CN114538700A - 一种污水处理厂智能除磷加药系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污水处理厂智能除磷加药系统及方法，属于污水处理领域。本发明的除磷加药系统，利用了前馈+串级反馈的控制方式进行控制，前馈控制能够较快的应对来水冲击，而串级反馈控制系统，在保证出水TP能够稳定达标的前提下，较精确的计算了除磷剂的投加量，应用于污水处理厂不仅能够节能降耗，而且能够节省投资。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，更具体地说，涉及一种污水处理厂智能除磷加药系统及方法。
背景技术
当前，城镇化建设力度加大，污水处理厂运营进入高效运行期，污水处理厂面临达标排放压力增大，同时面临企业提质增效，向节能降耗等方向发展，响应社会节能减排目标。
城镇污水处理厂除磷主要依靠生物除磷和化学除磷，生物除磷主要通过设置厌氧区和好氧区，通过污泥混合液中聚磷菌厌氧释磷和好氧吸磷，污泥排放达到磷的去除。通常由于生物除磷受工艺条件限值等因素，去除效率一般在50％以下，此时直接出水排放很容易造成出水TP(total phosphorous，总磷)超标。水厂通过在二沉池或高密池中投加除磷药剂中的金属离子与磷酸盐反应沉淀于污泥中，沉淀物与污泥一同排出实现磷的去除，称为化学除磷。投加的除磷药剂一般为PAC、硫酸铁、氯化铁等，投加方式以恒量投加为主，根据出水TP数据人工进行调节，但是会经常出现由于水质、水量波动调节不及时TP超标，或投加量过大出现超投等现象。
化学除磷自动控制系统能够节能降耗，越来越受到市场的关注，并且自动化学除磷加药控制是实现智慧污水厂智能加药的重要技术载体。现有研究大多是对有一个处理系列的污水厂进行化学除磷的智能控制还未见对同一污水厂有两个处理系列的化学除磷的自动控制进行研究，并且也存在水质波动情况下仪表无法实时响应，仪表故障率较高，仪表的可靠性受到一定影响，造成控制系统存在偏差的问题。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中无法精准控制投加除磷药剂的问题，本发明提供一种污水处理厂智能除磷加药系统及方法。本发明可以在污水处理节能降耗与工艺达标前提下，助污水处理厂高效稳定运行，并可以实现同一污水厂的两个处理系列的化学除磷的自动控制。
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：
本发明的一种污水处理厂智能除磷加药系统，包括高密度沉淀池、聚合硫酸铁加药罐、加药泵、流量计、服务器、第一PID控制器、第二PID控制器、第一磷酸盐仪表、第二磷酸盐仪表、总磷仪表；其中，第一磷酸盐仪表用于监测高密度沉淀池进口磷酸盐的浓度，第二磷酸盐仪表用于监测高密度沉淀池出口磷酸盐的浓度。
优选地，所述服务器内设置有前馈计算模块和反馈计算模块，所述前馈计算模块用于根据第一磷酸盐仪表和第二磷酸盐仪表的数据信号进行模型计算；所述反馈计算模块用于根据第二磷酸盐仪表与总磷仪表以及第一PID控制器与第二PID控制器的数据信号进行模型计算。
优选地，所述高密度沉淀池是污水处理厂中AB处理系列或A2O处理系列的高密度沉淀池。
本发明的一种污水处理厂智能除磷加药控制方法，包括采用前馈和串级反馈的形式对污水处理厂中高密度沉淀池的加药量进行调节控制，具体步骤为：
S10、前馈控制：基于高密度沉淀池进、出水的正磷酸盐浓度数据，依据前馈计算模块进行前馈计算加药量；
S20、反馈控制：基于高密度沉淀池出水的正磷酸盐浓度数据和总出水的总磷浓度数据，在反馈计算模块中形成串级反馈，精确计算加药量。
优选地，步骤S10中，包括前馈化学除磷控制模型的建立，前馈除磷剂加药量Q2为
其中：C1为高密池进水正磷酸盐浓度，mg/L；
