1、化学生物絮凝工艺自动控制优化研究净水技术WATERPURIFICAT10NTECHN0L0CYVo1.26No.52007化学生物絮凝工艺自动控制优化研究胡业诚,夏四清,王学江,张志强(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092)摘要主要介绍化学生物絮凝工艺的自动控制系统,以 TP 为目标通过对控制加药系统中药剂和磷酸盐反应摩尔数 MR 和廊道曝气量这两个参数的优化,使自动控制系统针对不同水质及时采取相应的措施,优化系统的污染物去除能力.实验表明在 MR=2.0 时,化学生物絮凝工艺处理上海市城市污水能够保证处理后出水的 TP 平稳达标排放.设置各廊道 DO 上下浓度为:第
2、一格 DO,23mg/L;第二格 DO,2-4mg/L;第三格 DO,01.0mg/L,不仅实现对污染物的稳定去除,而且提供生物絮凝所需的水力条件,使出水 SS 得到良好控制.关键词化学生物絮凝自动控制药剂反应摩尔数 MR 曝气量StudyonOptimizationofChemicalBiologicalFlocculationAuto-controlSystemHuYecheng,XiaSiqing,WangXuejiang,ZhangZhiqiangr5teKeyLabofPollutionControlandResourceReuse,TondiUniversity,Shanghai2
3、00092,China)AbstractChemicalbiologicalflocculationautocontrolsystemwasintroducedinthispaper.MR(molenumberofreaction)ofreagentaddingprocessinTPcontrolsystemandchannelaerationquantityaretwoimportantparameters,throughtheoptimizationofwhichautocontrolsystemcantakepropermeasurementtooptimizetheabilityoft
4、reatingcontaminantsaccordingtodifferentwastewater.WhenMR=2.0,sewageofShanghaicanmeetthedischargestandardstablyafterthechemicalbiologicalflocculationprocess.SettingDOattherangeof2-3mg/L,2-4mg/Land0-1.0mg/Lrespectivelyinthreegalleriescannotonlyreachthestableremovalofcontaminantsbutalsoguaranteethehydr
5、odynamicconditionforbiologicalflocculationtoensuretheeffluentSSundercontro1.KeywordschemicalbiologicalflocculationautocontrolsystemMRaerationquantity在城市污水处理中.以沉淀为主的一级处理对有机物的去除率较低.悬浮固体去除率一般为 40%60%,BOD5 去除率仅为 20%30%,CODo 去除率为50%左右 .仅采用一级处理,难以有效控制水污染11.而二级生物处理单元能耗大,运行费用高,使很多二级处理厂长期处于停运或半运转状态.所投人的资金未能充
6、分发挥其环境效益.化学生物絮凝工艺是近年来提出的一种一级强化新工艺.它是将生物污泥絮凝和化学混凝处理系统相互组合,采用空气完成搅拌及絮凝反应.利用外加的化学絮凝沉淀剂和污水中的天然生物絮凝剂,可经济有效地去除磷酸盐与 SS,中等程度地去除 COD,BOD 的目的.污水处理过程具有很大的时变性,需要较多地考虑其动态行为和运行特性.然而.目前对污水处理基金项目:国家高技术研究发展计划(863)课题;化学生物絮凝组合技术与设备(2o02AA601320)过程的控制多为基于数学模型的传统控制方法甚至采用人工控制方法,相对其他工业过程其控制方法和手段都比较落后.随着计算机和自动化仪表技术的发展,污水处理
7、厂亦大量引人自动控制技术以满足其工艺控制的要求,从而保证了出水指标的合格率,运行安全可靠,降低了能耗和药耗,处理效果也得到了保证.1 试验装置及方法1,1 实验装置化学生物絮凝反应池由快速混合池和反应池两部分组成.快速混合池内采用微孔管曝气搅拌快速混合,水力停留时间 60S,有效容积 0.03ms.有效水深 0.55m;反应池几何尺寸 AxBxH=2.5mx0.9mx0.8nl,采用三段推流回转式布置.由隔板沿宽度方向分成三条廊道,有效水深 0.55n1.设计停留时间35min,各廊道底部布置微孔曝气管曝气,各廊道可一11化学生物絮凝工艺自动控制优化研究 V01.26N0.52007独自调节曝
