龔堅(jiān)媚

（廣州市凈水有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著國(guó)家不斷提高對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度，國(guó)家對(duì)污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也提出了更高的要求，相關(guān)工作者尤其應(yīng)重視對(duì)總氮、總磷的去除量。目前，在污水處理廠處理污水的過(guò)程中，主要通過(guò)生物法投加碳源，實(shí)現(xiàn)污水出水總氮達(dá)標(biāo)的目的；主要通過(guò)生物法去除污水中的含磷污染物，實(shí)現(xiàn)污水出水總磷達(dá)標(biāo)的目的。目前，國(guó)家的規(guī)范要求對(duì)污水處理廠出水總磷的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，所以如何更加精準(zhǔn)地除磷加藥，關(guān)系到污水處理廠運(yùn)行成本，因此這也成為相關(guān)工作者探討的主要熱點(diǎn)之一。目前加藥除磷方法主要有三種：一是鋁鹽除磷、二是鈣鹽除磷、三是鐵鹽除磷，主要原理均是使金屬離子和磷酸根發(fā)生反應(yīng)，形成難溶性磷酸鹽沉淀。

信息技術(shù)的不斷發(fā)展促進(jìn)了污水處理廠的自動(dòng)化水平，現(xiàn)階段許多污水處理廠都采用自動(dòng)化化學(xué)除磷加藥控制系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投加除磷劑，既能達(dá)到除磷效果，還能降低除磷成本，促進(jìn)了污水處理廠經(jīng)濟(jì)效益的提升。對(duì)此，本文以某除磷加藥控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例，對(duì)基于自動(dòng)化條件下，污水處理除磷劑的精準(zhǔn)投加進(jìn)行了深入分析。

1 項(xiàng)目概況

某凈水廠設(shè)計(jì)總規(guī)模為140 000 m3/d，其中一期為50 000 m3/d，二期為90 000 m3/d，已于2017年4月投產(chǎn)運(yùn)行，出水水質(zhì)均為一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)?！俺准铀幹悄芸刂葡到y(tǒng)改造”項(xiàng)目（如圖1所示），設(shè)置總磷在線(xiàn)分析儀以及出水采樣設(shè)備間，并且在生化池出水口安裝一臺(tái)水泵，抽水至水質(zhì)監(jiān)測(cè)室，以便對(duì)在線(xiàn)總磷進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并傳至控制中心；智能控制中心接收出水總磷值，通過(guò)PLC智能控制加藥泵的投加值，并采集中控室的實(shí)時(shí)出水總磷值，智能控制保障出水總磷達(dá)標(biāo)排放。

圖1 除磷加藥智能控制系統(tǒng)改造項(xiàng)目

2 項(xiàng)目實(shí)施的可行性及必要性分析

我國(guó)對(duì)經(jīng)污水處理廠處理后的出水水質(zhì)提出了具體的規(guī)范要求，即需達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)于出水的總磷（TP）濃度也作了規(guī)定，要求小于0.5 mg/L。污水處理廠可以通過(guò)化學(xué)除磷工藝，使出水達(dá)到出水水質(zhì)指標(biāo)。在化學(xué)除磷工藝使用中，除磷藥劑投加量的控制至關(guān)重要，這一方面對(duì)出水達(dá)標(biāo)排放具有直接影響，另一方面還關(guān)系到污水處理成本。而采用除磷加藥控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，既能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，又能夠控制運(yùn)行成本。因此，某凈水廠于2019年12月完成一期“除磷加藥智能控制系統(tǒng)改造”，采用前饋加反饋的復(fù)合控制混凝劑自動(dòng)加藥系統(tǒng)控制方案，實(shí)現(xiàn)加藥量的實(shí)時(shí)調(diào)控，提高了自動(dòng)化程度，減輕運(yùn)行操作人員的負(fù)擔(dān)。

3 除磷加藥智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)除磷加藥的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了化學(xué)除磷工藝控制系統(tǒng)，將污水流量計(jì)設(shè)置在生化池前，用以測(cè)定處理量，且設(shè)計(jì)和安裝在線(xiàn)儀表用以收集相關(guān)的信息數(shù)據(jù)；便于科學(xué)、合理的計(jì)算投藥泵流量，并且將控制信號(hào)傳輸給變頻器；變頻器控制接收到控制信號(hào)后，對(duì)隔膜加藥泵進(jìn)行控制，定量進(jìn)行送藥。

