［摘要］ 针对当前化学强化除磷自控系统的短板， 并结合疫情防控常态化背景下污水厂消毒设施的改造升级， 从 3 个方面开展了对化学强化除磷自控系统的优化试验研究： 一是将投药点后移至深度处理滤池与接触消毒池之 间；二是用当前可快速在线测定的正磷酸盐（OP）替代总磷（TP）作为自控参数，建立总磷与正磷酸盐的相关关系；三 是基于化学除磷效率与投药量之间的半经验关系，建立 CEPRM 模型算法，以取代 PLC 控制器传统的 PID 算法。 结 果表明，优化后污水厂出水总磷稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18919—2002）一级 A 标准，化学除 磷投药量明显降低，隔膜计量泵可适时稳定调频变速，整个除磷自控系统鲁棒性好。
［关键词］ 化学除磷；自动控制；优化；算法；鲁棒性
近年来， 伴随着给排水在线检测仪表和自控技术的快速发展， 我国污水厂的运营管理也由传统的人工控制向自动控制转型。例如，为解决污水处理中仅仅依靠生物除磷法污水厂出水磷含量难以稳定达 标的问题时， 污水厂大多会引入化学强化除磷自控系统，期望通过自动控制投加适量除磷化学药剂，使得污水厂出水磷浓度能稳定达标。
然而， 在实际自控运行中， 遇到了两方面的难 题， 一方面是污水化学除磷并不是一个严格的等比 例反应过程， 处理效果与加药量呈现较强的非线性 关系，而且加药量还受到悬浮物（SS）、pH、温度等多种因素影响， 同时污水的化学除磷是一个复杂的物理、化学过程，目前还很难通过对其化学反应机理的研究， 准确地建立起反应过程的数学模型和控制 算法；另一方面是目前检测污水中总磷（TP）的在 线仪表， 按其检测方法至少需用 10 min 才能给出TP 值，有很大的滞后性。这些导致了当前的化学 强化除磷自控系统很难对污水中磷浓度的变化做出快速响应，极大地影响了自控效果，致使污水厂出水 磷浓度时常不稳定，甚至不达标。 对此，借助疫情防 控常态化背景下我国污水厂消毒设施的升级改造，对化学除磷自控系统进行了优化研究。 该项研究对于充分发挥化学除磷自控系统的效能， 使污水厂出 水磷含量稳定达标具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 污水厂污水处理工艺概况
试验以设计规模为 10 万 m3/d 的某市政污水处理厂为研究对象。 该厂污水二级生化处理采用 A2O 工艺，其出水经过二沉池泥水分离后，进入深度处理滤池， 完成进一步脱氮除磷深度处理后作为出水排 放。 其工艺流程如图 1 所示。
1.2 污水厂除磷现状
该污水厂以生物除磷为主， 以化学除磷予之强 化。 具体而言，原污水中的磷首先通过 A2O 工艺中厌氧和好氧的交替环境，通过聚磷菌对磷进行释放和过量吸收，完成生物除磷；接着进行后沉析的化学强化自动除磷，自控形式采用反馈闭环控制系统，PLC 控制器根据控制点输入的信号（总磷分析仪对 滤池出水的在线监测值的信号）与给定值比较，从而 调控除磷药剂的投加。 当滤池出水 TP＜给定值时，说明出水 TP 已经达标，无需再投加化学除磷剂，加药 计量泵保持待机状态；当滤池出水 TP＞给定值时，启 动投药程序，PLC 依据比例-积分-微分（PID）控制 算法得出投加量，开动除磷加药计量泵向二次沉 淀池出水中精准投加。 除磷剂经过管式静态混合器 混合， 与水中残余的磷发生反应， 形成难溶性磷酸 盐，然后通过深度处理滤池过滤，完成固液分离后出 水。 该厂的除磷自控系统如图 2 所示。
2 除磷自控系统运行中存在的短板与优化策略
2.1 系统监测数据与运行中存在的短板
在污水厂进水 TP 和流量相对稳定的情况下， 连续监测了 72 h 的在线运行数据，结果如图 3 所示。
结果显示，滤池出水 TP 不能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18919—2002）中的一级 A 标准（TP<0.5 mg/L），部分时段污水厂出水TP 仍是超标排放。 另外，除磷剂金属盐（聚合双酸铝 铁 PAFCS，液态）投加量波动较大，并存在一定的滞 后性和不稳定性，导致除磷加药计量泵调速频繁，设 备磨损较大，维护保养的工作量也随之很大。这些都 使得目前整个除磷自控系统表现的比较脆弱， 难以 适应污水厂工业化大规模运行的需求，亟需优化，以 保证出水磷含量稳定达标。
2.2 系统优化策略
针对目前化学强化除磷自控系统监测数据反馈 出来的短板， 需寻找现有除磷自控系统运行效果欠 佳的原因，再基于此提出优化措施。 另外，当前全球 疫情防控进入常态化阶段， 我国污水厂要对消毒设施进行升级改造，需新建或扩建接触消毒池，以确保加氯消毒接触时间控制在 30 min 以上，并在污水厂 出水中存有一定的余氯量， 以保持出水具有一定的持续消毒杀菌能力。因而，除磷自控系统优化可 与消毒设施优化运行改造相结合。 优化策略见表 1、 图 4 和图5。
2.3 自控监测点处总磷和正磷酸盐相关性分析
