污水處理除磷加藥智能化控制系統(tǒng)的研究

楊 超 杭俊亮 祝 磊 殷益明 施漢昌

1江蘇一環(huán)集團(tuán)有限公司 江蘇 宜興 214205； 2清華大學(xué) 北京 100084

國內(nèi)城市污水處理廠對出水總磷（TP）的控制日益嚴(yán)格,根據(jù)GB18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，一級A出水TP應(yīng)小于0.5mg/L。一些地方標(biāo)準(zhǔn)更要求污水處理廠處理出水的TP達(dá)到0.3mg/L以下。生物除磷作為一種經(jīng)濟(jì)有效的除磷技術(shù)被廣泛應(yīng)用，但單純依靠生物除磷較難達(dá)到污水深度除磷的要求。因此，污水廠需要采用化學(xué)除磷作為生物除磷的補(bǔ)充，進(jìn)一步降低出水總磷濃度，并作為生物除磷工藝運(yùn)行不正常情況下的保證措施[1-3]。

化學(xué)藥劑的加藥控制是化學(xué)除磷系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其控制目標(biāo)不僅在于確保出水磷濃度始終滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，還要使化學(xué)藥劑消耗量和運(yùn)行費(fèi)用最小化[4-7]。本文介紹了污水處理廠除磷加藥系統(tǒng)的智能控制技術(shù)，包括：化學(xué)除磷單元的多參數(shù)控制模型、控制系統(tǒng)設(shè)計、控制算法設(shè)計和控制策略選擇。

1 除磷加藥智能化控制系統(tǒng)的構(gòu)架

化學(xué)除磷的動態(tài)控制系統(tǒng)由在線儀表、加藥設(shè)備、控制軟件及通訊設(shè)備等組成，系統(tǒng)采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的方法，根據(jù)進(jìn)水流量、生化池加藥前正磷濃度和出水總磷濃度計算合理的加藥量，控制加藥泵的運(yùn)行。在控制過程中，前饋控制根據(jù)化學(xué)除磷模型計算加藥量，同時對出水的總磷濃度進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)對化學(xué)除磷過程的反饋控制。如果前饋控制條件下還不能夠保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求，則進(jìn)一步增加化學(xué)除磷過程的投藥量；如果出水水質(zhì)的總磷濃度過低，則對前饋計算結(jié)果進(jìn)行修正，減少投藥量?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 除磷加藥智能化控制系統(tǒng)的構(gòu)架

2 在線監(jiān)測儀器

對于曝氣池末端的除磷加藥控制，加藥前的磷酸鹽濃度是至關(guān)重要的參數(shù)，需要安裝在線磷酸根測定儀實時測試。由于生化池內(nèi)懸浮物濃度很高，還必須安裝預(yù)處理裝置過濾水樣，之后才能由在線磷酸根測定儀測試。本研究在以往的實驗中使用過國外進(jìn)口的預(yù)處理裝置，但實際效果并不理想，維護(hù)工作量很大，配件的更換周期短、費(fèi)用高，難以在污水廠長期使用。在示范工程中，改用自制的膜過濾預(yù)處理裝置，如圖2所示。

圖2 膜過濾預(yù)處理系統(tǒng)

該預(yù)處理系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定地過濾含高濃度懸浮物的生化池混合液，其中第一級過濾采用濾網(wǎng)過濾，用于去除水中的毛發(fā)、纖維、和漂浮物等雜質(zhì)，有效地保障膜組件的工作環(huán)境；第二級過濾使用超濾或微濾膜過濾，去除水中粒徑大于0.45微米的懸浮物。在過濾過程中，膜組件底部與空壓機(jī)相連的曝氣管通過曝氣沖刷附著在膜上的雜質(zhì)，確保膜表面的清潔和膜通量的穩(wěn)定。

曝氣池末端安裝了磷酸鹽測定儀（AMIPhosphate，瑞士 SWAN）用于測試生化池混合液的正磷濃度，其測量原理是根據(jù)鉬酸鹽抗壞血酸比色法比色，可設(shè)定不同的測試周期，使用過程中選擇每15分鐘自動測試一次。為了檢驗在線儀表測試是否準(zhǔn)確，每天在生化池的在線磷酸儀取樣口附近采樣一次，現(xiàn)場過濾后交化驗室測試正磷濃度。

