CN102603125A - 污水处理中化学辅助除磷自动加药控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种污水处理中化学辅助除磷自动加药控制方法及装置，是通过总磷在线监测仪和铁离子在线监测仪分别对污水处理厂的生物反应池好氧段中部位置处和二沉池出水口处进行采样监测，采集生物反应池好氧段中间位置处水样中的总磷浓度和二沉池出水口处水样中的铁离子浓度，同时通过流量计监测生物反应池进水的流量；依据生物反应池好氧段中部位置处水样的总磷浓度和生物反应池进水流量确定药剂加药量，同时依据二沉池出水口处水样中的铁离子浓度计算的总磷浓度对药剂投加量进行修正。本发明确定的加药量更加经济、合理，切实保障污水处理厂出水总磷达标，提高出水的稳定性，保障了出水水质稳定性，增强了化学同步除磷工艺抗负荷冲击能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种城镇污水处理厂在污水处理过程中进行化学辅助除磷的自动加药控制方法及装置，属于污水处理技术领域。
背景技术
近年来，水体富营养化趋势不断加剧，严重威胁着人们的生产和生活。研究发现，对于内陆水体，磷是水体富营养化的主要限制因素，而城镇污水处理厂的磷排放是造成水体富营养化的主要原因之一。因此，各国均制定了严格的城镇污水处理厂磷排放标准。
国内外现有的污水除磷工艺主要是生物除磷和化学除磷两种。与化学处理方法相比，生物处理方法具有运行成本较低、剩余污泥产量少、同时具有生物脱氮等优势，因此，城镇污水处理厂普遍采用生物除磷工艺。根据国内外的实际运行经验，在生物处理系统中，由于生物脱氮与生物除磷之间存在碳源竞争、硝酸盐对除磷影响等矛盾问题，如果只采用生物除磷工艺，一般很难满足出水要求（《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A出水总磷小于0.5 mg/L））。为确保出水总磷达标排放，城镇污水处理厂通常在生物脱氮除磷工艺基础上增加化学辅助除磷系统，通过投加化学药剂进一步提高总磷去除能力。
目前，国内城镇污水处理厂在化学辅助除磷过程中药剂投加主要采用以下技术方案：
1、人工控制投加。该方法是通过人工多次采集污水处理厂的进水，测得进水中总磷浓度，取平均值，根据化学计量关系确定化学药剂投加量，然后将化学药剂通过加药泵投加至污水处理系统，实现化学方法除磷。然而在污水处理厂实际运行过程中，进水总磷浓度随时间变化而波动，如果采用固定的化学药剂投加量，一旦进水总磷浓度较高，会导致二沉池出水总磷不达标；相反，一旦进水总磷浓度较低，则造成化学药剂的浪费，增加运营成本。
2、基于进水总磷浓度的自动控制投加。该方法是通过安装在线总磷自动监测仪，连续监测污水处理厂进水的总磷浓度，并将总磷浓度通过信号传递给中央处理器，中央处理器依据进水总磷浓度确定加药量，将加药量通过信号反馈给加药计量泵，实现投药量的连续自动控制。在实际操作过程中，由于在线总磷监测需要花费一定的时间，往往造成加药量的反馈信号滞后，影响出水总磷浓度的达标稳定性。
3、基于污水处理系统出水总磷浓度的自动控制投加。如中国专利ZL 200410024908.2公开的《一种化学生物絮凝处理城市污水的自动控制方法及其装置》，是通过总磷在线自动监测仪对生物反应池进水和二沉池出水的总磷含量进行实时在线监测，将总磷含量通过信号传递给中央处理器，中央处理器依据进水总磷和出水总磷浓度确定加药量，将加药量通过信号反馈给加药计量泵，实现投药量的连续自动控制。尽管与前两种药剂投加方式相比，该方法更加经济、高效，但该方法在目前城镇污水处理厂应用中存在严重缺陷：1）由于该自控方法的研发应用工艺中不具备生物强化除磷能力，其药剂投加量仅依据药剂和总磷之间的化学反应关系式来计算确定，另外，为充分发挥化学药剂的絮凝能力，其药剂投加点布设在生物反应池的最前端。而自2002年后，我国开始大规模新建具有生物强化除磷能力的城镇污水处理厂，如果不考虑生物除磷能力，其化学药剂投加量通常较大，而过量的化学除磷药剂对系统的生物除磷能力造成潜在的有害循环：过量投加→聚磷吸收量减少→聚磷菌量减少→生物除磷量减少→需要加大投加量→聚磷菌量减少→…。2）通常，在城镇污水处理厂剩余污泥处理处置过程中，回流的上清液携带有大量的磷酸盐，对进水水质造成冲击，如果不考虑这部分磷酸盐的影响，很难确保出水总磷稳定达标排放。
