污水處理廠化學(xué)除磷精確控制系統(tǒng)研究
——以山東某污水處理廠為例

尹亞云，蒲文鵬，陳永娟，張永光，徐 雯

(1.光大水務(wù)科技發(fā)展(南京)有限公司，南京 211100;2.光大水務(wù)(深圳)有限公司，廣東 深圳 518033)

引 言

污水處理廠作為末端治理單元，其出水水質(zhì)將直接影響受納水體環(huán)境。近年來，城市和工業(yè)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致大量氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的排放，使自然和城市水體水質(zhì)嚴(yán)重惡化[1]。國(guó)家及各地政府相繼頒布污水排放標(biāo)準(zhǔn)文件，對(duì)磷的排放做出嚴(yán)格控制，使越來越多的污水處理廠將除磷列入處理目標(biāo)，各種除磷技術(shù)也隨之蓬勃發(fā)展[2-3]。

化學(xué)除磷過程反應(yīng)速度快、對(duì)濃度敏感，呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量學(xué)關(guān)系[4]。目前化學(xué)除磷劑投加方式有人工投加和智能投加兩種方式。在現(xiàn)今環(huán)保政策壓力之下，為保證出水達(dá)標(biāo)，人工加藥大多是采用粗放式投加方式，將出水總磷值控制在遠(yuǎn)低于出水標(biāo)準(zhǔn)的水平。這種方式不僅會(huì)造成資源的巨大浪費(fèi)，還可能會(huì)造成污泥產(chǎn)率增加，出水色度增加等一系列問題。一部分自動(dòng)化程度較高的污水廠會(huì)采用智能投加的方式，根據(jù)進(jìn)水流量實(shí)時(shí)調(diào)整加藥量，但國(guó)內(nèi)污水廠進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，僅根據(jù)流量調(diào)節(jié)依然存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。少部分污水廠采用依據(jù)總磷負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整加藥量的方式，但化學(xué)除磷劑主要是與正磷酸鹽進(jìn)行反應(yīng)，且國(guó)內(nèi)污水組分波動(dòng)較大，基于總磷的除磷劑投加系數(shù)較難確定。因此對(duì)化學(xué)除磷精確控制系統(tǒng)的研究很有必要。

1 材料及方法

1.1 污水處理廠概況

山東省某污水處理廠為滿足國(guó)家及當(dāng)?shù)卣囊笥?014年底對(duì)污水廠進(jìn)行提標(biāo)改造，出水標(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)中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。采用A+AAO+高效沉淀+過濾工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

目前，進(jìn)水流量約9.7萬m3/d，主要為生活污水與工業(yè)污水，其中工業(yè)水含量高達(dá)70%以上，來水水質(zhì)波動(dòng)性較大。實(shí)際進(jìn)出水水量水質(zhì)如表1所示。

表1 實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)水量表

現(xiàn)污水廠三級(jí)處理段除磷藥劑為聚合硫酸鐵(PFS)，平均投加量為180 mg/L。目前采用人工加藥的方式，由于進(jìn)水波動(dòng)，為確保污水廠出水總磷達(dá)標(biāo)，藥劑投加量較大。

研究針對(duì)該廠的化學(xué)除磷精確控制系統(tǒng)，提高污水處理廠達(dá)標(biāo)率，并節(jié)省藥劑投加費(fèi)用。針對(duì)該水廠來水波動(dòng)性大的特點(diǎn)，加藥除磷控制系統(tǒng)采用了“前饋+反饋”的控制模式，實(shí)現(xiàn)了加藥過程的精細(xì)化控制。

1.2 試驗(yàn)材料

除磷劑為聚合硫酸鐵(PFS)，有效成分含量12%，密度為1.45 kg/L。

試驗(yàn)用水為該污水廠二沉池出水，水質(zhì)如下：pH為6.83～7.72，TP為0.35～5.55 mg/L。

1.3 試驗(yàn)方法

采用Kemwater型六聯(lián)混凝試驗(yàn)攪拌儀進(jìn)行藥劑投加量試驗(yàn)，該污水廠除磷藥劑為聚合硫酸鐵(PFS)。取1L 水樣置于燒杯中，加入預(yù)設(shè)量的PFS，首先300 r/min快速攪拌1 min，再50 r /min慢速攪拌10 min，靜置沉淀45 min 后取上清液檢測(cè)正磷酸鹽與總磷濃度[5-6]。

