CN113880211B - 一种基于弹性理论的混凝剂投加量确定方法及加药系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹性理论的混凝剂投加量确定方法及加药系统，属于饮用水处理领域。在最优投加量(使消毒副产物(DBPs)等水质指标达到最大去除效率)和经济投加量(使出水水质达到水质标准的最低投加量)两者之间取得平衡。通过评价消毒副产物形成势(DBPFP)与水质指标之间的关系，最终确定UV₂₅₄为最合适的DBPs表征指标，相关系数均在0.93以上。同时，本发明还并进行了成本效益分析，结果表明，本发明所提出的方法相对于最优投加量节省了三分之二的混凝剂，即本发明所提出的混凝剂经济最优投加量可广泛应用于生活饮用水处理工艺中，且能够经济、有效地控制有机物和DBPs的形成。

Description

一种基于弹性理论的混凝剂投加量确定方法及加药系统

技术领域

本发明属于饮用水处理领域，涉及一种基于弹性理论的混凝剂投加量确定方法及加药系统。

背景技术

混凝/絮凝是传统饮用水处理系统的重要组成部分，其设计目的是将原水中少量可溶性或不溶性固体(如细颗粒、胶体)聚合成大型絮凝体，通过后续沉淀和过滤去除。在实际应用中发现，某些可溶性杂质如溶解的金属和天然有机物(NOMs)也可以通过吸附或沉淀的方法部分去除。1976年，美国国家癌症研究所发表了氯仿与癌症的联系结果，氯仿是消毒剂氯与NOMs反应形成的消毒副产物(DBPs)之一，到目前为止，已经确认了700多个DBPs，一些主要类型的DBPs(如三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs))已在许多国家纳入水质监管。NOMs是DBPs形成的主要贡献者，因此DBPs前驱物的去除在饮用水处理中越来越重要。在过去的几十年里，对混凝机理及影响混凝效率的因素进行了深入的研究，证明了混凝剂的种类和用量会对水处理设施的杂质去除率有显著影响。由于铝和铁盐其成本低、效率高、对人体无残留有害影响，目前仍是世界上应用最广泛的混凝剂。在水处理设施中，成品水质和处理成本很大程度上与常规混凝剂的投加量有关，因此在饮用水处理厂(DWTPs)中混凝剂投加量的确定方法尤为重要。

烧杯实验是一种经济可靠的优化混凝操作的测试技术，已有100多年的历史。在一些早期的研究中，常以混凝后悬浮液的沉降速率、过滤性能以及沉淀后上清液或过滤后的滤液中残留浊度或色度，作为优化混凝剂投加量的标准。在一定投加量范围内，随着混凝剂投加量的增加，溶解性有机碳(DOC)的去除率和254nm处紫外吸光度(UV₂₅₄)的去除率均呈现先升高后趋于稳定的趋势。在烧杯实验中，通常选择达到去除率最大的最低剂量的混凝剂投加量作为最优值。但是，通过对实验室混凝剂投加量和实际生活饮用水处理设施投加量的对比分析，发现两者存在明显的差异。例如，Chen和Dong(2017)报告称，在处理某湖泊的原始水样时，实验室中使用的PACl(聚合氯化铝)最优剂量为8(mg Al)/L(Chen和Dong2017)。然而，位于同一城市的三个实际饮用水处理厂使用的典型混凝剂投加量仅约为1.8(mg Al)/L(Maqbool et Al.2020)。这种结果可能是由不同的处理标准造成的：实验室研究人员致力于尽可能降低杂质的浓度，而饮用水处理厂的操作人员则专注于以最低的成本达到饮用水质量标准即可。毋庸置疑，尽可能的提高饮用水质量对人们更加有益，但提高质量的同时也应考虑水处理成本。

混凝剂投加量在饮用水处理中的使用与成品水质和处理成本有很大关系，如何选择合适的投加量已成为水厂面临的关键问题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，饮用水处理中混凝剂用量不能同时满足杂质去除率高和成本低的缺点，提供一种基于弹性理论的混凝剂投加量确定方法及加药系统。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种混凝剂经济最优投加量的确定方法，包括如下步骤：

步骤1)基于实时的混凝剂投加量和预设的混凝剂投加量最大值，进行归一化处理，得到归一化混凝剂投加量数据集；

步骤2)基于实时的混凝剂投加量及预设的混凝剂投加量最大值，计算得到对应的杂质去除率，进行归一化处理，得到归一化杂质去除率数据集；；

步骤3)对归一化混凝剂投加量和归一化杂质去除率数据集进行拟合，计算得到弹性区间和非弹性区间；

步骤4)基于弹性区间和非弹性区间，建立混凝-沉淀-过滤处理过程中混凝剂投加量对DBPs指标去除的影响模型，计算得到混凝剂经济最优投加量。

优选地，步骤3)的具体过程为：

以归一化混凝剂投加量为横轴，即x轴，归一化杂质去除率为纵轴，即y轴，进行拟合，得到y关于x的函数关系式y＝a(1-e^-bx)，

然后求y对x的一阶导数，得到

记作ε，即ε＝abe^-bx；

其中，x能使ε＝1的点即为弹性区间和非弹性区间的分界点，x为实时或归一化的混凝剂投加量，y为x对应的杂质去除率，a，b为常数，由实时或归一化得数据集拟合结果确定，ε为y对x的一阶导数。

