本文基于高效沉淀池的運(yùn)行特點(diǎn)，在處理規(guī)模240 m³/d的中試系統(tǒng)建立了化學(xué)除磷加藥控制系統(tǒng)，開發(fā)了基于離散模型的多參數(shù)耦合PID控制策略，并在處理規(guī)模4.5×104 m³/d的再生水廠高效沉淀池生產(chǎn)線開展應(yīng)用研究。該系統(tǒng)經(jīng)130 d穩(wěn)定運(yùn)行后，對(duì)高效沉淀池出水正磷酸鹽實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確控制，當(dāng)目標(biāo)值為0.14 mg/L時(shí)，正磷濃度平均為(0.13±0.02) mg/L，出水TP穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，節(jié)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(guī)模18萬(wàn)m³/d，出水執(zhí)行北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11/890-2012）中的B標(biāo)準(zhǔn)，其中TP≤0.3 mg/L，處理工藝如圖1所示。生化單元采用多級(jí)AO分段進(jìn)水工藝，經(jīng)高效沉淀池進(jìn)行化學(xué)除磷，后續(xù)進(jìn)入超濾進(jìn)一步去除SS、COD等污染物，最終經(jīng)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(gè)平行系列，單系列設(shè)計(jì)處理量4.5萬(wàn)m³/d，其中混合區(qū)停留時(shí)間為3 min，絮凝區(qū)停留時(shí)間為9 min，斜管區(qū)表面負(fù)荷為15.98 m³/(m2·h)，混凝劑采用鋁鐵復(fù)合型除磷劑，絮凝劑采用聚丙烯酰胺PAM。原廠根據(jù)進(jìn)水流量人工調(diào)整混凝劑投加量。本文所述生產(chǎn)性應(yīng)用在高效沉淀池單系列中進(jìn)行。

1.2 中試裝置概況

中試裝置日處理規(guī)模240 m³/d，如圖2所示，其中混合區(qū)停留時(shí)間1.5 min，絮凝區(qū)停留時(shí)間10 min，斜管區(qū)表面負(fù)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(jìn)水水質(zhì)

該廠收集處理生活污水，高效沉淀池中試裝置及生產(chǎn)線進(jìn)水均來(lái)自生化單元的出水，其主要進(jìn)水指標(biāo)如表1所示。高效沉淀池進(jìn)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(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)

1.3 分析與評(píng)價(jià)方法

在試驗(yàn)過(guò)程中，定期對(duì)高效沉淀池生產(chǎn)線及中試的進(jìn)、出水進(jìn)行取樣測(cè)定SS、TP和正磷酸鹽。其中，高效沉淀池進(jìn)、出水SS指標(biāo)采用重量法（GB 11901-89）檢測(cè)；TP、正磷酸鹽采用鉬酸銨分光光度法（GBT 11893-89）檢測(cè)。

高效沉淀池出水的濾過(guò)性能測(cè)試方法如下：使用純凈水浸潤(rùn)由量筒、漏斗、特定濾紙（直徑185mm的“5C”濾紙，標(biāo)準(zhǔn)JIS P3801）組成的過(guò)濾裝置，然后取100mL待測(cè)樣品倒入該裝置，記錄5 min內(nèi)過(guò)濾體積。

根據(jù)式（1）對(duì)該系統(tǒng)的節(jié)藥效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中 q0——在試驗(yàn)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(yàn)期間，應(yīng)用控制系統(tǒng)的運(yùn)行系列的混凝劑投加量均值。

根據(jù)式（2）對(duì)該系統(tǒng)的控制精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中 Ceff——在該工況下，系統(tǒng)出水正磷酸鹽濃度的平均值；

S——在該工況下，系統(tǒng)出水正磷酸鹽濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差；

X——在該工況下，系統(tǒng)的控制精度。

高效沉淀池智能加藥控制系統(tǒng)由智能控制模塊、正磷酸鹽在線監(jiān)測(cè)模塊及除磷藥劑投加設(shè)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(shù)據(jù)處理單元、工業(yè)平板電腦等設(shè)備組成。正磷酸鹽在線監(jiān)測(cè)儀表測(cè)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(yīng)后生成三元雜多酸，于385nm 波長(zhǎng)處對(duì)其進(jìn)行分光測(cè)量，得到水中的磷含量，其測(cè)量間隔最小為5 min。

