CN107601632B - 一种混凝自动加药控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝自动加药控制方法和系统，其方法包括：S1.流量计和第一正磷酸盐在线监测仪测定污水输出端的污水流量及进水磷浓度，并将数据结果传输至PLC控制系统；S2.PLC控制系统根据污水流量、进水磷浓度进水磷浓度及出水磷浓度目标值，利用指数函数模型计算所需的加药量并传输至药剂投加泵；S3.药剂投加泵根据所述加药量向混合器中进行投药。由于采用拟合参数稳定的指数函数模型，其模型匹配度高，能精确地模拟出混凝剂投加量与实质水质和水量的关系，提高了控制加药量的精确度，并有效保证了出水磷浓度的稳定度，同时提高工艺自动化水平和降低运行管理成本。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种混凝自动加药控制方法及系统。
背景技术
国内城镇污水处理厂普遍采用混凝/微絮凝过滤工艺对污水中的磷进行深度处理。混凝剂的投加量是化学除磷的最大影响因素，如何根据污水实际水质、水量的实时变化来控制加药量，日益受到工程领域的重视和关注。混凝效果受到进水磷酸盐浓度、流量、混凝剂种类及其投加量、投加位置的影响，依靠人工经验控制混凝剂投加量不仅很难保证出水磷酸盐稳定达标，而且导致药剂浪费，从而加大了工艺运行的成本。因此，建立基于污水实际水质和水量变化的自动投药控制系统对指导污水处理实际生产有着重要的意义。
现有技术CN101659462B公开了一种包含前馈控制系统的混凝剂自动加药控制系统的操作方法，在实际应用中，该方法的控制精度取决于所建数学模型的精度和所选择参数的准确性，而混凝投药过程中，由于其采用的是反比例数学模型法，存在模型失配、精度不高的问题，很难保证出水总磷的稳定达标。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种混凝自动加药控制方法及系统，其能精确控制加药量，有效保证出水正磷酸盐浓度的稳定达标，同时提高工艺自动化水平和降低运行管理成本。
本发明提出的混凝自动加药控制方法包括：S1.测定污水输出端的污水流量及进水磷浓度，并将数据结果传输至PLC控制系统；S2.PLC控制系统根据污水流量、进水磷浓度及出水磷浓度目标值，利用指数函数模型计算所需的加药量并传输至药剂投加泵；S3.药剂投加泵根据所述加药量向混合器中进行投药。
优选地，所述指数函数模型的公式为：
；其中，a，b为无量纲经验常数；QPAC：液态PAC投药量；K：修正系数，0.5≤K≤1.5；Q：进水流量；/>
出水磷浓度目标值；/>
进水磷浓度；λ：药液比重；N：药液百分比。
进一步地优选，所述指数函数模型的公式为：
优选地，其控制方法还包括：S4.测定过滤池输出端的出水磷浓度并将数据结果传输至PLC控制系统；S5.PLC控制系统根据所述出水磷浓度的数据结果与出水磷浓度目标值之间的偏差进行反馈调节，计算所需的第二次加药量；S6.药剂投加泵根据所述第二次加药量向混合器中进行投药。
进一步地优选，所述反馈调节采用PID调节。
更进一步地优选，通过适凑法确定PID调节中的待确定参数。
本发明还提供一种混凝自动加药控制系统，包括：前馈控制系统、PLC控制系统、药剂投加泵、混合器和过滤池；所述前馈控制系统包括流量计和第一正磷酸盐在线监测分析仪，设置于污水输出端；所述流量计的输入端与所述污水输出端连接，输出端与所述PLC控制系统的输入端连接，用于测定污水输出端的污水流量；所述第一正磷酸盐在线监测分析仪的输入端与所述污水输出端连接，输出端与所述PLC控制系统的输入端连接，用于测定污水输出端的进水磷浓度；所述PLC控制系统的输出端与所述药剂投加泵的输入端连接，所述PLC控制系统利用指数函数模型计算所需的加药量，并传输至药剂投加泵；所述药剂投加泵的输出端与所述混合池连接；污水从所述污水输出端输出，流入所述混合器，再流入所述过滤池，经过滤后出水。
