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污水处理方案

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污水厂节能改造方案

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、项目概况

污水处理属能耗密集型行业,其消耗的能源主要包括电、燃料及药剂等潜在能源，其中电能消耗为0.2〜0.4kW.h/m3，平均电能消耗为0.29kW.h/m3，电耗

占总能耗的60%〜90%,化学除磷加药单位水量处理成本为0.1元/m3左右，占

污水单位水量处理成本的20%〜30%。

一座处理量为10万mZd的污水厂，每

年电耗可达1058.5万kwh,每年药剂消耗可达350万元以上。

我国已建成并

投入运行的1993座城市污水处理厂年用电消耗总量超过111亿kWh，能耗总量较大，约占全社会用电量的0.3%。

城市污水处理系统的节能降耗技术革新可

分为两类：

一类是通过工艺创新，从源头减少生物处理对曝气量和化学药剂的需求，另一类是采用自动控制技术，在工艺过程中实现精确供气、加药等。

***污水处理厂设计规模12.5万吨/d，实际处理规模约10万吨/d，每年电消耗总量约1000万kwh；**污水处理厂设计规模15万吨/d，实际处理规模

约15万吨/d，每年电消耗总量约1300万kwh，能耗总量巨大；尤其是近几年以电费为主的能耗费用不断上涨，因此在能保障污水处理量和尾水达标排放的前

提下，对污水处理厂运行进行优化管理，节约能源费用，降低处理成本是保障污水处理厂正常运行的必要手段。

根据初步估算，**污水处理厂仍有约10%左右的

节电空间，所以进行污水处理厂生化池的曝气系统控制来降低电耗耗是污水处理厂亟待解决的问题。

污水处理厂化学除磷加药基本无自动控制系统，普遍采用固定加药量和人工调节的形式，过量投加化学除磷药剂现象普遍存在，但污水厂为了节约药耗依据历史数据进行加药人工调节，存在出水总磷超标的问题；采用化学除磷工艺精确控制技术，实现化学除磷药剂投加的最优控制。

根据**集团统计数据，**污水处理厂化学除磷的每日药耗费用约为6吨，

**污水厂化学除磷的每日药耗费用约为10吨；调研中发现，该**污水处理厂实际日处理量为10〜11万立方米左右，其每年化学除磷药耗费用达70万元，**污水处理厂实际日处理量为12.5〜15万立方米左右，其每年化学除磷药耗费用

分别达70万元和116万元，根据初步估算，化学除磷药耗量仍有5~10%和10%以上的节药空间，所以进行污水处理厂化学除磷加药精确控制来降低化学除磷的药耗是污水处理厂亟待解决的问题。