优选地，步骤4)具体为：

通过一系列的实验，对比各项水质指标与DBPs的相关性，得到水质指标UV₂₅₄和DBPFP的线性关系最好，最终确定以UV₂₅₄作为DBPFP的表征指标，建立混凝剂投加量对DBPs指标去除的影响模型。

优选地，步骤2)中，杂质去除率为254nm的紫外吸光度下的杂质去除率。

优选地，杂质去除率的计算方法具体为：

式中：C₀为杂质初始值，C为杂质在不同混凝剂投加量下的测量值。

一种给水处理混凝剂自动加药系统，包括依次连接的原水、混合器和沉淀过滤池；

混合器设有两个进口端，一个进口端与原水的出口端连接，另一个进口端连接有用于投加混凝剂的药剂投加泵；

还包括前反馈控制单元、后反馈控制单元和PLC控制单元；

前反馈控制单元安装在原水的输出端；PLC控制单元与药剂投加泵电连接；后反馈控制单元安装在沉淀过滤池的输出端。

优选地，前反馈控制单元包括流量仪和第一浊度测量仪；

其中，流量仪、第一浊度测量仪的输入端均设置在原水和混合器的连接管路上，流量仪、第一浊度测量仪的输出端均与PLC控制单元的输入端连接。

优选地，后反馈控制单元包括第二浊度测量仪，第二浊度测量仪的输入端和沉淀过滤池的输出端连接，第二浊度测量仪的输出端与PLC控制单元的输入端连接。

优选地，第一浊度测量仪由浊度测量器和UV探头电连接组成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种混凝剂投加量的确定方法，在最优投加量(使消毒副产物(DBPs)等水质指标达到最大去除效率)和经济投加量(使出水水质达到水质标准的最低投加量)两者之间取得平衡。通过评价消毒副产物形成势(DBPFP)与水质指标之间的关系，最终确定UV₂₅₄为最合适的DBPs表征指标，相关系数均在0.93以上。同时，本发明还并进行了成本效益分析，结果表明，混凝剂经济最优投加量的剂量约占混凝剂最优投加量剂量的33％，可使UV₂₅₄的去除率(R_UV254)达到最优投加量去除率的79％，因此本发明所提出的方法相对于最优投加量节省了三分之二的混凝剂，并且同时能够进一步控制减少DBPs的形成。因为在经济最优投加量之后增加混凝剂投加量，R_UV254的增加有限，所以进一步增加混凝剂是不经济的。更重要的是，不同类型的混凝剂如硫酸铝、氯化铁和一种新型的四氯化钛，以及不同特性的原水样品在某些场景下也得到了相似的结果。这些结果表明，本发明所提出的混凝剂经济最优投加量可广泛应用于生活饮用水处理工艺中，且能够经济、有效地控制有机物和DBPs的形成。

进一步地，选用UV₂₅₄作为DBPs以及处理水水质的表征指标，在此基础上，建立了混凝-沉淀-过滤处理过程中混凝剂投加量对DBPs指标去除的影响模型。

本发明还公开了一种给水处理混凝剂自动加药系统，是基于上述方法设计的，在保持高效去除率(约占最优投加量下去除率的79％)的同时，相较最优投加量节省三分之二的混凝剂投加量；整个加药系统采用电脑程序控制，保证了装置运行的精确稳定性；实现了闭环控制，依靠加药软件设计程序实现任意时刻混凝剂投加量达到经济最优控制，大大节约了水处理成本，保证处理后水质稳定；自动化程度高，减轻了工人的劳动强度，减少了药剂的浪费，同时提高了生产效率，有利于水处理厂的自动化管理；给水处理工艺适用性强，对老水厂基本不需要进行改造，只需新添置一套在线监测设备即可实现该控制系统的运行。

