污水處理廠除磷加藥控制系統及其應用

沈敏+++施漢昌

摘要：在城市污水處理廠一級A達標排放中化學除磷是常用工藝之一。除磷藥劑投加量的控制直接關系到處理出水的達標排放和運行成本。本文介紹了一種智能化除磷加藥控制系統及其應用效果。

關鍵詞：污水處理；除磷加藥；智能化；控制系統

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到一級A排放標準，出水的總磷（TP）濃度要小于0.5mg/L。為了達到這一出水水質指標，需要采用化學除磷工藝。因此，除磷藥劑投加量的控制直接關系到處理出水的達標排放和運行成本。通過采用除磷加藥控制技術可以實現在達標排放的基礎上減少除磷藥劑投加量的目標，降低污水處理廠的運行成本。

1 控制策略

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

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）計算出水濃度與設定值的偏差e（t），再根據偏差計算加藥量。

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、積分系數和微分系數。

通過測定處理出水的磷酸鹽濃度，計算出與設定值的差值，在依據差值計算出應該調節的加藥量。由控制系統發出指令調節加藥泵的頻率，實現加藥量的實時調控。

2 控制系統的設計

為了實現除磷加藥的自動控制，設計了以下的化學除磷工藝控制系統，如圖1所示。 在生化池前設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據（P）；控制器采集實時數據，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按給定流量送藥[1]。

控制系統的儀表與設備配置信息如表1所示。隔膜加藥泵有兩種調節模式，手動改變隔膜空腔體積（0～100%）或者自動調節變頻器輸出（0～50Hz）。經過流量標定，確認了實際流量與開度、頻率均呈線性關系。在實際運行時，手動設置隔膜空腔開度，達到最大加藥量，然后采用變頻器對流量進行連續調節。

出水濃度反饋策略的關鍵是確定PID系數和采樣時間間隔。采用試算法確定PID參數，先確定采樣間隔，然后優化比例系數，最后確定積分和微分系數。經變量歸一化整理后，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），并寫入控制器進行動態調節。

3 控制效果分析

除磷加藥控制系統在宜興市某污水處理廠進行了實驗測試。實驗結果表明，采用加藥控制系統后，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中的數據表明，當進水的流量發生變化時，污水處理系統的出水總磷濃度隨之變化，自動控制的加藥量隨著出水TP濃度的變化進行調整。在出水TP濃度滿足一級A排放標準的要求，TP<0.5mg/L。除磷劑的投加量平均減少了16%。而穩態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，這與國內外其他研究報道的結果是一致的[1，2]。

采用處理出水的磷酸鹽濃度對加藥實施反饋控制屬于閉環控制，優點是穩定性好、適用性較強，缺點是滯后性稍大，還存在一些藥劑的過量投加。有時受到加藥設備的限制，實際加藥量達不到所需加藥量，持續停留在加藥泵流量的上、下限水平，可能會導致藥劑浪費或加藥不足。此外，反饋控制中磷酸鹽在線監測儀表的維護工作量比較大[1]，會導致控制系統比較脆弱。

4 結論

本文介紹了一種基于反饋控制原理的除磷加藥控制系統及其應用效果。提出了化學除磷工藝優化控制的原理與方法，設計了加藥自動控制系統，并通過生產試驗進行了驗證。實驗結果表明采用該控制系統可以在保證處理出水達到一級A排放標準時，減少除磷藥劑的投加量，是一種具有應用推廣潛力的污水處理控制技術。在設計自控系統時可以優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維護在線磷酸鹽儀表，會導致技術含量和工作強度的增加，所以在選擇方案、設計和運行時應該有所考慮。

參考文獻

[1] 牛學義，PO4-P在線測定在生物、化學聯合除磷控制中的應用，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