探索地下式污水处理厂环境监测与控制要点

探索地下式污水处理厂环境监测与控制要点

孔仪

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【摘要】城市快速发展进程中，土地资源供需矛盾日益突出，为充分利用地下空间，促使外部环境友好，地下式污水处理厂应运而生。地下环境较地上存在很多不利因素，合理设计智能控制系统，对地下箱体的温湿度、有害气体等进行全方位监测，对后期运维的便利性与安全性具有重大影响。通过实地考察已建成的地下式污水处理厂运营情况，分析不同设计方案在实际建设及运营过程中的优劣，能有效理解地下式污水处理厂智能控制等设计方案重难点，为今后设计地下式污水厂的智能化设计方案提供思路。

【关键词】智能照明；气体检测；智能化设计；地下式污水处理厂

随着大数据、云计算、物联网、5G 和人工智能等新一代信息通信技术应用日益普及，城市建设正快速由信息化向数据化和智能化迈进[1]。全面应用新科技和互联网思维是优化设计方案，提升运营管理水平，保障财产及人身安全的必然选择。目前，地下式污水处理厂大多采用智慧化建设，配电设计、地下环境参数检测、报警、设备智能化控制等信息数据集成于智慧水务平台，保证对地下厂全方位的监控与运行维护管理。然而，在地下式污水厂建设与运营过程中，仍存在许多难点亟待解决。如何利用现有技术减少环境对厂区运营管理的影响，是设计人员面临的挑战。本文首先阐述地下环境对地下式污水处理厂的建设与运营所产生的影响；再针对地下式污水处理厂现存的弊端从智能照明控制系统、地下空间气体检测与报警系统设计思路、多参数便携式气体检测仪在巡检过程中的使用三个部分分析地下污水厂环境监测与控制设计要点；最后，根据实际施工及运维要求提出今后地下污水厂环境监测与控制设计需要考虑的细节问题。

1 地下式污水处理厂环境特性与影响

1.1 地下空间照明对污水厂运维的影响

地下处理污水厂因其全部结构位于地面以下且规模庞大，导致其光照系统较地面处理设施更为复杂，需要对光源的利用效率有更高的要求，从而使得照明消耗显著增加。照明系统的效能直接关联到维护成本和安全操作，因此，减少照明用电是减缓这类污水处理厂能源消耗的关键措施之一。同时，地下空间上部一般会布有吊车、风管、电缆等，为避让空间，通常会降低直管灯的吊装高度，但若位置设置不合理，就会造成压缩层高，上部空间浪费，并且在巡检人员会直观感受到灯管吊装过低带来的压抑感。此外，污水厂在实际运维阶段，对照明的需求是复杂多变的，如日常巡检对照度的要求比较低，设备检修时对局部照明要求较高，但由于设计方案对照明节能考虑不全面，对使用的便利性和及时性没有考虑到位，设计方案过于保守，使得运维人员无法灵活控制现场灯具开关，照明系统并不能达到应有的节能效果。因此，智能照明系统设计时需要充分考虑地下式污水厂的现场管理和远程控制以及厂区的节能。

1.2 地下环境对设备及人身安全的影响

地下箱体湿度较大，各工艺段也会产生有毒有害及爆炸危险性气体，对设备的使用寿命及人员安全都有很大影响。地下空间存在严重的空气不流通问题，室内的甲烷、硫化氢、二氧化碳等气体必须及时排除。处理使用必要的通风设备外，环境监测也是很重要的环节，实时详细的环境参数对通风设备的智能控制具有重大影响。设置环境气体检测系统，需要设置各类空气传感器，在各出入口安装声光报警装置、气体表盘，将传感器、数字终端、物联网构架、计算机局域网、信息化系统管理软件、智能终端应用软件、后台云计算以及现场移动管理应用，集成为统一的信息化空气质量管理平台。但在设计过程中，设计人员通常对地下环境问题考虑不足，设计方案过分理想化，导致实际运营中出现较多问题。在考察已投入运营的地下污水厂时，不同工艺段的环境复杂程度不同，在预处理区的环境往往尤为恶劣，湿度、腐蚀性、有毒有害气体明显高于其他区域，同时，气体、水汽的渗透性较强，即便是全封闭的池体，下部池体对上部设备空间依然有较大影响，尤其当施工工艺未达到理想情况时，设备锈蚀的概率很高。受环境影响，特别是通风设备的使用寿命大幅降低。因此，在气体检测系统设计过程中，需结合各工艺段气体泄漏情况设置各类气体传感器，并且不能忽略下部池体对上部空间环境的影响，另外，地下空间较大，出入口较多，声光报警、气体显示表盘等要注意设置在所有的人员出入口显眼位置，实时保护巡检人员人身安全。

