CN109384294A - 一种絮凝剂的自动加药方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种絮凝剂的自动加药方法。1)利用COMSOL软件模拟絮凝剂的处理污水过程，得到水样的絮凝曲线，通过絮凝曲线得到絮凝剂与水样的最佳比例；2)建立絮凝沉淀微流控实验室；3)将步骤2所述的微流控实验室连接浊度仪，通过微流控实验室和浊度仪对步骤1得到的最佳比例进行验证，从而得到絮凝剂的最佳投加量。利用COMSOL软件模拟絮凝剂的处理污水过程的方法，其步骤包括依次进行模型向导、画几何体、选择材料、设置边界、计算的操作过程得到(絮凝曲线)，可以得到絮凝剂与水样的最佳比例。省去了人工的操作，同时提高了准确性。

Description

一种絮凝剂的自动加药方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种絮凝剂的自动加药方法。
背景技术
物理处理时污水处理的第一个环节，包括初沉池、二沉池和沉砂池等构筑物。对于污水中的颗粒较小的悬浮物，加入絮凝剂使水或液体中悬浮微粒集聚变大，或形成絮团，从而加快粒子的聚沉，达到固-液分离的目的，这一现象或操作称作絮凝。但是，如何控制絮凝剂在沉淀池中的浓度，成了工业上的又一大难题。絮凝剂的浓度过低，水中的残余的悬浮物会越来越多，就会达不到预期的水处理效果。而浓度过高，则会造成试剂的浪费。
国内外主要通过浊度法来控制絮凝剂的浓度，在沉淀池中添加絮凝剂后，取样，用浊度仪检测处理后水的浊度，当浊度值过大时，向水中添加絮凝剂，以此控制沉淀池中药剂的浓度。方法操作复杂，而且数据具有时间滞后性。对沉淀池底部污泥状态的检测，通常使用在水中安装摄像头的方法，观测絮凝颗粒的大小和出泥量的多少。成本较高，并且由于悬浮物的存在，摄像头的检测范围较小。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的一个目的是提供一种絮凝剂的自动加药方法。使用COMSOL模拟颗粒物絮凝过程的方法，并通过搭建微流控实验室，建立微型絮凝池，监测污水的处理效果和出泥状态。在浊度值高于行业标准时进行系统自动加药。通过数值模拟的方法对絮凝过程进行模拟，研究絮凝剂的投加对絮凝过程的影响，解决了安装摄像头不能实时监测的缺点，微流控实验室的建立模拟絮凝水池，实现了调节进入的水和絮凝剂，并与浊度仪连接，能够实时监测浊度值，实时得到絮凝剂的絮凝效果，以便研究絮凝剂的加药量。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种絮凝剂的自动加药方法，具体步骤为：
1)利用COMSOL软件模拟絮凝剂的处理污水过程，得到水样的絮凝曲线，通过絮凝曲线得到絮凝剂与水样的最佳比例范围；
2)建立絮凝沉淀微流控实验室；
3)将步骤2所述的微流控实验室连接浊度仪，通过微流控实验室和浊度仪对步骤1得到的最佳比例进行验证，从而得到絮凝剂的最佳投加值。
本申请的利用COMSOL软件模拟絮凝过程的方法，省去了絮凝剂在实际的投加过程中反复的试验所带来的不方便，絮凝剂的效果需要从池底进行观察，现有技术的做法是在池底安装观察装置，但是碍于装置和光线，观察结果并不十分准确，现场每次进行的絮凝剂投加过程都需要分别进行水的浊度测试，而且不能直接的进行测试。通过建立微流控实验室，加强了对软件模拟的准确性，本申请通过软件模拟，省去了人工的操作，同时提高了准确性。
上述一种利用COMSOL软件模拟絮凝剂的处理污水过程的方法，其步骤包括依次进行模型向导、画几何体、选择材料、设置边界、计算的操作过程得到絮凝曲线，可以得到絮凝剂与水样的最佳比例范围。
所述模型向导的具体操作步骤为：
1)打开comsol软件，点击“新建”，模型向导，二维；
2)选择物理场，选择物理场，添加“稀物质传递”；
3)单击“添加”；
4)在“选择研究”中选择“带初始化的瞬态”；
5)点击“完成”。
由于絮凝剂的浓度所以选择“稀物质传递”
所述画几何体的具体操作步骤为：
1)在工具栏中选择“几何”，用矩形用布尔运算和分割画出二维图；
2)点击“形成联合体”。
所述选择材料的具体操作步骤为：
1)选择“材料”，点击“添加材料”；
2)在材料库中选择H2O，NaCl，絮凝剂；
3)设置污水的浊度；
4)单击窗口工具栏中的“添加到组件”。
优选的，所述絮凝剂为聚丙烯酸PAA或者聚丙烯酰胺PAM。
优选的，所述污水的总悬浮颗粒物ss为100-300mg/L。
所述设置边界的具体操作步骤为：
