趙林輝，林莉峰，尹希勤

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092；2.上海擇希環(huán)保工程有限公司，上海 200092)

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、3S技術(shù)、云技術(shù)、智能與智慧技術(shù)不斷發(fā)展，在各應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)了新的信息技術(shù)應(yīng)用革命。智慧水務(wù)將為城市提供更為優(yōu)質(zhì)的供排水服務(wù)以及防汛排澇、水質(zhì)污染管控與環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)等公共服務(wù)，同時(shí)提升水務(wù)部門工作能效與工作質(zhì)量，管控與及時(shí)處理各種應(yīng)急水務(wù)事件，提升水務(wù)服務(wù)水平與滿意程度，優(yōu)化資源配置，實(shí)現(xiàn)各類水務(wù)活動(dòng)的數(shù)據(jù)化、信息化與智慧化管理，保障水務(wù)服務(wù)[1]。智慧水務(wù)不僅可以自行采集相關(guān)水務(wù)數(shù)據(jù)和信息，而且可以對(duì)深度進(jìn)行分析，其中智能化系統(tǒng)具有可控制功能，使水務(wù)系統(tǒng)的智慧程度大大提升，如同安裝了網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)供水服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化、調(diào)度的智能化以及管理的精細(xì)化。在網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息資源等的充分利用下，服務(wù)效能得以有效提升，資源也得到了有效地整合和共享，可以方便全面和動(dòng)態(tài)化管理供水設(shè)施，對(duì)管網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況即采取報(bào)警措施，同時(shí)還可以減少能源消耗和資源浪費(fèi)，充分促進(jìn)水務(wù)運(yùn)維管理效率和質(zhì)量提升。

白龍港污水處理廠處理能力為2.8×106m3/d，污泥產(chǎn)量為448 t DS/d，新建污泥處理處置二期工程采用“脫水+干化+焚燒+煙氣處理”工藝系統(tǒng)，其中脫水系統(tǒng)處理量為378 t DS/d，折合含水率80%污泥量為1 890 m3/d。脫水系統(tǒng)將濃縮污泥離心脫水至含水率80%以下，以便后續(xù)污泥的干化和焚燒。脫水系統(tǒng)在整個(gè)工藝處理系統(tǒng)的最前端，其運(yùn)行效果對(duì)后續(xù)干化焚燒處理工藝能否順利達(dá)標(biāo)、達(dá)產(chǎn)以及工藝的運(yùn)行成本起決定作用[2]。

脫水工藝后端主要是流化床干化機(jī)和流化床焚燒爐工藝，出泥含水率直接影響后端工藝，流化床干化機(jī)額定蒸發(fā)量為9.6 t/d。如果含水率不穩(wěn)定、變化大，將影響流化床干化機(jī)的處理量，導(dǎo)致后續(xù)焚燒爐處理量不夠，無(wú)法維持爐溫，進(jìn)而導(dǎo)致焚燒爐單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽減少，提供給流化床干化所需的換熱蒸汽量也減少，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致焚燒爐和干化系統(tǒng)聯(lián)鎖停機(jī)。一般含水率增大情況下需要額外開(kāi)啟焚燒爐燃燒器進(jìn)行補(bǔ)燃，維持焚燒爐爐溫，會(huì)大大增加能耗[3]。因此，增加脫水車間精確控制系統(tǒng)非常重要。

本文依托亞洲第一污水處理廠——白龍港污水處理廠新建污泥處理處置項(xiàng)目，設(shè)計(jì)脫水精確控制系統(tǒng)，建立脫水、干化、焚燒智慧水務(wù)信息平臺(tái)，將信息傳輸至DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)脫水、干化、焚燒、煙氣處理全過(guò)程信息互通互享，提高運(yùn)行人員實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)維能力。

1 脫水系統(tǒng)精確控制的背景與工藝設(shè)計(jì)

在污泥的離心脫水處理工程中，絮凝劑的投加量確定后往往長(zhǎng)時(shí)間保持不變，只有在離心機(jī)出泥含水率波動(dòng)較大的情況下才會(huì)改變絮凝劑投加量。根據(jù)以往眾多污水廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，脫水系統(tǒng)很多情況下不會(huì)考慮前端污泥濃度的變化，為了保持穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行人員會(huì)按“安全投加量”進(jìn)行過(guò)量投加[4]。如果前端含固率成倍數(shù)增加，絮凝劑投加量則相對(duì)偏少，導(dǎo)致含水率波動(dòng)大，惡劣情況下甚至出現(xiàn)堵料或者無(wú)法封泥的現(xiàn)象。同時(shí)，以往脫水車間運(yùn)行人員需配置充足，以便取泥測(cè)含水率和調(diào)整加藥量，但對(duì)于大型污水廠脫水車間而言，在脫水系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控中人力資源的耗費(fèi)比例較大。