1.4 分析方法

TP和正磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法檢測(cè)。

1.5 高效沉淀池出水標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，經(jīng)濾池過濾后正磷酸鹽濃度占總磷比例約為30%～55%。該廠出水總磷標(biāo)準(zhǔn)為0.5 mg/L。為保證出水達(dá)標(biāo)，設(shè)定出水總磷目標(biāo)值為0.35 mg/L，設(shè)定高效沉淀池出水正磷酸鹽濃度目標(biāo)值Csp為0.12 mg/L。

1.6 投藥系數(shù)的確定

投藥系數(shù)記為β，其為投加藥劑中有效物質(zhì)鐵與污水中所需去除磷的摩爾比。由于進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，取二沉池出水進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，混凝沉淀后上清液濃度目標(biāo)值Csp為0.12 mg/L。記錄二沉池出水正磷酸鹽濃度C1與投藥系數(shù)β。

由于該廠進(jìn)水總磷濃度變化較大，為適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)的變化，并避免因加藥泵頻繁調(diào)節(jié)造成損壞，將二沉池出水正磷酸鹽濃度(C1)分為十個(gè)梯度?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果及生產(chǎn)性試驗(yàn)驗(yàn)證后確定二沉池出水正磷酸鹽濃度與藥劑投加系數(shù)的關(guān)系如表2所示。該對(duì)應(yīng)關(guān)系可隨著生產(chǎn)數(shù)據(jù)積累不斷優(yōu)化。

表2 二沉池出水正磷酸鹽濃度與藥劑投加系數(shù)的關(guān)系

2 化學(xué)除磷數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)二沉池出水正磷酸鹽濃度及對(duì)應(yīng)的投藥系數(shù)，計(jì)算加藥率：

M1=15.05×(C1-Csp)×β

(1)

式中：M1——加藥率，每升污水中投加PFS溶液的質(zhì)量，mg/L；

C1——二沉池出水正磷酸鹽濃度，mg/L；

Csp——高效沉淀池出水正磷酸鹽濃度目標(biāo)值；

β——投藥系數(shù)，mol/mol。

根據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)水流量計(jì)算加藥量：

(2)

式中：Q1——進(jìn)水流量，m3/h；

Q2——加藥量，m3/h；

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)包括信號(hào)采集模塊、模型計(jì)算模塊和控制信號(hào)輸出模塊。

信號(hào)采集模塊采集進(jìn)水流量、進(jìn)水總磷儀監(jiān)測(cè)值、二沉池出水正磷酸鹽儀監(jiān)測(cè)值、高效沉淀池出水正磷酸鹽儀監(jiān)測(cè)值、總出水總磷儀監(jiān)測(cè)值、加藥泵頻率、加藥泵沖程、加藥泵流量和加藥間設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)；模型計(jì)算模塊包括前饋控制模型和反饋控制模型，前饋控制模型中的采集模塊可以采集前饋控制過程中產(chǎn)生的信號(hào)，前饋控制模型中的內(nèi)置模型計(jì)算加藥泵量；反饋控制模型中的采集模塊可以采集反饋控制過程中產(chǎn)生的信號(hào)，反饋控制模型中的內(nèi)置模型計(jì)算加藥泵量；控制信號(hào)輸出模塊將模型計(jì)算模塊計(jì)算的加藥量轉(zhuǎn)換為加藥泵工作頻率，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成控制信號(hào)輸出至可編程邏輯控制器，控制加藥泵群工作。

3.2 控制模式設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用“前饋+反饋”的閉環(huán)控制模式，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 化學(xué)除磷精確控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)加藥點(diǎn)在高效沉淀池進(jìn)水前，在二沉池出水及高效沉淀池出水測(cè)量正磷酸鹽濃度，分別記為C1、C2，兩塊儀表采樣時(shí)間間隔均為30min。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的二沉池出水正磷酸鹽濃度C1與進(jìn)水流量Q1，利用化學(xué)除磷數(shù)學(xué)模型計(jì)算除磷劑的投加量，給加藥泵發(fā)出指令使加藥泵按設(shè)定頻率加藥，進(jìn)行前饋控制。前饋控制可及時(shí)有效的應(yīng)對(duì)來水沖擊，避免進(jìn)水水質(zhì)水量突變?cè)斐沙鏊瑯?biāo)。