2 环境监测与控制设计思路——以某地下污水处理厂项目为例

2.1 工程概况

项目工程总规模为6万m3/d设计，土建规模为6.0万m3/d，设备安装规模为3.0万m3/d。箱体内部为上、下两层结构，-1F为操作层，-2F为管廊层，主要有预处理、生物处理、深度处理和污泥处理等工艺段。本工程变电所设置于地上，靠近综合楼，厂区综合楼中控室设置智慧水务监控平台，将各智能化系统、运营过程中产生的数据集成于智慧水务监控系统中，为系统构建优化生产模型、管理人员对地下箱体及厂区内监控提供实时数据和图像支持。

2.2 智能照明控制系统控制策略

智能照明控制系统是基于总线技术设计的控制系统。智能照明控制系统通过总线连接现场配电箱内所有智能照明模块，同时达到远程集中控制及就近控制灯具的目的。通过控制面板、上位机系统、触摸屏、手机、平板端等多种设备均能实现智能化控制。在进行智能照明控制系统设计时，重点考虑对地下箱体照明的分区控制、现场及远程控制的便捷和及时、不同场景对照度的要求，以达到节能和运维方便的效果。

根据地下污水厂的运行特点，智能照明系统要求实现三级控制功能：

（1）手动控制：在受控区域安装智能面板或者触摸屏,实现对受控回路灯具开/关的调节。

（2）定时控制：按照预设的运行时间自动控制灯光，保证在非正常工作时间内消耗能源最少。

（3）中央控制：集中控制所有受控区域灯具，并实时监控所有受控回路的开/关状态。

地下箱体照明回路较多，控制逻辑复杂，是智能照明系统重点应用区域，根据不同的功能分区需求，智能照明系统主要有以下控制要求：

（1）考虑到污水处理设施、操作流程、巡检及参观路径、自然光引入等因素，进行灯光回路的配置及控制，以实现节能目标。利用开关量进行照明控制，根据时间变化实施区域及回路分别控制；同时，单灯控制也是选项，根据需求点亮特定区域。

（2）在污泥处理和鼓风机房的操作控制区，配置智能控制面板以供操作人员手动调节灯光。

（3）车辆进出口处设计渐变照明，以平衡内外光线差异，采用定时控制策略，按时段调节照明。

（4）设有光导或天井的通道，根据光敏感应器感知的外部自然光强度自动调节灯光。如天井区在日光下，室内亮度高于100 lx 不启动灯光；低于75 lx 启动25%照明强度；低于50 lx 时调至50%；低于25 lx 时全亮。

（5）操作人员可通过移动端控制设备、应用程序等调整照明场景。

（6）中控室配备中心监控系统，对所有照明回路及场景进行实时控制与监督。系统界面图形化，包含各区域平面图及照明状态，支持区域独立及场景模式控制。维护时，可通过中心系统将特定区域照明调整为维护模式，实现全亮。

（7）维护模式下，维护区域照明全开，人员离开后自动回归常态照明。

（8）紧急模式启动时，接收安全系统警报后自动切换至紧急照明场景。

以AAO-AO生化池为例，照明控制回路如图1所示。

图1 照明控制系统图

配电箱内设置2个八通道开关模块，照明配电箱通过总线于控制面板及智能照明控制器等相连，完成数据传输与控制操作，可实现现场与远程操作等模式。合理设计照明回路是实现智能控制的前提，照明回路应尽可能细分，同一回路的灯具数量不宜过多。

