污水厂站智能化控制技术规范-编制说明

一、项目来源根据《广西标准化协会关于下达2022年第七十三批团体标准制修订项目计划的通知》（桂标协〔2022〕178号）文件精神，由广西智慧水务工程研究中心提出，广西北投环保水务集团有限公司、广西上善若水发展有限公司、上海昊沧系统控制技术有限责任公司等单位共同起草的团体标准《污水厂站智能化控制技术规范》（项目编号：2022-7303）获批立项。二、项目背景及目的意义污水处理行业作为国家新兴战略产业之一，国家早在“十二五”规划时就对城镇污水处理提出了更高要求，强调了污水处理自动化、信息互联化及智能工业化技术的发展；在“十四五”规划中，也进一步强调了污水处理厂的数字化转型。随着我国社会发展与工业进程的不断加快，使得污水的排放问题越来越严重,城市生活废水以及工业废水在早期的时候都是直接排放到大自然中，通过自然的自我净化调节功能将废水进行分解。然而在工业化不断扩展的今天，污水排放量十分庞大，仅仅利用然的净化调节功能无法将这些废水进行有效处理，这就使得污水处理厂的重要性愈发明显。中国水网最新研究报告显示，“十四五”期间，全国城镇污水处理行业的投资需求将达近5400亿，其中：在建、新建城镇污水处理设施建设投资将达到1000亿元，污水处理厂升级改造的投资预计为300亿元；同期，配套管网的投资约3200亿元，污泥处理处置的投资为650亿元，再生水利用投资为240亿。污水处理工艺发展很快，一些复杂高效工艺的出现,要求自动化控制系统从经验式固定程序向智能化发展。特别是一些重要的工艺环节如絮凝加药、泵站调度、二次生化等需要采用先进的检测仪器和智能化的控制方式。随着科学技术的不断进步与创新，为污水处理厂提供了许多新的技术，自动控制系统自引入到污水处理的过程后就得到了大范围的普及与应用。利用自动控制系统来对污水进行处理具有很多的优势，不仅操作起来十分简便，并且还能够实现实时监测，节省了大量的人力物力，对污水厂的经济运行意义重大。将自动控制系统应用在污水处理的过程中能够取得良好的效果,不仅提高处理污水的效率，使水的质量得到了明显的提升，同时还极大的减少了排放的有毒物质，为社会发展带来了巨大的环境效益与经济效益，有利于社会的可持续发展，具有非常积极的现实作用。通过制定团体标准《污水厂站智能化控制技术规范》，以标准为抓手，统一规范污水厂站智能化控制系统的建设要求，进而提高污水厂站设备效率，满足污水处理要求，延长设备使用寿命，减少设备维护、维修费用的成本，对推动“传统水务”迈向“智慧水务”，实现污水处理现代化、智能化具有重要意义。三、项目编制过程（一）成立标准编制工作组团体标准《污水厂站智能化控制技术规范》项目任务下达后，广西智慧水务工程研究中心成立了标准编制工作组，起草单位制定了起草编写方案与进度安排，明确任务职责，确定工作技术路线，开展标准研制工作。具体标准编制工作由广西北投环保水务集团有限公司、广西上善若水发展有限公司、上海昊沧系统控制技术有限责任公司等起草单位组成标准编制工作组，编制工作组下设三个小组，分别是资料收集组、草案编写组、标准实施组。资料收集组负责国内外有关污水厂站智能化控制技术文献资料的查询、收集和整理工作，查阅前人对污水厂站智能化控制技术的研究情况。草案编写组负责起草标准草案、征求意见稿和标准编制说明、送审稿及编制说明的编写工作，包括后期召开征求意见会、网上征求意见，以及标准的不断修改和完善。标准实施组负责团体标准《污水厂站智能化控制技术规范》发布后，组织科研院所、相关企业开展标准宣贯培训会，对标准进行详细解读，让相关人员了解标准，并根据标准对污水厂站智能化控制技术进行规范化评审，保证系统建设技术的准确性，并对标准实施情况进行总结分析，不断对团体标准提出修正意见。（二）查阅标准及文献资料标准编制工作组收集了国内有关污水厂站智能控制的相关文献资料。