因此，对于城镇污水处理厂而言，如何通过自动控制系统实现最佳的药剂投加，实现化学除磷和生物除磷的最佳协同效果，目前尚是一个技术难题。
发明内容
针对现有城镇污水处理厂化学辅助除磷药剂投加自控系统的不足，本发明提供一种能够实现化学药剂投加过程的自动连续控制、保证出水总磷稳定达标排放的污水处理中化学辅助除磷自动加药控制方法，同时提供一种实现该方法的装置。
本发明的污水处理中化学辅助除磷自动加药控制方法，是：
通过总磷在线监测仪和铁离子在线监测仪分别对污水处理厂的生物反应池好氧段中部位置处和二沉池出水口处进行采样监测，采集生物反应池好氧段中间位置处水样中的总磷浓度和二沉池出水口处水样中的铁离子浓度，同时通过流量计监测生物反应池进水的流量；
依据生物反应池好氧段中部位置处水样的总磷浓度和生物反应池进水流量确定药剂加药量，药剂为氯化铁：
药剂投加量=1.2×162.5/31×[TP]·（1+R）·Q ，
其中：药剂投加量单位是毫克/秒；[TP]为生物反应池好氧段中部位置处水样的总磷浓度，单位毫克/升；Q为生物反应池的进水流量，单位升/秒；R为污泥回流比；
依据二沉池出水口处水样中的铁离子浓度和磷酸铁的溶度积Ksp=[Fe3+]·[PO4 3-]（磷酸铁的Ksp常数查表可知），计算出二沉池出水口处的总磷浓度，根据计算的二沉池出水口处总磷浓度对上述公式计算的药剂投加量进行修正；若总磷浓度大于0.45mg/L（GB18198-2002 一级A标准为0.5 mg/L），则修正药剂投加量，使药剂投加量在按上述公式计算的药剂投加量的基础上增加3－5％；如果二沉池出水口处总磷浓度小于0.25mg/L，则修正药剂投加量，使药剂投加量在按上述公式计算的药剂投加量的基础上减少2－3％；如果二沉池出水口处总磷浓度在0.25mg/L－0.45mg/L之间，无需修正药剂投加量；药剂投加点位于好氧段离其进水口3/4好氧段总长的位置处，这样就实现了化学辅助除磷药剂投加的在线自动控制。
实现上述方法的污水处理中化学辅助除磷自动加药控制装置，采用以下方案：
该装置，包括总磷在线监测仪、铁离子在线监测仪、流量计、中央处理器、药剂自动投加装置和显示装置，总磷在线监测仪、铁离子在线监测仪和流量计均与中央处理器连接，药剂自动投加装置包括投药箱、溶液箱和计量泵，药箱和溶液箱通过管路与计量泵连接，计量泵与中央处理器连接，显示装置与中央处理器连接；
总磷在线监测仪在线监测污水处理厂生物反应池好氧段中部位置处水样的总磷浓度，铁离子在线监测仪在线监测二沉池出水口处水样的铁离子浓度，流量计监测生物反应池进水的流量，并将上述参数信号传递给中央处理器，中央处理器对传递的参数实时进行分析处理，并将数据转换为电信号输出给药剂自动投加装置和显示装置，药剂自动投加装置通过接收中央处理器处理的数据，自动实时调整计量泵的频率来实现实时控制药剂的投加量，进行药剂的自动投加，显示装置通过接收中央处理器的信号，显示所有实时监控数据并显示设置的信息，一旦总磷在线监测仪或药剂自动投加装置出现故障就进行报警。
中央处理器采用可编程控制器PLC。
本发明具有以下优点：
1．在生物反应池好氧段中部位置处采样分析总磷浓度。通常在此位置，除磷微生物已基本完成了好氧吸磷过程，依据此处的液相中溶解性磷酸盐浓度确定主馈回路的加药量，不会造成因药剂过量投加而影响生物除磷潜力的发挥。另外，与进水处采样分析总磷来确定加药量的方法相比，该位置采样充分考虑了剩余污泥处理的上清液回流所携带的磷酸盐，该方法确定的加药量更加经济、合理。
2．在线采集水样分析总磷浓度通常大约需要30分钟，加药点位于好氧段3/4处，在该位置投加药剂一方面不会发生由于总磷分析仪耗时而导致的信号滞后问题；另一方面，该位置投加的药剂在进入二次沉淀池之前有充分的混合反应时间，达到高效除磷的目的。
