CN112456738A - 一种减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，该高效精准除磷系统包括在线监测模块，PLC控制模块，模型计算模块和自动给药模块；所述PLC控制模块采用前馈叠加反馈的控制策略，以A2O生物池出水口的正磷酸盐浓度和进水总流量为前馈控制信号，确定除磷所需的精确除磷药剂量；以MBR膜池出水口的正磷酸盐浓度为反馈控制信号，用以校核并对除磷剂的投加量进行取值；PLC控制模块再将投药量信号转输至自动给药模块，进行变频控制加药，实现反馈控制调整投加量。该除磷系统，可降低药剂投加量，保障污水厂出水总磷(TP)达标，有效减缓MBR膜因除磷剂中的铁离子导致的膜污染及相膜腐蚀，实现污水厂的精细化操作管理。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统。
背景技术
伴随着国家化工行业的高速发展和现代化进程，磷化工得到了迅速的发展，并取得了令人鼓舞的成绩，但与此同时产生的环境问题也日趋严重。为尽可能减少磷污染导致的水体富营养化，国家对污水厂的出水标准不断提高，由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级B标准提高到一级A标准(磷含量不高于0.5mg/L)，其中部分城市污水处理厂出水标准甚至提高至地表水IV类标准(磷含量不高于0.3mg/L)。
A2O污水生物处理工艺，是目前应用较为广泛的生物脱氮除磷工艺，该工艺中污水依次流经厌氧池、缺氧池和好氧池(曝气池)，A2O污水生物处理工艺具有较高的COD(化学需氧量)去除和脱氮除磷功效。膜生物反应器(MBR)是用膜分离过程取代传统活性污泥法中二次沉淀池的水处理技术。将MBR技术与传统的A2O污水生物处理工艺结合，可以提高固液分离效率，促进生化反应速度。
化学除磷主要通过投加除磷剂，与污水中的磷酸盐反应生成铝盐或铁盐沉淀物达到除磷目的。通过生物除磷结合化学除磷，在生物除磷后直接将除磷剂加入A2O生化池末端，可以增强污水处理体系的除磷效果，满足愈加严苛的含磷污水的出水标准要求。
但是由于污水厂来水水质水量不稳定，特别是针对合流区溢流污染控制的污水处理厂，晴天污水量少，浓度高，雨天水量大，负荷冲击大；同时，污水厂的除磷设计普遍采用人工手动控制除磷加药量的方式，限于污水厂操作人员的水平，无法实时调整加药量，为保障污水厂出水达标，污水厂运行过程中普遍采用过量投加除磷药剂的方式，造成了不必要的浪费，增加了污水厂的运行成本。当在A2O工艺的曝气池出水口过量投加铁系除磷剂时，会将大量铁离子带入MBR膜池中，因铁离子的电中和和吸附架桥作用，适量的铁离子有助于增大污泥颗粒的粒径，降低膜污染的风险，但是过量的铁离子则会抑制微生物活性，引起胞外聚合物(EPS)浓度的大幅上升，加重膜污染。因此亟需设计一套智能化自动控制除磷加药系统，既能提高污水系统的出水达标率，减缓膜堵塞和膜腐蚀，同时实现污水厂节能降耗，防止除磷剂浪费，实现污水厂化学除磷的最优控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，通过智能化自动控制除磷系统，可有效降低药剂投加量，保障污水厂出水总磷(TP)达标，保障除磷剂中铁离子在MBR的耐受及有益范围，有效减缓MBR膜因除磷剂中的铁离子导致的膜污染及相膜腐蚀，同时减少人工操作，降低药剂运行成本，实现污水厂的精细化操作管理。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
提供一种减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，所述除磷工艺包括依次相连的进水井、A2O生物池和MBR膜池，所述A2O生物池包括厌氧池、缺氧池和曝气池，所述A2O生物池曝气池出水口处设有化学除磷药剂给药点，所述化学除磷药剂为铁系除磷剂；
所述高效精准除磷系统包括在线监测模块、PLC控制模块、模型计算模块和自动给药模块；