系統(tǒng)采集高效沉淀池出水正磷酸鹽濃度C2與設(shè)定目標(biāo)值Csp，計(jì)算偏差，進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)控制，控制算法采用PID控制，公式如下：

Δu(t)=Kp[e(t)-e(t-1)]+Kie(t)+

Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]

(3)

式中：e(t)——t時(shí)刻高效沉淀池出水正磷酸鹽濃度C2與設(shè)定目標(biāo)值Csp的偏差；

Kp——比例系數(shù)；

Ki——積分系數(shù)；

Kd——微分系數(shù)。

采用試湊法確定PID控制參數(shù)，確定Kp為51，Ki為7，Kd為0。這種反饋控制方式，不論混凝過程有多復(fù)雜，只要出水正磷酸鹽濃度與用戶的設(shè)定值有偏差，系統(tǒng)就會(huì)采取相應(yīng)的措施減少偏差，最終使得出水正磷酸鹽濃度在設(shè)定值附近。另外在總出水TP≥0.4 mg/L時(shí)切換至手動(dòng)模式，人工控制加藥泵流量，充分保障出水安全。

3.3 控制系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)

儀表的穩(wěn)定對(duì)于該系統(tǒng)至關(guān)重要，需及時(shí)識(shí)別儀表異常情況。根據(jù)污水廠總進(jìn)出水總磷儀數(shù)據(jù)、二沉池出水和高密池出水正磷酸鹽濃度趨勢(shì)判斷正磷酸鹽儀數(shù)據(jù)是否異常。異常時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)剔除異常數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用與當(dāng)前工況最為匹配的替換數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，確?？刂葡到y(tǒng)不會(huì)由于部分?jǐn)?shù)據(jù)的損壞或丟失，造成對(duì)于實(shí)際受控設(shè)備的異常控制，確保工藝運(yùn)行的平穩(wěn)，以及受控設(shè)備的安全。

4 效益分析

4.1 傳統(tǒng)加藥方式

由于該水廠為工業(yè)水占比較大，進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，在沒有采用精確控制系統(tǒng)之前采取人工依據(jù)出水TP濃度以及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)過量投加的方式，但依然存在出水水質(zhì)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

采集連續(xù)30天出水TP濃度及加藥量數(shù)據(jù)，進(jìn)水TP濃度范圍為1.75～8.54 mg/L，出水TP濃度范圍為0.07～0.31 mg/L，加藥量范圍為89～315 mg/L，平均加藥量約為166 mg/L。傳統(tǒng)投藥方式藥劑消耗巨大。

圖3 傳統(tǒng)加藥方式連續(xù)30天進(jìn)出水TP與加藥量變化圖

4.2 精確控制方式

精確控制系統(tǒng)上線穩(wěn)定運(yùn)行后，連續(xù)監(jiān)測(cè)30天。如圖4所示，進(jìn)水TP濃度范圍為2.13～10.56 mg/L，出水TP維持在0.28～0.37 mg/L之間，加藥量范圍為82～223 mg/L，平均加藥量為147 mg/L，節(jié)省藥劑約12.9%。

圖4 精確控制方式連續(xù)30天進(jìn)出水TP與加藥量變化圖

5 結(jié) 論

5.1 將二沉池出水正磷酸鹽濃度(C1)分為十個(gè)等級(jí)，系統(tǒng)自動(dòng)匹配對(duì)應(yīng)加藥系數(shù)(β)進(jìn)行前饋加藥量計(jì)算，及時(shí)有效的應(yīng)對(duì)來水沖擊，避免進(jìn)水水質(zhì)水量突變?cè)斐沙鏊瑯?biāo)。

5.2 采用“前饋+反饋”閉環(huán)控制模式，在充分考慮儀表風(fēng)險(xiǎn)的前提下，根據(jù)進(jìn)水磷酸鹽負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整藥劑投加量。在水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)除磷藥劑的精確控制。

5.3 在山東某污水處理廠示范工程中，實(shí)現(xiàn)加藥量節(jié)省約12.9 %。該系統(tǒng)具有潛在的應(yīng)用推廣價(jià)值。

5.4 經(jīng)過精確控制系統(tǒng)自動(dòng)控制除磷劑投加量，不僅解決了污水廠除磷劑粗投放的問題，而且還可以增加出水穩(wěn)定性，除此之外實(shí)現(xiàn)了藥劑節(jié)省，減輕了運(yùn)營(yíng)人員的工作量，使污水廠管理向精細(xì)化方向邁進(jìn)。