污泥脫水精確控制系統(tǒng)的設計和應用

趙林輝，林莉峰，尹希勤

(1.上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092；2.上海擇希環(huán)保工程有限公司，上海 200092)

當前，物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、3S技術、云技術、智能與智慧技術不斷發(fā)展，在各應用領域帶來了新的信息技術應用革命。智慧水務將為城市提供更為優(yōu)質的供排水服務以及防汛排澇、水質污染管控與環(huán)境保護、防災減災等公共服務，同時提升水務部門工作能效與工作質量，管控與及時處理各種應急水務事件，提升水務服務水平與滿意程度，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)各類水務活動的數(shù)據(jù)化、信息化與智慧化管理，保障水務服務[1]。智慧水務不僅可以自行采集相關水務數(shù)據(jù)和信息，而且可以對深度進行分析，其中智能化系統(tǒng)具有可控制功能，使水務系統(tǒng)的智慧程度大大提升，如同安裝了網(wǎng)絡神經系統(tǒng)，可實現(xiàn)供水服務的標準化、調度的智能化以及管理的精細化。在網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)技術和信息資源等的充分利用下，服務效能得以有效提升，資源也得到了有效地整合和共享，可以方便全面和動態(tài)化管理供水設施，對管網(wǎng)關鍵點進行實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況即采取報警措施，同時還可以減少能源消耗和資源浪費，充分促進水務運維管理效率和質量提升。

白龍港污水處理廠處理能力為2.8×106m3/d，污泥產量為448 t DS/d，新建污泥處理處置二期工程采用“脫水+干化+焚燒+煙氣處理”工藝系統(tǒng)，其中脫水系統(tǒng)處理量為378 t DS/d，折合含水率80%污泥量為1 890 m3/d。脫水系統(tǒng)將濃縮污泥離心脫水至含水率80%以下，以便后續(xù)污泥的干化和焚燒。脫水系統(tǒng)在整個工藝處理系統(tǒng)的最前端，其運行效果對后續(xù)干化焚燒處理工藝能否順利達標、達產以及工藝的運行成本起決定作用[2]。

脫水工藝后端主要是流化床干化機和流化床焚燒爐工藝，出泥含水率直接影響后端工藝，流化床干化機額定蒸發(fā)量為9.6 t/d。如果含水率不穩(wěn)定、變化大，將影響流化床干化機的處理量，導致后續(xù)焚燒爐處理量不夠，無法維持爐溫，進而導致焚燒爐單位時間內產生的蒸汽減少，提供給流化床干化所需的換熱蒸汽量也減少，嚴重時導致焚燒爐和干化系統(tǒng)聯(lián)鎖停機。一般含水率增大情況下需要額外開啟焚燒爐燃燒器進行補燃，維持焚燒爐爐溫，會大大增加能耗[3]。因此，增加脫水車間精確控制系統(tǒng)非常重要。

本文依托亞洲第一污水處理廠——白龍港污水處理廠新建污泥處理處置項目，設計脫水精確控制系統(tǒng)，建立脫水、干化、焚燒智慧水務信息平臺，將信息傳輸至DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)脫水、干化、焚燒、煙氣處理全過程信息互通互享，提高運行人員實時監(jiān)控運維能力。

1 脫水系統(tǒng)精確控制的背景與工藝設計

在污泥的離心脫水處理工程中，絮凝劑的投加量確定后往往長時間保持不變，只有在離心機出泥含水率波動較大的情況下才會改變絮凝劑投加量。根據(jù)以往眾多污水廠運行經驗，脫水系統(tǒng)很多情況下不會考慮前端污泥濃度的變化，為了保持穩(wěn)定運行，運行人員會按“安全投加量”進行過量投加[4]。如果前端含固率成倍數(shù)增加，絮凝劑投加量則相對偏少，導致含水率波動大，惡劣情況下甚至出現(xiàn)堵料或者無法封泥的現(xiàn)象。同時，以往脫水車間運行人員需配置充足，以便取泥測含水率和調整加藥量，但對于大型污水廠脫水車間而言，在脫水系統(tǒng)的運行監(jiān)控中人力資源的耗費比例較大。