本項(xiàng)目采用的復(fù)合控制器，主要采用兩種技術(shù)，一種是模糊技術(shù)，另一種為常規(guī)的PID控制算法，控制策略主要采用的是前饋加反饋，其中沉淀池的出水濁度值是控制系統(tǒng)的最終目標(biāo)值。將變量輸入至模糊控制器，即為沉淀池出水磷酸鹽濃度值，其主要包括兩個(gè)數(shù)值，一個(gè)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)濁度儀輸入的磷酸鹽濃度值y，另一個(gè)為工控機(jī)上給定的磷酸鹽濃度值yg，計(jì)算二者之間的偏差及其變化率，輸入語(yǔ)言變量（變化率的語(yǔ)言變量分別選E、EC）；輸出變量為控制變頻器頻率的信號(hào)U[1]。

流量計(jì)主要是先要對(duì)進(jìn)水流量改變情況下的出水量進(jìn)行檢測(cè)，然后利用一個(gè)轉(zhuǎn)換單元，對(duì)變頻器輸出頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將進(jìn)水量的大小作為主要的調(diào)節(jié)依據(jù)，使變頻器輸出頻率達(dá)到合適的位置。這主要是因?yàn)獒槍?duì)前饋控制器模型，在設(shè)置了磷酸鹽濃度反饋控制回路的情況下，對(duì)其精度要求降低，也就是說(shuō)通過(guò)反饋回路，沒(méi)有完全補(bǔ)償?shù)牧髁壳梆伩梢赃M(jìn)行補(bǔ)償。進(jìn)行部分補(bǔ)償?shù)牧髁壳梆仯ㄟ^(guò)反饋控制回路，利用磷酸鹽計(jì)，對(duì)沉淀池出水的磷酸鹽濃度值進(jìn)行檢測(cè)，并且將其檢測(cè)數(shù)值輸送給控制裝置。該裝置比較該磷酸鹽濃度值與事先輸入的磷酸鹽濃度設(shè)定值，獲得二者之間的偏差，并且將其輸入至控制器中，控制器根據(jù)偏差，對(duì)變頻器頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，進(jìn)而對(duì)計(jì)量泵進(jìn)行控制，科學(xué)、合理地調(diào)整加藥量。

3.1 一體式總磷取樣設(shè)備

一體式總磷取樣設(shè)備包含前置水處理、控制系統(tǒng)、總磷測(cè)試儀、數(shù)據(jù)采集模塊（可與別的系統(tǒng)進(jìn)行通信，采集如進(jìn)水流量、出水流量、進(jìn)水總磷、出水總磷等數(shù)值）；該設(shè)備具有異常聲光報(bào)警功能；取樣頻率為原來(lái)2 h/次，現(xiàn)在為45 min/次，取樣及時(shí)性也得到了加強(qiáng)，原來(lái)在總出水口采樣，現(xiàn)在系統(tǒng)在加藥前生化池出水采樣，時(shí)間比過(guò)去至少提前4 h[2]。

本工程項(xiàng)目一條線(xiàn)分析樣本共480個(gè)：每個(gè)樣本分析pH值、TP、TDS，COD共4個(gè)指標(biāo)；化驗(yàn)費(fèi)，人工費(fèi)，耗材等，2條線(xiàn)總計(jì)960個(gè)樣本?；跇颖痉治?，進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，建立智能加藥模型算法：（1）包括底層PLC模擬量和數(shù)字量的IO控制、多個(gè)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)污水指標(biāo)、邏輯運(yùn)算程序等步驟；（2）核心智能算法開(kāi)發(fā)：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊算法智能計(jì)算出加藥量，并根據(jù)實(shí)際結(jié)果負(fù)反饋，進(jìn)一步自動(dòng)改進(jìn)修正加藥量，從而保證結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。（3）多種通訊接口程序，包括現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn) CAN、多個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)接口、無(wú)線(xiàn)4G通訊接口、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等；（4）用戶(hù)層應(yīng)用程序包括本地人機(jī)界面多畫(huà)面程序、手機(jī)微信終端實(shí)時(shí)監(jiān)控小程序、電腦端應(yīng)用軟件監(jiān)控畫(huà)面程序等。建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件，收集導(dǎo)入過(guò)去1年的歷史數(shù)據(jù)信息，前期2個(gè)月的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具備可追溯性，可以實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)快速學(xué)習(xí)。