2.3 环境检测系统设计思路

在实际运营生产过程中，通常采用固定式和移动式两种气体检测仪。固定式检测仪具有检测时间较长、连续作业、持续稳定等优点, 但位置固定，不能随意移动。便携式检测仪器虽不能24h一直在线检测，但是可连接电脑读取数据，使用地点也较灵活，在产生有毒有害气体的工业车间或者地下密闭空间一般要求配置一定数量的便携式气体检测仪。带聚吸的复合式气体检测仪能对现场气体环境进行实时监测，具备数据采集功能，可方便地对氧气、一氧化碳、硫化氢等气体同时进行监测，并实时显示相应气体TWA、STEL 值等[2]。

地下厂环境检测系统根据地下环境及各工艺段气体泄漏特点，在地下箱体各分区设置硫化氢测定仪、甲烷测定仪、温湿度测定仪、氯气测定仪、氨气测定仪、二氧化碳测定仪、氧气测定仪，其信号就近接入各PLC分站，并将信号上传至智慧水务系统，各PLC站及智慧水务平台均可实现对气体检测设备模拟量、开关量的采集、传输以及有关过程的自动控制。同时，在箱体各出入口，各房间出入口设置声光报警装置，确保在地下环境出现异常时，巡检人员第一时间远离危险区域。气体达到或超过安全浓度时，报警器将释放报警信号，报警器具备声音、指示灯、振动、屏显4重报警，能达到较好的报警效果。气体测定仪的检测效率是检测报警器有效工作的关键。

为保证气体检测的准确性，在设计环境检测系统时对各气体检测装置的安装高度和位置作出了具体的要求。温湿度测定仪、氧气测定仪安装高度要求中心距地1.5m，甲烷测定仪、氨气测定仪安装高度要求中心距顶不超过0.3m，二氧化碳测定仪、硫化氢测定仪、氯气测定仪安装高度要求中心距地0.3m。

图2 各气体测定仪安装示意图

2.4 多参数便携式气体检测仪在巡检中的使用

污水处理厂在各处理工艺段易产生有毒有害气体，而地下空间较为封闭，各类有毒有害易滞留，与地上情况差别较大，存在很多安全隐患。如何有效地监测预警，减少对巡检人员的伤害，是生产安全需要重点解决的现实问题。对环境监测设计应充分考虑污水处理各工艺段有毒有害气体泄漏的可能性以及生产过程中产生的气体种类，有针对性的选择气体检测仪表。在线式气体检测仪表一般安装主要出入口及重点需要监测的工艺段，不能完全保证巡检人员在巡查和检修过程中随时随地了解周边环境的安全情况。因此，环境监测系统中除在线式气体检测仪表外，必须增加便携式气体检测仪，能在气体泄漏初期立刻被发现，使得可能成灾的事故被先期控制，同时保护人身安全。

3 结论

现阶段，污水处理厂正在不断追求从技术、管理、经济效益各方面的突破。针对现有地下式污水处理厂运行管理中存在的问题及时代、政策背景下水务行业数字化转型的迫切需求，依托物联网、云计算、大数据、移动互联等新一代ICT 技术，基于先进性、可靠性、可拓展性、可维护性、安全性原则，有针对性地设计智能控制系统，选择合适的环境监测与控制方案，不仅能显著提高运营单位信息获取与决策制定能力，帮助污水厂实现安全生产、增效降耗，还有利于管理模式的数字化革新，提升企业形象，对地区及行业具有良好的示范意义。

[1]刘虹.面向智慧城市的专线承载网建设方案[J].电信工程技术与标准化，2021，34(3):11–16.

[2]张涛.城市排污管道有害气体分布规律与危害控制研究[D].北京：首都经济贸易大学，2016.