表2 高效沉淀池智能加藥控制系統(tǒng)設(shè)備

智能控制模塊收集沉淀區(qū)出水在線監(jiān)測(cè)的正磷酸鹽值，通過(guò)策略計(jì)算后輸出至加藥設(shè)備，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)控混凝劑加藥流量，同時(shí)采集全廠出水TP和沉淀區(qū)泥位計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，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(wěn)定；同時(shí)該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)投加設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)藥劑堵塞進(jìn)行預(yù)警和自動(dòng)處理，節(jié)省人工巡檢維護(hù)工作量。該系統(tǒng)的流程如圖3所示。

圖3 高效沉淀池智能控制管理系統(tǒng)流程

通過(guò)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)分析，針對(duì)出水正磷酸鹽劃分為正常區(qū)間和預(yù)警區(qū)間，構(gòu)建基于離散模型的PID控制算法，在正常區(qū)間段根據(jù)出水正磷酸鹽計(jì)算加藥量，在預(yù)警區(qū)間通過(guò)最大加藥量保證出水TP達(dá)標(biāo)，如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)正常區(qū)間段內(nèi)的出水正磷酸鹽上升與下降過(guò)程進(jìn)一步細(xì)分了控制區(qū)間，每個(gè)區(qū)間分別對(duì)應(yīng)增量系數(shù)，在PID計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化后輸出計(jì)算結(jié)果。本系統(tǒng)結(jié)合了高效沉淀池運(yùn)行優(yōu)化的關(guān)鍵控制參數(shù)，采用基于離散模型的PID控制策略，通過(guò)分區(qū)分段建立自適應(yīng)規(guī)則，保證控制精度和節(jié)藥效果，實(shí)現(xiàn)了單元出水穩(wěn)定的同時(shí)節(jié)省藥耗與人工成本。

圖4 控制策略

3.1 中試試驗(yàn)效果

3.1.1 控制策略驗(yàn)證

在高效沉淀池中試裝置上應(yīng)用基于離散模型的PID的反饋策略，在90余天的運(yùn)行期間通過(guò)調(diào)節(jié)比例、積分系數(shù)等控制參數(shù)，并針對(duì)出水正磷酸鹽上升與下降區(qū)間分別建立控制策略，提高系統(tǒng)的控制精度。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的控制系統(tǒng)的出水正磷酸鹽及加藥量數(shù)據(jù)如圖5所示，當(dāng)出水控制目標(biāo)值為0.10 mg/L時(shí)，系統(tǒng)出水正磷酸鹽濃度為（0.08±0.02） mg/L。在進(jìn)水負(fù)荷大幅波動(dòng)情況下（9~13 d），通過(guò)該控制策略計(jì)算輸出加藥量，可以快速使出水正磷酸鹽恢復(fù)至目標(biāo)值附近，保證出水的穩(wěn)定性，減少了因反饋控制方式導(dǎo)致的滯后性。

圖5 中試試驗(yàn)運(yùn)行效果

3.1.2 絮凝劑投加量的優(yōu)化

在高效沉淀池與超濾等膜工藝相結(jié)合的深度處理工藝中，PAM的投加量關(guān)系著加載絮凝體系中可提供有效吸附位點(diǎn)的數(shù)量，繼而對(duì)絮體成長(zhǎng)及濾餅層形成產(chǎn)生較大影響，最終影響出水TP和懸浮物濃度，且投加量過(guò)高會(huì)加快后續(xù)處理單元的膜污染。本文所述高效沉淀池生產(chǎn)性試驗(yàn)線后續(xù)工藝為超濾，因此，在開展生產(chǎn)性規(guī)模示范驗(yàn)證前，在中試裝置對(duì)出水的濾過(guò)性能進(jìn)行了測(cè)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(shí)，濾過(guò)性能較好，為生產(chǎn)性規(guī)模的化學(xué)除磷精確加藥系統(tǒng)運(yùn)行提供了絮凝劑投加量的優(yōu)選范圍。