因此，本文設(shè)計(jì)在線監(jiān)控精確控制系統(tǒng)(圖1)，對(duì)脫水系統(tǒng)進(jìn)泥流量、進(jìn)泥濃度和出泥濃度實(shí)時(shí)監(jiān)控，將監(jiān)控信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，得出合理的藥劑投加量，從而實(shí)現(xiàn)藥劑精準(zhǔn)投加，并保證出泥含水率的穩(wěn)定。

本工程脫水系統(tǒng)污泥處理量為378 t DS/d，進(jìn)泥含水率為96%左右，分為01地塊和02地塊，其中01地塊處理量為150 t DS/d，02地塊處理量為228 t DS/d。01地塊配置7臺(tái)離心脫水機(jī)(5用2備)，02地塊配置10臺(tái)離心脫水機(jī)(8用2備)[5]。

圖1 脫水系統(tǒng)精確控制系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)Fig.1 Process Design of Precise Control System for Dehydration System

如圖1所示，在污泥進(jìn)泥總管上安裝進(jìn)泥濃度計(jì)1測(cè)量進(jìn)泥含固率；在離心機(jī)出口安裝出泥濃度計(jì)2；最終將采集的脫水機(jī)進(jìn)泥流量3、PAM藥劑濃度4、進(jìn)泥濃度計(jì)1和出泥濃度計(jì)2信號(hào)發(fā)送至精確控制系統(tǒng)PLC，PLC經(jīng)數(shù)學(xué)模塊計(jì)算后得出PAM藥劑投加量，輸出控制信號(hào)，控制PAM投加泵加藥頻率5，從而實(shí)現(xiàn)精確控制加藥泵的投加量，并保證出泥含水率達(dá)標(biāo)。

2 測(cè)量原理與儀表選型

測(cè)量原理：測(cè)量微波信號(hào)速度的變化確定污泥濃度，微波速度是基于所穿過(guò)物體的物理特性，在水中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組分，傳播的速度和污泥含固率成正比(圖2)。

圖2 固體含量與微波傳播時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between Solid Content and Microwave Propagation Time

表1 濃度計(jì)選型對(duì)比Tab.1 Comparison of Concentration Meter Selection

不同濃度計(jì)性能對(duì)比如表1所示。該工程脫水進(jìn)泥含固率為0～10%，出泥含固率為0～30%，相比于傳統(tǒng)式濃度計(jì)，微波濃度計(jì)測(cè)量信號(hào)貫穿全部污泥，沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件，免于維護(hù)，且具有不會(huì)堵塞管道、精度高、穩(wěn)定性好、采用單點(diǎn)校準(zhǔn)、可靠方便的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)光學(xué)濃度計(jì)適用于低濃度的污水，含有光學(xué)鏡頭，需要清洗、維護(hù)、校準(zhǔn)，鏡頭使用壽命短，需要插入式管道，容易堵塞；傳統(tǒng)超聲波濃度計(jì)容易受外界干擾，精確度不高，穩(wěn)定性差，不太適合反饋控制，且對(duì)污泥種類敏感，需要經(jīng)常校準(zhǔn)。因此，本工程選擇TS微波濃度計(jì)。

3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算原理

如圖3所示，輸入模塊將采集到的污泥濃度、污泥流量、藥劑濃度信息通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得出最佳加藥量，輸出加藥泵對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)從而控制加藥流量。該工程脫水系統(tǒng)中的精確控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如式(1)。

圖3 污泥加藥模型輸入輸出流程Fig.3 Input and Output Process of Sludge Chemical Dosing Model

(1)

其中：Q1——加藥泵的加藥量，m3；

∑F1——單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)泥流量累計(jì)值，m3；

∑D1——單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)泥濃度累計(jì)值,m3；

K——修訂系數(shù)，加藥量與進(jìn)泥絕干基的比值，需人工設(shè)定，取4.8；

YD——制備的藥劑濃度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出Q1，將Q1信號(hào)傳送至PLC，PLC發(fā)出指令，如式(2)。

(2)

其中：∑F2——單位時(shí)間內(nèi)加藥泵的累計(jì)流量，m3；

為使調(diào)整后的投加量能夠準(zhǔn)確控制出泥含水率，在PLC內(nèi)設(shè)置出泥含固率目標(biāo)值，用出泥濃度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出泥含固率與G的差值，如式(3)。

(3)

其中：GK1——出泥濃度計(jì)檢測(cè)到的污泥含固率與目標(biāo)值G的差值；

∑D2——單位時(shí)間內(nèi)出泥含固率累計(jì)值；

4 在線濃度計(jì)標(biāo)定

為了提高控制的精度，系統(tǒng)投入使用前需對(duì)濃度計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定[6]。項(xiàng)目進(jìn)泥濃度計(jì)共4臺(tái)，出泥濃度計(jì)共17臺(tái)，標(biāo)定結(jié)果如表2所示。

