基于自動化條件下污水處理除磷劑的精準投加研究

龔堅媚

（廣州市凈水有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著國家不斷提高對環(huán)境保護的重視程度，國家對污水處理廠出水水質(zhì)標準也提出了更高的要求，相關(guān)工作者尤其應重視對總氮、總磷的去除量。目前，在污水處理廠處理污水的過程中，主要通過生物法投加碳源，實現(xiàn)污水出水總氮達標的目的；主要通過生物法去除污水中的含磷污染物，實現(xiàn)污水出水總磷達標的目的。目前，國家的規(guī)范要求對污水處理廠出水總磷的標準不斷提高，所以如何更加精準地除磷加藥，關(guān)系到污水處理廠運行成本，因此這也成為相關(guān)工作者探討的主要熱點之一。目前加藥除磷方法主要有三種：一是鋁鹽除磷、二是鈣鹽除磷、三是鐵鹽除磷，主要原理均是使金屬離子和磷酸根發(fā)生反應，形成難溶性磷酸鹽沉淀。

信息技術(shù)的不斷發(fā)展促進了污水處理廠的自動化水平，現(xiàn)階段許多污水處理廠都采用自動化化學除磷加藥控制系統(tǒng)，通過自動化控制系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)精準投加除磷劑，既能達到除磷效果，還能降低除磷成本，促進了污水處理廠經(jīng)濟效益的提升。對此，本文以某除磷加藥控制系統(tǒng)改造項目為例，對基于自動化條件下，污水處理除磷劑的精準投加進行了深入分析。

1 項目概況

某凈水廠設(shè)計總規(guī)模為140 000 m3/d，其中一期為50 000 m3/d，二期為90 000 m3/d，已于2017年4月投產(chǎn)運行，出水水質(zhì)均為一級A標準。“除磷加藥智能控制系統(tǒng)改造”項目（如圖1所示），設(shè)置總磷在線分析儀以及出水采樣設(shè)備間，并且在生化池出水口安裝一臺水泵，抽水至水質(zhì)監(jiān)測室，以便對在線總磷進行實時分析，并傳至控制中心；智能控制中心接收出水總磷值，通過PLC智能控制加藥泵的投加值，并采集中控室的實時出水總磷值，智能控制保障出水總磷達標排放。

圖1 除磷加藥智能控制系統(tǒng)改造項目

2 項目實施的可行性及必要性分析

我國對經(jīng)污水處理廠處理后的出水水質(zhì)提出了具體的規(guī)范要求，即需達到一級A排放標準，其中對于出水的總磷（TP）濃度也作了規(guī)定，要求小于0.5 mg/L。污水處理廠可以通過化學除磷工藝，使出水達到出水水質(zhì)指標。在化學除磷工藝使用中，除磷藥劑投加量的控制至關(guān)重要，這一方面對出水達標排放具有直接影響，另一方面還關(guān)系到污水處理成本。而采用除磷加藥控制技術(shù)可以實現(xiàn)這一目標，既能夠達到排放標準，又能夠控制運行成本。因此，某凈水廠于2019年12月完成一期“除磷加藥智能控制系統(tǒng)改造”，采用前饋加反饋的復合控制混凝劑自動加藥系統(tǒng)控制方案，實現(xiàn)加藥量的實時調(diào)控，提高了自動化程度，減輕運行操作人員的負擔。

3 除磷加藥智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計

為了實現(xiàn)除磷加藥的自動控制，設(shè)計了化學除磷工藝控制系統(tǒng)，將污水流量計設(shè)置在生化池前，用以測定處理量，且設(shè)計和安裝在線儀表用以收集相關(guān)的信息數(shù)據(jù)；便于科學、合理的計算投藥泵流量，并且將控制信號傳輸給變頻器；變頻器控制接收到控制信號后，對隔膜加藥泵進行控制，定量進行送藥。

本項目采用的復合控制器，主要采用兩種技術(shù)，一種是模糊技術(shù)，另一種為常規(guī)的PID控制算法，控制策略主要采用的是前饋加反饋，其中沉淀池的出水濁度值是控制系統(tǒng)的最終目標值。將變量輸入至模糊控制器，即為沉淀池出水磷酸鹽濃度值，其主要包括兩個數(shù)值，一個是通過現(xiàn)場濁度儀輸入的磷酸鹽濃度值y，另一個為工控機上給定的磷酸鹽濃度值yg，計算二者之間的偏差及其變化率，輸入語言變量（變化率的語言變量分別選E、EC）；輸出變量為控制變頻器頻率的信號U[1]。