圖6 出水濾過(guò)性能

3.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)運(yùn)行效果

污水中的磷按物理態(tài)可分為溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷，可通過(guò)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾后對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分。在生產(chǎn)性試驗(yàn)調(diào)試運(yùn)行前，通過(guò)檢測(cè)高效沉淀池進(jìn)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(jìn)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(jìn)水中溶解性正磷酸鹽占比較高，而其他形態(tài)的磷（顆粒態(tài)、膠體態(tài)）對(duì)于該單元的磷負(fù)荷貢獻(xiàn)較小，通過(guò)控制混凝劑與磷酸鹽的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)總磷的去除目標(biāo)。

圖7 高效沉淀池進(jìn)水正磷酸鹽/總磷

高效沉淀池化學(xué)除磷精確控制系統(tǒng)經(jīng)130余天運(yùn)行，其進(jìn)出水TP和正磷酸鹽濃度如圖8所示。該廠進(jìn)水流量受季節(jié)影響，存在一定波動(dòng)，其中超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)模的天數(shù)占比29.5%；由于生物除磷過(guò)程受進(jìn)水C/N、污泥齡等運(yùn)行因素影響，二沉池出水（即高效沉淀池進(jìn)水）TP濃度的波動(dòng)范圍較大，為0.24~1.48 mg/L。在連續(xù)運(yùn)行期間，當(dāng)出水正磷酸鹽控制目標(biāo)為0.14 mg/L時(shí)，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(tǒng)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(wěn)定低于0.30 mg/L的出水標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)水動(dòng)態(tài)波動(dòng)的情況下，通過(guò)基于離散模型的多參數(shù)耦合PID反饋控制策略的實(shí)施，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高效沉淀池混凝劑投加量、排泥等關(guān)鍵參數(shù)的精確調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)了該工藝單元良好的化學(xué)除磷效果。

圖8 高效沉淀池進(jìn)出水TP和正磷酸鹽

3.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

該系統(tǒng)的加藥量與平行系列的人工投藥量對(duì)比如圖9所示，平行系列根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行投加量的調(diào)整，存在一定滯后性，且為了保證滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，投加量較高。根據(jù)式（1）計(jì)算，在運(yùn)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(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，除磷劑易造成隔膜計(jì)量泵的堵塞（圖中加藥量降為0 L/h），導(dǎo)致加藥中斷；通過(guò)系統(tǒng)對(duì)投加設(shè)備流量異常狀態(tài)的檢測(cè)，可對(duì)該情況進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行高頻率沖洗，實(shí)現(xiàn)加藥設(shè)備故障的自動(dòng)解決，進(jìn)而減少了運(yùn)維工作量，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行�；�于生產(chǎn)性驗(yàn)證的良好效果，該廠正在進(jìn)行全廠高效沉淀池智能化控制系統(tǒng)的升級(jí)改造。

圖9 控制系列與平行系列的加藥量對(duì)比

針對(duì)城市再生水廠的高效沉淀池進(jìn)水負(fù)荷波動(dòng)大、化學(xué)除磷藥耗高等問(wèn)題，通過(guò)中試研究開發(fā)了基于離散模型的多參數(shù)耦合PID控制策略，并在處理規(guī)模4.5萬(wàn)m³/d的生產(chǎn)線實(shí)際應(yīng)用，為該廠的全廠加藥系統(tǒng)（18×104 m³/d）改造奠定基礎(chǔ)。通過(guò)130余天的連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)出水正磷酸鹽目標(biāo)值為0.14 mg/L時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際出水正磷酸鹽為（0.13±0.02） mg/L，出水TP穩(wěn)定小于0.3mg/L。與平行系列相比，應(yīng)用該控制系統(tǒng)的生產(chǎn)線中，除磷藥劑投加量減少27%，有效實(shí)現(xiàn)了化學(xué)藥劑節(jié)�。煌瑫r(shí)結(jié)合設(shè)備故障識(shí)別與恢復(fù)功能，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少了運(yùn)維工作量。采用該智能控制管理系統(tǒng)預(yù)期可實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)m³/d污水處理廠每年減少碳排放量243 tCO2，具有良好的應(yīng)用前景。

微信對(duì)原文有修改。原文標(biāo)題：再生水廠高效沉淀池智能化控制管理的應(yīng)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(huán)境投資有限公司、中國(guó)社會(huì)科學(xué)院數(shù)量經(jīng)濟(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所、天津環(huán)創(chuàng)科技發(fā)展有限公司。刊登在《給水排水》2024年第5期。