、污水处理厂精确除磷控制系统

（一）现状及主要存在的问题

从日出水TP指标和实际出水TP可以看出，**厂TP的日排放平均值为

0.5mg/L左右，而**厂由于进水TP含量偏高，具有更高的TP的日排放平均值,因此两厂常有高于国家一级A排放标准（0.5mg/L）的排放情况出现。

同时，从实时的实际出水指标记录也可以看出每两小时的出水TP也时常有远低于国家一

级A排放标准的数据存在。

这说明日处理化学除磷过量加药仍旧存在，有一定的节约空间；超标情况需要借助自动控制手段来抑制。

除磷加药系统被控对象的主要特点：

1）动态复杂性：

由于具有生物反应加入，对象特性随时间不断变化，具有

时变性和高度的非线性；流入污水的流量、成分及磷的浓度不断变化，使过程一直处于复杂外部环境的动态扰动之中；2）时滞性：

污水处理系统是一个惯性大、滞后长、变量和参数多的系统，若仅靠检测出水的总磷对加药进行闭环反馈控制

则很难选择合适的控制算法以达到预期的效果。

3）在线实施测量困难：

磷在线检测设备比较昂贵，测量滞后大，测量间隔大，单纯依赖磷在线检测仪的控制方案同样难以实施精确控制。

因为进水的TP含量、环境温度、曝气池中的污泥浓度等都会影响生物除磷的效率，化学除磷所需的药量往往不是固定的。

目前的人

工加药方式不仅存在加料过量的浪费，而且不能保证出口TP水平始终达到国家

一级A排放标准。

因此需要采用在线实时控制进行精确的自动加药。

（二）改造方案

**厂和**厂的污水处理工艺和处理能力设计上相同，总体设计采用了三级控制系统，实现污水磷处理工艺流程的监测以及相关工艺设备的运行状态的监控：

第一级：

现场手动控制。

在各电气站点设置就地控制箱，可单独启停各操控设备及各执行机构（目前两厂均已具备条件）。

第二级：

PLC逻辑联动控制。

由

PLC根据现场各测试设备采集的数据及系统设备运行逻辑关系，自动控制各站

点内的电气设备运行状态。

第三级：

中央控制计算机监测、修改PLC控制参数、上位机点动控制，实现实时监控。

手动控制及自动控制可以分别通过中央控制室的“手自动转换开关”进行切换。

这样的控制方式能最大限度地保证污水处理装置安全操作的需要。

其中，自动控制系统的结构图如下:

图1污水处理系统结构图

图1中的专家系统是控制策略的生成部分，也是系统结构的上层部分，为

整个监控的主环。

系统可分为四个级别：

本地控制级，数据级，分布式知识级和监控级。

专家系统基于已有的科学知识和实际系统操作经验来系统化关于过程的知识。

因此不仅要设计大量的在线测量得到的历史数据，而且还要涉及操作人员积累起来的大量知识。

该部分通过后续磷含量的测量，适当调整前序工段的控制器的给定值。

并利用大量专家经验和知识来进行控制器的改进。

1）除磷加药系统的在线测定系统

除磷加药系统所需要的在线测量参数包括提升泵处的进水流量，生物池后方

的TP含量，以及出口TP含量。

其中，目前的进水流量检测装置和出口TP检

测设备均已具备。

但目前两厂的进水磷含量检测仪表采样间隔（2小时）过大,

不足以满足在线控制的需要，因此需重新安装一台TP浓度分析仪。

综合考虑后

置加药的工艺和成本，可将其同样安装在生物池后二沉池前。

监控内容为磷处理过程中的各因素，包括进口磷的含量，出口磷的含量，加药量，加药罐液位，污水进口流量，还有用于控制加药罐液位的状态，用于实施加药量控制的PLC的状态等，并实时的显示在监控画面上。

上位机在系统中实现的主要功能有：

1.显示：

以强大的数字、文本、图像格式为用户显示主要设备的运行状态、主

要测量参数的实时值以及报警记录，提供整个生产过程的系统工艺图和历史趋势图。

2.监控：

根据生产情况要求，操作员可以直接从计算机上通过键盘、鼠标修改设定值和调整过程控制参数并控制电机的启停。

3.报警：

过程报警事件发生在自动过程中，例如过程信号超出极限。

操作报警在操作过程变量时产生，例如当改变一个闭环控制器的模式时，如果使用了库中所提供的操作员显示，操作报警就会自动产生。

提供在生产过程中出现的故障，这些故障信息通过声音报警、画面显示的形式提醒操作人员。

4.报表：

监控系统提供了一套集成的报表系统，数据库里的所有过程点都

可以打印输出。

它可以将在过程中录入的数据按以下方式输出，输出的页面格式

是自由的，用户自定义的：

信息顺序记录、信息归档报表、操作者记录报表、系统信息报表、用户报表、硬拷贝根据实际需要创建重要工艺参数及产量的电子表

格，并可以打印。

2）加药控制

量不超标的情况下，尽量节省药剂的投放量，以节约成本和避免二次污染。

加药

的控制系统需要考虑的因素很多，复杂程度也高。

由于分析仪时滞的存在，直接的反馈变得没有意义，即使是单纯的前馈，也存在着几十分钟的时滞，这会使得控制性能大大减低，这样的过程必然会产生明显的超调和较长的调节时间。

综合

各方面考虑，采用前馈-反馈+专家系统的控制方案，其控制系统方块图如下:

｛测ft登送｝

匡3-前绩■反a+专家系统的礙戰推引柬統方块朋

现有方案固定加药量，没有任何自动控制。

若已知进水中的总磷量，就可以计算出需要采用化学法除磷的量，也就可以计算出所需要的化学药剂量。

以上面预测的磷含量为据构件污水流量、含磷量与添加剂的比值控制系统,

把当前加药泵出口流量作为反馈进行闭环反馈控制。

选取参数合适，则系统的调

节速度和准确性都能满足要求，从而实现自动加药控制。

同时，由于加药点设置在生物池后二沉池前，该处没有流量计，即无法得

到加药点处的实际水流量F2，只能采用提升泵后的流量计读数值F10结合该厂

）,

的生物池采用推流式，为了将F1与加药点处的流量F2等效，可以认为F2是F1的滞后一定时间的数值，即F2（t）=F1（t-）,值可以根据水流的流速V和

从流量计位置到加药点位置的水流行程S估计出来（=S/V），如图4所示。

量点流测《

化学除磷

加药点

在污水处理过程控制中，简单的加药过程的在线控制可采用PID控制。

这

种控制器被广泛应用的主要原因是其结构简单，鲁棒性强，在实际过程中容易实现和掌握。

PID参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，既耗时又

费力，加之实际系统时变性、滞后、非线性等因素，使PID参数的整定有一定

的难度，致使许多PID控制器没能整定得很好，这样控制系统自然无法工作在令人满意的状态。

建议采用基于除磷加药模型的前馈的方法和常规PID控制串级的形式进行

加药控制，通过对P含量的有效预测，基于此构成基于P含量的添加剂流量控

制回路。

畐W用PID控制器保证控制的可靠性。

最后在出口进行磷含量的测量，利用专家系统构成整个系统的闭环控制。

根据整个控制效果，适当调整控制量。

采用国际领先的对象建模软件、内模及预测PID参数整定与优化软件，使

用过程模型和最优化方法，可以对以上4个装置进行控制器形式的优化、控制

器参数的整定，使目前处于手动控制状态的控制回路投自动，处于自动控制状态的回路达到控制平稳、波动小、基本最优。

实施该项后，预期控制效果会大幅上升，基本不用操作工干预的情况下实现高质量运转。

3）分析系统

分析系统是保证控制系统长期可靠和稳定运行的重要部分。

分析系统接收仪器采集的实时数据，并且保存有一定数量的历史数据，通过对分析历史和实时的数据，为专家系统提供判断的依据。

（三）专家系统构成

1）化学法除磷的影响因素1.PH值和搅拌时间：

对化学沉淀法除磷影响最大的是pH值的大小。

不同的金属离子的化合物有不同适宜的pH值的沉淀范围。

2.药剂的添加量：

从化学反应的观点来看，药剂的投加量取决于磷的存在量。

但一般情况下，实际中化学药剂的投加量都是大于根据化学计量关系式计算的投

但是不能去

加量，这是因为污水中的氢氧根离子和金属离子生成了氢氧化物的沉淀而耗去了

一定数量的金属离子，虽然氢氧化物的沉淀也能吸附一部分的磷除废水中溶解的磷。

3.污水池中的污水温度：

温度是影响化学反应的重要因素之一，在污水池中反应时间一定的前提下，污水温度的差异会影响反应的程度。

2）控制影响因素

除了工艺本身的影响因素之外，对于控制而言，还有其它的影响因素，有些因素直接制约着控制的实施，必须认真考虑。

1.采样时间：

在该项目的控制过程中，采样时间是最大也是最重要的影响因素，由于出入口被控变量不能及时的检测出来，严重影响控制策略的实施，这也是引入专家系统的直接因素。

2.历史数据：

由于以前的磷检测采用的是分时采样，综合检验的方法，所以对于控制来说数据粗糙，对于构建专家系统来说，可能会影响知识库的完备性。

3.其他因素：

对于本过程来说，影响因素还包括季节性影响的磷成分的构成，以及磷含量的随节假日生活和成产变化而突增的情况。

3）专家推理机制

按照控制器在整个专家控制系统中的作用，可以将专家控制系统分为两类：

直接专家控制系统和间接专家控制系统。

由于直接专家控制系统缺乏一些分析控制性能的方法，并且势必会使