Csp为高密度沉淀池出水正磷酸盐，mg/L；
β为加药系数；
Q1为进水水量，m3/d。
优选地，步骤S20中，除磷剂投加量的目标值Qc.sp(t)由次级反馈获得，其计算模型为
其中，Qc.sp(t)为t时间时向污水中加入的除磷剂加药量的目标值；
P2为次级反馈比例系数；
I2为次级反馈积分系数；
Spo4.sp为t时间时高密度沉淀池出水正磷酸盐浓度的设定值；
S po4为t时间时高密池出水正磷酸盐浓度数据。
优选地，采用工程试凑法来确定PID参数，先通过实验测算一下反应规律，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密度沉淀池出水正磷酸盐仪读数反馈，相应的增大或减小P、I系数，使得控制效果趋于稳定，不断优化比例参数，最后确定积分。
优选地，所述P2为35，所述I2为5。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种污水处理厂智能除磷加药系统，在服务器中储存有前馈计算模块和反馈计算模块，监测的所有数据信号被传输到服务器中，计算加药量后，服务器给出指令，控制加药泵按照计算出的加药量进行精准加药；
(2)本发明的一种污水处理厂智能除磷加药方法，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通过反馈控制计算，即根据高密度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；
(3)本发明的一种污水处理厂智能除磷加药方法，通过前馈+串级反馈的形式进行加药控制，这种控制形式在实现精确计算加药的同时，为存在两系列处理工艺的污水厂节省了投资；一般来讲，两个系列需要两套控制系统，两套仪表，而通过本发明的方法则可以节省一套系统，从而节省投资。
附图说明
图1为本发明的污水处理厂的两系列处理工艺流程示意图；
图2为本发明的一种污水处理厂智能除磷加药系统的结构示意图；
图中：
100、聚合硫酸铁加药罐；200、加药泵；300、流量计；400、服务器；510、第一PID控制器；520、第二PID控制器；600、高密度沉淀池；710、第一磷酸盐仪表；720、第二磷酸盐仪表；800、总磷仪表。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1所示，本发明的一种污水处理厂智能除磷加药系统包括高密度沉淀池600、聚合硫酸铁加药罐100、加药泵200、流量计300、服务器400、第一PID控制器510、第二PID控制器520、第一磷酸盐仪表710、第二磷酸盐仪表720、总磷仪表800；其中，第一磷酸盐仪表710用于监测高密度沉淀池600的进口磷酸盐浓度，第二磷酸盐仪表720用于监测高密度沉淀池600的出口磷酸盐浓度；并且服务器400内设置有前馈计算模块和反馈计算模块，前馈计算模块用于根据第一磷酸盐仪表710和第二磷酸盐仪表720的数据信号进行模型计算，反馈计算模块用于根据第二磷酸盐仪表720与总磷仪表800以及第一PID控制器510与第二PID控制器520的数据信号进行模型计算。
将本发明的一种污水处理厂智能除磷加药系统，应用在两个处理系列(AB处理系列或A2O处理系列)的污水处理厂中，如图2所示。系统的前馈用于控制水量较大的AB系列，串级反馈根据总出水总磷含量和AB系列的出水正磷酸盐的含量进行串级反馈，即保证了总出水总磷能够稳定达标，又能够较精确的计算AB系列的加药量。
一期工程处理规模16万m3/d。一期工程污水采用AB工艺，污泥采用中温厌氧消化脱水后外运处置。二期工程处理规模为5万m3/d。污泥处理系统与一期工程共用，污水处理采用A2O处理工艺。污水分两股进入一期、二期的处理设施，处理完后再汇入同一渠中出水。