因此，本文設計在線監(jiān)控精確控制系統(tǒng)(圖1)，對脫水系統(tǒng)進泥流量、進泥濃度和出泥濃度實時監(jiān)控，將監(jiān)控信號經過數(shù)學模型計算，得出合理的藥劑投加量，從而實現(xiàn)藥劑精準投加，并保證出泥含水率的穩(wěn)定。

本工程脫水系統(tǒng)污泥處理量為378 t DS/d，進泥含水率為96%左右，分為01地塊和02地塊，其中01地塊處理量為150 t DS/d，02地塊處理量為228 t DS/d。01地塊配置7臺離心脫水機(5用2備)，02地塊配置10臺離心脫水機(8用2備)[5]。

圖1 脫水系統(tǒng)精確控制系統(tǒng)的工藝設計Fig.1 Process Design of Precise Control System for Dehydration System

如圖1所示，在污泥進泥總管上安裝進泥濃度計1測量進泥含固率；在離心機出口安裝出泥濃度計2；最終將采集的脫水機進泥流量3、PAM藥劑濃度4、進泥濃度計1和出泥濃度計2信號發(fā)送至精確控制系統(tǒng)PLC，PLC經數(shù)學模塊計算后得出PAM藥劑投加量，輸出控制信號，控制PAM投加泵加藥頻率5，從而實現(xiàn)精確控制加藥泵的投加量，并保證出泥含水率達標。

2 測量原理與儀表選型

測量原理：測量微波信號速度的變化確定污泥濃度，微波速度是基于所穿過物體的物理特性，在水中的傳播速度遠遠小于其他有機物和無機物組分，傳播的速度和污泥含固率成正比(圖2)。

圖2 固體含量與微波傳播時間關系Fig.2 Relationship between Solid Content and Microwave Propagation Time

表1 濃度計選型對比Tab.1 Comparison of Concentration Meter Selection

不同濃度計性能對比如表1所示。該工程脫水進泥含固率為0～10%，出泥含固率為0～30%，相比于傳統(tǒng)式濃度計，微波濃度計測量信號貫穿全部污泥，沒有任何運動部件，免于維護，且具有不會堵塞管道、精度高、穩(wěn)定性好、采用單點校準、可靠方便的優(yōu)點。傳統(tǒng)光學濃度計適用于低濃度的污水，含有光學鏡頭，需要清洗、維護、校準，鏡頭使用壽命短，需要插入式管道，容易堵塞；傳統(tǒng)超聲波濃度計容易受外界干擾，精確度不高，穩(wěn)定性差，不太適合反饋控制，且對污泥種類敏感，需要經常校準。因此，本工程選擇TS微波濃度計。

3 數(shù)學模型計算原理

如圖3所示，輸入模塊將采集到的污泥濃度、污泥流量、藥劑濃度信息通過數(shù)學模型進行計算，得出最佳加藥量，輸出加藥泵對應的頻率信號從而控制加藥流量。該工程脫水系統(tǒng)中的精確控制系統(tǒng)數(shù)學模型如式(1)。

圖3 污泥加藥模型輸入輸出流程Fig.3 Input and Output Process of Sludge Chemical Dosing Model

(1)

其中：Q1——加藥泵的加藥量，m3；

∑F1——單位時間內進泥流量累計值，m3；

∑D1——單位時間內進泥濃度累計值,m3；

K——修訂系數(shù)，加藥量與進泥絕干基的比值，需人工設定，取4.8；

YD——制備的藥劑濃度。

經過計算得出Q1，將Q1信號傳送至PLC，PLC發(fā)出指令，如式(2)。

(2)

其中：∑F2——單位時間內加藥泵的累計流量，m3；

為使調整后的投加量能夠準確控制出泥含水率，在PLC內設置出泥含固率目標值，用出泥濃度計實時監(jiān)測出泥含固率與G的差值，如式(3)。

(3)

