CN110862188A - 一种化学除磷精确加药系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学除磷精确加药系统及控制方法，属于污水处理技术领域。该系统包括污水处理池组件、加药装置组件、前馈控制组件和反馈控制组件，该方法包括根据进出水正磷酸盐的监测值来调整铁盐除磷剂投加，前馈控制组件根据进水正磷酸盐负荷，出水正磷酸盐浓度目标值计算前馈加药量，系统自动投加除磷剂，根据出水正磷酸盐浓度于目标值的偏差进行反馈自动调节加药量，使出水总磷浓度稳定在控制值附近，最大程度节省药剂投加量。本发明不仅解决了污水厂除磷剂粗投放的问题，而且还可以增加出水稳定性，最大程度上解决了加药与出水水质达标滞后性的问题，使污水厂管理向精细化方向迈进。

Description

一种化学除磷精确加药系统及控制方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，更具体地说，涉及一种化学除磷精确加药系统及控制方法。

背景技术

近年来，城市和工业的飞速发展，导致大量氮磷营养物质的排放，使自然和城市水体水质严重恶化。国家及各地政府相继颁布污水排放标准文件，对磷的排放严格控制。

目前化学除磷剂投加方式有人工投加和智能投加两种方式。在现今环保政策压力之下，为保证出水达标，人工加药大多是采用粗放式投加方式，将出水总磷值控制在远低于出水标准的水平。这种方式不仅会造成资源的巨大浪费，除此之外还可能会造成污泥产率增加，出水色度增加等一系列问题。一部分自动化程度较高的污水厂会采用智能投加的方式，根据进水流量实时调整加药量，但国内污水厂进水水质波动较大，仅根据流量调节依然存在超标风险。少部分污水厂采用依据总磷负荷实时调整加药量的方式，但化学除磷剂主要是与正磷酸盐进行反应，国内污水组分波动较大，基于总磷的除磷剂投加系数较难确定。因此依据正磷负荷实时调整加药量更为妥当。

因此设计一种基于进水正磷负荷(前馈)与出水正磷浓度(反馈)精确控制除磷剂投加的方法是解决上述问题的关键。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有污水厂除磷剂粗放式投加的问题，本发明提供一种基于进水正磷负荷(前馈)与出水正磷浓度(反馈)精确控制除磷剂投加的系统以及方法，在污水厂出水水质稳定达标的前提下，实现资源的节省，使污水厂管理向精细化方向迈进。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：本发明提供一种化学除磷精确加药控制方法，其特征在于：向高效沉淀池中加入除磷剂，且除磷剂的加药流量可以根据实时进水流量计算得出，加药流量Q₂如下：

其中：Q₂——加药流量，L/h；

Q₁——进水流量，m³/h；

γ——除磷剂溶液密度，g/L；

M₁——加药率，每升污水中投加除磷剂溶液的质量，mg/L。

优选地，加药率M₁可以由二沉池出水正磷酸盐浓度C₁及对应的投加系数β计算得出，加药率M₁如下：

其中：M₁——加药率，每升污水中投加聚合硫酸铁溶液(PFS)的质量，mg/L；

C₁——二沉池出水正磷酸盐浓度，mg/L；

C_sp——高效沉淀池出水正磷酸盐浓度目标值；

α——安全系数，1.05～1.20；

η——聚合硫酸铁有效成分含量，11～12％；

β——投加系数，投加药剂中有效物质铁与污水中所需去除磷的摩尔比，取7～23，mol/mol。

优选地，对二沉池出水的正磷酸盐浓度进行检测，并根据出水中的正磷酸盐浓度C₁，向出水中加入除磷剂；除磷剂投加系数为β，β取值如下：

β＝7.4C₁≥3mg/L，

β＝8.12mg/L≤C₁＜3mg/L，

β＝10.41.3mg/L≤C₁＜2mg/L，

β＝13.50.8mg/L≤C₁＜1.3mg/L，

β＝17.10.5mg/L≤C₁＜0.8mg/L，

β＝22.3C_sp＜C₁＜0.5mg/L，

其中：β——投加系数，投加药剂中有效物质铁与污水中所需去除磷的摩尔比，mol/mol；

C₁——二沉池出水正磷酸盐浓度，mg/L；

C_sp——高效沉淀池出水正磷酸盐浓度目标值，mg/L。

优选地，除磷剂为聚合硫酸铁，有效成分的质量分数为11～12％。

本发明还提供一种化学除磷精确加药系统，包括污水处理池组件、加药装置组件和控制系统，污水处理池组件包括生物池、二沉池、高效沉淀池、滤池和消毒池；生物池包括厌氧池、缺氧池和好氧池；在二沉池出水处和高效沉淀池出水处设置有正磷酸盐在线监测仪，污水厂进水处设置有流量计；加药装置组件包括除磷剂储液罐、液位计、隔膜计量泵、电动阀、流量计；控制系统包括信号采集模块、模型计算模块和控制信号输出模块。

