城市污水处理是削减氮磷负荷、控制水体富营养化的关键环节。我国多地污水处理厂在实现一级A达标运行后,探索和实施可达到地表水质量的排放标准,而延长处理流程和使用化学药剂已经成为主流选择^[1,2] 。如化学除磷药剂的使用,在有效去除污水中残留磷酸盐的同时,也带来了运行成本增加、污泥产量增加、生物除磷活性降低等不利影响^[2] 。因此,一方面需要研究更高效的生物处理工艺,另一方面需要对现有工艺过程进行优化控制。

　　 化学除磷过程反应速度快、对浓度敏感,呈现化学反应的计量学关系^[3] 。学者从生物群落、工艺模型、控制策略等多个方面深入研究了化学除磷工艺的优化问题,得到了相对一致的结论^[2,3,4] 。但目前在工程应用上,还缺乏简单可行的技术与设备,有必要将运行经验和理论分析结合起来,解决好加药过量破坏生物除磷活性,药剂质量变差导致加药不足等问题^[5] 。通过自动控制按计量学比例投加化学除磷药剂,可以降低成本和环境影响^[3] 。但实践中也发现化学除磷并不是一个严格的等比例反应过程,处理效果与加药量呈现较强的非线性关系,受到混合液性质、温度等多种因素影响^[4] 。

　　 为了研究化学除磷过程控制的有效方法,本文建立了一套生产性的化学除磷过程控制系统,比较了比例、前馈和反馈等控制方法,计算了不同控制方法的成本和效益,可供设计和与运行人员参考。

　　 我国北方地区某污水处理厂,采用A²/O工艺,总规模60万m³/d,进水以生活污水为主,出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 8918-2012)一级B排放标准。污水处理厂进水总磷浓度为6~9 mg/L,二沉池出水磷酸盐浓度为1.0~3.5mg/L,难以达到排放标准(总磷<1mg/L),因此采用了化学加药强化除磷技术。

　　 化学除磷药剂采用聚铁铝,密度为1.24g/mL,含3%Fe₂O₃和8%Al₂O₃(相对分子质量分别为159.7和102)、单位体积药剂的理论除磷量为2×1 240×(3%/159.7+8%/102)×31=75g/L。按设计处理水量0.1‰比例恒量投加药剂,每天约60t,成本约5万元/d。

　　 除磷工艺的优化方法如图1所示。在优化运行部分,要解决选择化学除磷药剂,优选投加点位等工艺条件。通过序批试验优化得到1台工频加药泵(额定940L/h)可满足达标要求。在自动控制阶段,需要选择良好的控制策略,选择合适的控制仪表,评估控制的效果。本文主要论述自控系统的策略和效果。

　　 为了实现除磷加药的自动控制,设计了如下的化学除磷工艺生产性试验系统(见图2)。在生化池前设置污水流量计测定处理水量(Q),在线磷酸盐仪表从二沉池出水采集磷酸盐数据(P);控制器采集实时数据,计算得到投药泵流量(D),并将控制信号输出给变频器;变频器控制隔膜加药泵从领储液池向加药点按给定流量送药^[4] 。

　　 控制系统的仪表与设备配置信息如表1所示。隔膜加药泵有2种调节模式,手动改变隔膜空腔体积(0~100%)或者自动调节变频器输出(0~50Hz)。经过流量标定,确认了实际流量与开度、频率均呈线性关系。在实际运行时,手动设置隔膜空腔开度,得到最大加药量,然后采用变频器对流量进行连续调节。

　　 本文研究了开环和闭环2类控制策略。开环控制包括离散时序和进水流量前馈算法,闭环控制为出水磷酸盐反馈算法。通过出水磷酸盐浓度和药剂消耗量比较和评估不同策略。

　　 (1)离散时序控制。时序控制是以时间为唯一变量,事先给定不同时间段内的加药量D(t),按预设值连续自动投加。本文按周期为2h设定加药量,即为离散时序控制。计算如式(1)所示:

　　 式中x_i———1个12元素的数组,指定每2h的加药量。

　　 (2)流量前馈控制。流量前馈控制是以进水流量为唯一变量,加药量跟随处理水量而自动变化。该策略的理论依据在于污水处理厂水量波动常常是工艺的主要干扰因素,因此加药量主要跟随处理水量而变化。由于流量测定简单准确,因此流量前馈控制适合缺少在线水质仪表的场合。计算见式(2):

　　 式中η———比例系数。

　　 (3)出水浓度反馈控制。出水浓度反馈控制以时间t和出水磷酸盐浓度P为变量,按式(3)计算出水浓度与设定值的偏差e(t),再根据偏差计算加药量。

　　 式中e(t)———t时刻出水磷酸盐仪表采样值P(t)与设定值P_s的差值。

　　 工程上一般采用比例-积分-微分(PID)控制算法计算加药量,离散公式如式(4)所示。

　　 式中e(t-1)、e(t-2)———上一次和上两次采样的偏差;