流量計主要是先要對進水流量改變情況下的出水量進行檢測，然后利用一個轉(zhuǎn)換單元，對變頻器輸出頻率進行自動調(diào)節(jié)，將進水量的大小作為主要的調(diào)節(jié)依據(jù)，使變頻器輸出頻率達到合適的位置。這主要是因為針對前饋控制器模型，在設(shè)置了磷酸鹽濃度反饋控制回路的情況下，對其精度要求降低，也就是說通過反饋回路，沒有完全補償?shù)牧髁壳梆伩梢赃M行補償。進行部分補償?shù)牧髁壳梆?，通過反饋控制回路，利用磷酸鹽計，對沉淀池出水的磷酸鹽濃度值進行檢測，并且將其檢測數(shù)值輸送給控制裝置。該裝置比較該磷酸鹽濃度值與事先輸入的磷酸鹽濃度設(shè)定值，獲得二者之間的偏差，并且將其輸入至控制器中，控制器根據(jù)偏差，對變頻器頻率進行自動調(diào)整，進而對計量泵進行控制，科學、合理地調(diào)整加藥量。

3.1 一體式總磷取樣設(shè)備

一體式總磷取樣設(shè)備包含前置水處理、控制系統(tǒng)、總磷測試儀、數(shù)據(jù)采集模塊（可與別的系統(tǒng)進行通信，采集如進水流量、出水流量、進水總磷、出水總磷等數(shù)值）；該設(shè)備具有異常聲光報警功能；取樣頻率為原來2 h/次，現(xiàn)在為45 min/次，取樣及時性也得到了加強，原來在總出水口采樣，現(xiàn)在系統(tǒng)在加藥前生化池出水采樣，時間比過去至少提前4 h[2]。

本工程項目一條線分析樣本共480個：每個樣本分析pH值、TP、TDS，COD共4個指標；化驗費，人工費，耗材等，2條線總計960個樣本?；跇颖痉治觯M行數(shù)據(jù)建模，建立智能加藥模型算法：（1）包括底層PLC模擬量和數(shù)字量的IO控制、多個電機變頻驅(qū)動、實時檢測現(xiàn)場污水指標、邏輯運算程序等步驟；（2）核心智能算法開發(fā)：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊算法智能計算出加藥量，并根據(jù)實際結(jié)果負反饋，進一步自動改進修正加藥量，從而保證結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟性。（3）多種通訊接口程序，包括現(xiàn)場總線 CAN、多個工業(yè)以太網(wǎng)接口、無線4G通訊接口、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等；（4）用戶層應用程序包括本地人機界面多畫面程序、手機微信終端實時監(jiān)控小程序、電腦端應用軟件監(jiān)控畫面程序等。建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件，收集導入過去1年的歷史數(shù)據(jù)信息，前期2個月的實驗數(shù)據(jù)具備可追溯性，可以實現(xiàn)智能系統(tǒng)快速學習。

設(shè)備的觸摸屏可顯示，以便操作人員直觀觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)、實時顯示報警內(nèi)容，方便操作人員能迅速判斷故障所在；具備手動控制功能，方便操作人員進行流量計校正、泵機故障檢查等操作，可設(shè)定經(jīng)驗方法計算藥量或智能模型計算藥量；可設(shè)定各種報警極限參數(shù)、根據(jù)出口藥劑流量計反饋，使用PID方法控制加藥泵，精準控制流量。本工程設(shè)計加藥系統(tǒng)人機界面：（1）加藥系統(tǒng)增加人機觸摸屏HMI。（2）加藥系統(tǒng)為人機交互系統(tǒng)開發(fā)，管路清晰、圖像直觀、關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控到位。（3）可顯示人機界面調(diào)試通訊正常，數(shù)據(jù)正常、加藥泵運行、停止狀態(tài)正常、加藥量及其相關(guān)數(shù)據(jù)正常。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)建模

通過上位機可以實時觀察到取樣設(shè)備、取樣流程狀態(tài)和生化池水質(zhì)曲線、進出水流量數(shù)據(jù)；可以精準顯示故障原因并提示排除方法，方便操作人員管理和維修；上位機還可以自動記錄系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)自動生成月、日、小時報表，方便人工分析系統(tǒng)運行情況；可生成一期生化池入口總磷曲線、生化池出口總磷曲線、一期出水總磷曲線。本工程對上位機界面程序進行開發(fā)與調(diào)試具體內(nèi)容包括：（1）中控上位機顯示界面開發(fā)，圖像形象生動、數(shù)據(jù)監(jiān)控準確，具有設(shè)備狀態(tài)顯示等功能；（2）中控上位機開發(fā)了報表功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的時報、日報、周報、月報記錄及其導出功能；（3）可顯示人機界面調(diào)試通訊正常、數(shù)據(jù)正常、加藥泵運行停止狀態(tài)正常，加藥量及其相關(guān)數(shù)據(jù)正常；（4）可調(diào)試上位機與中央控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊交互；（5）可調(diào)試上位機遠程控制功能是否正常；（6）可調(diào)試上位機歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)記錄及其分類功能。

