再生水廠高效沉淀池智能化控制管理的應用 給水排水 · 2024-07-22 早報 供水廠管理 三星 摘要：針對其進水負荷波動大、出水要求高等特點，在規模240 m³/d的中試裝置上開展了高效

本文基于高效沉淀池的運行特點，在處理規模240 m³/d的中試系統建立了化學除磷加藥控制系統，開發了基于離散模型的多參數耦合PID控制策略，并在處理規模4.5×104 m³/d的再生水廠高效沉淀池生產線開展應用研究。該系統經130 d穩定運行后，對高效沉淀池出水正磷酸鹽實現穩定、精確控制，當目標值為0.14 mg/L時，正磷濃度平均為(0.13±0.02) mg/L，出水TP穩定達標，節省除磷藥劑投加量27%。

1.1 再生水廠概況

北京某再生水廠處理規模18萬m³/d，出水執行北京市《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（DB 11/890-2012）中的B標準，其中TP≤0.3 mg/L，處理工藝如圖1所示。生化單元采用多級AO分段進水工藝，經高效沉淀池進行化學除磷，后續進入超濾進一步去除SS、COD等污染物，最終經紫外消毒后排放。

圖1 再生水廠工藝流程

該廠高效沉淀池共分4個平行系列，單系列設計處理量4.5萬m³/d，其中混合區停留時間為3 min，絮凝區停留時間為9 min，斜管區表面負荷為15.98 m³/(m2·h)，混凝劑采用鋁鐵復合型除磷劑，絮凝劑采用聚丙烯酰胺PAM。原廠根據進水流量人工調整混凝劑投加量。本文所述生產性應用在高效沉淀池單系列中進行。

1.2 中試裝置概況

中試裝置日處理規模240 m³/d，如圖2所示，其中混合區停留時間1.5 min，絮凝區停留時間10 min，斜管區表面負荷16 m³/(m2·h)，混凝劑投加量為1.2 L/h。

圖2 中試裝置

1.2 進水水質

該廠收集處理生活污水，高效沉淀池中試裝置及生產線進水均來自生化單元的出水，其主要進水指標如表1所示。高效沉淀池進水TP和正磷酸鹽均值分別為（1.65±0.82） mg/L和（1.32±0.53） mg/L，正磷酸鹽占總磷比例約為80%。

表1 試驗期間進水水質

1.3 分析與評價方法

在試驗過程中，定期對高效沉淀池生產線及中試的進、出水進行取樣測定SS、TP和正磷酸鹽。其中，高效沉淀池進、出水SS指標采用重量法（GB 11901-89）檢測；TP、正磷酸鹽采用鉬酸銨分光光度法（GBT 11893-89）檢測。

高效沉淀池出水的濾過性能測試方法如下：使用純凈水浸潤由量筒、漏斗、特定濾紙（直徑185mm的“5C”濾紙，標準JIS P3801）組成的過濾裝置，然后取100mL待測樣品倒入該裝置，記錄5 min內過濾體積。

根據式（1）對該系統的節藥效果進行評價。

式中 q0——在試驗期間，高效沉淀池的平行系列混凝劑恒定投加量均值；

q1——在試驗期間，應用控制系統的運行系列的混凝劑投加量均值。

根據式（2）對該系統的控制精度進行評價。

式中 Ceff——在該工況下，系統出水正磷酸鹽濃度的平均值；

S——在該工況下，系統出水正磷酸鹽濃度的標準偏差；

X——在該工況下，系統的控制精度。

高效沉淀池智能加藥控制系統由智能控制模塊、正磷酸鹽在線監測模塊及除磷藥劑投加設備組成，其配置如表2所示。其中，智能控制模塊主要由智能控制器、綜合數據處理單元、工業平板電腦等設備組成。正磷酸鹽在線監測儀表測量原理為磷釩鉬黃（VMP）分光光度法，磷酸鹽與鉬酸銨在酸性條件下生成磷鉬黃雜多酸，其與含氧酸鹽反應后生成三元雜多酸，于385nm 波長處對其進行分光測量，得到水中的磷含量，其測量間隔最小為5 min。

表2 高效沉淀池智能加藥控制系統設備

智能控制模塊收集沉淀區出水在線監測的正磷酸鹽值，通過策略計算后輸出至加藥設備，進而實時調控混凝劑加藥流量，同時采集全廠出水TP和沉淀區泥位計監測數據，輔助控制加藥流量和排泥泵啟停，保證高效沉淀池出水TP的穩定；同時該系統監測投加設備的運行情況，對藥劑堵塞進行預警和自動處理，節省人工巡檢維護工作量。該系統的流程如圖3所示。

圖3 高效沉淀池智能控制管理系統流程

通過運行歷史數據分析，針對出水正磷酸鹽劃分為正常區間和預警區間，構建基于離散模型的PID控制算法，在正常區間段根據出水正磷酸鹽計算加藥量，在預警區間通過最大加藥量保證出水TP達標，如圖4所示。在此基礎上，針對正常區間段內的出水正磷酸鹽上升與下降過程進一步細分了控制區間，每個區間分別對應增量系數，在PID計算基礎上進行相應的優化后輸出計算結果。本系統結合了高效沉淀池運行優化的關鍵控制參數，采用基于離散模型的PID控制策略，通過分區分段建立自適應規則，保證控制精度和節藥效果，實現了單元出水穩定的同時節省藥耗與人工成本。

