沈敏+++施漢昌

摘要：在城市污水處理廠一級A達(dá)標(biāo)排放中化學(xué)除磷是常用工藝之一。除磷藥劑投加量的控制直接關(guān)系到處理出水的達(dá)標(biāo)排放和運(yùn)行成本。本文介紹了一種智能化除磷加藥控制系統(tǒng)及其應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：污水處理；除磷加藥；智能化；控制系統(tǒng)

0 引言

我國已建成城市污水處理廠4000余座，遵照《水污染防治行動計劃》的要求，其中大部分污水處理廠處理出水要達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，出水的總磷（TP）濃度要小于0.5mg/L。為了達(dá)到這一出水水質(zhì)指標(biāo)，需要采用化學(xué)除磷工藝。因此，除磷藥劑投加量的控制直接關(guān)系到處理出水的達(dá)標(biāo)排放和運(yùn)行成本。通過采用除磷加藥控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上減少除磷藥劑投加量的目標(biāo)，降低污水處理廠的運(yùn)行成本。

1 控制策略

污水處理廠的常用控制技術(shù)中有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類不同的控制策略。開環(huán)控制包括離散時序和進(jìn)水流量前饋算法，閉環(huán)控制為出水磷酸鹽反饋算法。本研究中結(jié)合污水處理廠的實(shí)際情況，選用了基于出水磷酸鹽濃度實(shí)施反饋控制的策略。

出水磷酸鹽濃度反饋控制以時間t和出水磷酸鹽濃度P為變量，按式（1）計算出水濃度與設(shè)定值的偏差e（t），再根據(jù)偏差計算加藥量。

式中e（t）為t時刻出水磷酸鹽儀表采樣值P（t）與設(shè)定值Ps的差值。

工程上一般采用比例-積分-微分（PID）控制算法計算加藥量，離散公式如式（2）所示。

式中e（t-1）、e（t-2）為上一次和上兩次采樣的偏差；Kc、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

通過測定處理出水的磷酸鹽濃度，計算出與設(shè)定值的差值，在依據(jù)差值計算出應(yīng)該調(diào)節(jié)的加藥量。由控制系統(tǒng)發(fā)出指令調(diào)節(jié)加藥泵的頻率，實(shí)現(xiàn)加藥量的實(shí)時調(diào)控。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)除磷加藥的自動控制，設(shè)計了以下的化學(xué)除磷工藝控制系統(tǒng)，如圖1所示。 在生化池前設(shè)置污水流量計測定處理量（Q），在線磷酸鹽儀表從二沉池出水采集磷酸鹽數(shù)據(jù)（P）；控制器采集實(shí)時數(shù)據(jù)，計算得到投藥泵流量（D），并將控制信號輸出給變頻器；變頻器控制隔膜加藥泵從藥劑儲液池向加藥點(diǎn)按給定流量送藥[1]。

控制系統(tǒng)的儀表與設(shè)備配置信息如表1所示。隔膜加藥泵有兩種調(diào)節(jié)模式，手動改變隔膜空腔體積（0～100%）或者自動調(diào)節(jié)變頻器輸出（0～50Hz）。經(jīng)過流量標(biāo)定，確認(rèn)了實(shí)際流量與開度、頻率均呈線性關(guān)系。在實(shí)際運(yùn)行時，手動設(shè)置隔膜空腔開度，達(dá)到最大加藥量，然后采用變頻器對流量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。

出水濃度反饋策略的關(guān)鍵是確定PID系數(shù)和采樣時間間隔。采用試算法確定PID參數(shù)，先確定采樣間隔，然后優(yōu)化比例系數(shù)，最后確定積分和微分系數(shù)。經(jīng)變量歸一化整理后，得到Kc、Ki和Kd分別取10、2和0，采樣間隔15min。取式（1）中Ps為0.4mg/L，按式（2）計算出D（t）=12e（t）-10e（t-1），并寫入控制器進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。

3 控制效果分析

除磷加藥控制系統(tǒng)在宜興市某污水處理廠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用加藥控制系統(tǒng)后，在處理出水的總磷濃度低于0.5mg/L前提下，除磷劑的消耗量顯著下降，如圖2所示。

圖2中的曲線和表2中的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)進(jìn)水的流量發(fā)生變化時，污水處理系統(tǒng)的出水總磷濃度隨之變化，自動控制的加藥量隨著出水TP濃度的變化進(jìn)行調(diào)整。在出水TP濃度滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，TP<0.5mg/L。除磷劑的投加量平均減少了16%。而穩(wěn)態(tài)加藥的對照組相對消耗的除磷劑較多。

在平均投藥量相近時，出水反饋控制可以較好滿足出水總磷濃度的控制要求，這與國內(nèi)外其他研究報道的結(jié)果是一致的[1，2]。

采用處理出水的磷酸鹽濃度對加藥實(shí)施反饋控制屬于閉環(huán)控制，優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、適用性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是滯后性稍大，還存在一些藥劑的過量投加。有時受到加藥設(shè)備的限制，實(shí)際加藥量達(dá)不到所需加藥量，持續(xù)停留在加藥泵流量的上、下限水平，可能會導(dǎo)致藥劑浪費(fèi)或加藥不足。此外，反饋控制中磷酸鹽在線監(jiān)測儀表的維護(hù)工作量比較大[1]，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)比較脆弱。

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于反饋控制原理的除磷加藥控制系統(tǒng)及其應(yīng)用效果。提出了化學(xué)除磷工藝優(yōu)化控制的原理與方法，設(shè)計了加藥自動控制系統(tǒng)，并通過生產(chǎn)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該控制系統(tǒng)可以在保證處理出水達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)時，減少除磷藥劑的投加量，是一種具有應(yīng)用推廣潛力的污水處理控制技術(shù)。在設(shè)計自控系統(tǒng)時可以優(yōu)先考慮使用反饋控制的策略，出水反饋控制需要購置并持續(xù)維護(hù)在線磷酸鹽儀表，會導(dǎo)致技術(shù)含量和工作強(qiáng)度的增加，所以在選擇方案、設(shè)計和運(yùn)行時應(yīng)該有所考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛學(xué)義，PO4-P在線測定在生物、化學(xué)聯(lián)合除磷控制中的應(yīng)用，給水排水，2000，26（9）：22～24

[2] Ingildsen P， Rosen C， Gernaey K V， et al， Modelling and control strategy testing of biological and chemical phosphorus removal at Avedore WWTP， Water Science and Technology， 2006， 53（4/5）： 105～113