表2 濃度計(jì)標(biāo)定結(jié)果Tab.2 Calibration Results of Concentration Meter

5 精確控制試驗(yàn)分析

經(jīng)過(guò)前期脫水機(jī)的性能調(diào)試，最佳的藥劑投加量為2.4 m3/h，配藥濃度為0.4%，因此，可以建立精確控制系統(tǒng)投入前和投入后的對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)3#離心機(jī)系統(tǒng)建立精確控制試驗(yàn)方案，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

如圖4所示，進(jìn)泥濃度大部分時(shí)間保持在95%左右，1月2日—3月11日發(fā)現(xiàn)加藥泵流量基本在2.4 m3/h以下，原因是進(jìn)泥濃度變稀導(dǎo)致污泥量變小，為節(jié)省藥劑投加量和控制含水率在80%以下，精確控制系統(tǒng)將藥劑投加量相應(yīng)減小。其余時(shí)間進(jìn)泥濃度波動(dòng)不是很大，因此，藥劑投加量基本在2.4 m3/h上下波動(dòng)。原加藥量設(shè)置為恒定值2.4 m3/h，精確控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，當(dāng)進(jìn)泥濃度發(fā)生變化，212 d藥劑投加量均值為2.381 5 m3/h，經(jīng)計(jì)算與原設(shè)置2.4 m3/h相比，每年節(jié)省藥劑費(fèi)用為Q=365×24×0.004×(2.4-2.381 5)×17×30 000=330 602元；經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際消耗PAM藥劑袋數(shù)對(duì)比，1月—7月累計(jì)消耗PAM為9 693袋，每袋重25 kg，累計(jì)消耗242 325 kg的PAM，比未投入精準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)的7個(gè)月累計(jì)減少260袋左右。但與投資上百萬(wàn)的精確控制系統(tǒng)相對(duì)比，工程需要幾年時(shí)間收回投資成本，但確實(shí)在一定意義上減少了運(yùn)行成本。

圖4 精確控制系統(tǒng)投入前后加藥泵流量對(duì)比Fig.4 Comparison of Flow Rate of Dosing Pump before and after Dosage Precise Control System

如圖5所示，精確控制系統(tǒng)投入之后，含水率穩(wěn)定控制在79%～80%，節(jié)省藥劑投入量。含水率較未投入前升高，在一定程度上增加了后端干化工藝的負(fù)荷，但本工程采用流化床焚燒爐的蒸汽進(jìn)行干化，多余蒸汽會(huì)外排，因此，不會(huì)增加過(guò)多運(yùn)行成本。

圖5 精確控制系統(tǒng)投入前后污泥含水率變化Fig.5 Changes of Sludge Moisture Content before and after Dosage Precise Control System

精確控制系統(tǒng)的投入能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控污泥含水率，使其在目標(biāo)值達(dá)標(biāo)范圍內(nèi)，同時(shí)可將藥劑投加量控制在最佳計(jì)算值，節(jié)約了一定藥劑量，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，減少脫水系統(tǒng)運(yùn)行人員工作投入，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，為智慧水務(wù)提供智能化運(yùn)行平臺(tái)。精確控制系統(tǒng)將脫水大數(shù)據(jù)納入干化焚燒DCS中，建立脫水、干化、焚燒數(shù)據(jù)共享，對(duì)脫水含水率的波動(dòng)對(duì)于干化焚燒的影響進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)脫水、干化、焚燒全過(guò)程DCS控制，最終實(shí)現(xiàn)全過(guò)程可視化、可控化、數(shù)字化、服務(wù)化、污水污泥智能化水務(wù)系統(tǒng)[7]。

6 結(jié)論

1)污泥濃度計(jì)的標(biāo)定需要采用快速水分儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取泥并多次標(biāo)定，誤差縮小在-5%～5%。

2)精確控制系統(tǒng)投加后，精準(zhǔn)控制出泥含水率達(dá)標(biāo)，每年可以節(jié)約大量的藥劑費(fèi)用，大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本，保證脫水、干化和焚燒全系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行。

3)精確控制系統(tǒng)的應(yīng)用解決了以往脫水系統(tǒng)與干化焚燒系統(tǒng)信息孤島問(wèn)題，實(shí)時(shí)監(jiān)控污泥濃度變化，進(jìn)一步完善了智慧水務(wù)運(yùn)行管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)，促進(jìn)信息共享和暢通，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程可視化、可控化、數(shù)字化、服務(wù)化，污水污泥智能化水務(wù)系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。