本发明的有益效果：根据污水输出端的实质水质和水量，通过采用指数函数模型控制其加药量。由于指数函数模型的拟合参数稳定，模型匹配度高，能精确地模拟出混凝剂投加量与实质水质和水量的关系，提高了控制加药量的精确度，并有效保证了出水总磷浓度的稳定度，同时提高工艺自动化水平和降低运行管理成本。
在进一步的优选方案中还能获得更多的优点：通过反馈控制系统的反馈调节，计算第二次加药量，能够更精确地保证出水磷浓度达到设定值的要求，并保持稳定性。
附图说明
图1为本发明一种实施例的混凝自动加药控制系统的原理框架图。
图2为本发明一种实施例的混凝自动加药控制方法的流程示意图。
图3为本发明一种实施例的污水厂二级出水不同进水磷浓度的拟合曲线。
图4为本发明一种实施例的实验室配水不同进水磷浓度的拟合曲线。
图5为本发明一种实施例的指数函数模型拟合参数与污水厂二级出水中磷浓度变化图。
图6为本发明一种实施例的指数函数模型拟合参数与实验室配水磷浓度变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是根据本发明一个实施例的混凝自动加药控制系统的原理框架图，该混凝自动加药控制系统包括：由流量计和第一正磷酸盐在线监测分析仪组成的前馈控制系统、PLC控制系统、由第二正磷酸盐在线监测分析仪组成的反馈控制系统、药剂投加泵、混合器和过滤池。
前馈控制系统设置于污水输出端，流量计的输入端与污水输出端连接，输出端与PLC控制系统的输入端连接，用于测定污水输出端的污水流量；第一正磷酸盐在线监测分析仪的输入端与污水输出端连接，输出端与PLC控制系统的输入端连接，用于测定污水输出端的进水磷浓度。
反馈控制系统设置于过滤池输出端，第二正磷酸盐在线监测分析仪的输入端与过滤池输出端连接，输出端与PLC控制系统的输入端连接，用于测定过滤池输出端的出水磷浓度。
PLC控制系统的输出端与药剂投加泵的输入端连接，药剂投加泵的输出端与混合池连接。污水从污水输出端输出，流入混合器，再流入过滤池，经过滤后出水。
基于该系统，可以实现混凝自动加药控制，其一种实施例的控制方法流程示意图如图2所示，包含如下步骤：
S1.采用前馈控制系统中的流量计和第一正磷酸盐在线监测分析仪测定污水输出端的污水流量Q及进水磷浓度Pin，并将数据结果传输至PLC控制系统。
S2.PLC控制系统根据污水流量Q、进水磷浓度Pin及出水磷浓度目标值Pe，计算所需的加药量并传输至药剂投加泵。
计算所需的投加量，其控制精度取决于所建数学模型和所选择参数的准确性，尤其是所建数学模型，选取一个合适的模型能够保证投药的精度，并保证出水磷浓度的稳定性。
进水磷浓度是混凝过程的重要影响因素之一，同时在一定程度上决定了混凝剂的投加量，因此引入进水混凝剂投加比β(混凝剂优选采用聚合氯化铝，铝元素的投加量与进水中正磷酸盐的摩尔比，
mol/mol)。
随着进水混凝剂投加比β的增大，磷的去除率不断提高，但去除率的变化率却是不断降低的，即当水中磷的浓度不断降低，化学除磷的去除难度不断增加，这与化学平衡及溶度积常数相关。
在化学除磷过程中，由于进水磷浓度的不同，出水磷浓度与混凝剂投加量的关系曲线呈现三个不同的区域，分别为：计量反应区(线性关系区)、平衡反应区(稳定区域)以及两者之间的过渡区。三个区域分别为：当进水磷浓度较高时，磷的去除率与混凝剂投加量呈现线性相关，即为计量反应区；当进水磷度较低时，去除单位浓度的磷所需的混凝剂投加量明显高于计量反应区，出水磷浓度趋于平衡，即为平衡反应区；当进水磷浓度介于上述两者之间时，磷的去除率与混凝剂投加量之间呈现较为复杂的曲线关系，介于线性与平衡关系之间，即为过渡区。
正是基于此因素，普通的数学模型会存在模型失配的问题，导致药剂投加量精确度不高以及TP的平均去除率降低。在实际生产中，建立数学模型时，需要综合考虑进水磷浓度、投加比β及出水磷浓度，因此选择如下指数函数模型：
其中，
进水磷浓度(mg/L)；
β：混凝剂投加比；
Ka、Kb：无量纲经验常数。
根据该指数函数模型，分别以污水厂二级出水和实验室配水作为进水水源进行实验，设定出水磷浓度目标值为0.3mg/L，对不同的进水磷浓度进行拟合，混凝剂采用聚合氯化铝(PAC)，将实验数据进行一元非线性回归计算，得到进出水磷浓度与PAC投加比β关系模型的拟合。
