图3所示。
当低温等造成水处理效果下降时，可在一定范围内提高PLC站内的DO浓度设定值，以保证该厂冰封期污水可达到排放标准。
2.1.2生化池LCS1
CAST生化池一期共2座，在每座池内设置液位计、pH/温度检测、溶解氧测量仪和悬浮物浓度测量仪。液位计用于监视池内的水位，控制滗水器；溶解氧仪用于监视每座池内溶解氧含量；每座池子在不同的时间段内按曝气-沉淀-滗水-闲置顺序工作；使生物池在同一时间按时间顺序或液位分别滗水。
CAST生化池按连续进水，间歇曝气，周期排水运行，每个周期为6h，曝气3h，沉淀1h，滗水1.5h，闲置0.5h。CAST生化池运行以时间过程控制，曝气量根据池内溶解氧含量与控制程序中溶解氧的预先设定值对比来控制，所有控制均由PLC站自动控制。
CAST生化池的曝气量调节系统和鼓风机房的压力控制系统相互关联，相互影响，最终使生化池的生物处理过程处在最佳状态，实现生化池曝气量的自动调节，保证生化池中的生物处理过程能够顺利进行。
泵池吸水井设置超声波液位计，控制和保护水泵的运行。对水泵进行轮值控制，并均衡各泵的运行时间。
进入冰封期后，根据污水厂出水水质、DO浓度值等参数调整运行周期内各阶段时间，以保证该厂冰封期污水可达到排放标准。根据生产负荷，实现潜水搅拌器、内回流泵的运行控制。
2.2粗格栅、污水提升泵房、细格栅及沉砂池RIO11
RIO11主要对粗格栅间、污水提升泵房内的设备进行监测和控制。
根据粗格栅前后的水位差或者时间间隔起动粗细格栅。由PLC根据集水池液位通过变频器自动调节水泵的流量，减少了电机频繁起动，另外在设计中利用PLC的计时、计数功能，对各泵的运行时间加以累计，然后自动切换运行泵和备用泵，使各泵的运行时间基本一致，延长泵的使用寿命。
细格栅间的控制对象主要有细格栅、输送机、压榨机、旋流沉砂池鼓风机、旋流搅拌机。格栅的运行依据格栅前后水位差或时间间隔来控制。只要1台格栅运转，输送机就会启动并持续至格栅停止运转后一段时间。旋流沉砂池自带控制箱，实现全系统闭路自动运行。叶片随来水连续转动，定时完成气洗、气冲、气提动作并保持砂水分离机和主机联锁。提砂后砂水分离机动作，提砂停止后，砂水分离机滞后停止。。
2.3综合泵房及消毒间LCS2
2.3.1综合泵房
泵房吸水井设置超声波液位计，控制和保护水泵的运行。对水泵进行轮值控制，并均衡各泵的运行时间。配合生产需要，对相关阀门进行控制。
在综合泵房集水井设置水质分析监测点，内容有NH3-N、浊度（MISS）、酸碱度/温度（pH/T）。泵房吸水井还设置有自动取样器，自动进行进水取样，供化验室分析和存样。
2.3.2污泥浓缩脱水机房RIO21
在各污泥浓缩脱水机进泥管和加药管设置电磁流量计，数据送入污泥控制系统，为污泥浓缩脱水机进行比例加药控制提供参数。絮凝剂制备为全自动控制装置，但其与各浓缩脱水机、螺旋污泥输送器等设备必须实行联动控制。
2.3.3D型滤池RIO22
D型滤池设置有反冲洗泵总管、鼓风机总管、空压机总管、每格滤池出水口压力，鼓风机总管空气流量，每格滤池水位和出水口压力，滤池出水浊度等；反冲洗泵房的吸水池设有液位计和液位开关对反冲洗水泵进行控制和保护。
滤池是污水深度处理工艺过程的核心部分，滤池控制的主要任务是要自动控制滤池的运行和反冲洗。
滤池的过滤控制：根据每格滤池的水位自动控制出水阀门的开启度，水位下降到设定低限时，减小阀门的开启度，反之，加大阀门的开启度，使得滤池内的水位在过滤过程中保持恒定。保证滤池有一个相对恒定的滤速，从而保证滤池正常、稳定的过滤。
滤池的反冲洗控制：每一滤池的反冲洗按照气冲洗-气水冲洗-水冲洗-表洗的程序步进完成，同一时刻只能够有1座滤池进行反冲洗。反冲洗可分为自动、手动两种方式。自动控制滤池的反冲洗，可以保证滤池的过滤质量，节约反冲洗水。
滤池反冲洗判断功能：过滤周期控制方式——操作员根据工艺上提出的要求，在PLC的程序中设定滤池的最大过滤时间。在滤池开始过滤运行时，PLC就开始计时，并将实际的运行时间与设定的最大过滤时间相比较，两值相等时PLC判断该格滤池需要反冲洗。水头损失控制方式——在PLC的程序中设定滤池的最大阻塞水头损失，当滤池运行时，PLC通过超声波液位计和出水管上的压力变送器连续测量每格滤池的水头损失，并将其值与设定值进行比较，水头损失大于其设定值时PLC判断该格滤池需要反冲洗。
3运行结果
运行期间对12个月出水水质指标、吨水耗电量等数据进行监测记录，取平均值，结果如表1所示。
计算得出12个月出水平均COD、BOD5、SS、TP、NH3-N分别为40.84、16.38、17.91、0.67、6.22mg/L，标准差分别为2.23、0.85、0.90、0.08、1.24，年平均吨水耗电量为0.31kW•h。可见，采用自动控制系统对运行过程进行监测、控制，使该厂运行稳定性和出水水质达标率提高，且该厂的吨水耗电量也较低。
4总结
榆树市江北污水处理厂自动化控制系统运行1a以来，取得了很好的处理效果，出水水质达到（GB18918—2002）《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级标准中B标准，在保证出水水质的同时吨水耗电量也较低。同时，污水处理达到了集中管理、分散控制的目的，实现了网络化、数字化和智能化。实践结果表明，该自动控制系统应用于CAST工艺中小型污水处理厂是成功的，对于寒冷季节的出水达标有显著作用。