1)“稀物质传递”物理场中“传递属性”中定义层流入口1的边界温度、设置速度场的速度；层流入口2的速度和重力加速度，速度场设置完毕，设置通道入口的质量分数；
2)初始值设置为0mol/L；
3)选择物理场中的“边界”，对两个入口选择“流入”，出口边界选择“流出”。
优选的，所述步骤1)中层流入口1的边界温度为293.15K；层流入口1的速度场在x方向设置速度为5-8m/s，y方向设置为0。
更进一步优选的，层流入口1的速度场在x方向设置速度为6.5m/s。
优选的，所述步骤1)中层流入口2的y方向速度为2-5m/s，重力加速度为9.8m/s2。
更进一步优选的，所述步骤1)中层流入口2的y方向速度为3m/s。
优选的，所述步骤1)中通道入口的质量分数为0.1％-0.5％；优选为0.3％。
所述计算的具体操作步骤为：设置一个计算2700秒的瞬态求解器，在前100秒每10秒保存解，之后的2600秒每100秒保存解，然后求解模型。
计算的时间不能太长也不能太短，太短影响精确性，太长精确性降低，同时影响效率。
所述计算的具体操作过程为：
1)在模型开发器窗口中展开研究节点，然后单击“瞬态”；
2)在瞬态的设置窗口中，定位到研究设置栏；
3)在时间步文本框中键入“range(0,10,100),range(200,100,2700)”；
4)在主屏幕工具栏中单击计算；
5)添加网格，选择“细化”；
6)选择“研究”，点击“计算”。
所述步骤2中搭建絮凝沉淀微流控实验室的方法为：
S1:在微流控芯片上搭建两个平行通道，分别为污水水样通道和絮凝剂通道，所述絮凝剂通道上设置絮凝剂池和毛细管，所述污水水样通道上设置污水水池和玻璃管；
S2:设置两个气动微流体控制装置，分别与微流控芯片上的絮凝剂池和污水水池连接；
S3:毛细管和玻璃管分别连接絮凝沉淀池。
上述搭建絮凝沉淀微流控实验室的方法得到一种絮凝沉淀微流控实验室，包括气动微流体控制装置、微流控芯片、微流控芯片上的污水水样通道和絮凝剂通道、絮凝沉淀池，所述絮凝剂通道上设置絮凝剂池和毛细管，所述污水水样通道上设置污水水池和玻璃管，气动微流体控制装置分别与微流控芯片上的絮凝剂池和污水水池连接，毛细管和玻璃管分别连接絮凝沉淀池，絮凝剂池和毛细管之间、污水水池和玻璃管之间通过流体通道连接。
优选的，所述微流控芯片采用高分子聚合物二甲基硅氧烷制造。
优选的，所述流体通道的宽度和深度为毫米级。
本发明的有益效果：
1.用COMSOL数值模拟软件可以模拟出颗粒物的絮凝过程，可以通过改变边界和进口条件来模拟絮凝剂投加量对絮凝过程的影响；
2.在利用COMSOL数值模拟软件进行模拟絮凝沉淀池时，先建立一个二维的沉淀池模型，然后设置絮凝剂和污水进入沉淀池的过程和状态，完全呈现了絮凝沉淀的过程，然后充分利用软件能够迅速得到计算结果的有利条件，得到所加入的数值对絮凝过程的影响；
3.利用“稀物质传递”物理场，利用扩散的过程中絮凝剂和污水接触后所发生的絮凝过程；系统根据絮凝剂的名称，在有重力加速度的条件下，遇到污水后根据悬浮物的浓度会进行计算。
4.由于絮凝沉淀过程在沉淀池内移动限于二维空间，考虑了物质的在竖直方向上收到的重力，使絮凝沉淀过程更加的贴合实际的絮凝过程；
5.建立微型絮凝池，不需要在沉淀池底部安装摄像头就可以对絮凝状态实现实时监测；
6.将微流控实验室与浊度仪相连，便于浊度值的检测；
7.当浊度值偏大时，系统可以通过自学习实现自动加药，既能保证达到理想的絮凝效果，同时避免了过度加药造成的资源浪费。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为画几何体步骤后得到的二维沉淀池模型；
图2为计算步骤操作之后得到的结果的絮凝曲线图；
图3为本申请的微流控实验室的结构图；
其中1、气动微流体控制装置，2、絮凝剂池，3、污水池，4、毛细管，5、玻璃管，6、絮凝沉淀池，7、微流控芯片，8、浊度仪，9、层流入口1，10、层流入口2，11、二维沉淀池模型，12、层流出口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
一种絮凝剂的自动加药方法，具体步骤为：
1、利用COMSOL软件模拟絮凝剂的处理污水过程，得到水样的絮凝曲线，通过絮凝曲线得到絮凝剂与水样的最佳比例范围；
2、建立絮凝沉淀微流控实验室；
3、将步骤2所述的微流控实验室连接浊度仪，通过微流控实验室和浊度仪对步骤1得到的最佳比例进行验证，从而得到絮凝剂的最佳比例值。
实施例2
