CN101264961A - 一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，包括如下步骤：(1)寻找混凝剂投加量的边界条件，确定混凝剂中的金属离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围；(2)寻找pH的边界条件，确定pH值的范围；(3)单纯形优化试验：取水样置于容器中，在混凝剂中金属离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围之间、pH的范围之间，任选三点，搅拌，沉淀，在液面下取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度，根据结果确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH。本发明的方法操作简便，可以方便地确定水处理中混凝剂的最佳投加量及最佳pH，每种混凝剂的总磷去除率都达到最佳。提高污水处理厂、再生水厂的运行管理水平。

Description

一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法

技术领域

本发明涉及环境工程领域，具体地涉及一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法。

背景技术

随着经济快速发展和城市化进程的加快，我国城市水环境污染加剧，缺水问题更加严峻。国家有关部门为了解决这个问题，相继出台了有关政策。主要包括：(1)将污水处理厂的出水水质提高到一级A标准，减少排入水环境的污染物总量。(2)大力推广污水回用。上述两项政策，都涉及到控制污水处理厂或者再生水厂出水中总磷的浓度。为了去除污水中的总磷，确保达到一级A标准，或者达到再生水回用的标准，一般都采用投加混凝剂的方法。

目前，实验室或者水厂一般采用混凝烧杯试验来决定混凝剂的投加量。该种方法的基本操作步骤如下：

(1)按照烧杯的数目量取等容量1000ml的水样装入每个烧杯中。把多位搅拌器的桨叶放入水内，但桨叶的轴应该偏离烧杯中心，而桨叶与烧杯壁间应有6mm间隙。

(2)按照烧杯数目选取药剂投加量，每个剂量先装入小试管内，再稀释成10ml或者其它相等容量，将小试管装在投药架上以便同时向烧杯中投药。

(3)开动搅拌器，以120r/min的转速进行快速搅拌。按照不同烧杯需投加的药剂剂量同时向每个烧杯内投药，搅拌约1min。

(4)降低转速进行慢搅拌约20min。转速以保持烧杯内颗粒均匀悬浮起来为度，一般为20～40r/min。记录每个烧杯内出现絮体的时间。

(5)把搅拌桨从水中提出来，观察絮体的沉降过程。

(6)经过15min沉淀时间后，在烧杯内水深1/2处取样，测定浊度、色度、碱度和pH等水质数据。

(7)根据水样浊度、色度确定最佳混凝条件。

上述烧杯试验的优点是在设备和操作都很简单的条件下，能够反映或者部分反映混凝过程中很多因素间错综复杂的关系，所以从20世纪60年代以来，一直是水厂控制混凝过程的主要方法，后来出现了再生水厂，也沿用此方法，给实际工作提供依据。

通过混凝沉淀法除磷，影响磷去除效果的因素很多，包括混凝剂的种类、pH和碱度、水温、水化学特性、水中杂质性质和浓度、水利条件等因素的综合影响。

在实际操作过程中，混凝沉淀法的主要缺点是每次确定一个最优变量，但由于水质的复杂性，多个变量同时达到最优的可能性很少，比如为得到不同pH原水最佳投药量，需要把原水加酸或者加碱配成若干个不同pH的试验原水，然后对每个pH的原水，分别进行不同加药量的试验，试验次数很多，带有很强的主观性，所以在很多情况下，这种试验的结果仅能作为定量试验。

单纯形优化法是运筹学中广泛应用的一种多因素优化方法，被广泛应用于分析测试、实验设计和数据分析等方面，但在水处理混凝剂投加量及投加条件的确定中尚未得到应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法。

本发明的技术方案概述如下：

一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，包括如下步骤：

(1)寻找混凝剂投加量的边界条件，确定混凝剂中的金属离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围；

(2)寻找pH的边界条件，确定pH值的范围；

(3)单纯形优化试验：取水样置于容器中，在混凝剂中金属离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围之间、pH的范围之间，任选三点，搅拌，沉淀，在液面下取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度，根据结果确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH。

所述混凝剂为硫酸铁、硫酸铝或聚合氯化铝。

所述混凝剂为硫酸铁时，所述确定硫酸铁中铁离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围为1-4.0∶1，所述确定pH值的范围为6.0-8.5。

所述混凝剂为硫酸铝时，所述确定硫酸铝中铝离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围为1-5.0∶1，所述确定pH值的范围为5.0-8.5。

