凈水廠加氯系統(tǒng)的技術(shù)改造與優(yōu)化

史 偉，馮 兵，鐘建東，汪 健

(蕪湖華衍水務(wù)有限公司 生產(chǎn)運(yùn)行部，安徽蕪湖 241000)

由于液氯消毒成本較低、工藝成熟，液氯消毒在我國(guó)各地大中型自來(lái)水公司被廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的加氯控制方式由于控制模式簡(jiǎn)單，在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)加氯量過(guò)大或不足等問(wèn)題，使水質(zhì)安全得不到保證。針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合A水廠的平面布局和工藝、設(shè)備現(xiàn)狀，提出新增加氯點(diǎn)、改造加氯控制系統(tǒng)、在線余氯儀表布置、加氯設(shè)備更新等措施，最終在保障水質(zhì)衛(wèi)生指標(biāo)安全、降低消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生上取得了較好的效果[1]。

1 水廠工藝及加氯系統(tǒng)現(xiàn)狀

A水廠位于蕪湖市城南地區(qū)，供水量約為15萬(wàn)m3/d，通過(guò)取水泵提升長(zhǎng)江水后經(jīng)過(guò)常規(guī)凈水工藝處理并供向城市管網(wǎng)。水廠常規(guī)凈水工藝主要采用混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒的方式保證出廠水質(zhì)，如圖1所示。圖中實(shí)線為改造前已實(shí)現(xiàn)的加氯點(diǎn)，虛線為改造前未實(shí)現(xiàn)的加氯點(diǎn)。

圖1 A水廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of A WTP

A水廠消毒環(huán)節(jié)主要采用傳統(tǒng)的液氯投加工藝，加氯間配備兩組氯瓶(1 000 kg/瓶)，一用一備，并設(shè)有蒸發(fā)器可實(shí)現(xiàn)液氯或氣氯投加，同時(shí)兩路之間設(shè)置壓力自動(dòng)切換系統(tǒng)，以保證連續(xù)工作。目前前加氯投加點(diǎn)在折板反應(yīng)池前端DN1400進(jìn)水總管上，主要在夏季使用以增強(qiáng)除藻效果。后加氯投加點(diǎn)位于V型濾池DN1600出水總管上，主要保障出廠水余氯達(dá)到國(guó)家出廠水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

水廠加氯設(shè)備主要由真空調(diào)節(jié)器、加氯流量調(diào)節(jié)控制部分、水射器等組成，加氯量主要通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)確定，加氯過(guò)程如圖2所示。

圖2 人工控制加氯法加氯過(guò)程Fig.2 Manual Control of Chlorination Process

2 存在的主要問(wèn)題

2.1 后加氯點(diǎn)數(shù)量單一

目前A水廠采用前后“兩點(diǎn)加氯”，其中前加氯在去除水中的藻類及浮游生物的過(guò)程中氯消耗較大，在沉淀池出水處余氯量已接近為零。后加氯的加氯量是決定出廠水的余氯的主要因素之一，投加量較少將達(dá)不到消毒效果，而投加量較多時(shí)會(huì)帶來(lái)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

同時(shí)由于出廠水余氯受到清水池水力停留時(shí)間，一、二泵房開停泵，有機(jī)物含量等因素的影響，實(shí)際運(yùn)行時(shí)僅僅通過(guò)單點(diǎn)后加氯投加實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確加氯較難實(shí)現(xiàn)，對(duì)加氯工人的經(jīng)驗(yàn)要求極高。

2.2 加氯系統(tǒng)控制模式簡(jiǎn)單

水廠加氯控制為開環(huán)控制運(yùn)行。在PLC控制方式下，設(shè)備的運(yùn)行取決于PLC的輸出控制，PLC將根據(jù)有效的輸出控制指令執(zhí)行有關(guān)的控制邏輯，包括在自動(dòng)模式下根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)工況以及事先設(shè)定的工藝參數(shù)自動(dòng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行做出控制和對(duì)被控設(shè)備的故障保護(hù)，在點(diǎn)動(dòng)模式下執(zhí)行人機(jī)操作界面對(duì)單臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行控制，以及在組合操作模式下對(duì)設(shè)備組的一步化控制。