优选地，信号采集模块采集进水流量、进水总磷仪监测值、二沉池出水正磷酸盐仪监测值、高效沉淀池出水正磷酸盐仪监测值、总出水总磷仪监测值、加药泵频率、加药泵冲程、储药罐液位、加药流量和加药间设备运行状态的信号；模型计算模块包括前馈控制模型和反馈控制模型，前馈控制模型中的采集模块可以采集前馈控制过程中产生的信号，前馈控制模型中的内置模型计算加药泵量；反馈控制模型中的采集模块可以采集反馈控制过程中产生的信号，反馈控制模型中的内置模型计算加药泵量；控制信号输出模块将模型计算模块计算的加药量转换为加药泵工作频率，进而转化成控制信号输出至可编程逻辑控制器，控制加药泵群工作。

优选地，前馈控制指在二沉池出水处设正磷酸盐在线监测仪，污水厂进水处设有流量计，根据进水正磷酸盐负荷计算理论加药量；反馈控制指在高效沉淀池出水处设正磷酸盐在线监测仪，根据高效沉淀池出水磷酸盐浓度与目标值的偏差进行反馈调节。

优选地，反馈控制采用闭环自动控制技术调节，采用试凑法对PID参数进行确定。

3.有益效果

本发明的一种化学除磷精确加药系统及控制方法，将污水处理系统分为污水处理池组件、加药装置组件和控制系统，基于控制系统各个模块的计算结果来调整加药装置组件向污水处理池组件投加的加药量；加药控制方法将二沉池出水正磷酸盐浓度分为六个梯级，不但可以根据二沉池出水正磷酸盐浓度及对应的投药系数计算加药率，还可以根据实时进水流量计算加药量。本发明不仅解决了污水厂除磷剂粗投放的问题，而且还可以增加出水稳定性，最大程度上解决了加药与出水水质达标滞后性的问题，使污水厂管理向精细化方向迈进。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明的加药装置图；

图3为本发明的加药控制系统图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；而且，各个实施例之间不是相对独立的，根据需要可以相互组合，从而达到更优的效果。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解。

实施例1

本发明的一种化学除磷精确加药系统，包括处理池组、控制组件和除磷剂投加组件。如图1所示，处理池组包括生物池、二沉池、二级提升泵房、高效沉淀池、滤池和消毒池。在该处理池组中，初沉池、生物池、二沉池、高效沉淀池、滤池和接触消毒池的数量按照具体需求均可设置为一个或多个。生物池包括依次设置的厌氧池、缺氧池和好氧池。在二沉池出水处和高效沉淀池出水处分别设置有正磷酸盐在线监测仪，污水厂进水处设有流量计。

如图2所示，除磷剂投加组件包括除磷剂储液罐、液位计、隔膜计量泵、电动阀和流量计。除磷剂储液罐通过管路连接至二沉池出水井和高效沉淀池进水堰处的除磷剂投加点。除磷剂储液罐上设置有液位计，用于除磷剂储液罐上中的除磷剂的液位测量。除磷剂储液罐与投加点之间设置有隔膜计量泵，用于输送除磷剂，隔膜计量泵的出水口设置有电动阀和流量计，用于控制加药流量。除磷剂选用聚合硫酸铁，有效成分含量11～12％，密度为1.45g/mL。值得说明的是，还可选用其他类型的铁盐除磷剂如氯化铁。

控制组件包括信号采集模块、模型计算模块和控制信号输出模块。信号采集模块采集进水流量、进水总磷仪监测值、二沉池出水正磷酸盐仪监测值、高效沉淀池出水正磷酸盐仪监测值、总出水总磷仪监测值、加药泵频率、加药泵冲程、储药罐液位、加药流量和加药间设备运行状态的信号。其中，进水流量信号用于监测进水流量；二沉池出水正磷酸盐仪信号用于计算除磷剂理论投加量；高效沉淀池出水正磷酸盐仪信号用于调整除磷剂投加量；进水总磷及出水总磷信号用于校验二沉池出水及高效沉淀池出水正磷酸盐仪；加药泵频率及冲程信号用于监测加药泵的运行参数；加药流量信号用于监测加药流量；储液罐液位信号用于监测加药罐液位；加药间设备运行状态信号用于监测设备是否运行。模型计算模块包括前馈模型和反馈控制模型，依据信号采集模块采集的信号及内置模型计算加药泵量。控制信号输出模块将模型计算模块计算的加药量转换为加药泵工作频率，进而转化成控制信号输出至PLC，控制加药泵群工作。值得说明的是，如图3所示，初始加药量通过前馈控制来计算，也就是根据进水正磷酸盐负荷计算理论加药量；系统运行期间调整加药量使用反馈控制计算，即根据高效沉淀池出水正磷酸盐浓度与目标值的偏差进行反馈调节加药量。反馈控制采用PID调节，采用试凑法对PID参数进行确定。先通过实验大概测算一下反应规律，再根据实验结果估算初始参数，之后观察每次调节的投加情况和高效沉淀池出水正磷酸盐仪读数反馈，相应的增大或减小P、I、D系数，使得控制效果趋于稳定。