設(shè)備的觸摸屏可顯示，以便操作人員直觀觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)顯示報(bào)警內(nèi)容，方便操作人員能迅速判斷故障所在；具備手動(dòng)控制功能，方便操作人員進(jìn)行流量計(jì)校正、泵機(jī)故障檢查等操作，可設(shè)定經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算藥量或智能模型計(jì)算藥量；可設(shè)定各種報(bào)警極限參數(shù)、根據(jù)出口藥劑流量計(jì)反饋，使用PID方法控制加藥泵，精準(zhǔn)控制流量。本工程設(shè)計(jì)加藥系統(tǒng)人機(jī)界面：（1）加藥系統(tǒng)增加人機(jī)觸摸屏HMI。（2）加藥系統(tǒng)為人機(jī)交互系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，管路清晰、圖像直觀、關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控到位。（3）可顯示人機(jī)界面調(diào)試通訊正常，數(shù)據(jù)正常、加藥泵運(yùn)行、停止?fàn)顟B(tài)正常、加藥量及其相關(guān)數(shù)據(jù)正常。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)建模

通過(guò)上位機(jī)可以實(shí)時(shí)觀察到取樣設(shè)備、取樣流程狀態(tài)和生化池水質(zhì)曲線(xiàn)、進(jìn)出水流量數(shù)據(jù)；可以精準(zhǔn)顯示故障原因并提示排除方法，方便操作人員管理和維修；上位機(jī)還可以自動(dòng)記錄系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成月、日、小時(shí)報(bào)表，方便人工分析系統(tǒng)運(yùn)行情況；可生成一期生化池入口總磷曲線(xiàn)、生化池出口總磷曲線(xiàn)、一期出水總磷曲線(xiàn)。本工程對(duì)上位機(jī)界面程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)與調(diào)試具體內(nèi)容包括：（1）中控上位機(jī)顯示界面開(kāi)發(fā)，圖像形象生動(dòng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控準(zhǔn)確，具有設(shè)備狀態(tài)顯示等功能；（2）中控上位機(jī)開(kāi)發(fā)了報(bào)表功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)報(bào)、日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)記錄及其導(dǎo)出功能；（3）可顯示人機(jī)界面調(diào)試通訊正常、數(shù)據(jù)正常、加藥泵運(yùn)行停止?fàn)顟B(tài)正常，加藥量及其相關(guān)數(shù)據(jù)正常；（4）可調(diào)試上位機(jī)與中央控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊交互；（5）可調(diào)試上位機(jī)遠(yuǎn)程控制功能是否正常；（6）可調(diào)試上位機(jī)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)記錄及其分類(lèi)功能。

3.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控

可以通過(guò)Web和微信小程序?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)程瀏覽除磷智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)，方便隨時(shí)隨地獲取系統(tǒng)信息，做到走到哪里都能了解到情況。本工程中的微信小程序遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由四部分組成，即4G模塊安裝、微信小程序遠(yuǎn)程監(jiān)控界面開(kāi)發(fā)、調(diào)試4G模塊數(shù)據(jù)交換、調(diào)試遠(yuǎn)程監(jiān)控界面數(shù)據(jù)顯示[3]。

4 項(xiàng)目的具體實(shí)施

（1）在原有工藝基礎(chǔ)上各增加一套高精度、低量程藥劑流量計(jì)、生化池出水水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備，然后根據(jù)定制化的投藥理論數(shù)學(xué)模型和檢測(cè)儀器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)加藥前后都有量化數(shù)據(jù)作為支撐。將量化數(shù)據(jù)輸入對(duì)應(yīng)特定數(shù)學(xué)模型得到精準(zhǔn)加藥量，改造現(xiàn)在的加藥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)前饋和后饋，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)精準(zhǔn)控制投藥。做到投藥量有實(shí)際理論依據(jù)，確保投藥安全。