人工輸入加氯量數(shù)值后，傳輸?shù)募勇刃盘?hào)只有傾向作用，并無(wú)反向聯(lián)系。這種模式下控制精度較低，且抗干擾能力差，一旦受到外界條件(如水力條件、氣溫變化)的影響，加氯效果無(wú)法保證。

A水廠正常情況下出廠水余氯值控制為0.6～0.9 mg/L，為保證出廠水余氯穩(wěn)定一般控制在0.7 mg/L。圖3為改造前某日22∶20到次日8∶00出廠余氯受取水泵流量變化的影響情況圖。在夜間23∶00和次日6∶00加減泵操作時(shí)，由于加氯控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，會(huì)出現(xiàn)短暫的出廠水余氯波動(dòng)變化，直到人員干預(yù)調(diào)整投加氯量后才重新恢復(fù)穩(wěn)定。

圖3 改造前A水廠某日22∶20到次日8∶00出廠水余氯變化Fig.3 Variation of Residual Chlorine in Time of 22∶00～8∶00 before Reconstruction

2.3 加氯設(shè)備及附屬配件老化

由于加氯設(shè)備使用年限較長(zhǎng)，部分元件存在磨損現(xiàn)象，直接導(dǎo)致閥門反饋及輸出與實(shí)際情況存在偏差，除此之外設(shè)備老化對(duì)加氯機(jī)閥門開度，水射器吸口壓力、水射器管路等硬件裝置都有一定的影響。

3 改造措施

3.1 前加氯控制采用比例控制

實(shí)施改造后，將加氯量和取水量建立關(guān)聯(lián)，即取水流量?jī)x的流量數(shù)據(jù)將反饋信號(hào)給PLC決斷，PLC根據(jù)取水流量的大小輸出相應(yīng)執(zhí)行命令來(lái)調(diào)節(jié)前加氯機(jī)閥門的開度，前加氯比例投加示意如圖4所示。

圖4 前加氯比例投加氯示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Proportional Dosing of Chlorine

3.2 增設(shè)補(bǔ)加氯點(diǎn)

由于后加氯不能快速與水混合并發(fā)生反應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)加氯量更加準(zhǔn)確，一方面技改時(shí)在吸水井上增加補(bǔ)加氯點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)解決濾后水加氯點(diǎn)的加氯負(fù)擔(dān)，當(dāng)出廠水DN1200總管上的余氯儀數(shù)據(jù)接近內(nèi)控余氯標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值并呈逐漸下降趨勢(shì)時(shí)進(jìn)行啟用投加。另一方面，為確保出廠水余氯量的穩(wěn)定，改造時(shí)在清水池中重新優(yōu)化在線余氯儀表安裝位置。取樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置計(jì)算如下：A水廠供水量為15萬(wàn)m3/d，清水庫(kù)平面尺寸130 m×35 m×3.8 m，實(shí)際運(yùn)行水深約3 m，采用多道隔板往復(fù)式流道布置，兩道隔板間過(guò)流寬度為5 m，在不考慮水流上下層流量影響的條件下可將清水庫(kù)中的清水簡(jiǎn)化為理想的層流，廊道中的水流流速0.116 m/s。同時(shí)依據(jù)水廠余氯衰減經(jīng)驗(yàn)可初步確定30 min為最佳加氯點(diǎn)，因此結(jié)合實(shí)際水力計(jì)算后確定采樣點(diǎn)位置設(shè)置在清水池入口端209 m處，用來(lái)作為后加氯和補(bǔ)加氯的反饋信號(hào)，確保在進(jìn)入吸水井前余氯正常合理，在出現(xiàn)異常時(shí)也可用補(bǔ)加氯點(diǎn)的余氯反饋信號(hào)數(shù)據(jù)。

