閔行水廠自動(dòng)加氯模式研究

王 艷

（上海城投水務(wù)（集團(tuán)）有限公司制水分公司閔行水廠，上海 200245）

1 探索研究的背景

一期是上海市城投水務(wù)（集團(tuán)）制水分公司閔行水廠獨(dú)立的制水系統(tǒng)，目前的設(shè)計(jì)日供水能力為100kt，它于2005年6月正式投產(chǎn)運(yùn)行，該制水系統(tǒng)擁有獨(dú)立的加氯設(shè)備、加氨設(shè)備，并且設(shè)備都比較新，檢測(cè)原水和出水的在線儀表也比較完善并且運(yùn)行正常。閔行水廠一期在源水和濾后都裝有氨氮儀，使用正常，由于氨氮對(duì)加氯的影響十分重要，原水氨氮的含量高低直接對(duì)加氯造成影響，同時(shí)原水中的電導(dǎo)率、溶解氧儀、進(jìn)水流量?jī)x、水溫測(cè)定儀、酸度儀都運(yùn)行穩(wěn)定和正常，為閔行水廠一期的自動(dòng)加氯控制模式進(jìn)行探索提供了良好的先行條件。自動(dòng)加氯可以減少因人為操作導(dǎo)致的誤差，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，科學(xué)合理的加氯，減少人為的誤差引起的水質(zhì)事故，為今后的多套現(xiàn)有制水系統(tǒng)的自動(dòng)加氯打下較為堅(jiān)實(shí)可行的基礎(chǔ)。

2 探索研究的內(nèi)容

在水處理過(guò)程中，加氯消毒是上海水廠水質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)。消毒時(shí)投加在水中的加氯量，可以分為兩部分，即需氯量和余氯。對(duì)于生活飲用水制水工藝而言，原水中加氯后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的接觸，就可以殺死水中微生物、氧化有機(jī)物和還原性物質(zhì)等，所消耗的氯量稱為需氯量。為了抑制水中殘余微生物的再度繁殖，稱為余氯。氯化消毒時(shí)，投氯量一般應(yīng)滿足殺滅細(xì)菌以達(dá)到指定的消毒指標(biāo)和氧化有機(jī)物等所消耗的需氯量及抑制水中殘存致病菌的再度繁殖所需的余氯量。同時(shí)，投加量過(guò)高易產(chǎn)生致癌物質(zhì)三氯甲烷、四氯甲烷等。因此，在制水工藝的水處理過(guò)程中正確控制加氯量是至關(guān)重要的。

2.1 對(duì)影響加氯的關(guān)鍵性原水水質(zhì)指標(biāo)研究并確定投加方案

在本次實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)原水中的氨氮、亞硝酸鹽、水溫等主要影響加氯的指標(biāo)進(jìn)行研究和分析。

2.1.1 氨氮水中的有機(jī)物可分為動(dòng)物性及植物性兩類，是一種含有碳、氫、氮、磷等化合物，其中以氮素化合物最不穩(wěn)定，被水中的微生物分解逐漸變?yōu)檩^為簡(jiǎn)單的化合物，氨是最后的產(chǎn)物，如果有氧存在時(shí)，氨先氧化為亞硝酸鹽，再繼續(xù)氧化為硝酸鹽。水體中的氨氮來(lái)源主要有下列幾個(gè)方面：有機(jī)氮被微生物分解而來(lái)；土壤中的亞硝酸鹽和硝酸鹽被某些微生物還原而形成；水體受到工業(yè)的廢水、生活污水及農(nóng)業(yè)排水污染等。氨氮對(duì)余氯的影響主要是氨氮和氯合成較為穩(wěn)定的氯氨進(jìn)行消毒，氨氮高時(shí)加氯量較節(jié)約，加氯量較穩(wěn)定，過(guò)程水和出廠水余氯穩(wěn)定，氨氮低時(shí)，加氯量控制不易掌控，為此將尋找一定的規(guī)律，摸索規(guī)律，以方便自動(dòng)加氯。

