污泥脱水精确控制系统的设计和应用

2022-03-10赵林辉林莉峰尹希勤

净水技术 2022年3期

赵林辉，林莉峰，尹希勤

(1.上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092；2.上海择希环保工程有限公司，上海 200092)

当前，物联网、移动互联网、3S技术、云技术、智能与智慧技术不断发展，在各应用领域带来了新的信息技术应用革命。智慧水务将为城市提供更为优质的供排水服务以及防汛排涝、水质污染管控与环境保护、防灾减灾等公共服务，同时提升水务部门工作能效与工作质量，管控与及时处理各种应急水务事件，提升水务服务水平与满意程度，优化资源配置，实现各类水务活动的数据化、信息化与智慧化管理，保障水务服务[1]。智慧水务不仅可以自行采集相关水务数据和信息，而且可以对深度进行分析，其中智能化系统具有可控制功能，使水务系统的智慧程度大大提升，如同安装了网络神经系统，可实现供水服务的标准化、调度的智能化以及管理的精细化。在网络、物联网技术和信息资源等的充分利用下，服务效能得以有效提升，资源也得到了有效地整合和共享，可以方便全面和动态化管理供水设施，对管网关键点进行实时监控，一旦发现异常情况即采取报警措施，同时还可以减少能源消耗和资源浪费，充分促进水务运维管理效率和质量提升。

白龙港污水处理厂处理能力为2.8×106m3/d，污泥产量为448 t DS/d，新建污泥处理处置二期工程采用“脱水+干化+焚烧+烟气处理”工艺系统，其中脱水系统处理量为378 t DS/d，折合含水率80%污泥量为1 890 m3/d。脱水系统将浓缩污泥离心脱水至含水率80%以下，以便后续污泥的干化和焚烧。脱水系统在整个工艺处理系统的最前端，其运行效果对后续干化焚烧处理工艺能否顺利达标、达产以及工艺的运行成本起决定作用[2]。

脱水工艺后端主要是流化床干化机和流化床焚烧炉工艺，出泥含水率直接影响后端工艺，流化床干化机额定蒸发量为9.6 t/d。如果含水率不稳定、变化大，将影响流化床干化机的处理量，导致后续焚烧炉处理量不够，无法维持炉温，进而导致焚烧炉单位时间内产生的蒸汽减少，提供给流化床干化所需的换热蒸汽量也减少，严重时导致焚烧炉和干化系统联锁停机。一般含水率增大情况下需要额外开启焚烧炉燃烧器进行补燃，维持焚烧炉炉温，会大大增加能耗[3]。因此，增加脱水车间精确控制系统非常重要。

本文依托亚洲第一污水处理厂——白龙港污水处理厂新建污泥处理处置项目，设计脱水精确控制系统，建立脱水、干化、焚烧智慧水务信息平台，将信息传输至DCS系统，实现脱水、干化、焚烧、烟气处理全过程信息互通互享，提高运行人员实时监控运维能力。

1 脱水系统精确控制的背景与工艺设计

在污泥的离心脱水处理工程中，絮凝剂的投加量确定后往往长时间保持不变，只有在离心机出泥含水率波动较大的情况下才会改变絮凝剂投加量。根据以往众多污水厂运行经验，脱水系统很多情况下不会考虑前端污泥浓度的变化，为了保持稳定运行，运行人员会按“安全投加量”进行过量投加[4]。如果前端含固率成倍数增加，絮凝剂投加量则相对偏少，导致含水率波动大，恶劣情况下甚至出现堵料或者无法封泥的现象。同时，以往脱水车间运行人员需配置充足，以便取泥测含水率和调整加药量，但对于大型污水厂脱水车间而言，在脱水系统的运行监控中人力资源的耗费比例较大。

因此，本文设计在线监控精确控制系统(图1)，对脱水系统进泥流量、进泥浓度和出泥浓度实时监控，将监控信号经过数学模型计算，得出合理的药剂投加量，从而实现药剂精准投加，并保证出泥含水率的稳定。

本工程脱水系统污泥处理量为378 t DS/d，进泥含水率为96%左右，分为01地块和02地块，其中01地块处理量为150 t DS/d，02地块处理量为228 t DS/d。01地块配置7台离心脱水机(5用2备)，02地块配置10台离心脱水机(8用2备)[5]。

图1 脱水系统精确控制系统的工艺设计Fig.1 Process Design of Precise Control System for Dehydration System

如图1所示，在污泥进泥总管上安装进泥浓度计1测量进泥含固率；在离心机出口安装出泥浓度计2；最终将采集的脱水机进泥流量3、PAM药剂浓度4、进泥浓度计1和出泥浓度计2信号发送至精确控制系统PLC，PLC经数学模块计算后得出PAM药剂投加量，输出控制信号，控制PAM投加泵加药频率5，从而实现精确控制加药泵的投加量，并保证出泥含水率达标。

2 测量原理与仪表选型

测量原理：测量微波信号速度的变化确定污泥浓度，微波速度是基于所穿过物体的物理特性，在水中的传播速度远远小于其他有机物和无机物组分，传播的速度和污泥含固率成正比(图2)。