3.3 增加原水氨氮異常報(bào)警

現(xiàn)階段，由于A水廠原水氨氮較低，常年原水氨氮濃度在0.15 mg/L以內(nèi)，濾后水氨氮已低于檢測(cè)下限。加氯量主要根據(jù)出廠余氯值進(jìn)行調(diào)整，尚未和氨氮進(jìn)行關(guān)聯(lián)。然而由于突然水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的逐年提高，安裝在線氨氮監(jiān)測(cè)將有利于進(jìn)一步保證加氯時(shí)不受到有機(jī)污染物的影響。當(dāng)突發(fā)出現(xiàn)氨氮類水質(zhì)污染時(shí)，通過(guò)報(bào)警裝置及時(shí)將加氯系統(tǒng)切換為手動(dòng)控制模式，確保因自控系統(tǒng)未與氨氮建立聯(lián)系而出現(xiàn)故障[3-4]。

3.4 閉環(huán)控制系統(tǒng)的建立

根據(jù)A水廠加氯系統(tǒng)的硬件配置情況，計(jì)劃采用閉環(huán)加氯運(yùn)行模式進(jìn)行技術(shù)改造[5-6]，該系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為PLC自控運(yùn)行，無(wú)需人工干預(yù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換至人工操作模式，更大程度保證了加氯系統(tǒng)的安全可靠。閉環(huán)加氯模式原理圖如如圖5所示。

圖5 閉環(huán)加氯模式Fig.5 Closed-Loop Chlorination Mode

閉環(huán)加氯正常情況下設(shè)定初始投加氯量進(jìn)行后加氯投加，補(bǔ)加氯。當(dāng)清水池中在線余氯儀表數(shù)據(jù)異常并反饋給控制系統(tǒng)后，PLC執(zhí)行程度視具體余氯值對(duì)后加氯和補(bǔ)加氯環(huán)節(jié)進(jìn)行加氯量調(diào)整。此外，補(bǔ)加氯點(diǎn)會(huì)再次根據(jù)出廠水余氯信號(hào)進(jìn)行精確微調(diào)，這將作為水廠消毒工藝的最后屏障保證出廠水余氯達(dá)到國(guó)標(biāo)和內(nèi)控水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 新增水射器及配套材料

由于A廠水射器工作出廠壓力為0.28～0.32 MPa，同時(shí)根據(jù)投加量實(shí)際需要設(shè)定新增補(bǔ)加氯的最大投加量為1.0 mg/L，那么單臺(tái)水射器的氯氣投加量為7.29 kg/h，根據(jù)水射器選型表選定型號(hào)545-0715。

表1 水射器選型表Tab.1 Water Injector Selection

同時(shí)為保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，除對(duì)老舊加氯設(shè)備(真空調(diào)節(jié)器、加氯機(jī)、管道、蒸發(fā)器、閥門)更新外，需新增配套PLC控制柜、補(bǔ)加氯管道等以提高加氯系統(tǒng)的安全。

3.6 閉環(huán)加氯改造后運(yùn)行效果分析

圖6為A水廠閉環(huán)加氯技術(shù)改造后的出廠水余氯變化。通過(guò)實(shí)施閉環(huán)加氯技術(shù)改造項(xiàng)目，水廠出廠水余氯值保持穩(wěn)定，不會(huì)受到水量等多條件的影響而出現(xiàn)突變，進(jìn)一步保證了出廠水質(zhì)安全。

圖6 A水廠閉環(huán)加氯技術(shù)改造后的出廠水余氯變化Fig.6 Variation of Residual Chlorine in Finished Water After Reconstruction

4 結(jié)論

閉環(huán)加氯系統(tǒng)技改項(xiàng)目實(shí)施后使得A水廠在出廠水余氯控制上得到優(yōu)化并取得水廠工藝提升的效果。

(1) 閉環(huán)控制系統(tǒng)使氯氣準(zhǔn)確、安全地投加，很好地控制了出廠水余氯。

(2) 水廠的自動(dòng)化水平提高向集團(tuán)智慧水務(wù)的建設(shè)更進(jìn)一步；

(3) 降低對(duì)水廠工藝運(yùn)行工加氯操作對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴。

(4) 形成多道屏障保證出廠余氯達(dá)標(biāo)的加氯模式。