所述在线监测模块包括正磷酸盐在线监测仪和在线流量监测仪；所述正磷酸盐在线监测仪分别设于所述A2O生物池曝气池出水口且在所述化学除磷药剂给药点之前和所述MBR膜池出水口；所述在线流量监测仪设于所述进水井入水口；
所述PLC控制模块采用前馈叠加反馈的控制策略，将所述A2O生物池出水口的正磷酸盐在线监测仪监测到的正磷酸盐浓度和在线流量监测仪监测到的进水总流量传输信号至PLC控制模块，PLC控制模块将接收到的信号转输至模型计算模块，通过前馈控制确定除磷所需的精确除磷药剂量；所述MBR膜池出水口的正磷酸盐在线监测仪将监测到的正磷酸盐浓度传输信号至所述PLC控制模块，所述PLC控制模块将接收的反馈信号传输至所述模型计算模块，用以校核并对除磷剂的投加量进行取值，最终得到的除磷剂投加信号反馈给所述PLC控制模块后，所述PLC控制模块再将信号转输至所述自动给药模块，进行变频控制加药，实现反馈控制调整投加量。
按上述方案，前馈控制的进水理论除磷药剂投加量计算方式如下：
MBR膜池中反馈投药控制的除磷剂投加量计算方式如下：
β—除磷剂投加系数，mol/mol，取值1～5；α—出水安全系数，1.02～1.1，无量纲；
η—铁系除磷剂有效含量；
—铁系除磷剂中铁含量；
C1—A2O生物池中曝气池出水口正磷酸盐浓度，mg/L；C2—MBR膜池出口正磷酸盐浓度，mg/L；
Q0—A2O生化池进水口流量，m3/h；
[M0]—除磷剂理论投加浓度，mg/L；
[M1]—除磷剂投加浓度，mg/L；
[M2]—MBR膜池中的铁离子浓度，mg/L,设定M2的取值小于15mg/L。
其中公式(1)通过实测的进水流量和监测到的正磷酸盐浓度，计算理论需投加的除磷剂，作为背景参考值；公式(2)通过监测到的两处正磷酸盐浓度，可以优化实际投加的除磷药剂的过量值，初步减少药剂投加量。公式(3)在公式(2)的基础上进一步优化药剂量，将其投加范围进一步缩小。
按上述方案，所述除磷剂投加系数β，即实际投加的铁元素与去除的磷元素摩尔比，计算方式如下：
设定β的取值范围为1.0～5.0，保证出水总磷浓度在0.3mg/L以下。
按上述方案，所述自动给药模块包括：溶药箱、储药箱、液位计和PLC控制的变频加药设备；其中：所述储药箱上设有所述液位计，并与所述溶药箱联动，当所述储药箱内药剂体积低于污水处理一定时间范围的用药量时，所述溶药罐启动配药，变频加药设备通过接收自动控制系统的信号后，启动或者调整加药量，实现自动变频控制，输送除磷药剂至加药点。
按上述方案，所述在线监测模块还包括膜池压力传送系统，设置于所述MBR膜池内膜组件上方，用于监控进出膜的跨膜压差(TMP)并传输信息值至PLC控制模块；当TMP增长速度达到4.5kpa/d时，自动控制系统启动预警，当跨膜压差达到7kpa/d时，自动控制系统将传输信号至MBR膜反洗系统，启动反洗。
按上述方案，所述在线监测模块还包括pH在线监测仪，所述pH在线监测仪分别设于所述A2O生物池出水口和所述MBR膜池出水口，用于辅助维持A2O生化池和MBR膜池的生物活性所需的正常酸碱值在6-9范围内，保证生化系统正常运行，当高于或低于控制范围内时，pH在线监测仪传输信号至PLC控制模块，PLC控制模块输出信号，启动加酸或加碱自动投加设备，进行pH自动调节。
按上述方案，所述除磷剂为聚合氯化铝铁、聚合硫酸铁、三氯化铁或硫酸亚铁。
按上述方案，所述铁系除磷剂配置的药剂浓度为1～5％。
为保证除磷效果的同时，降低铁离子对MBR膜的影响，设定MBR膜池中最大铁离子浓度取值范围为小于15mg/L；并实时监测跨膜压差(TMP)的增长速度，设定TMP增长速度上限为4.5～7.0kPa/d。
本发明的控制过程为：以加药前的进水流量、磷酸盐浓度等为前馈控制信号，将信号传输至自动控制系统，通过自动控制系统中的模型计算模块计算所需的加药量，模型计算模块输出计算信息至PLC控制模块，最终信号转输至自动给药模块，通过变频器接收给药模块的信息，实时调整加药泵的加药量，实现除磷自动控制。同时以膜池出水磷酸盐浓度，MBR膜池铁离子浓度，MBR膜跨膜压差TMP增长速度，为反馈控制信号，调整并优化除磷药剂的投加量。其中MBR膜池铁离子浓度为计算值，TMP为实测值。均为优化除磷剂的取值范围，防止投加量超量。优先级别为铁离子浓度[M1]>TMP日均涨幅。