图2 固体含量与微波传播时间关系Fig.2 Relationship between Solid Content and Microwave Propagation Time

表1 浓度计选型对比Tab.1 Comparison of Concentration Meter Selection

不同浓度计性能对比如表1所示。该工程脱水进泥含固率为0～10%，出泥含固率为0～30%，相比于传统式浓度计，微波浓度计测量信号贯穿全部污泥，没有任何运动部件，免于维护，且具有不会堵塞管道、精度高、稳定性好、采用单点校准、可靠方便的优点。传统光学浓度计适用于低浓度的污水，含有光学镜头，需要清洗、维护、校准，镜头使用寿命短，需要插入式管道，容易堵塞；传统超声波浓度计容易受外界干扰，精确度不高，稳定性差，不太适合反馈控制，且对污泥种类敏感，需要经常校准。因此，本工程选择TS微波浓度计。

3 数学模型计算原理

如图3所示，输入模块将采集到的污泥浓度、污泥流量、药剂浓度信息通过数学模型进行计算，得出最佳加药量，输出加药泵对应的频率信号从而控制加药流量。该工程脱水系统中的精确控制系统数学模型如式(1)。

图3 污泥加药模型输入输出流程Fig.3 Input and Output Process of Sludge Chemical Dosing Model

(1)

其中：Q1——加药泵的加药量，m3；

∑F1——单位时间内进泥流量累计值，m3；

∑D1——单位时间内进泥浓度累计值,m3；

K——修订系数，加药量与进泥绝干基的比值，需人工设定，取4.8；

YD——制备的药剂浓度。

经过计算得出Q1，将Q1信号传送至PLC，PLC发出指令，如式(2)。

(2)

其中：∑F2——单位时间内加药泵的累计流量，m3；

为使调整后的投加量能够准确控制出泥含水率，在PLC内设置出泥含固率目标值，用出泥浓度计实时监测出泥含固率与G的差值，如式(3)。

(3)

其中：GK1——出泥浓度计检测到的污泥含固率与目标值G的差值；

∑D2——单位时间内出泥含固率累计值；

4 在线浓度计标定

为了提高控制的精度，系统投入使用前需对浓度计进行现场标定[6]。项目进泥浓度计共4台，出泥浓度计共17台，标定结果如表2所示。

表2 浓度计标定结果Tab.2 Calibration Results of Concentration Meter

5 精确控制试验分析

经过前期脱水机的性能调试，最佳的药剂投加量为2.4 m3/h，配药浓度为0.4%，因此，可以建立精确控制系统投入前和投入后的对比试验。对3#离心机系统建立精确控制试验方案，对试验结果进行分析。

如图4所示，进泥浓度大部分时间保持在95%左右，1月2日—3月11日发现加药泵流量基本在2.4 m3/h以下，原因是进泥浓度变稀导致污泥量变小，为节省药剂投加量和控制含水率在80%以下，精确控制系统将药剂投加量相应减小。其余时间进泥浓度波动不是很大，因此，药剂投加量基本在2.4 m3/h上下波动。原加药量设置为恒定值2.4 m3/h，精确控制系统投入运行后，当进泥浓度发生变化，212 d药剂投加量均值为2.381 5 m3/h，经计算与原设置2.4 m3/h相比，每年节省药剂费用为Q=365×24×0.004×(2.4-2.381 5)×17×30 000=330 602元；经与现场实际消耗PAM药剂袋数对比，1月—7月累计消耗PAM为9 693袋，每袋重25 kg，累计消耗242 325 kg的PAM，比未投入精准系统时的7个月累计减少260袋左右。但与投资上百万的精确控制系统相对比，工程需要几年时间收回投资成本，但确实在一定意义上减少了运行成本。

图4 精确控制系统投入前后加药泵流量对比Fig.4 Comparison of Flow Rate of Dosing Pump before and after Dosage Precise Control System

如图5所示，精确控制系统投入之后，含水率稳定控制在79%～80%，节省药剂投入量。含水率较未投入前升高，在一定程度上增加了后端干化工艺的负荷，但本工程采用流化床焚烧炉的蒸汽进行干化，多余蒸汽会外排，因此，不会增加过多运行成本。

图5 精确控制系统投入前后污泥含水率变化Fig.5 Changes of Sludge Moisture Content before and after Dosage Precise Control System

精确控制系统的投入能够实时监控污泥含水率，使其在目标值达标范围内，同时可将药剂投加量控制在最佳计算值，节约了一定药剂量，实现信息实时监控，减少脱水系统运行人员工作投入，保证系统稳定运行，为智慧水务提供智能化运行平台。精确控制系统将脱水大数据纳入干化焚烧DCS中，建立脱水、干化、焚烧数据共享，对脱水含水率的波动对于干化焚烧的影响进行实时监控、实时控制、实时调整，实现脱水、干化、焚烧全过程DCS控制，最终实现全过程可视化、可控化、数字化、服务化、污水污泥智能化水务系统[7]。