3 化學(xué)除磷的控制策略

一般可以采用自控系統(tǒng)來控制化學(xué)藥劑的投藥量，使之在滿足除磷效果的前提下，較少發(fā)生浪費(fèi)。如果沒有自控系統(tǒng)，也可以根據(jù)每天測定的出水磷酸鹽濃度數(shù)據(jù)，按較大安全系數(shù)投加?？刂撇呗砸话闶歉鶕?jù)工藝特點選定合適的加藥點，分析化學(xué)藥劑的性能，然后根據(jù)磷的濃度或者負(fù)荷變化，動態(tài)控制藥劑的投加量。

圖3 前饋－反饋綜合的化學(xué)除磷過程多參數(shù)控制模式

化學(xué)除磷控制模式包括基于磷負(fù)荷的前饋控制、出水磷的反饋控制等，在實際應(yīng)用中各有特點。本研究提出了基于來水負(fù)荷的前饋補(bǔ)償和反饋控制的綜合模式，如圖3所示。系統(tǒng)以化學(xué)藥劑的反饋控制環(huán)節(jié)為主，通過測量加藥后出水的磷酸鹽濃度，與設(shè)定值比較后控制加藥量；以水量的前饋補(bǔ)償為輔，將實時進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)與加藥量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，減少流量變化對化學(xué)除磷過程的干擾和影響。

控制系統(tǒng)采用前饋—反饋結(jié)合的控制策略，控制周期15分鐘。當(dāng)出水TP大于目標(biāo)值（暫設(shè)為0.35mg/L）時，執(zhí)行反饋控制，輸出值不能低于最小設(shè)定值（20Hz）；當(dāng)出水TP小于于目標(biāo)值時，執(zhí)行前饋控制，輸出值不能低于最小設(shè)定值（20Hz）；當(dāng)出水TP小于0.25mg/L時，按最小設(shè)定值輸出，以免前饋過量加藥。控制邏輯如圖4所示。

4 除磷加藥智能化控制裝置及其效果

對于新建污水處理廠除磷加藥控制可設(shè)置在中央控制室，在中央控制室的高級控制菜單中有除磷加藥的程序界面（圖5a），主要功能是輸入控制參數(shù)、顯示除磷效果和加藥間設(shè)備運(yùn)行情況。對于現(xiàn)有污水處理廠進(jìn)行除磷加藥的改造，可以采用控制柜（圖5b）與調(diào)頻加藥泵的集成控制系統(tǒng)。

采用污水處理除磷加藥智能化控制系統(tǒng)不僅可以使污水處理廠的處理出水穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且可以使除磷劑的投加量隨進(jìn)水磷酸鹽負(fù)荷及時得到調(diào)整，大幅度降低除磷劑的消耗量，實現(xiàn)在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)前提下降低運(yùn)行成本。在一般城市污水的總磷濃度下，可節(jié)約除磷劑約10%～15%，在1～2年內(nèi)回收控制系統(tǒng)的建設(shè)成本。

[1]念東,王佳偉,劉立超,等.城市污水處理廠化學(xué)除磷效果及運(yùn)行成本研究[J].給水排水,2008,34(5):7-10.

[2]張亞勤.污水處理廠達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)除磷[J]..中國市政工程,2009,5,40-41.

[3]Takacs I, Murthy S, Smith S, et al. Chemical phosphorus removal to extremely low levels: experience of two plants in the Washington, DC area. Water Science & technology,2006,53 (12):21-28.

[4]施漢昌,柯細(xì)勇,徐麗婕.用化學(xué)法強(qiáng)化生物除磷的優(yōu)化控制.中國給水排水，2002,18(7):35-38.

[5] Ingildsen P, Rosen C, Gernaey K V,et al. Modeling and control strategy testing of biological and chemical phosphorus removal at Aved re WWTP. Water Science & Technology,2006,53(4-5):105-113.

[6]Scherrenberg S M, van Nieuwenhuijzen A F, Menkveld H W H, et al. Innovative phosphorus distribution method to achieve advanced chemical phosphorus removal[J]. Water Science &Technology，2008,58(9):1727-1733.

[7]Gustaf Olsson，等著.馬勇,彭永臻譯.污水系統(tǒng)的儀表、控制和自動化[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.