污水處理混凝劑投加系統設計及自動化研究

文_王欣 楊佳椿 北京航天試驗技術研究所

常規的給水處理廠凈水工藝由預處理、混凝沉淀、過濾、消毒等工藝組成。在沉淀工藝中，水體中大的懸浮物和膠體顆粒一般可以借助于重力自行下沉，從水體中去除掉，而水體中粒徑較小的懸浮物和膠體顆粒，很難從污水中分離出來。采用混凝方法去除懸浮物和膠體物質，可有效去除水中微生物、病原菌和病毒，同時去除污水中的乳化油、色度、重金屬離子及其他一些污染物。因此，在沉淀工藝前需要投加一定量的混凝劑藥液，破壞細小顆粒的穩定性，才能將其從水體中去除。

污水經過一級處理（預處理）、二級處理（生物化學處理）、混凝沉淀處理之后，可獲得以下水質：SS≤7mg/L，BOD5≤10mg/L，NH3-N≤15-30mg/L，TP-P≤0.5mg/L。

1 加藥系統發展現狀

當污水經過生化二級處理后，出水仍不能滿足受納水體的排放要求時，為提高水資源的利用率，需要進一步降低出水中的COD、BOD5、SS等污染物指標。國內污水處理廠投藥系統一般是憑借制水工人的經驗進行混凝劑投加，很難保證水質安全。我國大部分水處理工藝仍然由人工操作控制配投設備，難以根據工藝要求及時準確地控制投加量。

向水中投加一定量的混凝劑，是由藥液配投系統（也稱加藥系統）來實現的，藥液配投系統就是將混凝過程需要的混凝劑送到混凝池投加點，多數水質事故都與混凝效果不好有關，并且投藥系統不能及時、準確地將混凝過程需要的混凝劑送到混凝池。加藥系統可以充分應用自動化控制技術，解決目前混凝劑藥液配投系統存在的各種問題。因此，研究加藥系統及其自動控制技術非常重要。

2 加藥系統設計探討

圖1 兩個平行放置的藥桶的加藥流1程圖

圖2 兩個平行放置的藥筒的加藥流2程圖

圖3 兩個高低放置的藥筒的加藥流程圖

目前用得較多的是濕投法，即先把藥劑溶解并配制成一定濃度的溶液后，再投入被處理的水中。濕法投加的優點是藥液易與原水充分混合，不易阻塞入口，投加量易于調節。

在濕投法系統中，配制藥品包括溶解和配成投加兩個過程：首先通過溶解池將固體藥劑溶解成濃藥液，然后通過耐腐蝕泵將濃藥液送入溶液池。下面就三種形式的加藥系統進行對比分析。

2.1 并行交替使用的加藥系統

以常用的混凝劑PAC為例，加藥系統設有兩個相同高度的藥桶，如圖1所示。每個藥桶配有獨立的攪拌機及對應的低液位報警儀。藥桶①、藥桶②由人工加入一定比例的PAC粉末和自來水，配制成濃度為5%的混凝劑，當1號液位報警儀、2號液位報警儀分別處于非液位低時，1號攪拌機、2號攪拌機啟動，攪拌0.5h后電磁閥a或電磁閥b自動開啟，當任意一個電磁閥開啟后即啟動計量泵，將藥桶①或者藥桶②攪拌好的混凝劑輸送至加藥點，藥桶①和藥桶②交替使用。當液位報警儀達到低液位時，系統停止工作并發出蜂鳴報警，任一攪拌機連續工作3h后，自動關閉。值班人員在藥桶①、藥桶②交替工作期間要及時向藥桶①或藥桶②加入一定比例的PAC粉末與自來水。

2.2 并行單一使用的加藥系統

加藥系統設有兩個相同高度的藥桶，如圖2所示。每個藥桶都配制有獨立的攪拌機和對應的液位報警儀。藥桶①、藥桶②先由人工加入PAC粉末，控制系統自動注入一定量的自來水。當1號低液位報警儀、2號低液位報警儀達到非低液位時，1號攪拌機、2號攪拌機自動啟動，按照設定的攪拌時間（0.5h）溶解固體原藥，配制成濃度為5%的混凝劑。0.5h后藥物溶解，電磁閥a自動開啟，繼而計量泵開啟，藥品即可輸送至加藥點。當任一液位報警儀達到低液位時，系統停止工作并發出蜂鳴報警，任一攪拌機連續工作3h后，自動關閉。值班人員在系統蜂鳴報警時要及時向藥桶①和藥桶②加入一定比例的PAC粉末且開機重新注入自來水。

2.3 串行放置的加藥系統

加藥系統設有一高一低兩個藥桶，如圖3所示。藥桶①配置有攪拌機和液位報警儀，藥桶②配有低液位報警儀，藥桶①由人工加入PAC粉末、注入一定量的自來水，配制成濃度約為5%的混凝劑。當1號液位報警儀達到非低液位時，1號攪拌機自動啟動，藥品攪拌約0.5h之后，開啟電磁閥a，在重力作用下混凝劑流入藥桶②，在藥桶①混凝劑流盡1號液位報警儀低液位時電磁閥a關閉。當2號液位報警儀達到非低液位時，計量泵自動開啟，藥品即可輸送至加藥點。當2號液位報警儀達到低液位時，計量泵停止工作。與此同時，人工重新向藥桶①加入PAC粉末，注入自來水。

圖5

圖6

3 加藥系統自動化控制設計

加藥系統作為污水處理系統的一個功能系統，其自動化程度的高低對污水處理系統的效率有著至關重要的影響。工業污水處理系統常用的控制器為PLC，小型污水處理系統常選用西門子200系列，大中型污水處理系統常選用西門子300或400系列，在此僅對比分析三種加藥系統的控制方案，對硬件系統不做說明。

3.1 方案一

對于方案一的加藥系統，其工藝過程對應的控制方案流程如圖4。

采用卡諾圖的形式對計量泵的控制進行分析，用a表示液位報警儀1，b表示攪拌機2，c表示液位報警儀3，d表示攪拌機4 ，e表示電磁閥a，f表示電磁閥b，計量泵輸出用Y表示，其卡諾圖（僅有效狀態）如表1。

表1

3.2 方案二

對于方案二的加藥系統，其工藝過程對應的控制方案流程圖如圖5。

采用卡諾圖的形式對計量泵的控制進行分析，用a表示液位報警儀1，b表示攪拌機2，c表示液位報警儀3，d表示攪拌機4 ，e表示電磁閥a，計量泵輸出用Y表示，其卡諾圖（僅有效狀態）如表2。

表2

3.3 方案三

對于方案三的加藥系統，其工藝過程對應的控制方案流程圖如圖6。

采用卡諾圖的形式對計量泵的控制進行分析，用a表示液位報警儀1，b表示攪拌機2，c表示電磁閥a，d表示液位報警儀3 ，計量泵輸出用Y表示，其卡諾圖（僅有效狀態）如表3。

表3

以上三種控制方案的卡諾圖不難看出后兩種的輸出條件唯一，有效輸出提高，所以從控制方案上講后兩種優于第一種方案。

4 分析對比

三種加藥系統的優劣勢分析如表4。

5 結論

本文討論了污水處理廠常用的三種混凝劑投加系統的設計及其自動化控制方案，每種方案都有各自的優勢。并行交替使用的加藥系統適用于中小型污水處理廠，且需要有專人值守。并行單一使用的加藥系統適用于日加藥量不大的處理系統，溶藥一次可以用于一階段加藥，簡單方便。串行放置的加藥系統適用于大型污水處理廠，易實現連續加藥及全自動化控制，故被大多數的污水處理廠所采用。

表4