本发明的有益效果为：
1.本发明采用的除磷控制系统，包括在线监测模块，PLC控制模块，模型计算模块和自动给药模块；采用前馈和反馈叠加的除磷控制策略，通过采集流量、正磷酸盐信号，作为前馈信号，以出水磷酸盐浓度，MBR膜池中铁离子浓度，和MBR膜池跨膜压差变化为反馈信号，进行模型计算，达到除磷药剂精确投加的目的，可有效降低药剂投加量，在保障污水厂出水TP达标的前提下，减少人工操作，降低药剂运行成本，实现污水厂的精细化操作管理，降低药剂投加量，减少了对MBR膜的堵塞作用，减少了换膜成本，降低了污水厂的运维费用。
2.本发明通过前馈控制确定除磷所需的精确除磷药剂量，然后通过监测到的两处正磷酸盐浓度，可以优化实际投加的除磷药剂的过量值，初步减少药剂投加量，然后再根据铁离子对膜影响的有益投加量取值范围(5～15mg/L)进一步优化药剂量，将其投加范围进一步缩小；在保证出水水质，优化除磷药剂的同时，降低膜污染，减缓膜堵塞和膜腐蚀，实现污水厂化学除磷的最优控制。
附图说明
图1为本发明实施例提供的处理装置结构示意图；
图2为本发明实施例的工艺流程图。
图3为本发明实施例的自动加药控制系统。
其中图中编号为：
1-进水井，2-A2O生物池，3-MBR膜池，4-紫外消毒，A-PLC控制模块，B-模型计算模块，C-自动给药模块，D-加药点，a-流量监测仪，b-正磷酸盐在线监测仪，c-膜池压力传送系统，E-溶药箱，F-储药箱，G-PLC控制的变频加药设备，5-第一电磁阀，6-第二电磁阀，7-第三电磁阀。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例的主要服务对象为某合流制溢流污染控制区的全地下式污水处理厂。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种化学除磷自动控制系统，所述除磷工艺包括依次相连的进水井1、A2O生物池2和MBR膜池3，所述A2O生物池2包括厌氧池、缺氧池和曝气池，所述MBR膜池3入水口处设有化学除磷药剂给药点D，所述化学除磷药剂为铁系除磷剂；所述自动控制系统包括在线监测模块，PLC控制模块A，模型计算模块B和自动给药模块C；
所述PLC控制模块A采用前馈叠加反馈的控制策略，将所述A2O生物池2出水口的正磷酸盐在线监测仪b监测到的正磷酸盐浓度和在线流量监测仪a监测到的进水总流量传输信号至PLC控制模块A，PLC控制模块A将接受到的信号转输至模型计算模块B，通过前馈控制确定除磷所需的精确除磷药剂量；所述MBR膜池3出水口的正磷酸盐在线监测仪b将监测到的正磷酸盐浓度传输信号至PLC控制模块A，PLC控制模块A将接收的反馈信号传输至模型计算模块B，用以校核并对除磷剂的投加量进行取值，最终得到的除磷剂投加信号反馈给PLC控制模块A后，PLC控制模块A再将信号转输至自动给药模块C，进行变频控制加药，实现反馈控制调整投加量。
其中的一个实施例中，污水除磷工艺主要采用了A2O加MBR的处理工艺，来水通过合流暗涵自流进入进水井1，井后设粗格栅，旋转格栅，除渣后进入A2O生物池2，依次通过厌氧池、缺氧池和曝气池，进行厌氧，缺氧，好氧反应，达到生物降解氧化的目的，同时实现生物脱氮除磷，在A2O生化池末端出水口附近投加化学除磷药剂，实现化学除磷，进一步降低出水总磷含量。因全地下水厂占地面积少，曝气池出水进入MBR膜池3。膜池出水最后进入紫外消毒池进行消毒，最终排放至排放口。
其中的一个实施例中，采用的化学药剂为聚合氯化铝铁。
其中前馈控制的进水理论除磷药剂投加量计算方式如下：
反馈控制的MBR膜池中除磷剂投加量计算方式如下：
β—除磷剂投加系数，mol/mol，取值1～5；α—出水安全系数，1.02～1.1，无量纲；