所述混凝剂为聚合氯化铝时，所述确定聚合氯化铝中铝离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围为1-5.5∶1，所述确定pH值的范围为5.0-8.5。

所述单纯形优化试验为：取水样置于容器中，在混凝剂硫酸铁中Fe/P摩尔比的范围为1-4∶1之间、pH的范围为6.0-8.5之间，任选三点，以180-240r/min搅拌1分钟，在20-30r/min搅拌30分钟，沉淀30分钟，在液面下3cm处取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度；根据试验的结果确定水处理中混凝剂硫酸铁最佳投加量及最佳pH。

所述进行单纯形优化试验还可以是：取水样置于容器中，在混凝剂硫酸铝中Al/P摩尔比的范围为1-5.0∶1之间、pH的范围为5.0-8.5之间，任选三点，以180-240r/min搅拌1分钟，在20-30r/min搅拌30分钟，沉淀30分钟，在液面下3cm处取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度；根据试验的结果确定水处理中混凝剂硫酸铝最佳投加量及最佳pH。

所述进行单纯形优化试验也可以是：取水样置于容器中，在混凝剂聚合氯化铝中Al/P摩尔比的范围为1-5.5∶1之间、pH的范围为5.0-8.5之间，任选三点，以180-240r/min搅拌1分钟，在20-30r/min搅拌30分钟，沉淀30分钟，在液面下3cm处取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度；根据试验的结果确定水处理中混凝剂聚合氯化铝最佳投加量及最佳pH。

本发明的有益效果为：操作简便，通过本发明可以方便地确定水处理中混凝剂的最佳投加量及最佳pH，每种混凝剂的总磷去除率都达到最佳。提高污水处理厂、再生水厂的运行管理水平，产生可观的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为硫酸铁投加量与去除率的关系。

图2为pH值对硫酸铁除磷的影响。

具体实施方式

单纯形法

单纯形法是一种动态调优方法，每次选用的试验条件是根据前一次试验的结果来确定的，对试验条件逐步进行调整，最后达到最优化。对于多因子特别是当因子间相互作用不是线性时，单纯形法有其独特的优越性。

如对于二因子的单纯形，首先选定3个点，并且比较在这3个点处系统的响应(函数)值，响应最差的点以W表示，次差点以N表示，最好点以B表示。即为一单纯形BNW，我们的目的是寻求系统的最佳响应，故系统的响应值越大，此点越好，反之，响应值越小，此点越坏。

将W点经过其余点的形心进行反射，就是将W经过线段NB的中点P进行反射。

$\stackrel{\→}{P}=(N+B)/n,$ n为因子数

得到反射点R。

$R=\stackrel{\→}{P}+\mathrm{\α}(\stackrel{\→}{P}-W)$

正数α称为反射系数，一般取α＝1。

反射后有三种可能的情形：

1.如果R点的响应值大于B点，则按此方向进行扩展。令

$E=\stackrel{\→}{P}+\mathrm{\γ}(\stackrel{\→}{P}-W)$

其中γ＞1称为扩展系数。(本次取γ＝2)

若E点的响应值大于B点，则用E点代替W点，得到以E，N和B为顶点的新单纯形。若E点的响应值小于R点，则扩展失败。这时用R点代替W点，得到以R，N和B为顶点的新的单纯形。

2.如果R点的响应值在B和N点之间，则用R点代替W点，得以R，N和B为顶点的新的单纯形。

3.如果R点的响应值小于N点，则表明方向错误，进行收缩步骤。

1)若R点的响应值小于N点但是大于W点，则取Cr点，令

$\mathrm{Cr}=\stackrel{\→}{P}+0.5(\stackrel{\→}{P}-W)$

得到以Cr，N和B为顶点的新单纯形。

2)若R点的响应值小于W点，则取Cw点，令

$\mathrm{Cw}=\stackrel{\→}{P}-0.5(\stackrel{\→}{P}-W)$

得到以Cw，N和B为顶点的新单纯形。

以上得到的单纯形，不论属于那一种，必有一个顶点的响应值小于或等于原单纯形顶点上的响应值。每得到一个新的单纯形后，再重复以上步骤，直至得到最佳条件为止。

此方法除了确定最佳投药量、pH之外，也可以确定其它影响混凝、沉淀效率的因素，不仅可以用于再生水厂、污水处理的混凝、沉淀过程，也可以推广到水厂的混凝、沉淀过程以及水厂、污水厂污泥脱水过程中的影响因素选择。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，包括如下步骤：