目前， 水中磷含量的在线监测仪表主要有总磷 在线分析仪和正磷酸盐在线分析仪。然而，总磷在线 分析仪需要对水样进行高温高压消解， 先把磷转化 为正磷酸盐后再比色测定，故耗时较长，所测水样的TP 值至少需 10 min 后才能得出，导致以 TP 作为被 控值的自控系统滞后性较大。 而正磷酸盐在线分析 仪无需对水样进行消解， 在线监测出结果的速度较 快（2 min 内），适合作为自控系统的实时被控量。但是，目前我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》 （GB 18919—2002）中是以 TP 作为出水磷浓度指标 值。 考虑到上述两方面因素，在自控监测点处，对利用 总磷/正磷酸盐在线分析仪（HACH Phosphax Sigma） 监测所得出的大量 TP 与正磷酸盐在线监测值进行线性拟合分析，以建立自控监测点处水样总磷 与正磷酸盐的线性拟合数学方程式。 自控监测点处总磷和正磷酸盐相关性分析结果如图 6 所示。 图 6 拟合结果显示， 自控监测点处水样总磷与 正磷酸盐线性相关性较好， 拟合相关系数 R 达到0.9 以上；同时，拟合线性方程的斜率也在 0.9 以上，说明经过滤池深度处理后的出水中， SS 已较低，磷主要以正磷酸盐的形式存在于投加点处， 其他形式的磷含量极低。这说明在自控系统优化方案中，用易于快速在线监测的正磷酸盐替代滞后性较大的总磷是可行的。
2.4 自控系统 PLC 控制器投加量的算法构建
自控系统投药点经过优化后设置在污水厂滤池 深度处理后的出水处， 结合自控监测点处总磷和正 磷酸盐的拟合分析结果可知， 经改造后所投加的PAFCS 主要和投加点处水中的正磷酸盐反应，水中其他物质对 PAFCS 的消耗极少，这就为构建除磷投 药量半经验模型数学方程式奠定了基础。
根据已有研究结果，并结合自控系统投加点处水样特征，突出影响化学除磷的主要因子投药量， 规避繁多的次要影响因子，构建 PLC 控制器可编程 的反比例函数方程式，即 CEPRM 模型算法。 方程形式如公式（1）所示。
3 除磷自控系统优化后的运行情况
3.1 系统优化后监测数据
污水厂除磷自控系统优化后的监测数据如图 7 所示。由图 7 可知，与优化前相比，系统有 3 个很明显的改观，一是污水厂出水 TP 能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18919—2002）中的一级 A 标准（TP<0.5 mg/L），且化学除磷率平均提高了18.6%。 二是投药点后移至滤池出水处后，投药量迅速降低（投药量平均节省了 57.3%），说明改造前在 二次沉淀池出水处投药， 部分除磷药剂没能和水中磷反应，而是被水中的其他物质，尤其被 SS 消耗较 多。如此大幅降低了化学除磷的药剂费（药剂费平均降低了 55.4%），并有助于延长深度处理滤池的过滤周期。而滤池过滤周期的延长，更加有利于发挥其反 硝化脱氮的作用，进一步提高污水厂的脱氮率。三是 自控系统采用滞后性小的正磷酸盐作为实时被控量 后，除磷剂金属盐的投加量相对稳定，波动较小，隔 膜变频泵可适时稳定调频变速， 在线监测药剂费和设备维护费也同步降低。 优化后的除磷自控系统鲁 棒性好，能满足污水厂大规模运行的除磷需求。
3.2 系统优化后 CEPRM 模型算法拟合
优化后的自控系统 PLC 控制器采用 CEPRM 模 型算法取代传统的 PID 算法。 系统运行之初，CEPRM模型基于已有研究的相关参数．调试运行一段时 间系统稳定后，结合图 7 中的监测数据，采用正交距 离回归法进行非线性拟合，结果如图 8 所示。 图 8 拟合结果表明， 自建 CEPRM 模型算法能 较好地反映自控系统的化学除磷效果， 模型拟合相关系数达到 0.95，残差平方和在 10-2 以下。相比之前 控制器自带的 PID 算法，CEPRM 模型算法更具有针 对性，且投药量降低，节省了药剂费，也同步减少了 金属盐对出水二次污染的风险。
3.3 化学污泥的去除
投加 PAFCS 后，其与深度处理滤池出水中剩余的磷反应， 形成的难溶性磷酸金属盐在新建的接触消毒池内沉淀，按要求沉淀时间控制在 15~20 min， 而在疫情防控常态化背景下，接触消毒池停留时间要求设计为 30 min，故完全能满足难溶性磷酸金属 盐的沉淀要求。系统运行一段时间后（一般 3 个月），由沉淀物聚集所形成的除磷化学污泥， 通过在接触消毒池上加装浮船式移动污泥泵，采用泵吸式排泥， 使集泥与排泥同时完成， 之后再排入剩余污泥泵站 吸泥井，浓缩脱水后外运。
4 结论
本研究提出了化学强化除磷自控系统优化策略 与措施，并通过生产性试验进行了验证。 结果表明， 采用将投药点后移至深度处理滤池与接触消毒池之 间，并用正磷酸盐替代总磷作为自控参数，同时建立CEPRM 模型算法取代传统 PID 算法 后，污水厂出水 TP 稳定达到 GB 18919—2002 的一级 A 标准（TP<0.5 mg/L），化学除磷率提高了 18.6%， 除磷投药量节省了 57.3%，药剂费降低了 55.4%，且整个除磷自控系统鲁棒性更好。
原标题：化学强化除磷自控系统优化试验研究
原作者：李振华，黄金阳 ，马 嫱
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