主要有：Q/320602HXH01-2021污水厂工业自动化仪表智能控制系统Q/MAS1091-2019MAS-SKZ智能一体化污水数控站（三）研讨确定标准主体内容标准编制工作组在对收集的资料进行整理研究之后，标准编制工作组召开了标准编制会议，对标准的整体框架结构进行了研究，并对标准的关键性内容进行了初步探讨。经过研究，标准的主体内容确定为术语和定义、缩略语、污水处理工艺、设备仪表、水处理监控、系统架构及功能、系统软件平台、运行监控、监控网络拓扑结构、监控设备部署、监控对象。（四）形成草案、征求意见稿2022年8月-9月，标准起草工作小组进行了广泛实地调研工作，到污水监测站、厂家，智慧水务企业就标准立项和产业发展进行座谈交流，并查阅了大量的国内外文献资料，对污水厂站智能化控制技术的前人研究成果进行系统总结。形成了标准的基本构架，对主要内容进行了讨论并对项目的工作进行了部署和安排。2022年9月-2022年10月，在前期工作的基础之上，通过理清逻辑脉络，整合已有的参考资料中有关污水厂站智能化控制技术要求，并结合广西北投环保水务集团有限公司、广西上善若水发展有限公司、上海昊沧系统控制技术有限责任公司等起草单位实验研究的基础上，按照简化、统一等原则编制完成团体标准《污水厂站智能化控制技术规范》（草案）。2022年11月-2023年5月，标准编制工作组对污水处理厂生产运营管理平台试点项目建设报告及研究内容进了整理，并结合前期技术咨询会、征求意见会等内容针对污水厂站智能化控制技术进行多次讨论、研究，最终形成团体标准《污水厂站智能化控制技术规范》（征求意见稿）和编制说明。四、标准制定原则1、实用性原则本文件是在充分收集相关资料和文献，分析污水厂站智能化控制技术当前现状，在现有国家、行业标准相关污水厂站智能化控制体系建设的基础上，结合广西北投环保水务集团有限公司、广西上善若水发展有限公司、上海昊沧系统控制技术有限责任公司等单位多年的智慧水务建设及实践经验总结起草的。符合当前智慧水务建设相关要求的同时，保证了污水厂站智能化控制技术要求的准确性。标准编制组对标准实施情况进行讨论分析的基础上，不断对团体标准提出修正意见。2、协调性原则本文件编写过程中注重与污水厂站智能化控制技术相关法律法规的协调问题，在内容上与现行法律法规、标准协调一致。3、规范性原则本文件严格按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的要求和规定编写本标准的内容，保证标准的编写质量。4、前瞻性原则本文件在兼顾当前区内污水厂站智能化建设实际情况的同时，考虑到环境治理趋势和生态环境发展需要，在标准中体现了个别特色性、前瞻性和先进性的条款，作为对污水厂站智能化建设技术发展的指导。标准主要内容及依据来源团体标准《污水厂站智能化控制技术规范》主要章节内容包括监控网络拓扑结构、系统软件平台、管理级平台软件、设备仪表要求、水处理监控、运行监控、监控设备部署、监控对象和数据安全。术语和定义1.污水厂站智能化控制主要依据GB/T37546《无人值守变电站监控系统技术规范》“3.1无人值守变电站”进行确定。污水厂站智能化可以将5G、物联网、大数据等技术与智慧水务融合，实现污水厂无人/少人值守的自动控制。图1GB/T37546“无人值守变电站”术语和定义2.污水厂站监控系统主要依据GB/T37546《无人值守变电站监控系统技术规范》“3.2变电站监控系统”进行确定。污水厂站监控系统能够把污水监测和处理环节过程实现信息化、数字化，将监测数据通过自动或手动录入形成数据流，实现与在线监测仪表数值的比对分析和预警，以此保障水净化工作的有效性。图2GB/T37546“变电站监控系统”术语和定义网络拓扑结构检测仪器组成数据采集层。通过检测仪器（TN分析仪、TP分析仪、COD在线检测仪等）和监控设备（潜污泵、电动阀、变频器等），实时采集水流、水质、电量、转速、开度、限位等数据信息，以数字信号或模拟信号形式传输给控制层；并执行控制层发送的指令，实时控制设备运行。