2.1.2 亞硝酸鹽

亞硝酸鹽是氮循環(huán)中氧化或還原過(guò)程中間階段的產(chǎn)物，亞硝酸鹽含量較高的水，表示微生物活動(dòng)性很強(qiáng)，呈不穩(wěn)定的狀態(tài)。亞硝酸鹽高影響加氯量，從歷年數(shù)據(jù)中可以看出黃浦江原水中的亞硝酸鹽含量在高溫時(shí)較高，在低溫時(shí)較低，所以在高溫時(shí)加氯量很難把握，往往在亞硝酸鹽高時(shí)投加更多加氯量才能保證余氯指標(biāo)，前加氯在亞鹽高時(shí)單耗往往達(dá)到了最高值。而且在高溫時(shí)氨氮和亞硝酸鹽的波動(dòng)很大，應(yīng)研究亞硝酸鹽對(duì)加氯的影響，以便在自動(dòng)加氯中做出相應(yīng)的反應(yīng)，更好地提高加氯的準(zhǔn)確性。

2.1.3 水溫

水溫是衡量水冷、熱程度的尺度。水的溫度變化對(duì)水的比重和物質(zhì)的溶解度都有影響。在水環(huán)境中，由于水溫的上升使水中的細(xì)菌繁殖和活動(dòng)的能力旺盛，對(duì)水質(zhì)變化有很大的影響，在水溫低時(shí)，混凝和消毒的效率都要明顯的下降，水溫高時(shí)，余氯的揮發(fā)就大大增加，使加氯量大幅升高，為此將研究水溫和加氯之間的關(guān)系，以便在不同的季節(jié)采取不同的修正系數(shù)。

通過(guò)對(duì)歷年水質(zhì)、各種生產(chǎn)工況條件下的加氯控制工藝進(jìn)行了長(zhǎng)期的跟蹤記錄，并進(jìn)行了深入細(xì)致的分析與研究：對(duì)原水水質(zhì)指標(biāo)中的溫度、氨氮、亞硝酸鹽、電導(dǎo)率這四個(gè)指標(biāo)對(duì)水廠加氯指標(biāo)的影響關(guān)聯(lián)進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

氨氮和溫度是影響加氯的主要因素，結(jié)合這兩個(gè)主要因素確定投加方案：根據(jù)在不同的水溫條件，原水氨氮含量高低分別進(jìn)行不同的加氯量投加，根據(jù)水溫變化將全年，分為溫度＜15℃、20℃＜溫度＜28℃、28℃＜溫度＜35℃、15℃＜溫度＜20℃四個(gè)階段，每個(gè)階段都有三個(gè)系數(shù)，包括基礎(chǔ)修正系數(shù)、最大值修正系數(shù)、最小值修正系數(shù)，結(jié)合水量進(jìn)行自動(dòng)投加。在高溫時(shí)要同時(shí)考慮含量高的亞硝酸鹽對(duì)加氯的影響，不同亞硝酸鹽濃度對(duì)應(yīng)設(shè)定好的修正系數(shù)，自動(dòng)投加系統(tǒng)就根據(jù)原水中亞硝酸鹽濃度進(jìn)行判斷，最終確定最佳投加量。

2.2 自動(dòng)控制的原理研究

自動(dòng)加氯的關(guān)鍵是找到并確定加氯比列系數(shù)（k值），傳統(tǒng)的方式是以原水流量作為單因子約束條件來(lái)確定加氯比列系數(shù)（k值）。但是，事實(shí)上本自動(dòng)加氯系統(tǒng)將采用多因子串接控制方式，根據(jù)原水的主要指標(biāo)和原水的流量綜合的多因子串聯(lián)進(jìn)行加氯控制，并在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中修改系數(shù)，使系數(shù)不斷得到完善。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)加氯模式，如圖1所示。

圖1 多因子串接加氯控制模型

根據(jù)方案進(jìn)行對(duì)前加氯和后加氯進(jìn)行編程，前加氯根據(jù)原水流量和投加方案中的經(jīng)驗(yàn)PPM設(shè)定，通過(guò)加氯量控制器PID，給加氯機(jī)一個(gè)信號(hào)，加氯機(jī)就調(diào)節(jié)好開(kāi)啟度，調(diào)整為加氯量進(jìn)行投加，前加氯控制邏輯程序框圖、前加氯控制系統(tǒng)信號(hào)連接圖，如圖2、圖3所示。