η—除磷剂聚合氯化铝铁有效含量0.4～0.9；
—聚合氯化铝铁中铁含量，3～5％；
C1—曝气池出水口正磷酸盐浓度，mg/L；C2—MBR膜池出口正磷酸盐浓度，mg/L；
Q0—A2O生化池进水流量，m3/h；
[M0]—除磷剂理论投加浓度，mg/L；
[M1]—除磷剂投加浓度，mg/L；
[M2]—MBR膜池中的铁离子浓度，mg/L,设定M2的取值小于15mg/L。
所述除磷剂投加系数β，即实际投加的铁元素与去除的磷元素摩尔比，计算方式如下：
设定β的取值范围为1.0～5.0，保证出水总磷浓度在0.3mg/L以下。
其中公式(1)通过实测的进水流量和监测到的正磷酸盐浓度，计算理论需投加的除磷剂，作为背景参考值。公式(2)通过监测到的两处正磷酸盐浓度，可以优化实际投加的除磷药剂的过量值，初步减少药剂投加量。公式(3)在公式(2)的基础上进一步优化药剂量，将其投加范围进一步缩小。
其中的一个实施例中，自动给药模块C如图3所示，包括溶药箱E，储药箱F，液位计和PLC控制的变频加药设备G，还包括第一电磁阀5、第二电磁阀6和第三电磁阀7，第一电磁阀5设置于溶药箱E的两组出水管路上，第二电磁阀6设置于两组储药箱F的出水管路上，第三电磁阀7设置于变频加药设备G的出药管路上。通过在储药箱上安设液位计，并与溶药箱E联动，当储药箱F内药剂体积低于变频加药设备G一定时间范围的用药量时，溶药罐启动配药。变频加药设备G通过接收PLC控制模块A的信号后，启动或者调整加药量，实现自动变频控制，输送除磷药剂至加药点D。进一步地，自动给药模块C还包括附属设备，如安全阀、阻尼器、Y型过滤器、加药管线等。
其中的一个实施例中，所述在线监测模块还包括膜池压力传送系统c，设置于所述MBR膜池3内膜组件上方，用于监控进出膜的跨膜压差(TMP)并传输信息值至PLC控制模块A；当TMP增长速度达到4.5kpa/d时，自动控制系统启动预警，当跨膜压差达到7kpa/d时，自动控制系统将传输信号至MBR膜反洗系统，启动反洗。
其中的一个实施例中，所述在线监测模块还包括pH在线监测仪，所述pH在线监测仪分别设于所述A2O生物池2出水口和所述MBR膜池3出水口，用于辅助维持A2O生化池2和MBR膜池3的生物活性所需的正常酸碱值在6-9范围内，保证生化系统正常运行，当高于或低于控制范围内时，pH在线监测仪传输信号至PLC控制模块A，PLC控制模块A输出信号，启动加酸或加碱自动投加设备，进行pH自动调节。
下面通过具体实施例进行化学除磷剂的优化控制。
实施例一
污水厂A2O生化池曝气池出水口监测的TP浓度为1.5mg/l，流量为2080.6m3/h，计算得到理论除磷剂投加量为3.07mg/L(以铁计)。
采用的实际药剂投加系数β取值为1.5，除磷剂实际需投加量为37.67mg/L，实际投加的铁元素为0.6mg/L；出水安全系数取值1.1，其中化学除磷剂为聚合氯化铝铁，除磷剂有效含量η为10％，铁含量1.6％(质量分数)。
通过实时监测MBR膜池出水口磷酸盐浓度，出水口磷酸盐浓度为0.1mg/L,系统模拟计算后调整β取值为1.35，除磷剂投加量为33.9mg/L，最终实现出水TP控制小于0.3mg/L的范围；同时，MBR膜池铁离子浓度低于1mg/L，几乎对水质无影响。当天跨膜压差TMP控制值为4.5kpa/d，月清洗次数为5次，满足膜污染控制值。
Claims (8)
1.一种减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，所述除磷工艺包括依次相连的进水井、A2O生物池和MBR膜池，所述A2O生物池包括厌氧池、缺氧池和曝气池，所述A2O生物池曝气池出水口处设有化学除磷药剂给药点，所述化学除磷药剂为铁系除磷剂；
其特征在于，所述高效精准除磷系统包括在线监测模块、PLC控制模块、模型计算模块和自动给药模块；
所述在线监测模块包括正磷酸盐在线监测仪和在线流量监测仪；所述正磷酸盐在线监测仪分别设于所述A2O生物池曝气池出水口且在所述化学除磷药剂给药点之前和所述MBR膜池出水口；所述在线流量监测仪设于所述进水井入水口；