　　 K_c、K_i、K_d———分别为比例系数、积分系数和微分系数。

　　 一般情况下,需要通过控制试验或理论分析来计算动态控制策略的参数。通过试验观察和合理假设,对上述3种动态控制策略的参数确定如下。

　　 时序控制策略的关键是根据历史数据得出加药点前污水流量Q和出水磷酸盐浓度P的变化规律。案例采用生化池出水点磷酸盐浓度的5天连续监测结果,按照每2h平均,得到式(1)的加药量关系,预置到控制器内,根据时间变量调节变频器输出。

　　 流量前馈策略的关键是确定式(2)中加药量与污水流量的比例系数,需要使用到加药量静态优化试验的结果。案例历史数据表明加药点前磷酸盐浓度为1~3.5mg/L,取P=2.0mg/L、P_s=0.8mg/L,根据药剂除磷序批试验结果计算得到η=0.11‰。

　　 出水浓度反馈策略的关键是确定PID系数和采样时间间隔。案例采用工程试凑法确定PID参数,先确定采样间隔,然后优化比例系数,最后确定积分和微分系数。经变量归一化整理后,得到K_c、K_i和K_d分别取10、2和0,采样间隔15min。取式(3)中P_s为0.8mg/L,按式(4)计算D(t)=12e(t)-8e(t-1),并写入控制器进行动态调节。

　　 图3所示为相似流量和磷酸盐浓度变化条件下,3种策略计算的1天内典型加药量曲线,控制输出周期为1h。可以看到,3种策略的加药量均能随时间动态变化,但均值和使用条件有所差别。

　　 时序控制策略最简单,加药量均值也最低。在进水流量和进水浓度值均变化不大的情况下,可以较好地控制出水磷酸盐浓度,但也存在明显的滞后性和不稳定性,抗水量水质冲击的能力较弱、容易失效。

　　 流量前馈属于开环控制,控制效果与模型的准确度密切相关,具有较大的不确定性。由于污水处理厂的配水设施比较简单,经常出现不均匀配水,因此容易引起流量控制不到位。此外,流量前馈控制没有考虑OP浓度和沉淀过程等相关因素的影响,控制效果不稳定。

　　 出水反馈属于闭环控制,优点是稳定性好、适用性强,缺点是滞后性大和存在浪费,加药量均值最大。有时受加药设备的限制,实际加药量达不到所需加药量,持续停留在加药泵流量的上、下限水平,导致药剂浪费或者加药不足。此外,反馈控制中OP在线仪表的维护工作量比较大^[4] ,导致控制系统比较脆弱。

　　 将上述3种策略进行生产性运行后,比较其加药量和出水TP浓度,如表2所示。稳态和动态加药过程出水水质与药剂成本的比较可以看到,与稳态加药相比,优化控制后的投药量均明显下降,与对照组相比减少幅度为16%~33%,出水磷酸盐普遍有所改善,但改善程度有所不同。

　　 在平均投药量相近时,出水反馈控制可以较好满足出水总磷浓度的控制要求,这与国内外其他研究的结果一致^[4,6] 。但也要看到,出水反馈控制仍然无法完全解决出水达标的问题,因此在工艺需要时,稳态过量投加药剂也有合理性。

　　 经过上述研究和试验,总结以下化学除磷控制系统的优化要点。

　　 (1)定期进行序批试验。除磷药剂的序批试验方法简单,厂区化验室即可操作,因此值得运行人员了解和重视。定期开展序批试验评估药剂除磷效果,不仅可以了解化学除磷药剂性能的变化(厂家各批次药剂质量不一),还可以掌握活性污泥体系的变化特征,及时调整化学除磷工艺参数。

　　 (2)恒量投药时要注意优化加药量。可以在化验车间开展简单加药试验确定合适的加药量,帮助运行人员快速判断当前加药量是否过量或者不足。技术人员定期分析和优化加药量,可以在保证出水达标的前提下,避免长期过量加药的不利影响。

　　 (3)动态加药时宜用出水反馈控制。通过比较时序、前馈和反馈控制策略,发现反馈控制能够满足出水达标,同时有效减少了药剂浪费,因此在设计自控系统时应该优先考虑使用反馈策略。出水反馈控制需要购置并持续维护在线磷酸盐仪表,导致技术含量和工作强度增加,在设计和运行时应该有所考虑。

　　 本研究提出了化学除磷工艺优化控制的原理与方法,设计了加药自动控制系统,研究了不同的控制策略,并通过生产试验进行验证。具体结论如下:

　　 (1)设计了同步化学除磷的优化控制软硬件系统,有利于提高除磷效果。

　　 (2)比较分析了多种加药控制策略,稳态过量加药可保证出水达标,出水动态反馈控制可节约16%药剂。

　　 (3)总结了化学除磷加药优化控制系统的设计与运行要点。