（2）智能加藥系統(tǒng)依據(jù)實(shí)驗(yàn)理論數(shù)學(xué)模型和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的生化池運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)投加除磷劑，充分利用了生物除磷的效果，真正意義上做到先進(jìn)的生物除磷；再依據(jù)化學(xué)輔助除磷的原則和理念，達(dá)到最大化節(jié)約成本的目的；同時(shí)以設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控配合常規(guī)人工定期巡視，進(jìn)一步提高出水的安全性和系統(tǒng)穩(wěn)定性；若出現(xiàn)臨時(shí)突發(fā)狀況，全自動(dòng)精準(zhǔn)投加系統(tǒng)可以一鍵切換為人工模式。

5 項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益說(shuō)明

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

某凈水廠于2019年12月13日在一期引入智能除磷系統(tǒng)，總投資49.27萬(wàn)元，投加設(shè)備正式運(yùn)行后，除磷劑單耗從原來(lái)的0.351 7下降到0.114 3，降低了67.50%（見(jiàn)表1、圖2、圖3），項(xiàng)目除磷藥劑投加量大幅下降。該項(xiàng)目具有多重安全防護(hù)措施，逐級(jí)防范可能出現(xiàn)的各種異常狀況，保障出水質(zhì)量穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

表1 處理水量及除磷劑使用量

圖2 2019年、2020年處理水量、除磷劑投加量

圖3 2019年、2020年除磷劑噸水藥耗

2020年某凈水廠一期處理水量1 635.74萬(wàn)噸，除磷劑為399元/噸，除磷劑年度使用費(fèi)用約7.46萬(wàn)元，若除磷劑按單耗（2019年度）0.351 7計(jì)算，除磷劑年度費(fèi)用約22.95萬(wàn)元，除磷加藥智能控制系統(tǒng)投入后為某凈水廠節(jié)約成本約15.49萬(wàn)元，同時(shí)系統(tǒng)全天候自動(dòng)化運(yùn)行，無(wú)需干預(yù)，降低了現(xiàn)場(chǎng)人員的日常工作量。

5.2 社會(huì)效益

某凈水廠除磷加藥智能投加系統(tǒng)投入使用后，使用成效受到同行業(yè)肯定并推廣實(shí)施，提高了污水處理除磷劑自動(dòng)化精準(zhǔn)投加水平，節(jié)省了除磷藥劑的投加成本。與此同時(shí)，除磷加藥智能投加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了綠色技術(shù)創(chuàng)新，能夠降低碳排放，促進(jìn)污水處理產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，提升了產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力；實(shí)現(xiàn)污水處理企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型的同步實(shí)施，從而加快達(dá)到“雙碳”的戰(zhàn)略目標(biāo)，對(duì)我國(guó)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于自動(dòng)化條件下的污水除磷劑精準(zhǔn)投加系統(tǒng)可以科學(xué)、合理地控制除磷劑的用量，降低工作人員的任務(wù)量，達(dá)到良好的處理效果，降低運(yùn)行成本。對(duì)此要求相關(guān)技術(shù)人員要加強(qiáng)對(duì)信息技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用，并且根據(jù)污水處理廠的實(shí)際情況，盡可能開(kāi)發(fā)研究完善的污水處理除磷劑精準(zhǔn)投加自動(dòng)化系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)加藥量的實(shí)時(shí)調(diào)控，提高污水處理廠的污水處理實(shí)際效果。目前我國(guó)對(duì)污水處理除磷劑精準(zhǔn)投加自動(dòng)化系統(tǒng)的研究還不到位，應(yīng)用力度不足，對(duì)此筆者認(rèn)為未來(lái)還應(yīng)不斷加強(qiáng)對(duì)污水處理除磷劑的自動(dòng)化精準(zhǔn)投加系統(tǒng)的分析和探討，從而推動(dòng)我國(guó)污水處理廠的不斷發(fā)展，以此促進(jìn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。