本发明的系统控制水量较大的AB段高密度沉淀池的加药量。系统的控制策略是以前馈+串级反馈的形式进行控制。具体地说，前馈：以AB段高密池进、出水正磷酸的浓度数据，依据模型进行前馈计算加药量；反馈：以AB段高密池出水正磷酸盐浓度值和总出水总磷浓度值形成串级反馈得出加药量。在保证总出水总磷稳定达标的前提下，精确计算AB系列加药量。这种控制形式在达到精确计算的同时，为存在两系列处理工艺的污水厂节省了投资。一般来讲，两个系列需要两套控制系统，两套仪表。而通过此方法则可以节省一套系统，从而节省投资。
需要说明的是，本发明的污水处理厂智能除磷加药控制方法包括前馈化学除磷控制模型的建立。该厂的出水总磷值设置在0.25mg/L。高密度沉淀池后的纤维滤池对水质有一定的净化作用。经过实验测试得知，出水总磷在0.25mg/L左右，高密度沉淀池出水正磷酸盐Csp应设定为0.3mg/L。
其次要确定加药系数β。该污水厂使用絮凝剂为液体聚合硫酸铁，与磷酸盐的反应式为Fe3++HnPO4 3-n＝Fe2(PO4)3↓+n H+。沉淀物中金属元素与吸附的磷元素的摩尔比，被叫做沉淀物投加系数β。理论上，1摩尔的磷需要1摩尔的铁，β(投药系数)＝56/31＝1.81(g/g)。然而研究表明现场和实验室规模数据验证β值的范围在1:1-10:1之间。因此，在投加每批次化学除磷药剂之前，均需采取小试试验确定投加系数β值。
由于该厂进水水质波动较大，基于实验结果及现场数据，得出高密池进水正磷酸盐浓度与β之间的关系如下表：
表1高密度沉淀池进水正磷酸盐浓度C1与β的关系
该厂所用聚合硫酸铁为液体，密度ρ为1.45g/mL，Fe含量α为11％(质量百分比)。最终经计算前馈除磷剂加药量Q2：
最终简化Q2＝1.04×10-5×(C-Csp)×β×Q1；
其中：C1为高密池进水正磷酸盐浓度，mg/L；
Csp为高密度沉淀池出水正磷酸盐，mg/L；
β为加药系数；
Q1为进水水量，m3/d。
反馈控制模式的建立：
本发明的系统采用的是无线传输形式。利用RTU信号采集器采集现场以下数据：进水流量Q、出水总磷浓度、高密池进水正磷酸盐浓度、高密池出水正磷酸盐浓度、AB段加药泵流量。该些数据传送到数据收集模块，进而转换为流量和浓度信号，将这些信号传送至服务器，依据化学除磷药剂投加量的策略进行计算。
在本发明中，以出水总磷浓度的测定值与设定值的差作为主控制器的输入，以高密池出水正磷酸盐浓度的设定值作为主控制器的输出，组成主回路；同时以主回路的输出和高密池出水正磷酸盐的测定值之间的差作为副控制器的输入，以除磷剂的加药量作为输出，组成副回路。
除磷剂投加量的目标值Qc.sp(t)由次级反馈获得，其计算模型为
其中，Qc.sp(t)为t时间时向污水中加入的除磷剂加药量的目标值；
P2为次级反馈比例系数；
I2为次级反馈积分系数；
Spo4.sp为t时间时高密度沉淀池出水正磷酸盐浓度的设定值；
S po4为t时间时高密池出水正磷酸盐浓度数据。
除磷剂投加量的目标值Qc.sp(t)的计算模型中，Spo4.sp(t)-Spo4(t)]dt为时间的积分，a和a0表示的是区间[a0,a]。
高密池出水正磷酸盐浓度的设定值由Spo4(1).sp由初级反馈获得，其计算模型为：
其中，
S po4.sp为t时间时缺氧池的出水中的硝酸盐浓度目标值；
P1为初级反馈比例系数，
I1为初级反馈积分系数；
STP为总出水中的TP浓度，利用总氮仪进行测定；
STP.sp为总出水中TP的目标值。
本发明采用工程试凑法来确定PID参数，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系数，使得控制效果趋于稳定，不断优化比例参数，最后确定积分。最终初级P1、I1分别为10,2，副回路P2、I2分别为35,5。
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。