其中：GK1——出泥濃度計檢測到的污泥含固率與目標值G的差值；

∑D2——單位時間內出泥含固率累計值；

4 在線濃度計標定

為了提高控制的精度，系統(tǒng)投入使用前需對濃度計進行現(xiàn)場標定[6]。項目進泥濃度計共4臺，出泥濃度計共17臺，標定結果如表2所示。

表2 濃度計標定結果Tab.2 Calibration Results of Concentration Meter

5 精確控制試驗分析

經過前期脫水機的性能調試，最佳的藥劑投加量為2.4 m3/h，配藥濃度為0.4%，因此，可以建立精確控制系統(tǒng)投入前和投入后的對比試驗。對3#離心機系統(tǒng)建立精確控制試驗方案，對試驗結果進行分析。

如圖4所示，進泥濃度大部分時間保持在95%左右，1月2日—3月11日發(fā)現(xiàn)加藥泵流量基本在2.4 m3/h以下，原因是進泥濃度變稀導致污泥量變小，為節(jié)省藥劑投加量和控制含水率在80%以下，精確控制系統(tǒng)將藥劑投加量相應減小。其余時間進泥濃度波動不是很大，因此，藥劑投加量基本在2.4 m3/h上下波動。原加藥量設置為恒定值2.4 m3/h，精確控制系統(tǒng)投入運行后，當進泥濃度發(fā)生變化，212 d藥劑投加量均值為2.381 5 m3/h，經計算與原設置2.4 m3/h相比，每年節(jié)省藥劑費用為Q=365×24×0.004×(2.4-2.381 5)×17×30 000=330 602元；經與現(xiàn)場實際消耗PAM藥劑袋數(shù)對比，1月—7月累計消耗PAM為9 693袋，每袋重25 kg，累計消耗242 325 kg的PAM，比未投入精準系統(tǒng)時的7個月累計減少260袋左右。但與投資上百萬的精確控制系統(tǒng)相對比，工程需要幾年時間收回投資成本，但確實在一定意義上減少了運行成本。

圖4 精確控制系統(tǒng)投入前后加藥泵流量對比Fig.4 Comparison of Flow Rate of Dosing Pump before and after Dosage Precise Control System

如圖5所示，精確控制系統(tǒng)投入之后，含水率穩(wěn)定控制在79%～80%，節(jié)省藥劑投入量。含水率較未投入前升高，在一定程度上增加了后端干化工藝的負荷，但本工程采用流化床焚燒爐的蒸汽進行干化，多余蒸汽會外排，因此，不會增加過多運行成本。

圖5 精確控制系統(tǒng)投入前后污泥含水率變化Fig.5 Changes of Sludge Moisture Content before and after Dosage Precise Control System

精確控制系統(tǒng)的投入能夠實時監(jiān)控污泥含水率，使其在目標值達標范圍內，同時可將藥劑投加量控制在最佳計算值，節(jié)約了一定藥劑量，實現(xiàn)信息實時監(jiān)控，減少脫水系統(tǒng)運行人員工作投入，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，為智慧水務提供智能化運行平臺。精確控制系統(tǒng)將脫水大數(shù)據(jù)納入干化焚燒DCS中，建立脫水、干化、焚燒數(shù)據(jù)共享，對脫水含水率的波動對于干化焚燒的影響進行實時監(jiān)控、實時控制、實時調整，實現(xiàn)脫水、干化、焚燒全過程DCS控制，最終實現(xiàn)全過程可視化、可控化、數(shù)字化、服務化、污水污泥智能化水務系統(tǒng)[7]。

6 結論

1)污泥濃度計的標定需要采用快速水分儀進行現(xiàn)場取泥并多次標定，誤差縮小在-5%～5%。

2)精確控制系統(tǒng)投加后，精準控制出泥含水率達標，每年可以節(jié)約大量的藥劑費用，大大降低了系統(tǒng)運行成本，保證脫水、干化和焚燒全系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行。

3)精確控制系統(tǒng)的應用解決了以往脫水系統(tǒng)與干化焚燒系統(tǒng)信息孤島問題，實時監(jiān)控污泥濃度變化，進一步完善了智慧水務運行管理平臺的設計，促進信息共享和暢通，實現(xiàn)全過程可視化、可控化、數(shù)字化、服務化，污水污泥智能化水務系統(tǒng)具有重要的應用價值。