附图说明

图1为Al₂(SO₄)₃不同投加量下消毒副产物指示物UV₂₅₄去除率(R_UV254)的拟合曲线图；

图2为归一化实验数据和拟合曲线图；

图3为混凝剂经济最优投加量的自动加药系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

一种混凝剂经济最优投加量的确定方法，包括如下步骤：

步骤1)基于实时的混凝剂投加量和预设的混凝剂投加量最大值，进行归一化处理，得到归一化混凝剂投加量数据集；

步骤2)基于实时的混凝剂投加量及预设的混凝剂投加量最大值，计算得到对应的杂质去除率，进行归一化处理，得到归一化杂质去除率数据集；；

步骤3)对归一化混凝剂投加量和归一化杂质去除率数据集进行拟合，计算得到弹性区间和非弹性区间；

步骤4)基于弹性区间和非弹性区间，建立混凝-沉淀-过滤处理过程中混凝剂投加量对DBPs指标去除的影响模型，计算得到混凝剂经济最优投加量。

实施例2

混凝剂经济最优投加量的确定方法，包括：

弹性的概念是阿尔弗雷德·马歇尔提出的，用来衡量一个变量相对于另一个变量发生的一定比例的改变的属性。y对x的弹性一般公式可表示为式(1)。

式中ε为y对x的弹性；dy/y和dx/x分别是纵坐标(y轴)和横坐标(x轴)的变化百分比。根据y轴数值对x轴数值变化的响应性，弹性可分为三类:弹性(∣ε∣>1)、单位弹性(∣ε∣＝1)和非弹性(∣ε∣<1)。

在本实施例中，我们评估了UV₂₅₄去除率(R_UV254)对混凝剂投加量变化的响应性，以获得相应的弹性，用于确定混凝剂经济最优投加量。这个过程主要包括三个步骤：

(1)数据归一化。使用式(2)将R_UV254和混凝剂投加量数据转换为百分制，使每个特性的贡献相等。

式中：P为百分比，％；V为R_UV254或混凝剂投加量的值，V_max为R_UV254或混凝剂投加量的最大值。虽然R_UV254的理论最大值，可以通过原始数据使用式(3)曲线拟合得到，如图1所示，R_UV254的理论最大值81.9％，r²＝0.997。

y＝a(1-e^-bx) (3)

但是在R_UV254取理论最大值时，与之对应的混凝剂投加量趋于无限大，所以不能使用通过曲线拟合得到的理论最大值为V_max。本研究提出了一个近似的临界值，置信度为0.99，以代替理论的最大值。即以0.99乘以R_UV254的理论最大值和相应的混凝剂投加量分别作为R_UV254和混凝剂投加量的V_max(如图1所示，R_UV254的V_max＝0.99×81.9％＝81.1％；相对应的投加量的V_max＝201μM)。

(2)拟合并计算弹性。R_UV254的归一化数据集和混凝剂投加量如图2所示。我们发现式(3)很好地拟合了这些数据(r²＝0.997)，可以得到常数a和b的值。在这种情况下，可以通过对式(3)求导得到弹性，并表示为式(4)：

ε＝abe^-bx (4)

在归一化条件下(∣ε∣＝1)，x取值为0.33或33％，y取值为0.79或79％。结果表明，y(R_UV254)在0≤x≤33％区间内具有弹性，而在33％≤x≤100％区间内无弹性。

(3)经济最佳混凝剂投加量估算。混凝剂经济最优投加量是介于弹性区间和非弹性区间之间的临界值。因此，可以将x＝33％，y＝79％代入到式(2)，得到混凝剂经济最优投加量(66.36μM)和混凝剂经济最优投加量下R_UV254的值(64.1％)。根据弹性理论，混凝剂投加量在66.36μM以下时，R_UV254的增长率比混凝剂投加量增长率快，混凝剂的经济系数相对较高；反之亦然。

当地某DWTP实际投加量(大约30μM)，混凝剂经济最优投加量(66.36μM)和混凝剂最优投加量(201μM)，如图1的拟合线所示。通过式(2)理论计算,相应的R_UV254分别达到40％，64.1％和81.1％。因此，当混凝剂投加量从30μM增加到66μM左右时，R_UV254会从40％弹性增加到64.1％，从而显著降低UV₂₅₄(DBPs以及处理水水质)的浓度。但到66μM之后继续增加混凝剂投加量，R_UV254的增长速度会明显变慢，不经济。

方法验证

对其他类型的混凝剂和原水样品也进行了类似的实验。结果如表1所示。

表1.不同混凝剂在经济最优投加量和最优投加量下对5种地表水DBPs表征指标UV₂₅₄去除率(R_UV254)的影响

注：*式(3)拟合曲线相关系数；**原始实验数据由作者之一段晋明教授提供，澳大利亚地表水。

由表1可以看出，式(3)在5个原水样品中，R_UV254与不同混凝剂类型的拟合近乎完美(r²≥0.99)，R_UV254的V_max变化明显取决于混凝剂类型和原水水质。以金盆水库水样为例，Al₂(SO₄)₃、FeCl₃和TiCl₄的R_UV254的V_max分别为81.1％、88.8％和85.3％。当以FeCl₃为混凝剂，在投加量分别为507μM、1834μM和1588μM时，R_UV254的V_max分别为88.8％、58.0％和59.3％。有趣的是，在所有研究条件下，包括澳大利亚实验室的实验数据，混凝剂经济最优投加量与混凝剂最优投加量之比为33％，相对应的R_UV254与R_UV254之比为79％，即混凝剂经济最优投加量以混凝剂最优投加量的33％，便可达到混凝剂最优投加量下R_UV254的79％。所以混凝剂经济最优投加量可作为一种经济高效的混凝剂投加量广泛应用。