所述PLC控制模块采用前馈叠加反馈的控制策略，将所述A2O生物池曝气池出水口的正磷酸盐在线监测仪监测到的正磷酸盐浓度和在线流量监测仪监测到的进水总流量传输信号至PLC控制模块，PLC控制模块将接收到的信号转输至模型计算模块，通过前馈控制确定除磷所需的精确除磷药剂量；所述MBR膜池出水口的正磷酸盐在线监测仪将监测到的正磷酸盐浓度传输信号至所述PLC控制模块，所述PLC控制模块将接收的反馈信号传输至所述模型计算模块，用以校核并对除磷剂的投加量进行取值，最终得到的除磷剂投加信号反馈给所述PLC控制模块后，所述PLC控制模块再将信号转输至所述自动给药模块，进行变频控制加药，实现反馈控制调整投加量。
2.根据权利要求1所述的减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，其特征在于，
前馈控制的进水理论除磷药剂投加量计算方式如下：
MBR膜池中反馈投药控制的除磷剂投加量计算方式如下：
β—除磷剂投加系数，mol/mol，取值1～5；α—出水安全系数，1.02～1.1，无量纲；
η—铁系除磷剂有效含量；
—铁系除磷剂中铁含量；
C1—A2O生物池中曝气池出水口正磷酸盐浓度，mg/L；C2—MBR膜池出口正磷酸盐浓度，mg/L；
Q0—A2O生化池进水口流量，m3/h；
[M0]—除磷剂理论投加浓度，mg/L；
[M1]—除磷剂投加浓度，mg/L；
[M2]—MBR膜池中的铁离子浓度，mg/L,设定M2的取值小于15mg/L。
3.根据权利要求1所述的减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，其特征在于，所述除磷剂投加系数β，即实际投加的铁元素与去除的磷元素摩尔比，计算方式如下：
设定β的取值范围为1.0～5.0，保证出水总磷浓度在0.3mg/L以下。
4.根据权利要求1所述的减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，其特征在于，所述自动给药模块包括：溶药箱、储药箱、液位计和PLC控制的变频加药设备；其中：所述储药箱上设有所述液位计，并与所述溶药箱联动，当所述储药箱内药剂体积低于污水处理一定时间范围的用药量时，所述溶药罐启动配药，变频加药设备通过接收自动控制系统的信号后，启动或者调整加药量，实现自动变频控制，输送除磷药剂至加药点。
5.根据权利要求1所述的减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，其特征在于，所述在线监测模块还包括膜池压力传送系统，设置于所述MBR膜池内膜组件上方，用于监控进出膜的跨膜压差并传输信息值至所述PLC控制模块；当跨膜压差增长速度达到4.5kpa/d时，自动控制系统启动预警，当跨膜压差达到7kpa/d时，自动控制系统将传输信号至MBR膜反洗系统，启动反洗。
6.根据权利要求1所述的减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，其特征在于，所述在线监测模块还包括pH在线监测仪，所述pH在线监测仪分别设于所述A2O生物池出水口和所述MBR膜池出水口，用于辅助维持A2O生化池和MBR膜池的生物活性所需的正常酸碱值在6-9范围内，保证生化系统正常运行，当高于或低于控制范围内时，pH在线监测仪传输信号至PLC控制模块，PLC控制模块输出信号，启动加酸或加碱自动投加设备，进行pH自动调节。
7.根据权利要求1所述的减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，其特征在于，所述铁系除磷剂为聚合氯化铝铁、聚合硫酸铁、三氯化铁或硫酸亚铁。
8.根据权利要求1所述的减缓膜堵塞及相膜腐蚀的高效精准除磷系统，其特征在于，所述铁系除磷剂配置的药剂浓度为1～5％。
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