引言
我國已建成城市污水處理廠4000余座，遵照《水污染防治行動計劃》的要求，其中大部分污水處理廠處理出水要達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，出水的總磷(TP)濃度要小于0.5mg/L。為了達(dá)到這一出水水質(zhì)指標(biāo)，需要采用化學(xué)除磷工藝。因此，除磷藥劑投加量的控制直接關(guān)系到處理出水的達(dá)標(biāo)排放和運行成本。通過采用除磷加藥控制技術(shù)可以實現(xiàn)在達(dá)標(biāo)排放的基礎(chǔ)上減少除磷藥劑投加量的目標(biāo)，降低污水處理廠的運行成本。
1、控制策略
污水處理廠的常用控制技術(shù)中有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類不同的控制策略。開環(huán)控制包括離散時序和進(jìn)水流量前饋算法，閉環(huán)控制為出水磷酸鹽反饋算法。本研究中結(jié)合污水處理廠的實際情況，選用了基于出水磷酸鹽濃度實施反饋控制的策略。
出水磷酸鹽濃度反饋控制以時間t和出水磷酸鹽濃度P為變量，按式(1)計算出水濃度與設(shè)定值的偏差e(t)，再根據(jù)偏差計算加藥量。
e(t)=P(t)-Ps (1)
式中e(t)為t時刻出水磷酸鹽儀表采樣值P(t)與設(shè)定值Ps的差值。
工程上一般采用比例-積分-微分(PID)控制算法計算加藥量，離散公式如式(2)所示。
D(t)=Kc[e(t)-e(t-1)]+Kie(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)] (2)
式中e(t-1)、e(t-2)為上一次和上兩次采樣的偏差;Kc、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。
通過測定處理出水的磷酸鹽濃度，計算出與設(shè)定值的差值，在依據(jù)差值計算出應(yīng)該調(diào)節(jié)的加藥量。由控制系統(tǒng)發(fā)出指令調(diào)節(jié)加藥泵的頻率，實現(xiàn)加藥量的實時調(diào)控。
2、控制系統(tǒng)的設(shè)計
為了實現(xiàn)除磷加藥的自動控制，設(shè)計了以下的化學(xué)除磷工藝控制系統(tǒng)，如圖1所示。在生化池前設(shè)置污水流量計測定處理量(Q)，在線磷酸鹽儀表從二沉池出水采集磷酸鹽數(shù)據(jù)(P);控制器采集實時數(shù)據(jù)，計算得到投藥泵流量(D)，并將控制信號輸出給變頻器;變頻器控制隔膜加藥泵從藥劑儲液池向加藥點按給定流量送藥。
控制系統(tǒng)的儀表與設(shè)備配置信息如表1所示。隔膜加藥泵有兩種調(diào)節(jié)模式，手動改變隔膜空腔體積(0—100%)或者自動調(diào)節(jié)變頻器輸出(0—50Hz)。經(jīng)過流量標(biāo)定，確認(rèn)了實際流量與開度、頻率均呈線性關(guān)系。在實際運行時，手動設(shè)置隔膜空腔開度，達(dá)到最大加藥量，然后采用變頻器對流量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。
出水濃度反饋策略的關(guān)鍵是確定PID系數(shù)和采樣時間間隔。采用試算法確定PID參數(shù)，先確定采樣間隔，然后優(yōu)化比例系數(shù)，最后確定積分和微分系數(shù)。經(jīng)變量歸一化整理后，得到Kc、Ki和Kd分別取10、2和0，采樣間隔15min。取式(1)中Ps為0.4mg/L，按式(2)計算出D(t)=12e(t)-10e(t-1)，并寫入控制器進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)。
3、控制效果分析
除磷加藥控制系統(tǒng)在宜興市某污水處理廠進(jìn)行了實驗測試。實驗結(jié)果表明，采用加藥控制系統(tǒng)后，在處理出水的總磷濃度低于0.5mg/L前提下，除磷劑的消耗量顯著下降，如圖2所示。
圖2中的曲線和表2中的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)進(jìn)水的流量發(fā)生變化時，污水處理系統(tǒng)的出水總磷濃度隨之變化，自動控制的加藥量隨著出水TP濃度的變化進(jìn)行調(diào)整。在出水TP濃度滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，TP<0.5mg/L。除磷劑的投加量平均減少了16%。而穩(wěn)態(tài)加藥的對照組相對消耗的除磷劑較多。
在平均投藥量相近時，出水反饋控制可以較好滿足出水總磷濃度的控制要求，這與國內(nèi)外其他研究報道的結(jié)果是一致的。
采用處理出水的磷酸鹽濃度對加藥實施反饋控制屬于閉環(huán)控制，優(yōu)點是穩(wěn)定性好、適用性較強(qiáng)，缺點是滯后性稍大，還存在一些藥劑的過量投加。有時受到加藥設(shè)備的限制，實際加藥量達(dá)不到所需加藥量，持續(xù)停留在加藥泵流量的上、下限水平，可能會導(dǎo)致藥劑浪費或加藥不足。此外，反饋控制中磷酸鹽在線監(jiān)測儀表的維護(hù)工作量比較大，會導(dǎo)致控制系統(tǒng)比較脆弱。
4、結(jié)論
本文介紹了一種基于反饋控制原理的除磷加藥控制系統(tǒng)及其應(yīng)用效果。提出了化學(xué)除磷工藝優(yōu)化控制的原理與方法，設(shè)計了加藥自動控制系統(tǒng)，并通過生產(chǎn)試驗進(jìn)行了驗證。實驗結(jié)果表明采用該控制系統(tǒng)可以在保證處理出水達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)時，減少除磷藥劑的投加量，是一種具有應(yīng)用推廣潛力的污水處理控制技術(shù)。在設(shè)計自控系統(tǒng)時可以優(yōu)先考慮使用反饋控制的策略，出水反饋控制需要購置并持續(xù)維護(hù)在線磷酸鹽儀表，會導(dǎo)致技術(shù)含量和工作強(qiáng)度的增加，所以在選擇方案、設(shè)計和運行時應(yīng)該有所考慮。
來源:《海峽科技與產(chǎn)業(yè)》 作者:沈敏等
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