精確加藥控制系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用

摘要：針對污水處理廠運行過程中的加藥問題，將智能控制和生化系統(tǒng)控制深度融合，采用算法邏輯推導、在線儀表數(shù)據(jù)反饋、變頻調(diào)節(jié)技術(shù)對加藥量進行精確調(diào)節(jié)，并不斷修正加藥量，通過實踐檢驗其效果。實踐表明，通過應(yīng)用精確加藥控制系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)運行自動化，降低了工作人員的勞動強度，可避免過量加藥，保障了出水穩(wěn)定達標，全面提升了污水處理廠的精細化管理水平。

關(guān)鍵詞：智慧水務(wù)；精確加藥控制系統(tǒng)；污水處理廠

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）09-00-05

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Application of Precise Dosing Control System in Sewage Treatment Plant

CAO Yu

（China Nuclear New Energy Investment Co.， Ltd.， Beijing 100037， China）

Abstract： In response to the dosing problem during the operation of sewage treatment plants， intelligent control and biochemical system control are deeply integrated. Algorithm logic deduction， online instrument data feedback， and frequency conversion adjustment technology are used to accurately adjust the dosing amount， and the dosing amount is continuously corrected. The effectiveness is tested through practice. Practice has shown that the application of precise dosing systems has achieved automation of production operations， reduced the labor intensity of workers， avoided excessive dosing， ensured stable and compliant effluent， and comprehensively improved the fine management level of sewage treatment plants.

Keywords： smart water management; accurate dosing control system; sewage treatment plant

隨著“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國”口號的提出，環(huán)境保護與生態(tài)文明建設(shè)進入信息化、智慧化的新發(fā)展階段。在智慧水務(wù)建設(shè)的浪潮下，國內(nèi)有不少污水處理廠進行了數(shù)字化提升改造，使污水處理的運行管理向精細化、節(jié)能化方向轉(zhuǎn)變[1-3]。

徐州某水廠處于工業(yè)園區(qū)內(nèi)，設(shè)計規(guī)模為

4.5萬m3/d，采用了水解酸化-缺氧-好氧活性污泥法工藝。受納污區(qū)域內(nèi)工業(yè)企業(yè)來水的影響，進水水質(zhì)波動較大，進水中的碳氮比嚴重失衡。其中，氨氮含量和化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）偏低，總氮含量偏高，且總氮中以硝態(tài)氮為主。因此，為確保出水總氮達標，需要補充大量碳源。為降本增效，需要提高碳源的利用率和反硝化效率[4-6]。

結(jié)合進水水質(zhì)特點、工藝控制難點和實際需求，改造過程中依托在線儀表、自控編程軟件、上位機組態(tài)軟件等工具，設(shè)計了一套智慧水務(wù)精確加藥控制系統(tǒng)，旨在，通過智慧賦能解決生產(chǎn)過程中存在的問題，從而提高生產(chǎn)效率，避免工藝控制中的人為操作誤差，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。

1 控制原理及方法的建立

徐州某水廠采用了典型的水解酸化-缺氧-好氧活性污泥法工藝。污水處理廠的工藝流程如圖1所示[7-9]。

項目對工藝流程中的進水、曝氣、加藥3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了升級改造，主要依托智慧水務(wù)自控系統(tǒng)完成進水量精確控制、碳源投加精確控制、聚氯化鋁（Poly Aluminum Chloride，PAC）投加精確控制等。基于此，重點介紹藥劑投加的精確控制技術(shù)。

2 精確加藥控制系統(tǒng)概述

精確加藥控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測COD、NH3-N、總氮（Total Nitrogen，TN）、總磷（Total Phosphorus，TP）、pH值等指標，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果判斷生化系統(tǒng)是否需要投加外部碳源以及PAC，并將計算結(jié)果下發(fā)至PLC控制系統(tǒng)。通過控制計量泵調(diào)整藥劑的投加量，不斷優(yōu)化設(shè)備的運行狀態(tài)與參數(shù)，保證出水指標穩(wěn)定達標，盡可能降低藥劑成本[10-12]。

2.1 碳源的精確加藥控制系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的加藥過程中，加藥量往往由工人根據(jù)出水TN濃度手動控制，容易出現(xiàn)誤差，可能造成出水TN不穩(wěn)定。人工控制不能根據(jù)水質(zhì)及流量變化及時調(diào)整投加量，可能出現(xiàn)過量加藥現(xiàn)象。

2.1.1 硝態(tài)氮分析儀位置的選擇

如圖2所示，為了避免加藥的滯后性，在缺氧池中選取6個取樣點，檢測每個點位的硝態(tài)氮濃度，并根據(jù)實驗結(jié)果在缺氧池中設(shè)置硝態(tài)氮在線監(jiān)測儀，參照池中的硝態(tài)氮儀表值控制碳源加藥量。

硝態(tài)氮儀表監(jiān)測點應(yīng)位于內(nèi)回流、外回流、加藥點之后，與加藥點的距離適宜，硝態(tài)氮值與出水總氮含量存在較強的相關(guān)關(guān)系[13]。由于受加藥量的影響，兩次實驗結(jié)果中的硝態(tài)氮濃度有較大差異，但趨勢基本一致。在兩次重復實驗中，3號點均保持較高硝態(tài)氮濃度且溶解氧濃度較低。該點的濃度最具有代表性，將該點作為監(jiān)測點可以反映整個缺氧段的硝態(tài)氮濃度水平。