针对二级出水磷，不同进水磷浓度的拟合曲线如图3所示，其得到的拟合结果如下表1：
表1污水厂二级出水指数函数模型拟合结果
针对实验室配水磷，不同进水磷浓度的拟合曲线如图4所示，其得到的拟合结果如下表2：
表2实验室配水指数函数模型拟合结果
从表1和表2的结果可知：，其拟合结果的相关度R2都较高(0.930、0.978、0.986、0.963、0.955、0.993、0.969、0.979；0.993、0.986、0.966)，残差平方和也都较小，表明指数函数模型的拟合效果好、拟合程度高。
对比不同进水磷浓度所得到的拟合结果可知，当进水磷浓度接近1mg/L时，不论实验室配水或实际污水厂二级出水，所得到的拟合曲线均较为接近，且拟合参数Ka、Kb的数值基本相近。从图3和图4中可以看出，对于不同的进水磷浓度，欲获得相同磷的去除率，低浓度可能需要更高的PAC投加比。
指数函数模型拟合参数Ka、Kb与污水厂二级出水磷浓度、实验室配水磷浓度变化如图5和图6所示。由图可知，对于指数函数模型，模型的关键参数Ka、Kb随进水磷浓度变化而变化相对较小，且当不同批次进水磷浓度接近时，所得拟合曲线参数差别更小。
根据上述分析结果可知，指数函数模型的拟合参数相对稳定，该模型能精确地模拟出混凝剂投加量与进、出水水质的关系。
在实际工程应用时，除了需要结合进水流量这一水质参数外，由于理论和实际之间存在的误差，需要通过实际运行数据对模型拟合参数进行修正，将如上指数函数模型进行解析并修正为如下：
其中，a，b为无量纲经验常数；QPAC：液态PAC投药量；K：修正系数，0.5≤K≤1.5；Q：进水流量(m3/h)；
出水磷浓度目标值；/>
进水磷浓度；λ：药液比重；N：药液百分比。
根据上述的拟合结果，选取最优的拟合参数，Ka＝1.07、Kb＝-0.157，将其代入指数函数模型：
将公式(3)结合进水流量，并对模型拟合参数进行修正，按照公式(2)将公式(3)进行解析并修正，得到如下：
其中，QPAC：计算的液态PAC投药量(m3/h)；
K：修正系数(0.5-1.5)；
λ：药液比重(g/cm3，在5％内可为1)；
N：药液百分比(0-100％)。
将测定得到的污水流量、进水磷浓度CPin、出水磷浓度目标值CPe代入至公式(4)中，即可计算得到PAC的投加量。
S3.药剂投机泵根据步骤S2中计算出的加药量向混合器中进行投药。
应用实例：以某污水处理厂采用混凝-过滤技术深度除磷处理工艺为例。采用人工投药时和混凝自动加药系统时，出水磷浓度目标值为0.2mg/L。人工投药出水正磷酸盐浓度维持在0.3mg/L，混凝投药系统出水总磷浓度大部分低于0.2mg/L，且出水总磷浓度均能保持稳定。采用人工投药时，单位总磷浓度(TP)去除量的PAC投加量在10-20mg Al/mg P内波动，TP的平均去除率高；采用混凝自动投药系统后，单位TP去除量的PAC投加量多分布在10mg Al/mg P以下，单位TP去除量的PAC投加量显著降低。由此可知，混凝药剂投加自动控制系统不仅实现了出水总磷水质相对稳定的目的，且有效节约了混凝剂的投加量。
为了更进一步精确控制过滤池出水端的出水磷浓度达到所设定的目标值，还可以有以下步骤。
S4.采用反馈控制系统中的第二正磷酸盐在线监测分析仪测定过滤池输出端的出水磷浓度Pout并将数据结果传输至PLC控制系统。
S5.PLC控制系统根据所述出水磷浓度的数据结果Pout与目标值Pe之间的偏差进行反馈调节，计算所需的第二次加药量。
反馈控制系统采用PID反馈控制器，反馈调节采用PID调节，通过在线监测的出水磷浓度作为反馈信号，在反馈调节中，主要含四个待确定参数，分别为：比例系数、积分系数、微分系数以及运行周期。关于上述参数的确定有多种方法，本发明采用试凑法，试凑法的基本过程是：首先根据实际工程经验确定一组参数，让反馈系统进行试运行，同时记录药剂投加量与实际的出水磷浓度，并分析出水磷浓度随药剂投加量变化的变化趋势，观察出水磷酸盐浓度是否满足要求，若不能满足要求，再针对存在的问题对相关参数值进行细微地修改，然后再通过分析系统试运行的效果，反复地对有关参数进行修改，如此反复地重复上述过程，直至反馈系统达到期望的运行效果，最终确定所有参数值。