3．二沉池出水口处水样的铁离子浓度检出时间短，并可迅速传输给中央处理器，经过中央处理器计算后，如果有出水不达标现象，可以迅速修正投药量，切实保障污水处理厂出水总磷达标，提高出水的稳定性。
4．采取修正药剂投加量的运营方式，保障了出水水质稳定性，提高了除磷药剂的利用效率，增强了化学同步除磷工艺抗负荷冲击能力。
附图说明
图1是本发明的污水处理中化学辅助除磷自动加药控制装置结构原理示意图。
图2是本发明自动加药控制的工作流程图。
其中：1、总磷在线监测仪，2、铁离子在线监测仪，3、中央处理器，4、药剂自动投加装置，5、显示装置，6、一号取样泵，7、二号取样泵，8、流量计、9、格栅，10、沉砂池，11、初沉池，12、缺氧段，13、厌氧段，14、好氧段，15、二沉池，16、污泥脱水间。
具体实施方式
如图1所示，本发明的污水处理中化学辅助除磷自动加药控制装置，包括总磷在线监测仪1、铁离子在线监测仪2、流量计8、中央处理器3、药剂自动投加装置4和显示装置5。中央处理器3采用可编程控制器PLC。总磷在线监测仪1、铁离子在线监测仪2和流量计8均与中央处理器3连接，显示装置4也与中央处理器连接。
药剂自动投加装置4包括投药箱、溶液箱和计量泵，药箱和溶液箱通过管路与计量泵连接，计量泵与中央处理器3连接。
图2给出了污水处理中化学辅助除磷自动加药控制装置的工作流程：
污水处理厂的布置一般由前至后依次包括格栅9、沉砂池10、初沉池11、生物反应池、二沉池15和污泥脱水间16，生物反应池包括缺氧段12、厌氧段13和好氧段14。二沉池15产生的污泥一部分回流至生物反应池重复利用，另一部分与初沉池11产生的剩余污泥一起进入污泥脱水间16进行脱水处理，污泥脱水间16产生的机械脱水清液回流到沉砂池10重新进行处理。生物反应池中回流污泥的流量与进水流量的比值就是污泥回流比R，该比值通常为100%-300%。
通过一号取样泵6和二号取样泵7分别提取污水处理厂生物反应池好氧段14中部位置处的水样和二沉池15出水口处的出水，总磷在线监测仪1和铁离子在线监测仪2分别在线监测生物反应池好氧段14中部位置处水样的总磷浓度和二沉池15出水的铁离子浓度，并将实时监测数据通过信号传递给中央处理器3。通过流量计8监测生物反应池进水处进水的流量。
在中央处理器3内编制程序，以流量计8监测的生物反应池进水处的进水流量、总磷在线监测仪1监测的生物反应池好氧段14中部位置处水样的总磷浓度为输入变量，以所需的药剂投加量为输出变量，按以下公式计算药剂投加量：
药剂投加量=1.2×162.5/31×[TP]·（1+R）·Q ，
其中：药剂投加量单位毫克/秒，[TP]为生物反应池好氧段中部位置处水样的总磷浓度，单位毫克/升；Q为生物反应池的进水流量，单位升/秒；R为污泥回流比，通常为100%-300%，具体数值可根据污水处理厂的实际情况确定。
药剂为氯化铁，氯化铁与污水中磷酸盐的反应为：
FeCl3+PO4 3-→FePO4↓+3Cl- ，
从化学反应来看，三价铁离子和磷酸离子是以等摩尔比进行的反应，所以药剂的投加量取决于总磷的浓度，又因为污水中的氢氧根离子与药剂反应而生成氢氧化物，消耗了相当数量的药剂，故在实际应用中，氯化铁的投加量需根据其摩尔比乘上系数1.2。上述公式中的162.5是磷酸铁（FeCl3）的摩尔质量，31是磷（P）的摩尔质量。
在生物反应池好氧段中部位置处，除磷微生物已基本完成了好氧吸磷过程，依据此处的液相中溶解性磷酸盐浓度确定药剂加药量，通常不会造成因药剂过量投加而影响生物除磷潜力的发挥。另外，与在生物反应池进水处采样分析总磷来确定加药量的方法相比，在生物反应池好氧段中部位置处采样分析总磷充分考虑了剩余污泥处理的上清液回流所携带的磷酸盐，上述方法确定的加药量更加经济、合理。