本发明的使用步骤如下：

将待处理的污水引入处理池组，使污水依次通过生物池、二沉池、二级提升泵房、高效沉淀池、滤池和消毒池处理后排出；设置于进水及出水口处的总磷在线监测仪，分别将进水总磷浓度及出水总磷浓度的值传输至主控制器；设置在二沉池出水井处以及高效沉淀池出水口处的正磷酸盐仪，分别将检测到的二沉池出水正磷酸盐浓度C₁传输至主控制器。

初始加药率M₁可以由二沉池出水正磷酸盐浓度C₁及对应的投加系数β计算得出，化学除磷总量＝二沉池出水正磷量-高效沉淀池出水正磷目标值/安全系数。化学除磷剂采用铁盐，铁与磷摩尔比为1：1，铁的相对分子质量约为56g/mol，磷的相对分子质量约为31g/mol，加药率M₁如下：

其中：M₁——加药率，每升污水中投加聚合硫酸铁溶液(PFS)的质量，mg/L；

C₁——二沉池出水正磷酸盐浓度，mg/L；

C_sp——高效沉淀池出水正磷酸盐浓度目标值；

α——安全系数，1.05～1.20；

η——聚合硫酸铁有效成分含量，11～12％；

β——投加系数，投加药剂中有效物质铁与污水中所需去除磷的摩尔比，取7～23，mol/mol。

当单个二沉池的出水正磷酸盐浓度大于0.3mg/L时，主控制器开启相应投加管路上的加药泵，向与该二沉池向对应的生物池出水井处的除磷剂投加点投放除磷剂，除磷剂的投加系数为投加药剂中有效物质铁与污水中所需去除磷的摩尔比，投加系数按照下列区间进行调整：

当0.3＜C₁＜0.5mg/L时，除磷剂投加系数为22.3；当0.5mg/L≤C₁＜0.8mg/L时，除磷剂投加系数为17.1；当0.8mg/L≤C₁＜1.3mg/L时，除磷剂投加系数为13.5；当1.3mg/L≤C₁＜2mg/L时，除磷剂投加系数为10.4；当2mg/L≤C₁＜3mg/L时，除磷剂投加系数为8.1；当C₁≥3mg/L时，除磷剂投加系数为7.4。

除磷过程中，通过控制组件的计算向高效沉淀池中加入除磷剂，且除磷剂的加药流量可以根据实时进水流量计算得出，加药流量Q₂如下：

其中：Q₁——进水流量，m³/h；

Q₂——加药流量，L/h；

γ——除磷剂溶液密度，g/L；

M₁——加药率，每升污水中投加除磷剂溶液的质量，mg/L。

将检测到的高效沉淀池出水正磷酸盐浓度C₂传输至主控制器。根据高效沉淀池出水正磷酸盐浓度C₂与目标值C_sp的偏差进行反馈调节加药量，反馈采用PID调节。

值得说明的是，除磷剂投加点可以是二沉池出水井处的除磷剂投加点外，还可以是高效沉淀池进水堰处的除磷剂投加点。除磷剂投加组件中可以设置多个独立的加药管线，每套加药管线都设置有两种及两种以上的不同投加路径，最大程度上的实现了功能的多样化和加药管线系统的可靠性。在个别加药管线出现故障的时候，可切换至其他备用管线，保证药剂投加，实现出水总磷稳定达标。

实施例2

本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于，本实施例中除磷剂选用聚合硫酸铁，有效成分含量12％，密度为1.45g/mL。某时刻当进水总磷浓度为4.30mg/L时，二沉池出水正磷酸盐浓度C₁为1.45mg/L时，β值为10.4。根据二沉池出水正磷酸盐浓度及对应的投药系数，计算加药率：

M₁＝15.05(C₁-C_sp/α)β

其中：M₁——加药率，每升污水中投加PFS溶液的质量，mg/L；

C₁——二沉池出水正磷酸盐浓度，mg/L；

C_sp——高效沉淀池出水正磷酸盐浓度目标值，取0.3mg/L；

α——安全系数，取1.2；

β——投药系数，mol/mol。

根据计算所得加药率为187.8mg/L，反馈控制则是根据实时进水流量计算加药流量：

其中：Q₂——加药流量，L/h；

Q₁——进水流量，m³/h。

此时进水流量Q₁为4086m³/h，加药流量Q₂为529L/h。高效沉淀池出水正磷酸盐仪所检测到的出水正磷酸盐浓度为0.24mg/L，出水总磷浓度为0.27mg/L。