圖2 前加氯控制邏輯程序框圖

圖3 前加氯控制系統(tǒng)信號(hào)連接圖

本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的后加氯主要是根據(jù)沉淀后的余氯值和設(shè)定的濾后余氯目標(biāo)值來(lái)自動(dòng)加注。濾后的余氯目標(biāo)值由水廠的水質(zhì)管理員根據(jù)氣溫對(duì)余氯的揮發(fā)情況和出廠水水質(zhì)中余氯的要求進(jìn)行確定，當(dāng)濾后余氯低于某目標(biāo)值時(shí)，后加氯自動(dòng)開(kāi)啟，進(jìn)行投加直到達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)值，反之，停止投加。圖4為后加氯控制系統(tǒng)框圖。

圖4 后加氯控制系統(tǒng)框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)投加方案，對(duì)重點(diǎn)影響加氯的原水水質(zhì)的主要指標(biāo)氨氮和水溫，作為前加氯根據(jù)歷年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)尋找了一個(gè)基礎(chǔ)系數(shù)，并預(yù)設(shè)了一個(gè)最高值和最低值，以便在水溫和氨氮等情況變化時(shí)靈活使用，自動(dòng)投加時(shí)再根據(jù)原水流量進(jìn)行判斷給加氯機(jī)一個(gè)信號(hào)，加氯機(jī)進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)啟閥門(mén)達(dá)到需要的加注量。從過(guò)程水和出廠水余氯數(shù)據(jù)來(lái)看，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程，完全達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，過(guò)程水和出廠水水質(zhì)十分穩(wěn)定，一旦沉淀池水余氯較低情況下，后加氯就會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充加氯，加注到設(shè)定的預(yù)期值。

該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，可靠性較高，在現(xiàn)場(chǎng)就能操作，自動(dòng)加氯界面一如了然，加氯反應(yīng)迅速，從運(yùn)行過(guò)程來(lái)看，有效保證了水質(zhì)中余氯指標(biāo)穩(wěn)定，又能節(jié)省投氯量，減少了人為的操作誤差，在閔行水廠的實(shí)際應(yīng)用中顯示極大減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也節(jié)約了制水成本。

4 影響加氯自動(dòng)控制的主要因素及應(yīng)注意的問(wèn)題

4.1 修正系數(shù)的微調(diào)問(wèn)題

由于每年的原水水質(zhì)不同，故在使用過(guò)程中要根據(jù)原水水質(zhì)對(duì)投加系統(tǒng)中的重要的修正系數(shù)進(jìn)行微調(diào)，確保該修正系數(shù)能適應(yīng)當(dāng)時(shí)的水質(zhì)情況，使過(guò)程水的余氯指標(biāo)在控制范圍內(nèi)。

4.2 濾后水余氯目標(biāo)值設(shè)定

各水廠的出廠水指標(biāo)不同，管理者在實(shí)際的操作中根據(jù)水溫、氣溫的變化，特別是在高溫期間余氯的揮發(fā)情況進(jìn)行設(shè)定，制定出濾后的目標(biāo)值，并根據(jù)季節(jié)的不斷變化進(jìn)行調(diào)整，確保出廠水在所要指標(biāo)內(nèi)。

4.3 高溫期間原水惡化情況下說(shuō)明

由于水廠采用的金澤水作為原水，在高溫期間，金澤的原水水質(zhì)一度很不穩(wěn)定，亞硝酸鹽等有機(jī)物的急劇增多，在原水不穩(wěn)定期間，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)自動(dòng)加氯情況由于原水水質(zhì)的多變性，過(guò)程水的余氯指標(biāo)控制的較難，為了能確保出水水質(zhì)，故暫時(shí)打到手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)加注量。在不穩(wěn)定期間的加注量和投加方式還有待進(jìn)一步的研究和探討。

4.4 PLC與前加氯機(jī)之間的線形控制方面

PLC與前加氯機(jī)之間的線形控制方面，要定時(shí)巡檢，在使用一段時(shí)間后要對(duì)加氯機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的加注量執(zhí)行情況和集控室PLC進(jìn)行觀察，一旦發(fā)現(xiàn)加氯機(jī)和PLC顯示不穩(wěn)定或偏離，就要及時(shí)對(duì)加氯機(jī)進(jìn)行微調(diào)，以便能實(shí)現(xiàn)較為精確微調(diào)。