将本发明的控制系统用在该污水处理厂中，AB系列进水COD平均值为264.96mg/L，TP平均值为3.89mg/L，TN平均值为38.10mg/L，A2O系列进水COD平均值为206mg/L，TP平均值为3.78mg/L，TN平均值为54.8mg/L。总出水控制标准为：COD40 mg/L左右，TN小于10mg/L左右，TP小于0.25mg/L左右。
未安装本发明的系统之前，聚合硫酸铁的吨水药耗量为97.49g/t，同等水利条件下，安装系统后，吨水药耗量为82.42g/t，节省药量为15.4％。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，所用的数据也只是本发明的实施方式之一，实际的数据组合并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出于该技术方案相似的实施方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种污水处理厂智能除磷加药系统，其特征在于：包括高密度沉淀池、聚合硫酸铁加药罐、加药泵、流量计、服务器、第一PID控制器、第二PID控制器、第一磷酸盐仪表、第二磷酸盐仪表、总磷仪表；其中，第一磷酸盐仪表用于监测高密度沉淀池进口磷酸盐的浓度，第二磷酸盐仪表用于监测高密度沉淀池出口磷酸盐的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种污水处理厂智能除磷加药系统，其特征在于：所述服务器内设置有前馈计算模块和反馈计算模块，所述前馈计算模块用于根据第一磷酸盐仪表和第二磷酸盐仪表的数据信号进行模型计算；所述反馈计算模块用于根据第二磷酸盐仪表与总磷仪表以及第一PID控制器与第二PID控制器的数据信号进行模型计算。
3.根据权利要求1所述的一种污水处理厂智能除磷加药系统，其特征在于：所述高密度沉淀池是污水处理厂中AB处理系列或A2O处理系列的高密度沉淀池。
4.一种污水处理厂智能除磷加药控制方法，其特征在于：包括采用前馈和串级反馈的形式对污水处理厂中高密度沉淀池的加药量进行调节控制，具体步骤为：
S10、前馈控制：基于高密度沉淀池进、出水的正磷酸盐浓度数据，依据前馈计算模块进行前馈计算加药量；
S20、反馈控制：基于高密度沉淀池出水的正磷酸盐浓度数据和总出水的总磷浓度数据，在反馈计算模块中形成串级反馈，精确计算加药量。
5.根据权利要求4所述的一种污水处理厂智能除磷加药控制方法，其特征在于：步骤S10中，包括前馈化学除磷控制模型的建立，前馈除磷剂加药量Q2为
其中：C1为高密池进水正磷酸盐浓度，mg/L；
Csp为高密度沉淀池出水正磷酸盐，mg/L；
β为加药系数；
Q1为进水水量，m3/d。
6.根据权利要求4所述的一种污水处理厂智能除磷加药控制方法，其特征在于：步骤S20中，除磷剂投加量的目标值Qc.sp(t)由次级反馈获得，其计算模型为
其中，Qc.sp(t)为t时间时向污水中加入的除磷剂加药量的目标值；
P2为次级反馈比例系数；
I2为次级反馈积分系数；
Spo4.sp为t时间时高密度沉淀池出水正磷酸盐浓度的设定值；
S po4为t时间时高密池出水正磷酸盐浓度数据。
7.根据权利要求6所述的一种污水处理厂智能除磷加药控制方法，其特征在于：采用工程试凑法来确定PID参数，先通过实验测算一下反应规律，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密度沉淀池出水正磷酸盐仪读数反馈，相应的增大或减小P、I系数，使得控制效果趋于稳定，不断优化比例参数，最后确定积分。
8.根据权利要求6所述的一种污水处理厂智能除磷加药控制方法，其特征在于：所述P2为35，所述I2为5。
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