实现信息采集和执行控制指令的功能。可编程逻辑控制器（PLC）、单元控制模型、闭环协调控制模型等部分组成控制层。通过构建污水厂站工艺过程控制组态，依据实时采集监测信息或数据，发出控制指令，实现取水量、加药量、加氯量等的实时控制。根据实际需要，在总控室设置操作员站，并在此站上运行利用“组态王”软件编制的污水厂监控调度系统，监控调度系统图形化的界面可以形象地显示红外球机监控下各监控对象的实际运行情况。这样，现场工作人员通过操作员站就可以详细地了解全厂的运行情况，下达操作控制指令并实现污水厂的自动控制。污水处理厂监控网络拓扑结构见图3。图3污水处理厂监控网络拓扑结构系统软件平台由于污水处理厂站具有数量多、规模小、分布广的特点，为了实现区域内集中监控的目标，通过对万伟Wonderware的Intouch［美］、通用电气GEFanuc的iFIX［美］、彩虹ARCInformatique的PCVue［法］、施耐德Schneider的VijeoCitect［法］、西门子Siemens的WinCC［德］、研华的WebAccess［中］、亚控的KingView和KingSCADA［中］等技术性能进行比较，结合工程实际需要和多数开发人员的熟练程度，选择基于Windows操作系统、SQLServer实时数据库、兼容各类PLC设备及通信协议，具有集成化管理、模块化开发、可视化操作、智能化诊断与控制、Web发布访问、使用简单方便、运行安全可靠的KingSCADA作为现地监控组态软件开发平台，并支持Linux操作系统环境下集中监控应用的开发，通过项目建设已取得了良好的成效。基于起草单位在污水厂站智能化运营管理平台的运行实际进行确定。污水厂站智能管理平台的实时监控画面见图4。通过该系统将生产与运行管理有机地结合起来，以平台软件作为企业管理层和现场自动化控制层数据共享、分析、交换的基础平台，实现生产运行集中监视、运行全厂三维、数据曲线分析、数据优化与报表管理、报警管理、手机APP移动应用等功能，全面提升企业的生产管理效率和运营管理水平。图4污水厂站实时监控工艺总览图数据大屏可视化是数据可视化的一种展现形式，通过图表化的展示方式用户更加直观、美观的获取重要数据信息。大屏主要包括：生产KPI、设备KPI、能耗分析、运行报警、工单统计、当前值班六大业务范围。系统应有多种曲线展示风格，能够以组合测点和单测点形式展示。历史曲线可以选择天、周、月、年周期。系统有较高的曲线绘制速度。对于每分钟采集一次的仪表（每年50万个以上数据点）绘制全年历史曲线的时间不超过30秒。日常作业中将部分无法自动采集的数据，比如水质的化验数据，通过人机交互的形式，录入系统，与自动采集的数据一样可用于统计展示。依赖于测点管理提供的基础数据，根据时间周期将每个时间点对应的数据录入系统，可在数据曲线中查看录入的数据。进出水口pH数据采集曲线图见图5。图5水质pH数据采集计算任务主要提供对测点历史数据的周期性汇总计算，为系统提供门户统计数据、设备生产KPI数据、复杂的报表数据源等。新增计算任务需要配置数据源测点，计算公式等，其中计算公式包括简单的单测点求和、均值计算等，也支持用户自定义的四则运算等。计算范围包括消减量、合格率、负荷率、差值均值、最大值最小值、开机次数、停机次数、运行时间等。计算周期包括小时、天、月和年，生成之后系统自动开始计算，计算结果存储在数据计算型测点中，能够以报表和曲线方式展示。设备仪表要求水质监测设备仪表包括TP分析仪、TN分析仪、高锰酸盐分析仪、DO在线检测仪、ORP在线检测仪、BOD检测仪、COD在线检测仪、SS浓度计、MLSS浓度计等。主要依据智慧管理平台水质看板中进出水口的检测项目要求进行确定，见图6。智慧管理平台把水质化验环节实现信息化、数字化，将水厂化验室的数据通过自动或手动录入形成数据流，实现与在线监测仪表数值的比对分析和预警，对水质检测各项指标实现有效监测，保障水净化工作的有效性。