一种利用COMSOL软件模拟絮凝剂的处理污水过程，其步骤包括依次进行模型向导、画几何体、选择材料、设置边界、计算的操作过程得到絮凝曲线，可以得到絮凝剂与水样的最佳比例。
实施例3
所述模型向导的具体操作步骤为：
1)打开comsol软件，点击“新建”，模型向导，二维；
2)选择物理场，选择物理场，添加“稀物质传递”；
3)单击“添加”；
4)在“选择研究”中选择“带初始化的瞬态”；
5)点击“完成”。
所述画几何体的具体操作步骤为：
1)在工具栏中选择“几何”，用矩形用布尔运算和分割画出二维图；
2)点击“形成联合体”。
所述选择材料的具体操作步骤为：
1)选择“材料”，点击“添加材料”；
2)在材料库中选择H2O，NaCl，絮凝剂PAA；
3)设置污水的浊度；
4)单击窗口工具栏中的“添加到组件”。
所述污水设置的浊度为总悬浮颗粒物ss＝150mg/L，絮凝剂是PAA
所述设置边界的具体操作步骤为：
1)“稀物质传递”物理场中“传递属性”中定义层流入口1的边界温度为293.15K、设置速度场的速度在x方向设置速度为6.5m/s，y方向设置为0；层流入口2的速度y方向速度为3m/s，重力加速度为9.8m/s2，速度场设置完毕；
2)初始值设置为0mol/L；
3)选择物理场中的“边界”，对两个入口选择“流入”，出口边界选择“流出”。
所述步骤1)中层流入口1的边界温度为293.15K；层流入口1的速度场在x方向设置速度为6.5m/s，y方向设置为0。
所述步骤1)中层流入口2的y方向速度为3m/s，重力加速度为9.8m/s2。
优选的，所述步骤1)中所述步骤S2质量分数为30％。
所述计算的具体操作步骤为：设置一个计算2700秒的瞬态求解器，在前100秒每10秒保存解，之后的2600秒每100秒保存解，然后求解模型。
所述计算的具体操作过程为：
1)在模型开发器窗口中展开研究节点，然后单击“瞬态”；
2)在瞬态的设置窗口中，定位到研究设置栏；
3)在时间步文本框中键入“range(0,10,100),range(200,100,2700)”；
4)在主屏幕工具栏中单击计算；
5)添加网格，选择“细化”；
6)选择“研究”，点击“计算”。
实施例4
搭建微流控实验室的方法
S1:在微流控芯片上搭建两个平行通道，分别为污水水样通道和絮凝剂通道，所述絮凝剂通道上设置絮凝剂池和毛细管，所述污水水样通道上设置污水水池和玻璃管；
S2:设置两个气动微流体控制装置，分别与微流控芯片上的絮凝剂池和污水水池连接；
S3:毛细管和玻璃管分别连接絮凝沉淀池。
实施例5
絮凝沉淀微流控实验室，包括气动微流体控制装置、微流控芯片、微流控芯片上的污水水样通道和絮凝剂通道、絮凝沉淀池，所述絮凝剂通道上设置絮凝剂池和毛细管，所述污水水样通道上设置污水水池和玻璃管，气动微流体控制装置分别与微流控芯片上的絮凝剂池和污水水池连接，毛细管和玻璃管分别连接絮凝沉淀池，絮凝剂池和毛细管之间、污水水池和玻璃管之间通过流体通道连接。
所述微流控芯片采用高分子聚合物二甲基硅氧烷制造。
所述流体通道的宽度和深度为毫米级。
实施例6
微流控实验室检测絮凝剂和污水水样比例的方法
1、打开气动微流体控制装置，该装置为流体提供稳压气体，驱动液体的流动。
2.两根毛细管通过管路分别进入絮凝沉淀池，通过气体压力的大小来改变液体的流速。
3.观察添加絮凝剂以后絮凝池内絮凝颗粒的大小，颗粒的松散状态以及沉降快慢状态；
4.将微型絮凝池与浊度仪相连，用浊度法检测处理后水样的浊度；
5.根据行业标准规定的浊度值，通过调节气体压力大小来调节进水流量和絮凝剂的流量，以控制絮凝剂的投加比例；
6.当浊度值偏大时，系统可通过数值检测自动调整压力的大小，自动加药，实现系统自学习。
通过实施例4的方法得到的结果如图2所示；
根据数据可知，絮凝沉淀微流控实验室进行验证得到的结果絮凝剂和污水水样的最佳比例为千分之三。
表1微流控实验室的数据
PAA/100％ 0％ 0.1％ 0.2％ 0.3％ 0.4％
浊度1(mg/L) 150.2 101.6 33.8 7.7 7.9
浊度2(mg/L) 149.9 102.5 48.1 5.5 5.1
浊度3(mg/L) 149.8 92.5 44.7 12.1 12.0
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种絮凝剂的自动加药方法，其特征在于：具体步骤为：
1)利用COMSOL软件模拟絮凝剂的处理污水过程，得到水样的絮凝曲线，通过絮凝曲线得到絮凝剂与水样的最佳比例；
2)建立絮凝沉淀微流控实验室；
