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      城鎮(zhèn)污水處理除磷藥劑智能調(diào)控的研究

      2024-12-04 00:00:00姜坤
      關(guān)鍵詞:降耗自動(dòng)控制

      摘 要:本文基于PAC化學(xué)除磷工藝,針對(duì)污水處理廠總磷去除及除磷藥劑投加自動(dòng)化控制問(wèn)題進(jìn)行研究,分析影響化學(xué)除磷的因素,應(yīng)用除磷加藥智能化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)基于“機(jī)理+數(shù)理”模型,通過(guò)分析進(jìn)水流量、進(jìn)出水總磷等工藝參數(shù),動(dòng)態(tài)計(jì)算藥劑的投加量,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、藥劑投加泵變頻調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)加藥量進(jìn)行智能調(diào)節(jié)控制,并利用出水在線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋邏輯計(jì)算,不斷修正加藥量。該系統(tǒng)投入調(diào)試運(yùn)行后,在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下,有效減少了藥劑投加量,與投運(yùn)前相比,PAC平均加藥量節(jié)約了36.8%,實(shí)現(xiàn)了化學(xué)除磷藥劑投加的精細(xì)化和自動(dòng)化控制。

      關(guān)鍵詞:PAC;除磷;自動(dòng)控制;降耗

      中圖分類(lèi)號(hào):X 52" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

      城鎮(zhèn)污水處理廠采用的除磷技術(shù)主要為生物除磷和化學(xué)除磷。生物除磷由生物池活性污泥中的聚磷菌完成?;瘜W(xué)除磷通過(guò)投加混凝劑形成不溶性磷酸鹽沉淀物,固液分離后將磷從污水中除去[1]。在污水處理系統(tǒng)中,化學(xué)除磷藥劑投加是污水處理過(guò)程的一個(gè)重要工藝,加藥控制系統(tǒng)的性能直接影響污水處理廠的運(yùn)營(yíng)成本和污水處理的出水水質(zhì)。

      目前上海某污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。該污水處理廠使用性?xún)r(jià)比較高的高分子無(wú)機(jī)混凝劑PAC(聚合氯化鋁)除磷[2],溶液濃度為30%(含10%的Al2O3)。原采用人工設(shè)定加藥量的控制方式投加藥劑,即運(yùn)行人員根據(jù)幾個(gè)小時(shí)的平均進(jìn)水量計(jì)算對(duì)應(yīng)的PAC投加量,從而調(diào)節(jié)加藥泵的流量。由于人工調(diào)節(jié)很難精確及時(shí)調(diào)節(jié)PAC投加量,因此為避免藥劑投加量不足影響出水水質(zhì),通常會(huì)投加過(guò)多藥劑,從而造成浪費(fèi),進(jìn)而會(huì)對(duì)排放水體環(huán)境造成影響[3]。因此,研究污水處理加藥的優(yōu)化設(shè)定模型和預(yù)測(cè)模型,對(duì)加藥進(jìn)行優(yōu)化控制,對(duì)節(jié)約污水處理過(guò)程的藥劑成本和人工成本,有重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景[4]。

      1 研究方法

      本文通過(guò)研究影響污水處理化學(xué)除磷的因素,分析進(jìn)水總磷、進(jìn)水流量、出水總磷等重要工藝參數(shù),探索水量、水質(zhì)與加藥量的非線(xiàn)性關(guān)系,動(dòng)態(tài)計(jì)算出藥劑的投加量,并對(duì)加藥系統(tǒng)的配置進(jìn)行升級(jí),優(yōu)化投料環(huán)節(jié),通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、藥劑投加泵變頻調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)加藥量進(jìn)行智能調(diào)節(jié)控制,并將出水在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)的反饋邏輯計(jì)算,不斷修正加藥量。在出水總磷滿(mǎn)足國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下,實(shí)現(xiàn)化學(xué)除磷藥劑投加精細(xì)化控制和自動(dòng)化控制,降低運(yùn)行成本。研究結(jié)果可為除磷藥劑投加智能化精準(zhǔn)調(diào)控提供理論依據(jù),可以為污水處理除磷工藝系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供指導(dǎo)。

      1.1 除磷藥劑投加模型

      除磷藥劑投加量直接關(guān)系到污水處理出水的達(dá)標(biāo)排放和運(yùn)行成本,本課題對(duì)原有的加藥系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,建立藥劑投加新模型,包括機(jī)理模型(投加率模型及摩爾比模型)和數(shù)理模型(大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型),通過(guò)優(yōu)化設(shè)定模型和預(yù)測(cè)模型,對(duì)藥劑進(jìn)行精細(xì)化自動(dòng)化控制,提高污水處理率,同時(shí)節(jié)約污水處理廠的運(yùn)行成本。

      1.1.1 基于摩爾比的機(jī)理模型投加藥劑

      污水處理化學(xué)除磷的效率受到很多因素的制約,加入除磷藥劑后其反應(yīng)過(guò)程變化也十分復(fù)雜,在缺乏有效歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的情況下,為了更大程度地去除磷,提高除磷藥劑的利用率,需要深入了解反應(yīng)機(jī)理,建立一個(gè)符合水質(zhì)特性的金屬鹽投加經(jīng)驗(yàn)公式。