系统根据进水正磷负荷及出水目标值实时调节加药量，化学除磷药剂节省量约13.2％。本发明基于控制系统各个模块的计算结果来调整加药装置组件向污水处理池组件投加的加药量，可以根据二沉池出水正磷酸盐浓度及对应的投药系数计算加药率，还可以根据实时进水流量计算加药量。

上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (8)

1.一种化学除磷精确加药控制方法，其特征在于：向高效沉淀池中加入除磷剂，且除磷剂的加药流量可以根据实时进水流量计算得出；加药流量Q₂如下：

其中：Q₁——进水流量，m³/h；

Q₂——加药流量，L/h；

γ——除磷剂溶液密度，g/L；

M₁——加药率，每升污水中投加除磷剂溶液的质量，mg/L。

2.根据权利要求1所述的一种化学除磷精确加药控制方法，其特征在于：加药率M₁可以由二沉池出水正磷酸盐浓度C₁及对应的投加系数β计算得出，加药率M₁如下：

其中：M₁——加药率，每升污水中投加聚合硫酸铁溶液(PFS)的质量，mg/L；

C₁——二沉池出水正磷酸盐浓度，mg/L；

C_sp——高效沉淀池出水正磷酸盐浓度目标值；

α——安全系数，1.05～1.20；

η——聚合硫酸铁有效成分含量，11～12％；

β——投加系数，投加药剂中有效物质铁与污水中所需去除磷的摩尔比，取7～23，mol/mol。

3.根据权利要求2所述的一种化学除磷精确加药控制方法，其特征在于：对二沉池出水的正磷酸盐浓度进行检测，并根据出水中的正磷酸盐浓度C₁，向出水中加入除磷剂；除磷剂投加系数为β，β取值如下：

β＝7.4C₁≥3mg/L，

β＝8.12mg/L≤C₁＜3mg/L，

β＝10.41.3mg/L≤C₁＜2mg/L，

β＝13.50.8mg/L≤C₁＜1.3mg/L，

β＝17.10.5mg/L≤C₁＜0.8mg/L，

β＝22.3C_sp＜C₁＜0.5mg/L，

其中：β——投加系数，投加药剂中有效物质铁与污水中所需去除磷的摩尔比，mol/mol；

C₁——二沉池出水正磷酸盐浓度，mg/L；

C_sp——高效沉淀池出水正磷酸盐浓度目标值，mg/L。

4.根据权利要求3所述的一种化学除磷精确加药控制方法，其特征在于：所述除磷剂为聚合硫酸铁，有效成分的质量分数为11～12％。

5.一种化学除磷精确加药系统，其特征在于：包括污水处理池组件、加药装置组件和控制系统，

污水处理池组件包括生物池、二沉池、高效沉淀池、滤池和消毒池；所述生物池包括厌氧池、缺氧池和好氧池；在二沉池出水处和高效沉淀池出水处设置有正磷酸盐在线监测仪，污水厂进水处设置有流量计；

加药装置组件包括除磷剂储液罐、液位计、隔膜计量泵、电动阀、流量计；

控制系统包括信号采集模块、模型计算模块和控制信号输出模块。

6.根据权利要求5所述的一种化学除磷精确加药系统，其特征在于：所述信号采集模块采集进水流量、进水总磷仪监测值、二沉池出水正磷酸盐仪监测值、高效沉淀池出水正磷酸盐仪监测值、总出水总磷仪监测值、加药泵频率、加药泵冲程、储药罐液位、加药流量和加药间设备运行状态的信号；

所述模型计算模块包括前馈控制模型和反馈控制模型，前馈控制模型中的采集模块可以采集前馈控制过程中产生的信号，前馈控制模型中的内置模型计算加药泵量；反馈控制模型中的采集模块可以采集反馈控制过程中产生的信号，反馈控制模型中的内置模型计算加药泵量；

所述控制信号输出模块将模型计算模块计算的加药量转换为加药泵工作频率，进而转化成控制信号输出至可编程逻辑控制器，控制加药泵群工作。

7.根据权利要求6所述的一种化学除磷精确加药系统，其特征在于：所述前馈控制指在二沉池出水处设正磷酸盐在线监测仪，污水厂进水处设有流量计，根据进水正磷酸盐负荷计算理论加药量；

所述反馈控制指在高效沉淀池出水处设正磷酸盐在线监测仪，根据高效沉淀池出水磷酸盐浓度与目标值的偏差进行反馈调节。

8.根据权利要求7所述的一种化学除磷精确加药系统，其特征在于：所述反馈控制采用闭环自动控制技术调节，采用试凑法对PID参数进行确定。

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