3)将步骤2所述的微流控实验室连接浊度仪，通过微流控实验室和浊度仪对步骤1得到的最佳比例进行验证，从而得到絮凝剂的最佳投加量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：一种利用COMSOL软件模拟絮凝剂的处理污水过程的方法，其步骤包括依次进行模型向导、画几何体、选择材料、设置边界、计算的操作过程得到絮凝曲线，可以得到絮凝剂与水样的最佳比例。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述模型向导的具体操作步骤为：
1)打开comsol软件，点击“新建”，模型向导，二维；
2)选择物理场，选择物理场，添加“稀物质传递”；
3)单击“添加”；
4)在“选择研究”中选择“带初始化的瞬态”；
5)点击“完成”。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述画几何体的具体操作步骤为：
1)在工具栏中选择“几何”，用矩形用布尔运算和分割画出二维图；
2)点击“形成联合体”。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述选择材料的具体操作步骤为：
1)选择“材料”，点击“添加材料”；
2)在材料库中选择H2O，NaCl，絮凝剂；
3)设置污水的浊度；
4)单击窗口工具栏中的“添加到组件”；
优选的，所述絮凝剂为PAA或者PAM；
优选的，所述污水的总悬浮颗粒物ss为100-300mg/L。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述设置边界的具体操作步骤为：
1)“稀物质传递”物理场中“传递属性”中定义层流入口1的边界温度、设置速度场的速度；层流入口2的速度和重力加速度，速度场设置完毕；
2)初始值设置为0mol/L；
3)选择物理场中的“边界”，对两个入口选择“流入”，出口边界选择“流出”；
优选的，所述步骤1)中层流入口1的边界温度为293.15K；层流入口1的速度场在x方向设置速度为5-8m/s，y方向设置为0；
更进一步优选的，层流入口1的速度场在x方向设置速度为6.5m/s；
优选的，所述步骤1)中层流入口2的y方向速度为2-5m/s，重力加速度为9.8m/s2；
更进一步优选的，所述步骤1)中层流入口2的y方向速度为3m/s；
优选的，所述步骤1)中通道入口的质量分数0.1％-0.5％；进一步优选的，通道入口的质量分数为0.3％。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述计算的具体操作步骤为：设置一个计算2700秒的瞬态求解器，在前100秒每10秒保存解，之后的2600秒每100秒保存解，然后求解模型。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述计算的具体操作过程为：
1)在模型开发器窗口中展开研究节点，然后单击“瞬态”；
2)在瞬态的设置窗口中，定位到研究设置栏；
3)在时间步文本框中键入“range(0,10,100),range(200,100,2700)”；
4)在主屏幕工具栏中单击计算；
5)添加网格，选择“细化”；
6)选择“研究”，点击“计算”。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中搭建絮凝沉淀微流控实验室的方法为：
S1:在微流控芯片上搭建两个平行通道，分别为污水水样通道和絮凝剂通道，所述絮凝剂通道上设置絮凝剂池和毛细管，所述污水水样通道上设置污水水池和玻璃管；
S2:设置两个气动微流体控制装置，分别与微流控芯片上的絮凝剂池和污水水池连接；
S3:毛细管和玻璃管分别连接絮凝沉淀池。
10.根据权利要求9所述的方法得到一种絮凝沉淀微流控实验室，其特征在于：包括气动微流体控制装置、微流控芯片、微流控芯片上的污水水样通道和絮凝剂通道、絮凝沉淀池，所述絮凝剂通道上设置絮凝剂池和毛细管，所述污水水样通道上设置污水水池和玻璃管，气动微流体控制装置分别与微流控芯片上的絮凝剂池和污水水池连接，毛细管和玻璃管分别连接絮凝沉淀池，絮凝剂池和毛细管之间、污水水池和玻璃管之间通过流体通道连接；
优选的，所述微流控芯片采用高分子聚合物二甲基硅氧烷制造；
优选的，所述流体通道的宽度和深度为毫米级。
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