根据确定好的参数值，将出水磷浓度Pout、设定值Pe代入，计算所需的第二次加药量。
S6.药剂投加泵根据所述第二次加药量向混合器中进行投药。
通过反馈控制系统的反馈调节，计算第二次加药量，能够更精确地保证出水磷浓度达到目标值的要求，并保持稳定性。本发明建立了基于污水实际水质和水量变化的自动投药控制系统，有效克服进水水质突变等不利因素影响，降低投药量，提高生产效率。
在优选的情况下，本发明的过滤池采用Actiflo加砂高速沉淀池+D型滤池，其过滤工艺相应地采用
型滤池工艺。/>
工艺结合了微砂加重絮凝与斜板沉淀，在絮凝池中投加微砂作为絮体的核心，以微砂为核心形成的絮体密度大，因此容易与水分离并沉淀下来，从而提高了上升流速和处理效率。/>
具有沉淀速度快、处理效率稿和耐冲击负荷能力强的优点。D型滤池是采用彗星式纤维滤料的一种重力式高速滤池，具有高滤速、过滤精度高、截污容量大的优点。本发明的/>
型滤池工艺设计处理能力为21万m3/d，设计出水水质达GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种混凝自动加药控制方法，其特征在于，包括：
S1. 测定污水输出端的污水流量及进水磷浓度，并将数据结果传输至PLC控制系统；
S2. PLC控制系统根据污水流量、进水磷浓度及出水磷浓度目标值，利用指数函数模型计算所需的加药量并传输至药剂投加泵；
所述指数函数模型的公式为：
；
其中，a，b为无量纲经验常数；
K：修正系数，0.5≤K≤1.5；
Q：进水流量；
λ：药液比重；
N：药液百分比；
S3. 药剂投加泵根据所述加药量向混合器中进行投药；
S4.测定过滤池输出端的出水磷浓度并将数据结果传输至PLC控制系统；
S5. PLC控制系统根据所述出水磷浓度的数据结果与出水磷浓度目标值之间的偏差进行反馈调节，计算所需的第二次加药量；
S6. 药剂投加泵根据所述第二次加药量向混合器中进行投药。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述指数函数模型的公式为：
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述反馈调节采用PID调节。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，通过适凑法确定PID调节中的待确定参数。
5.一种混凝自动加药控制系统，其特征在于，包括：前馈控制系统、PLC控制系统、药剂投加泵、混合器和过滤池；
所述前馈控制系统包括流量计和第一正磷酸盐在线监测分析仪，设置于污水输出端；所述流量计的输入端与所述污水输出端连接，输出端与所述PLC控制系统的输入端连接，用于测定污水输出端的污水流量；所述第一正磷酸盐在线监测分析仪的输入端与所述污水输出端连接，输出端与所述PLC控制系统的输入端连接，用于测定污水输出端的进水磷浓度；
所述PLC控制系统的输出端与所述药剂投加泵的输入端连接，所述PLC控制系统利用指数函数模型计算所需的加药量，并传输至药剂投加泵；
所述指数函数模型的公式为：
；
其中，a，b为无量纲经验常数；
K：修正系数，0.5≤K≤1.5；
Q：进水流量；
λ：药液比重；
N：药液百分比；
所述药剂投加泵的输出端与所述混合池连接；
污水从所述污水输出端输出，流入所述混合器，再流入所述过滤池，经过滤后出水。
6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，还包括：反馈控制系统，所述反馈控制系统包括第二正磷酸盐在线监测分析仪，设置于所述过滤池输出端；所述第二正磷酸盐在线监测分析仪的输入端与所述过滤池输出端连接，输出端与所述PLC控制系统的输入端连接，用于测定过滤池输出端的出水磷浓度。
7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述反馈控制系统为PID反馈控制器。
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