(1)寻找混凝剂投加量的边界条件，确定混凝剂中的金属离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围：

本实验用水为某污水处理厂二级出水，水质如表1。

表1二级出水各项水质指标

参数                            范围

pH                             6.80-7.45

浊度(NTU)                      2.1-6.0

总磷(mg/L)                     2.07-4.87

正磷酸盐(mg/L)                 1.21-3.46

氨氮(mg/L)                     26.6-52.3

总氮(mg/L)                     41.6-113.2

COD(mg/L)                      33.3-65.4

分别取400mL水样置于6个500mL烧杯中，加入硫酸铁(见表2)，使Fe/P摩尔比(见表2)，在转速为200r/min下搅拌1min，在30r/min下搅拌30min，然后静置沉降30min，在液面下3cm处取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度。结果见表2、见图1。

表2硫酸铁投加量实验效果

投加量       Fe/P      正磷酸盐                                    去除率

                                  去除率(％)       总磷(mg/L)

(mg/L)    (mol/mol)    (mg/L)                                       (％)

3.36      0.72         1.302      34.01            1.644            34.94

5.60      1.21         0.933      52.69            1.271            49.70

7.84      1.69         0.687      65.18            1.070            57.66

10.08     2.17         0.516      73.85            0.737            70.83

11.20     2.41         0.425      78.46            0.657            74.00

22.40     4.83         0.334      83.07            0.455            81.99

从图1可以看出，总磷和正磷酸盐的去除率随投加量增加而增加，在Fe/P(mol/mol)为2.4之前，总磷和正磷酸盐的去除率随投加量的增加而迅速增加，而在此点之后，随着投加量的增加，总磷和正磷酸盐的去除率也增加，但是增长趋势缓慢。

由于单纯形需要确定边界条件，根据以上实验确定混凝剂投加量的边界条件为Fe/P(mol/mol)在1-4之间，以避免投加量过大的情况出现。

(2)寻找pH的边界条件，确定pH值的范围：

分别取400mL水样置于6个500mL烧杯中，用0.1mol/L盐酸溶液或氢氧化钠溶液调整pH值，变化范围从5.0～9.0，然后加入一定量的混凝剂(见表3)，在转速为200r/min下搅拌1min，在30r/min下搅拌30min，然后静置沉降30min，在液面下3cm处取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度。结果见表3、见图2。

表3 pH值对硫酸铁除磷的影响

pH    投加量    正磷酸盐    去除率(％)    总磷(mg/L)    去除率(％)

      (mg/L)    (mg/L)

5.0    11.20    1.513       23.31         1.815         28.18

6.0    11.20    1.009       48.86         1.251         50.49

7.0    11.20    0.465       76.43         0.657         74.00

7.9    11.20    0.516       73.85         0.728         71.19

8.5    11.20    0.657       66.70         0.887         64.90

9.0    11.20    0.875       55.65         1.126         55.44

从图2可以看出：硫酸铁的混凝去除效率受溶液pH值的影响。在投加相同量混凝剂的条件下，正磷酸盐去除率的变化范围为23.31％-76.43％，总磷去除率的变化范围为28.18％-74.00％。正磷酸盐和总磷的最佳去除率出现在7-8之间。

根据以上实验结果，从而确定硫酸铁的pH值影响的单纯形边界条件为pH值在6.0-8.5之间。

(3)单纯形优化实验

根据以上实验结果进行单纯形优化实验。通过实验确定的边界条件分别为投加量(Fe/P，mol/mol)在1-4之间，pH值在6.0-8.5之间。在此区域内任选三点(即点1、2、3)开始单纯形实验。实验结果如表4所示。

先分别取400mL水样置于3个500mL烧杯中(表4中的序号为1、2、3号)，用0.1mol/L盐酸溶液或氢氧化钠溶液调节至所需pH值(在范围内任选出来的)，然后加入一定量的混凝剂(在范围内任选出来的)，在200r/min时快速搅拌1分钟，然后在30r/min时慢搅30分钟，沉淀30分钟。在液面下3cm处取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度。根据总磷的去除率通过单纯形法动态调优，最终得出水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH。

结果见表4。

表4硫酸铁单纯形优化数据

实验结果表明：通过21次实验(做多少次实验是不确定的，当总磷去除率(％)出现较高值时，实验结束)，单纯形即可确定硫酸铁除磷的最佳条件。其最佳条件为：投加量为2.95(Fe/P，mol/mol)，pH值为7.0。在最佳条件下总磷的去除率为87.25％，总磷的残余浓度为0.35mg/L。