图6主要设备仪表清单监控对象实施污水处理全过程的监控管理，实现工艺流程、设备工况、水质水量的自动监测、自动报警、自动保护、自动调节和自动控制，提高污水处理设施效能，保障污水处理成效。1.粗格栅和提升泵房城镇污水通过管道收集输送到污水处理厂前端集水井，经粗格栅筛分去除水中较大的漂浮物之后，由污水提升泵输送到地面以上的污水处理构筑物。需要控制的对象为格栅机、污水泵、电动闸门，监测对象包括集水井液位、进水流量，同时需要监控有毒有害气体浓度。2.细格栅和沉砂池细格栅槽用于去除污水中粒径较小的悬浮物和漂浮物，沉砂池去除比重较大的沙砾、泥沙等。常用的沉砂池类型有旋流沉砂池、曝气沉砂池等。需要控制的对象包括细格栅机、砂水分离器、搅拌机、吸砂机等。污水处理厂进水取样点设置在细格栅后端，设有取样泵、自动取样器、自动过滤器、水质分析仪，用于监测细格栅前后液位、进水pH，以及COD、氨氮、总磷、总氮浓度。3.初沉池沉砂池出水经配水渠均匀进入平流式初沉池，在污水水平流动过程中比重相对较大的悬浮杂质被沉淀去除。需要控制的对象为刮泥机、排泥电动阀、污泥泵（设置在污泥井中单独控制），监测对象为污泥井液位、出水渠液位。4.生化反应池初沉池出水进入生化反应池，主要去除污水中的有机物、氨氮、磷等污染物。生化反应池工艺类型广泛、形式多样。从微生物形态上可分为活性污泥法和生物膜法；从运行方式上分为序批式反应器和连续流反应器；从反应条件上分为厌氧、缺氧、好氧、兼氧反应器；从工艺类型上分为A/O、AA/O、SBR、CASS，接触氧化、生物滤池、氧化沟、MBBR、MBR、生物氧化塘等。最常见的是AA/O工艺，污水将分别流经厌氧区、缺氧区、好氧区，用于厌氧释磷、缺氧反硝化、好氧吸磷、硝化并去除COD。主要涉及的设备包括电动闸门、搅拌机、污泥回流泵、硝化液回流泵、曝气管流量计、气量调节阀等。生化反应池是污水处理厂的核心构筑物，能够监测污水的各类指标，使人们更准确地掌握污水处理厂运行状态，以指导污水处理厂的运行调控。需要监测的项目包括进水温度、配水流量、污泥回流量、硝化液回流量、厌/缺氧区氧化还原电位（ORP）、生化池液位、好氧区沿程溶解氧（DO）、曝气池污泥浓度（MLSS）、进出口pH等，宜检测好氧池出口氨氮、硝氮。需要控制的设备包括进水口电动闸门、搅拌机、出水堰板、污泥回流渠电动闸门、硝化液回流泵、污泥回流泵（设置在二沉池的污泥井或污泥泵房内，需单独控制）、滗水器等。5.二沉池二沉池一般采用辐流式，多池并联运行，用于泥水混合液的分离，并使富含大量活性微生物的污泥，回流到生化反应池继续反应。需要控制的设备包括进水闸门、刮泥机、排泥电动阀，监测指标为出水SS、泥位。6.消毒池和计量槽消毒池用于去除出水中的微生物。监测指标主要为出水COD、氨氮、总氮、总磷、SS、消毒池液位，以及水厂出水口计量槽液位，以确定出水量。计量槽常采用巴氏计量槽，用于准确计量污水量、污泥量以及动力耗量。7.贮泥池和污泥浓缩池由于初沉池和二沉池排泥的不连续性，需要设置贮泥池来调节污泥浓缩池的进泥量。贮泥池设置有污泥泵和液位计。污泥浓缩池的作用和结构与沉淀池相似，不同之处在于污泥浓缩池需要投加絮凝剂提高污泥沉降性。污泥浓缩池被控对象包括刮泥机、搅拌机和加药泵。8.污泥脱水机污泥脱水的目的是促进污泥进一步浓缩，降低污泥含水率。污泥经加压并投入污泥调理药剂进入污泥脱水机，在机械外力作用下促进泥水分离。需要控制的设备包括污泥泵、脱水机、清洗泵、加药泵等。需要监测的指标包括进泥量、加药量、污泥pH等。9.污泥泵房或污泥井污泥泵房或污泥井（可能兼具贮泥池）的作用是将初沉池污泥、二沉池污泥合理分配到其他构筑物。需要控制的对象为污泥泵。10.鼓风机房鼓风机房的作用是为曝气池供氧。需要控制的对象为鼓风机，检测项目包括鼓风机频率、转速、流量、风压、轴功率、电机功率、电机温度、环境温度及湿度等。11.加药间和消毒间加药间的作用是控制各构筑物药剂的配制和投加，需要