8、气量,可通过调节曝气量来控制不同的反应速度 G 值,以达到最佳的絮凝条件.在第一廊道首端设有污泥回流管,后续沉淀池中的污泥经过螺杆泵回流至反应池中,工艺流程见图 1.图 1 化学生物絮凝工艺流程图Fig.1Chemicalbiologicalflocculationprocessflow试验药剂采用经过实验室优选的液体无机絮凝剂 PAFC(A12O3:10.8%,Fe2O3:1.8%),投加在化学生物絮凝工艺的混合池前端,通过穿孔管曝气搅拌混合.1.2 运行条件进水流量控制在 2m3/h.污泥回流比控制在30%,各廊道污泥浓度维持在 23g,L,分析不同 MR和曝气量条件下化学生物絮凝工艺对各
9、污染物的去除效果1.3 测试指标和方法实验以 CODTP,SS,DO 为主要监测指标 .COD.和 SS 均采用标准方法测定圄 ;TP:德国 KUNTZE公司 K301 型 TP 在线分析仪;DO:便携式溶氧仪.2 结果与讨论2.1TP 控制加药系统 MR 参数的优化对化学生物絮凝工艺进行长期的手动控制条件下的试验研究表明.在出水总磷浓度满足排放要求的情况下,出水中有机物和 SS 均能达标排放.因此,控制过程将化学生物絮凝工艺沉淀后出水总磷浓度作为控制目标.从化学生物絮凝工艺运行过程中控制要素的分析可以知道,工艺自动控制的四个关键参数是进水流量,进水总磷浓度,出水总磷浓度和化学药剂投加量.根据
10、磷酸盐与铝铁反应的计量关系,一12 一进水总磷浓度与化学药剂投加量之间存在一个线性函数关系,由此得出化学生物絮凝工艺总磷自动控制模式的数学模型,加药量(F)计算公式:F_31MR27等N1.2B6o=O.02285xQxlPxMRxB/N(mIffmln)(1)式(1)中:Q 一一进水流量(m3/h):IP 一一进水 TP 浓度(m;31 一一 P 的分子量 :MR 一一药剂与磷酸盐反应的摩尔数;27 一一 Al 的分子量;102 一一 Al2o3 的分子量;N 一一药剂浓度(絮凝剂有效含量 A120,重量百分数为 11%);B 一一药剂稀释倍数(以稀释 25 倍计算).在化学生物絮凝工艺自动
11、控制运行过程中如果出水 TP 浓度在 0.50.9mg/L 时,加药量维持不变,当出水 TP 浓度大于 0.9mg/L 时,加药量增加20mg/L,而当出水 TP 浓度小于 O.5mg/L 时,加药量减少 20mg/L.当药剂选定后,药剂的浓度 N 为定值,稀释倍数 B 也是常量.在进水流量一定的情况下.加药量是进水总磷浓度 IP 的一个线形函数.但是进水总磷浓度与加药量之间的函数关系式中有很多变量.具体到每个参数选取都很复杂,而且至关重要,特别是药剂与磷酸盐反应的摩尔数(MR).根据中试手动控制运行规律,分别选取 MR=2.0,1.8,1.5,在自动控制模式下运行,系统稳定后,运行结果如图
12、2 所示.三种 MR 条件下 .TP 去除与加药量的关系如表1 所示.表 1 列出的进水 TP 和出水 TP 是工艺运行过481216202428323640444852566064687276运行时间/l1601208040O溢i.O987654321Ol_1.)/皇O净水技术 Vol_26No.520070481216202428323640444852566O64687276运行时间/h图 2 不同 MR 时总磷控制运行结果Fig.2TPcontrolresultatdifferentMR表 1 三种 MR 下 TP 去除与加药量的关系Tab.1RelationofTPremovalan
13、dPAFCaddingatdifferentMR程中的平均值.运行结果表明,摩尔数(MR)越大,主回路的控制能力愈强.从而加药系统的正常出水条件下加药量基值越大,这样就能保证药剂的充分投加.同时也保证了 TP 去除效率的提高.利用数学模型,将各工况平均进水,出水 TP 浓度和各摩尔数情况下的参数代人计算,得出的理论加药量分别为:MR=2.0 为 70.4mg/L;MR:1.8 为58.6mg/L;MR=1.5 为 53.7mg/L.由实际加药量与理论加药量的对比分析可知.摩尔数较大时,实际加药量比理论加药量小.当 MR=2.0 时.运行中出水 TP浓度大于 0.9mg/L 的检测点数占总检测点
14、数的21%;出水 TP 低于 0.5mg/L 的检测点数占总检测点数的 30.8%.说明在运行过程中按照加药量 F(mL/rain)=0.02285xOxIPxMRB/N 一 20 关系式投加药剂的情况要多于按照加药量 FfmL/min)=0.02285xQxIPMRB/N+20 关系式加药的控制条件 .这就是导1608040O慨缸量量.IJ曾言三致实际加药量低于理论加药量的原因.相反,MR 为1.5 时.出水 TP 浓度大于 0.9mg/L 的检测点数占总检测点数的 50.2%;出水 TP 低于 0.5mg/L 的检测点数占总检测点数的 27.9%.因此该条件下,实际加药量要高于理论加药量.