      當(dāng)化學(xué)除磷時(shí),去除1mol(31g)磷至少需要0.9倍的鋁。由于在實(shí)際中,反應(yīng)并不是100%有效的,OH-會(huì)與金屬離子競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng),生成相應(yīng)的氫氧化物,因此通常需要超量投加化學(xué)藥劑,以保證達(dá)到所需要的出水濃度。當(dāng)計(jì)算時(shí),提出了投加系數(shù)β的概念[5],如公式(1)所示。

      β=(molal)molp " (1)

      投加系數(shù)β受多種因素影響(例如投加地點(diǎn)、混合條件等),實(shí)際投加時(shí)可以通過(guò)歷史數(shù)據(jù)和投加試驗(yàn)確定。在最佳條件下(投加適宜、混合良好和形成絮凝體)β=1;非最佳條件下β取3或更高。計(jì)算PAC如公式(2)所示。

      (2)

      式中:瞬時(shí)PAC流量為PAC投加量,m3/h;水量為預(yù)處理區(qū)進(jìn)水流量,m3/h;ΔTP為須去除的磷,mg/L;ACC為控制精度,防止泵調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁(默認(rèn)值0.01);PAC有效濃度默認(rèn)取10%;密度為溶液密度,默認(rèn)取1200kg/m3;投加系數(shù)β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),通常取1.5~3。對(duì)模型進(jìn)行分析驗(yàn)證,基于摩爾比投加的算法模型預(yù)測(cè)的加藥,有計(jì)算速度快和不依賴(lài)歷史數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn),主要利用經(jīng)驗(yàn)判斷其投加系數(shù),計(jì)算結(jié)果受儀表數(shù)據(jù)異常波動(dòng)的影響,當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大或儀表發(fā)生異常時(shí)(TP值徒增),計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)波動(dòng),模型穩(wěn)定性較差,在加藥系統(tǒng)控制中會(huì)造成泵頻繁啟停。

      1.1.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的數(shù)理模型調(diào)節(jié)加藥

      污水處理系統(tǒng)通常存在延遲、滯后等特點(diǎn),各工藝段的水力停留時(shí)間隨水量變化、工藝調(diào)整而變化,僅利用機(jī)理模型算法容易造成水質(zhì)控制不佳、藥劑浪費(fèi)等情況。因此,引入了基于BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)理算法模型(算法邏輯如圖1所示),通過(guò)BP算法利用輸出后的誤差來(lái)估計(jì)輸出層的直接前導(dǎo)層的誤差,再用這個(gè)誤差估計(jì)更前一層的誤差,如此層層反傳,獲得所有層的誤差估計(jì),按照誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)污水處理系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)、水量、出水水質(zhì)等參數(shù)與藥劑投加量之間的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián),動(dòng)態(tài)計(jì)算藥劑的投加量,保證在投加量充足的情況下降低處理成本。

      由于污水處理PAC除磷是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,加藥是由很多因素造成的,它們之間通常呈現(xiàn)一種非線(xiàn)性關(guān)系,因此,選取數(shù)據(jù)庫(kù)中的進(jìn)水流量、進(jìn)水總磷含量與加藥量的關(guān)系進(jìn)行研究,通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)以5min作為時(shí)間間隔在線(xiàn)采集污水廠的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),通過(guò)規(guī)律以及過(guò)往人工經(jīng)驗(yàn)可知,加藥量隨著進(jìn)水流量和進(jìn)水總磷含量增加而增加。而進(jìn)水水量、水質(zhì)變化存在波動(dòng),通常不成正比。與此同時(shí),在總磷去除率相同的情況下,進(jìn)水總磷濃度越高,其投加的化學(xué)藥劑也越多。隨著加藥量增加,出水總磷濃度降低。當(dāng)加藥量達(dá)到一定值時(shí),出水總磷濃度幾乎不再降低,說(shuō)明除磷的藥劑投加量有最佳值。為降低藥耗成本,提高除磷效率,本課題建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的除磷加藥預(yù)測(cè)模型[6],精準(zhǔn)把握水量、水質(zhì)與加藥量的非線(xiàn)性關(guān)系,達(dá)到精確加藥的目的。通過(guò)相關(guān)分析,對(duì)影響因素較大的參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,如公式(3)所示。

      Qp=f(Q,TPin,TPout,...)" " " "(3)

      式中:Q為進(jìn)水流量;TPin為進(jìn)水總磷;TPout為出水總磷。

      利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的數(shù)理模型通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、特征工程、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方法,對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練建模,以前饋+反饋的方式對(duì)加藥量、水質(zhì)等進(jìn)行預(yù)測(cè),從而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)加藥,該模型泛化能力較好,可以有效地避免儀表波動(dòng)造成的加藥量波動(dòng)。

      1.2 除磷藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)建設(shè)