圖4 控制策略

3.1 中試試驗效果

3.1.1 控制策略驗證

在高效沉淀池中試裝置上應用基于離散模型的PID的反饋策略，在90余天的運行期間通過調節比例、積分系數等控制參數，并針對出水正磷酸鹽上升與下降區間分別建立控制策略，提高系統的控制精度。經過優化后的控制系統的出水正磷酸鹽及加藥量數據如圖5所示，當出水控制目標值為0.10 mg/L時，系統出水正磷酸鹽濃度為（0.08±0.02） mg/L。在進水負荷大幅波動情況下（9~13 d），通過該控制策略計算輸出加藥量，可以快速使出水正磷酸鹽恢復至目標值附近，保證出水的穩定性，減少了因反饋控制方式導致的滯后性。

圖5 中試試驗運行效果

3.1.2 絮凝劑投加量的優化

在高效沉淀池與超濾等膜工藝相結合的深度處理工藝中，PAM的投加量關系著加載絮凝體系中可提供有效吸附位點的數量，繼而對絮體成長及濾餅層形成產生較大影響，最終影響出水TP和懸浮物濃度，且投加量過高會加快后續處理單元的膜污染。本文所述高效沉淀池生產性試驗線后續工藝為超濾，因此，在開展生產性規模示范驗證前，在中試裝置對出水的濾過性能進行了測定，以期確定絮凝劑的投加量，如圖6所示。在相同混凝劑投加的情況下，PAM在0.30 mg/L時，濾過性能較好，為生產性規模的化學除磷精確加藥系統運行提供了絮凝劑投加量的優選范圍。

圖6 出水濾過性能

3.2 生產性試驗運行效果

污水中的磷按物理態可分為溶解態磷和顆粒態磷，可通過0.45 μm微孔濾膜過濾后對兩者進行區分。在生產性試驗調試運行前，通過檢測高效沉淀池進水正磷酸鹽及TP，分析其溶解性正磷酸鹽占比，可知高效沉淀池進水PO3-4-P/TP均值為（0.82±0.15） mg/L，變化范圍為0.42~0.98 mg/L，如圖7所示。PO3-4-P/TP大于0.68的占比為83.9%，這表明該工藝單元進水中溶解性正磷酸鹽占比較高，而其他形態的磷（顆粒態、膠體態）對于該單元的磷負荷貢獻較小，通過控制混凝劑與磷酸鹽的化學反應過程即可實現對總磷的去除目標。

圖7 高效沉淀池進水正磷酸鹽/總磷

高效沉淀池化學除磷精確控制系統經130余天運行，其進出水TP和正磷酸鹽濃度如圖8所示。該廠進水流量受季節影響，存在一定波動，其中超過設計規模的天數占比29.5%；由于生物除磷過程受進水C/N、污泥齡等運行因素影響，二沉池出水（即高效沉淀池進水）TP濃度的波動范圍較大，為0.24~1.48 mg/L。在連續運行期間，當出水正磷酸鹽控制目標為0.14 mg/L時，被控系列的出水正磷酸鹽為（0.13±0.02）mg/L，控制精確度為15.4%，系統的正磷酸鹽去除率平均為86.36%；高效沉淀池被控系列的出水TP平均為（0.14±0.07） mg/L，穩定低于0.30 mg/L的出水標準。在進水動態波動的情況下，通過基于離散模型的多參數耦合PID反饋控制策略的實施，系統實現了對高效沉淀池混凝劑投加量、排泥等關鍵參數的精確調控，最終實現了該工藝單元良好的化學除磷效果。

圖8 高效沉淀池進出水TP和正磷酸鹽

3.3 經濟性評價

該系統的加藥量與平行系列的人工投藥量對比如圖9所示，平行系列根據人工經驗進行投加量的調整，存在一定滯后性，且為了保證滿足嚴格的排放標準，投加量較高。根據式（1）計算，在運行期間除磷藥劑的投加量平均減少27%。另外，在混凝劑投加設備的運行過程中，除磷劑易造成隔膜計量泵的堵塞（圖中加藥量降為0 L/h），導致加藥中斷；通過系統對投加設備流量異常狀態的檢測，可對該情況進行自動識別并進行高頻率沖洗，實現加藥設備故障的自動解決，進而減少了運維工作量，保證了系統的正常運行。基于生產性驗證的良好效果，該廠正在進行全廠高效沉淀池智能化控制系統的升級改造。

圖9 控制系列與平行系列的加藥量對比

針對城市再生水廠的高效沉淀池進水負荷波動大、化學除磷藥耗高等問題，通過中試研究開發了基于離散模型的多參數耦合PID控制策略，并在處理規模4.5萬m³/d的生產線實際應用，為該廠的全廠加藥系統（18×104 m³/d）改造奠定基礎。通過130余天的連續運行，當出水正磷酸鹽目標值為0.14 mg/L時，系統實際出水正磷酸鹽為（0.13±0.02） mg/L，出水TP穩定小于0.3mg/L。與平行系列相比，應用該控制系統的生產線中，除磷藥劑投加量減少27%，有效實現了化學藥劑節省；同時結合設備故障識別與恢復功能，增加了系統穩定性，減少了運維工作量。采用該智能控制管理系統預期可實現10萬m³/d污水處理廠每年減少碳排放量243 tCO2，具有良好的應用前景。

微信對原文有修改。原文標題：再生水廠高效沉淀池智能化控制管理的應用研究；作者：張璐晶、郭媛媛、龐洪濤、包鵬、曹效鑫、黃小林、張偉；作者單位：信開環境投資有限公司、中國社會科學院數量經濟與技術經濟研究所、天津環創科技發展有限公司。刊登在《給水排水》2024年第5期。