通过单纯形优化，总磷的去除率达到87.25％，而总磷的残余浓度为0.35mg/L，达到0.5mg/L以下的《城市污水再生利用-景观环境用水水质》标准(GB/T18921-2002)。

实施例2

混凝剂以硫酸铝为例：

(1)寻找混凝剂投加量的边界条件，确定混凝剂中的金属离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围；

(2)寻找pH的边界条件，确定pH值的范围；

(3)单纯形优化试验：(方法参照实施例1)通过实验确定的边界条件分别为投加量Al/P(mol/mol)为1-5.0∶1之间，pH值在5.0-8.5之间。在此区域内任选三点(即点1、2、3)开始单纯形实验，在投加量为4.13(Al/P，mol/mol)，pH值为6.3时，硫酸铝的去除效率最大，此时总磷的去除率为95.60％，总磷的残余浓度为0.12mg/L，达到0.5mg/L以下的《城市污水再生利用-景观环境用水水质》标准(GB/T18921-2002)。

实施例3

以混凝剂聚合氯化铝为例：

(1)寻找混凝剂投加量的边界条件，确定混凝剂中的金属离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围；

(2)寻找pH的边界条件，确定pH值的范围；

(3)单纯形优化试验：(方法参照实施例1)通过实验确定的边界条件分别为投加量Al/P(mol/mol)为1-5.5∶1之间，pH值在5.0-8.5之间。在此区域内任选三点(即点1、2、3)开始单纯形实验。在投加量为4.37(Al/P，mol/mol)，pH值为5.4时，聚合氯化铝的去除效率最大，此时总磷的去除率为93.97％，总磷的残余浓度为0.16mg/L，达到0.5mg/L以下的《城市污水再生利用-景观环境用水水质》标准(GB/T18921-2002)。

Claims (8)

1.一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是包括如下步骤：

(1)寻找混凝剂投加量的边界条件，确定混凝剂中的金属离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围；

(2)寻找pH的边界条件，确定pH值的范围；

(3)单纯形优化试验：取水样置于容器中，在混凝剂中金属离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围之间、pH的范围之间，任选三点，搅拌，沉淀，在液面下取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度，根据结果确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH。

2.根据权利要求1所述的一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述混凝剂为硫酸铁、硫酸铝或聚合氯化铝。

3.根据权利要求1所述的一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述混凝剂为硫酸铁，所述确定硫酸铁中铁离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围为1-4.0∶1，所述确定pH值的范围为6.0-8.5。

4.根据权利要求1所述的一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述混凝剂为硫酸铝，所述确定硫酸铝中铝离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围为1-5.0∶1，所述确定pH值的范围为5.0-8.5。

5.根据权利要求1所述的一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述混凝剂为聚合氯化铝，所述确定聚合氯化铝中铝离子与待处理水中总磷的摩尔比的范围为1-5.5∶1，所述确定pH值的范围为5.0-8.5。

6.根据权利要求1所述的一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述单纯形优化试验为：取水样置于容器中，在混凝剂硫酸铁中Fe/P摩尔比的范围为1-4∶1之间、pH的范围为6.0-8.5之间，任选三点，以200r/min搅拌1分钟，在30r/min搅拌30分钟，沉淀30分钟，在液面下3cm处取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度；根据试验的结果确定水处理中混凝剂硫酸铁最佳投加量及最佳pH。

7.根据权利要求1所述的一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述进行单纯形优化试验为：取水样置于容器中，在混凝剂硫酸铝中Al/P摩尔比的范围为1-5.0∶1之间、pH的范围为5.0-8.5之间，任选三点，以200r/min搅拌1分钟，在30r/min搅拌30分钟，沉淀30分钟，在液面下3cm处取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度；根据试验的结果确定水处理中混凝剂硫酸铝最佳投加量及最佳pH。

8.根据权利要求1所述的一种确定水处理中混凝剂最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述进行单纯形优化试验为：取水样置于容器中，在混凝剂聚合氯化铝中Al/P摩尔比的范围为1-5.5∶1之间、pH的范围为5.0-8.5之间，任选三点，以200r/min搅拌1分钟，在30r/min搅拌30分钟，沉淀30分钟，在液面下3cm处取液，测定正磷酸盐和总磷的浓度；根据试验的结果确定水处理中混凝剂聚合氯化铝最佳投加量及最佳pH。

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