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^〔1〕。

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^〔2〕，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^〔3〕；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^〔4〕。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。

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。

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^〔5〕；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^〔6〕，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^〔7〕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。

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。

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^〔8-10〕。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。

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^〔12〕。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^〔13-14〕，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。

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^〔11〕，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。

(1)

式中：Y——投药后水中的余磷浓度(总磷值)与投药前原水中磷浓度(总磷值)之比；

X——金属离子浓度，mmol/L；

b——经验常数，L/mmol；

a、c——无量纲经验常数。

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。

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^〔11〕。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。

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。

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。