      由于該污水處理廠的沉淀池工藝段缺少進(jìn)水水質(zhì)參數(shù),通過(guò)單一的大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)方法無(wú)法根據(jù)進(jìn)水水量、水質(zhì)參數(shù)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)加藥量,因此本研究的除磷藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)采用“機(jī)理+數(shù)理”模型相結(jié)合的控制方法,利用機(jī)理模型計(jì)算速度快、無(wú)須利用歷史數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)與數(shù)理模型前饋與反饋結(jié)合的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、不受儀表數(shù)據(jù)異常波動(dòng)影響的優(yōu)點(diǎn),兩種模型彼此互補(bǔ)、查漏補(bǔ)缺,根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、水量參數(shù),精確地計(jì)算藥物投加量,同時(shí)在出水端安裝水質(zhì)儀表,用于系統(tǒng)的反饋邏輯計(jì)算,不斷修正加藥量(原理如圖2所示)。

      通過(guò)除磷藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)的運(yùn)行和自動(dòng)投加,可有效減少藥物投加量和化學(xué)物污泥產(chǎn)量,節(jié)約藥耗,提供水廠的自動(dòng)化運(yùn)行水平。

      2 應(yīng)用效果分析

      2.1 藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)除磷效果和流量調(diào)節(jié)分析

      除磷藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)自2023年3月投入運(yùn)行,研究通過(guò)除磷藥劑PAC使用量及其除磷效果來(lái)觀察系統(tǒng)運(yùn)行情況。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)投運(yùn)之前的6個(gè)月(2022年9月—2023年2月)與系統(tǒng)投運(yùn)之后6個(gè)月(2023年3月—8月)的前后數(shù)據(jù)的分析對(duì)比(如圖3所示)可知,系統(tǒng)投運(yùn)之后污水處理總磷去除率由97.96%增至99.06%,去除率提高1.12%,PAC加藥流量從1.45 m3/h降至0.97 m3/h,除磷藥劑PAC投加流量減少33.2%。

      2.2 藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)藥劑使用與藥耗分析

      結(jié)合該污水處理廠1年間PAC藥劑投加流量和污水處理量,對(duì)PAC藥劑使用量和萬(wàn)噸水藥耗進(jìn)行分析(如圖4所示)。

      結(jié)果表明,2022年9月—2023年2月的PAC藥劑投加量每月均值為1284.76t,2023年3月—2023年8月的PAC藥劑投加量每月均值為812.17t,與投運(yùn)前相比,除磷藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)投運(yùn)后月平均PAC藥劑投加量降低36.8%;2022年9月—2023年2月的PAC萬(wàn)噸水藥耗月均值為0.399 t/萬(wàn)m3,2023年3月—2023年8月的PAC萬(wàn)噸水藥耗月均值為0.294 t/萬(wàn)m3,與投運(yùn)前相比,系統(tǒng)投運(yùn)后月平均PAC萬(wàn)噸水藥耗下降26.3%。

      3 結(jié)論

      本文的除磷藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)基于“機(jī)理+數(shù)理”相結(jié)合的模型,通過(guò)分析進(jìn)水總磷、進(jìn)水流量、出水總磷等重要工藝參數(shù)。精準(zhǔn)把握水量、水質(zhì)與加藥量的非線(xiàn)性關(guān)系,同時(shí)升級(jí)加藥系統(tǒng)配置,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、藥劑投加泵變頻調(diào)節(jié)技術(shù),動(dòng)態(tài)計(jì)算藥劑的投加量,對(duì)加藥量進(jìn)行智能調(diào)節(jié),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了化學(xué)除磷藥劑投加精細(xì)化控制和自動(dòng)化控制,充分釋放人工效能。通過(guò)除磷藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)自動(dòng)投加,有效降低了PAC投加量,經(jīng)過(guò)對(duì)調(diào)試投運(yùn)一定時(shí)間的效果進(jìn)行對(duì)比,在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下,PAC平均加藥量和污水處理萬(wàn)噸藥耗明顯降低,平均每月節(jié)約加藥量約36.8%,有效降低了污水處理成本。

      未來(lái)可以進(jìn)一步優(yōu)化除磷藥劑投加智能化調(diào)控系統(tǒng)。目前系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)間較短,沒(méi)有足夠的大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí),因此還需要進(jìn)一步調(diào)試來(lái)保證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性,進(jìn)一步考證水量、水質(zhì)波動(dòng)或其他突發(fā)工況下的運(yùn)行和藥劑投加,后續(xù)會(huì)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行模型改進(jìn)和系統(tǒng)升級(jí),以期達(dá)到除磷藥劑的精準(zhǔn)投加和最優(yōu)控制的目的。本研究結(jié)果可為除磷藥劑投加智能化精準(zhǔn)調(diào)控提供理論依據(jù),應(yīng)用研究成果可以提高污水處理廠污水處理率,節(jié)約運(yùn)行成本,提高自動(dòng)化運(yùn)行水平,達(dá)到外部藥品投加降本增效的目的。

      參考文獻(xiàn)

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