同时，中央处理器3依据二沉池出水口处水样中的铁离子浓度和磷酸铁的溶度积Ksp=[Fe3+]·[PO4 3-]（磷酸铁的Ksp常数查表可知），计算出总磷浓度，根据计算的总磷浓度对药剂投加量进行修正。若总磷浓度大于0.45mg/L（GB18198-2002 一级A标准为0.5 mg/L），中央处理器3控制药剂自动投加装置4中的计量泵输出频率增加3－5％（也就是使药剂投加量在按上述公式计算的药剂投加量的基础上增加3－5％）。如果总磷浓度小于0.25mg/L，中央处理器3控制药剂自动投加装置4中的计量泵输出频率减少2－3％（也就是使药剂投加量在按上述公式计算的药剂投加量的基础上减少2－3％）。如果总磷浓度在0.25mg/L－0.45mg/L之间，无需修正药剂投加量。药剂投加点位于污水处理厂的好氧段离其进水口3/4好氧段总长的位置处，这样就实现了化学辅助除磷药剂投加的在线自动控制。
药剂投加点位于好氧段离其进水口3/4总长位置处。在线采集样品分析总磷浓度通常大约需要30分钟，在位于好氧段3/4位置处投加药剂，一方面不会发生由于总磷在线检测仪耗时而导致的信号滞后问题；另一方面，该位置投加的药剂在进入二次沉淀池之前有充分的混合反应时间，达到高效除磷的目的。
中央处理器3对总磷在线监测仪传递的参数实时进行分析处理，并将数据转换为电信号输出给药剂自动投加装置4和显示装置5，药剂自动投加装置4通过接收中央处理器3处理的数据，自动实时调整计量泵的频率来实现实时控制药剂的投加量，进行药剂的自动投加。显示装置5通过接收中央处理器3的信号，显示所有实时监控数据并显示设置的信息，一旦各仪器或药剂自动投加装置4出现故障进行报警。
Claims (2)
1.一种污水处理中化学辅助除磷自动加药控制方法，其特征是：
通过总磷在线监测仪和铁离子在线监测仪分别对污水处理厂的生物反应池好氧段中部位置处和二沉池出水口处进行采样监测，采集生物反应池好氧段中间位置处水样中的总磷浓度和二沉池出水口处水样中的铁离子浓度，同时通过流量计监测生物反应池进水的流量；
依据生物反应池好氧段中部位置处水样的总磷浓度和生物反应池进水流量确定药剂加药量，药剂为氯化铁：
药剂投加量=1.2×162.5/31×[TP]·（1+R）·Q ，
其中：药剂投加量单位是毫克/秒；[TP]为生物反应池好氧段中部位置处水样的总磷浓度，单位毫克/升；Q为生物反应池的进水流量，单位升/秒；R为污泥回流比；
依据二沉池出水口处水样中的铁离子浓度和磷酸铁的溶度积Ksp=[Fe3+]·[PO4 3-]，计算出二沉池出水口处的总磷浓度，根据计算的二沉池出水口处总磷浓度对上述公式计算的药剂投加量进行修正；若二沉池出水口处总磷浓度大于0.45mg/L，则修正药剂投加量，使药剂投加量在按上述公式计算的药剂投加量的基础上增加3－5％；如果二沉池出水口处总磷浓度小于0.25mg/L，则修正药剂投加量，使药剂投加量在按上述公式计算的药剂投加量的基础上减少2－3％；如果二沉池出水口处总磷浓度在0.25mg/L－0.45mg/L之间，无需修正药剂投加量；药剂投加点位于好氧段离其进水口3/4好氧段总长的位置处，这样就实现了化学辅助除磷药剂投加的在线自动控制。
2.一种污水处理中化学辅助除磷自动加药控制装置，包括总磷在线监测仪、铁离子在线监测仪、流量计、中央处理器、药剂自动投加装置和显示装置，其特征是：
总磷在线监测仪、铁离子在线监测仪和流量计均与中央处理器连接，药剂自动投加装置包括投药箱、溶液箱和计量泵，药箱和溶液箱通过管路与计量泵连接，计量泵与中央处理器连接，显示装置与中央处理器连接；
总磷在线监测仪在线监测污水处理厂生物反应池好氧段中部位置处水样的总磷浓度，铁离子在线监测仪在线监测二沉池出水口处水样的铁离子浓度，流量计监测生物反应池进水的流量，并将上述参数信号传递给中央处理器，中央处理器对传递的参数实时进行分析处理，并将数据转换为电信号输出给药剂自动投加装置和显示装置，药剂自动投加装置通过接收中央处理器处理的数据，自动实时调整计量泵的频率来实现实时控制药剂的投加量，进行药剂的自动投加，显示装置通过接收中央处理器的信号，显示所有实时监控数据并显示设置的信息，一旦总磷在线监测仪或药剂自动投加装置出现故障就进行报警。
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