引言
我国已建成城市污水处理厂4000余座，遵照《水污染防治行动计划》的要求，其中大部分污水处理厂处理出水要达到一级A排放标准，出水的总磷(TP)浓度要小于0.5mg/L。为了达到这一出水水质指标，需要采用化学除磷工艺。因此，除磷药剂投加量的控制直接关系到处理出水的达标排放和运行成本。通过采用除磷加药控制技术可以实现在达标排放的基础上减少除磷药剂投加量的目标，降低污水处理厂的运行成本。
1、控制策略
污水处理厂的常用控制技术中有开环控制和闭环控制两类不同的控制策略。开环控制包括离散时序和进水流量前馈算法，闭环控制为出水磷酸盐反馈算法。本研究中结合污水处理厂的实际情况，选用了基于出水磷酸盐浓度实施反馈控制的策略。
出水磷酸盐浓度反馈控制以时间t和出水磷酸盐浓度P为变量，按式(1)计算出水浓度与设定值的偏差e(t)，再根据偏差计算加药量。
e(t)=P(t)-Ps (1)
式中e(t)为t时刻出水磷酸盐仪表采样值P(t)与设定值Ps的差值。
工程上一般采用比例-积分-微分(PID)控制算法计算加药量，离散公式如式(2)所示。
D(t)=Kc[e(t)-e(t-1)]+Kie(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)] (2)
式中e(t-1)、e(t-2)为上一次和上两次采样的偏差;Kc、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。
通过测定处理出水的磷酸盐浓度，计算出与设定值的差值，在依据差值计算出应该调节的加药量。由控制系统发出指令调节加药泵的频率，实现加药量的实时调控。
2、控制系统的设计
为了实现除磷加药的自动控制，设计了以下的化学除磷工艺控制系统，如图1所示。在生化池前设置污水流量计测定处理量(Q)，在线磷酸盐仪表从二沉池出水采集磷酸盐数据(P);控制器采集实时数据，计算得到投药泵流量(D)，并将控制信号输出给变频器;变频器控制隔膜加药泵从药剂储液池向加药点按给定流量送药。
控制系统的仪表与设备配置信息如表1所示。隔膜加药泵有两种调节模式，手动改变隔膜空腔体积(0—100%)或者自动调节变频器输出(0—50Hz)。经过流量标定，确认了实际流量与开度、频率均呈线性关系。在实际运行时，手动设置隔膜空腔开度，达到最大加药量，然后采用变频器对流量进行连续调节。
出水浓度反馈策略的关键是确定PID系数和采样时间间隔。采用试算法确定PID参数，先确定采样间隔，然后优化比例系数，最后确定积分和微分系数。经变量归一化整理后，得到Kc、Ki和Kd分别取10、2和0，采样间隔15min。取式(1)中Ps为0.4mg/L，按式(2)计算出D(t)=12e(t)-10e(t-1)，并写入控制器进行动态调节。
3、控制效果分析
除磷加药控制系统在宜兴市某污水处理厂进行了实验测试。实验结果表明，采用加药控制系统后，在处理出水的总磷浓度低于0.5mg/L前提下，除磷剂的消耗量显著下降，如图2所示。
延伸阅读：
图2中的曲线和表2中的数据表明，当进水的流量发生变化时，污水处理系统的出水总磷浓度随之变化，自动控制的加药量随着出水TP浓度的变化进行调整。在出水TP浓度满足一级A排放标准的要求，TP<0.5mg/L。除磷剂的投加量平均减少了16%。而稳态加药的对照组相对消耗的除磷剂较多。
在平均投药量相近时，出水反馈控制可以较好满足出水总磷浓度的控制要求，这与国内外其他研究报道的结果是一致的。
采用处理出水的磷酸盐浓度对加药实施反馈控制属于闭环控制，优点是稳定性好、适用性较强，缺点是滞后性稍大，还存在一些药剂的过量投加。有时受到加药设备的限制，实际加药量达不到所需加药量，持续停留在加药泵流量的上、下限水平，可能会导致药剂浪费或加药不足。此外，反馈控制中磷酸盐在线监测仪表的维护工作量比较大，会导致控制系统比较脆弱。
4、结论
本文介绍了一种基于反馈控制原理的除磷加药控制系统及其应用效果。提出了化学除磷工艺优化控制的原理与方法，设计了加药自动控制系统，并通过生产试验进行了验证。实验结果表明采用该控制系统可以在保证处理出水达到一级A排放标准时，减少除磷药剂的投加量，是一种具有应用推广潜力的污水处理控制技术。在设计自控系统时可以优先考虑使用反馈控制的策略，出水反馈控制需要购置并持续维护在线磷酸盐仪表，会导致技术含量和工作强度的增加，所以在选择方案、设计和运行时应该有所考虑。
延伸阅读：
原标题：污水处理厂除磷加药控制系统及其应用