15、以 MR 为变量的 TP 控制自动加药系统的运行结果说明:MR=2.0 时.化学生物絮凝工艺处理上海市城市污水能够保证处理后 TP 出水的平稳达标排放.2.2 廊道曝气量自动控制系统的优化本工艺采用曝气搅拌.曝气强度不但要满足絮体碰撞速率和凝聚速率的要求.而且要提供微生物新陈代谢所需的氧气和满足污染物传质的需要.本研究按照表 2 的试验方案通过手动方式对曝气搅拌强度进行比选优化.各工况运行期间污染物的去除结果见表 3.从表 3 可以看出,随着曝气搅拌强度的增加.表 2 优化曝气搅拌强度工况Tab.2Workingconditionoftheaerationagitationintensityo
16、ptimization一13 一舳OO987654321O一.g),ILI_O987654321O化学生物絮凝工艺自动控制优化研究 Vo1.26No.52007表 3 不同曝气搅拌强度下的污染物去除结果nlb.3Resultofcontaminantsremovalunderdifferentaerationagitationintensity各项污染物的去除效果变化不明显.对于絮凝工艺而言,为有利于反应池中形成良好的矾花.在反应池末端.通常不采用剧烈的搅拌强度.因此.在化学生物絮凝工艺运行中,选用渐减曝气比较经济合理.基于上述研究.采用廊道曝气自动控制系统.设置各廊道 DO 上下浓度为:第一
17、格 DO.23mg/L;第二格 DO,2-4mg/L;第三格 DO.0 一 1.0mg/L.每 5min系统根据溶氧仪监测到的溶解氧浓度调整一次曝气截止阀的开启度.如溶氧仪监测到溶解氧浓度超过系统设定的上限浓度.则自控系统相应地减小曝气截止阀开启度 1%;如溶氧仪检测到溶解氧浓度低于系统设定的下限浓度.则自控系统增大曝气截止阀开启度 1%.图 3 为溶解氧检测结果,在曝气强度稳定的情况下.三个廊道内的溶解氧浓度稳定,第一廊道内溶解氧浓度维持在 22.5mgIL;第二廊道内溶解氧浓度维持在 34mg/L;溶解氧在线检测仪放在第三廊道内的末端.基本上测不出溶解氧浓度,说明经过第三廊道的生化反应.溶
18、解氧基本消耗完.4-“;2言运行时 l 目,I图 3 渐减曝气运行条件下 DO 检测结果Fig.3DOtestingresultundersteppedaeration在此曝气自动控制状态下稳定运行半个月,各污染物的去除情况如表 4 所示.不难看出.系统在自控条件下对 COD0 和 TP 仍旧保持了较高的去除效率.此外,由于在第三廊道较小的曝气搅拌强度下为化学絮凝和生物絮凝提供了所需的水力条件,在沉淀池中形成大的矾花,使出水表 4 渐减曝气搅拌下的污染物去除结果11ab.4ResultofcontaminantsremovalundersteppedaerationagitationSS 得到
19、良好控制.3 结论结合化学生物絮凝工艺的特点和实验系统的具体要求,对系统的自动控制展开分析,并对加药量和各廊道曝气量进行优化,实现稳定达标排放.根据优化实验得出以下结论.(1)在 MR=2.0 时,化学生物絮凝工艺处理上海市城市污水,能够保证处理后出水的 TP 平稳达标排放.(2)自动控制系统对化学生物絮凝反应池内的廊道曝气进行反馈控制,试验数据显示.三个廊道内的溶解氧浓度稳定.波动范围在 0.1mg/L 内.曝气反馈控制可以有效控制三个廊道内溶解氧浓度变化.(3)设置各廊道 DO 上下浓度为:第一格 DO,23mg/L;第二格 DO,24mg/L;第三格 DO,O1.0mg/L.不仅可实现对
20、污染物的稳定去除,而且能保证生物絮凝所需的水力条件,使出水 SS 得到良好控制.参考文献1 张智,邱维.张国庆.城市污水强化一级处理技术及发展趋势J】.重庆环境科学,2001.23(1):46492 郑兴灿,张悦.陈立.化学.生物联合絮凝的污水强化一级处理工艺阴.中国给水排水,2000.16(7):29 323 刘绪为,夏四清,汪坤.化学生物絮凝悬浮填料层工艺研究【J】,净水技术,2006,25(3):40424 商敏儿,杜树新,吴铁军.活性污泥法污水处理过程自动控制的研究现状【J】.环境污染治理技术与设备 ,2002.3(1):83875 国家环境保护总局,水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法(第四版)【M】.北京:中国环境科学出版杜.2002收稿日期:2006.10.24第一作者简介:胡业诚(1982.),男,同济大学环境科学与工程学院在读硕士生,主要研究方向为水处理技术.电话:02165989132;Email:hyc661234yahoo.eon1.en14