如圖3、圖4所示，3號監(jiān)測點的硝態(tài)氮值和出水總氮檢測值的數(shù)值變化趨勢一致，說明根據(jù)3號的硝態(tài)氮值調(diào)整碳源投加量具有可行性。

2.1.2 碳源精確加藥控制方法

碳源精確加藥控制原理如圖5所示。根據(jù)硝態(tài)氮一定時間的均值與目標值對比，計算合理投藥量，調(diào)節(jié)藥劑調(diào)節(jié)閥的開度，以實現(xiàn)控制出水總氮含量的目標。

2.2 PAC的自動配藥和精確加藥控制系統(tǒng)

2.2.1 PAC藥劑的投加方法

裝置內(nèi)設(shè)有藥劑儲罐，用于存放PAC溶液，通過泵送將PAC溶液供給到污水處理系統(tǒng)。為提高加藥的穩(wěn)定性，在加藥點位附近增設(shè)了高位槽，確保投放后的PAC溶液能夠充分混合攪拌，達到最佳的效果。同時，為實時檢測水質(zhì)參數(shù)，配置了水質(zhì)檢測設(shè)備。

2.2.2 PAC藥劑的精確投加控制方法

不同工藝段的總磷成分如圖6所示。由圖6可知，二沉池、濾池進口、出口的污水中總磷主要由磷酸鹽構(gòu)成。根據(jù)樣品平均值計算，二沉池中的磷酸鹽占總磷的50%以上，濾池進口的磷酸鹽占總磷的比例更高，而經(jīng)過濾池后的磷酸鹽占總磷的90%以上。所以在二沉池和濾池正常運行時，控制二沉池的磷酸鹽濃度是一種控制出水總磷的有效方法。

根據(jù)實驗結(jié)果擬合的加藥量方程為

（1）

式中：QPAC為PAC加藥量，m3/h；P1為磷酸鹽在線監(jiān)測值，mg/L；P2為磷酸鹽設(shè)定值，mg/L；Q外為外回流流量，m3/h；Q進為進水流量，3/h；K1為稀釋倍數(shù)；K2為加藥系數(shù)。

計算最佳PAC投加量，對比計量值和當前實際加藥量之間的差值，通過調(diào)節(jié)計量泵的變頻器達到消除加藥量偏差的目標，實現(xiàn)藥劑的按需供給和自動投加。

3 實踐結(jié)果分析

精確加藥控制系統(tǒng)在污水處理廠投入使用后，各項控制參數(shù)運行穩(wěn)定，并且在不同的進水條件下，出水各項指標穩(wěn)定達標。通過應(yīng)用精確加藥控制系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)運行自動化，降低了工作人員的勞動強度，可避免過量加藥，全面提升了污水處理廠的精細化管理水平。

3.1 設(shè)備和自控系統(tǒng)的全面升級

該項目實施后，工藝控制的關(guān)鍵點均新增了儀器儀表，過程控制參數(shù)可以進行歷史追溯，工藝過程控制分析更加便捷，隨時可以根據(jù)參數(shù)的歷史趨勢找到工藝異常變化的原因。同時，升級了原有系統(tǒng)，進一步提高了自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，智能化水平大大提高。

3.2 系統(tǒng)運行前后的數(shù)據(jù)分析

如圖7所示，2021年12月碳源精確加藥控制系統(tǒng)開始運行調(diào)試，系統(tǒng)投入使用后，2022年1—12月的碳源用量明顯減少。因受進水波動影響，每月碳源用量并不固定，其中實施前2021年全年碳源用量為1 095.84 t，實施后2022年全年碳源用量為586.17 t，碳源用量減少509.67 t。

項目實施前后的PAC加藥成本分析如圖8所示。2022年9月，PAC精確加藥控制系統(tǒng)開始運行調(diào)試，系統(tǒng)投入使用后的PAC用量明顯減少。實施前，2022年1—9月的PAC總用量為955.75 t，平均每月用量為106.2 t。實施后，2022年10—12月的PAC總用量為242.22 t，平均每月用量為80.7 t，平均每月減少25.5 t。經(jīng)估算，精確加藥控制系統(tǒng)運行以來共節(jié)省費用約39萬元。

4 結(jié)論

應(yīng)用精確控制系統(tǒng)可以實時調(diào)整加藥裝置，保證藥劑投加量滿足生化系統(tǒng)的需求，從而保證出水質(zhì)量，減少藥劑的投加量，取得良好的運行效果。該項目提升了生化系統(tǒng)的硝化和反硝化效率，保障出水穩(wěn)定達標，電耗、藥耗大幅度降低，實現(xiàn)了節(jié)能降耗，降低了運行人員的工作強度，為實現(xiàn)水廠無人化值守奠定了基礎(chǔ)。隨著污水處理廠污染物排放標準的提高，全國各地的污水處理廠普遍面臨著脫氮的難題，穩(wěn)定控制出水總氮含量的同時降低生產(chǎn)運營成本更是難以實現(xiàn)。采用精確加藥控制系統(tǒng)能夠助力污水處理向精細化、節(jié)能化轉(zhuǎn)變，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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