3.3 遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控

可以通過Web和微信小程序?qū)崟r遠程瀏覽除磷智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)，方便隨時隨地獲取系統(tǒng)信息，做到走到哪里都能了解到情況。本工程中的微信小程序遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由四部分組成，即4G模塊安裝、微信小程序遠程監(jiān)控界面開發(fā)、調(diào)試4G模塊數(shù)據(jù)交換、調(diào)試遠程監(jiān)控界面數(shù)據(jù)顯示[3]。

4 項目的具體實施

（1）在原有工藝基礎(chǔ)上各增加一套高精度、低量程藥劑流量計、生化池出水水質(zhì)檢測設(shè)備，然后根據(jù)定制化的投藥理論數(shù)學模型和檢測儀器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)加藥前后都有量化數(shù)據(jù)作為支撐。將量化數(shù)據(jù)輸入對應特定數(shù)學模型得到精準加藥量，改造現(xiàn)在的加藥控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在線前饋和后饋，從而實現(xiàn)全自動精準控制投藥。做到投藥量有實際理論依據(jù)，確保投藥安全。

（2）智能加藥系統(tǒng)依據(jù)實驗理論數(shù)學模型和實時監(jiān)測的生化池運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，精準投加除磷劑，充分利用了生物除磷的效果，真正意義上做到先進的生物除磷；再依據(jù)化學輔助除磷的原則和理念，達到最大化節(jié)約成本的目的；同時以設(shè)備實時監(jiān)控配合常規(guī)人工定期巡視，進一步提高出水的安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性；若出現(xiàn)臨時突發(fā)狀況，全自動精準投加系統(tǒng)可以一鍵切換為人工模式。

5 項目的經(jīng)濟效益和社會效益說明

5.1 經(jīng)濟效益

某凈水廠于2019年12月13日在一期引入智能除磷系統(tǒng)，總投資49.27萬元，投加設(shè)備正式運行后，除磷劑單耗從原來的0.351 7下降到0.114 3，降低了67.50%（見表1、圖2、圖3），項目除磷藥劑投加量大幅下降。該項目具有多重安全防護措施，逐級防范可能出現(xiàn)的各種異常狀況，保障出水質(zhì)量穩(wěn)定達標。

表1 處理水量及除磷劑使用量

圖2 2019年、2020年處理水量、除磷劑投加量

圖3 2019年、2020年除磷劑噸水藥耗

2020年某凈水廠一期處理水量1 635.74萬噸，除磷劑為399元/噸，除磷劑年度使用費用約7.46萬元，若除磷劑按單耗（2019年度）0.351 7計算，除磷劑年度費用約22.95萬元，除磷加藥智能控制系統(tǒng)投入后為某凈水廠節(jié)約成本約15.49萬元，同時系統(tǒng)全天候自動化運行，無需干預，降低了現(xiàn)場人員的日常工作量。

5.2 社會效益

某凈水廠除磷加藥智能投加系統(tǒng)投入使用后，使用成效受到同行業(yè)肯定并推廣實施，提高了污水處理除磷劑自動化精準投加水平，節(jié)省了除磷藥劑的投加成本。與此同時，除磷加藥智能投加系統(tǒng)實現(xiàn)了綠色技術(shù)創(chuàng)新，能夠降低碳排放，促進污水處理產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，具有良好的經(jīng)濟優(yōu)勢，提升了產(chǎn)業(yè)競爭力；實現(xiàn)污水處理企業(yè)經(jīng)濟發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型的同步實施，從而加快達到“雙碳”的戰(zhàn)略目標，對我國社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的促進作用。

6 結(jié)語

綜上所述，基于自動化條件下的污水除磷劑精準投加系統(tǒng)可以科學、合理地控制除磷劑的用量，降低工作人員的任務量，達到良好的處理效果，降低運行成本。對此要求相關(guān)技術(shù)人員要加強對信息技術(shù)的開發(fā)和利用，并且根據(jù)污水處理廠的實際情況，盡可能開發(fā)研究完善的污水處理除磷劑精準投加自動化系統(tǒng)，加強對加藥量的實時調(diào)控，提高污水處理廠的污水處理實際效果。目前我國對污水處理除磷劑精準投加自動化系統(tǒng)的研究還不到位，應用力度不足，對此筆者認為未來還應不斷加強對污水處理除磷劑的自動化精準投加系統(tǒng)的分析和探討，從而推動我國污水處理廠的不斷發(fā)展，以此促進我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施。