城鎮(zhèn)污水處理除磷藥劑智能調(diào)控的研究

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)

[1]劉寧，陳小光，崔彥召，等.化學(xué)除磷工藝研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2012，31（7）：1597-1603.

[2]馬永明，李偉. 某典型城市污水處理廠除磷藥劑的選擇與效能分析[J]. 有色設(shè)備，2022，36（6）：67-70，74.

[3]侯艷玲，劉艷臣，邱勇，等. 化學(xué)除磷藥劑中三價(jià)鐵鋁對(duì)生物系統(tǒng)污泥活性影響的研究[J].給水排水，2010，46（6）：38-41.

[4]邱勇，李冰，劉垚，等. 污水處理廠化學(xué)除磷自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].給水排水，2016，52（7）：126-129.

[5]肖秀梅，李長(zhǎng)亮. 生物除磷工藝中同步沉淀除磷藥劑投加量計(jì)算[J]. 給水排水，2013，49（增刊1）：149-151.

[6]孫龍，朱燦耀，劉薇薇，等. 污水處理廠除磷藥劑自動(dòng)投加系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[J]. 給水排水，2022，58（增刊2）：542-548.