实施例3

一种给水处理混凝剂自动加药系统，如图3所示，包括依次连接的原水、混合器和沉淀过滤池；混合器设有两个进口端，一个进口端与原水池的出口端连接，另一个进口端连接有用于投加混凝剂的药剂投加泵；还包括前反馈控制单元、后反馈控制单元和PLC控制单元；前反馈控制单元安装在原水的输出端；PLC控制单元与药剂投加泵电连接；后反馈控制单元安装在沉淀过滤池的输出端。

前反馈控制单元包括流量仪和第一浊度测量仪；流量仪、第一浊度测量仪的输入端均设置在原水和混合器的连接管路上，流量仪、第一浊度测量仪的输出端均与PLC控制单元的输入端连接。后反馈控制单元包括第二浊度测量仪，第二浊度测量仪的输入端和沉淀过滤池的输出端连接，第二浊度测量仪的输出端与PLC控制单元的输入端连接。

需要说明的是，第一浊度测量仪和第二浊度测量仪结构相同，均由在线的浊度测量器和UV探头电连接组成。

基于实施例3的系统的具体工作过程为：

利用流量计测定原水流量；

利用在线的浊度测量器和UV探头测定原水及沉淀过滤后出水的浊度和UV₂₅₄吸光度；

利用PLC控制单元(即PLC控制器)将混凝剂经济最优投加量的确定方法及公式输入到PLC控制单元；

在预运行阶段，按一定梯度预投加混凝剂投加量，将测定的原水流量、浊度和UV₂₅₄吸光度值发送至PLC控制单元中，PLC控制单元根据测定的结果，结合提前已编制好的混凝剂投加量确定程序，计算出的混凝剂经济最优投加量，然后将该投加量发送给药剂投加泵，药剂投加泵依照该投加量将混凝剂投加到混合器中；

在正式运行阶段，PLC控制单元根据测定的原水流量、浊度和UV₂₅₄吸光度值实时优化混凝剂的投加量，确保实时根据水质变化准确投药。

综上所述，本申请基于弹性理论提出了混凝剂经济最优投加量的新概念，试图通过混凝，有效且经济地控制DBPFP。根据DBPs表征指标对混凝剂投加量变化的变化量，将混凝剂投加量分为弹性区和非弹性区，其中弹性区投加量低于经济最优混凝剂投加量。在弹性区域，因为去除DBPs表征指标去除率的增长会比投加量增长得更快，所以增加混凝剂的投加量是有利的。当混凝剂投加量进入非弹性区域时，继续增加混凝剂用量则是不经济的。通过计算表明，混凝剂经济最优投加量约为混凝剂最优投加量的33％，R_UV254可达到混凝剂最优投加量去除率的79％。不同混凝剂类型和不同性质的原水在某些情况下也得到了相似的结果。因此，本研究为控制饮用水处理设施中DBPs的形成提供了一种合适、有效且经济的混凝剂投加量的确定方法。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种混凝剂经济最优投加量的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)基于实时的混凝剂投加量和预设的混凝剂投加量最大值，进行归一化处理，得到归一化混凝剂投加量数据集；

步骤2)基于实时的混凝剂投加量及预设的混凝剂投加量最大值，计算得到对应的杂质去除率，进行归一化处理，得到归一化杂质去除率数据集；

步骤3)对归一化混凝剂投加量和归一化杂质去除率数据集进行拟合，计算得到弹性区间和非弹性区间；

具体过程为：

以归一化混凝剂投加量为横轴，即x轴，归一化杂质去除率为纵轴，即y轴，进行拟合，得到y关于x的函数关系式y＝a(1-e^-bx)，

然后求y对x的一阶导数，得到

记作ε，即ε＝abe^-bx；

其中，x能使ε＝1的点即为弹性区间和非弹性区间的分界点，x为实时或归一化的混凝剂投加量，y为x对应的杂质去除率，a，b为常数，由实时或归一化得数据集拟合结果确定，ε为y对x的一阶导数；

步骤4)基于弹性区间和非弹性区间，建立混凝-沉淀-过滤处理过程中混凝剂投加量对DBPs指标去除的影响模型，计算得到混凝剂经济最优投加量；

具体为：

通过实验，对比各项水质指标与DBPs的相关性，得到水质指标UV₂₅₄和DBPFP的线性关系最好，最终确定以UV₂₅₄作为DBPFP的表征指标，建立混凝剂投加量对DBPs指标去除的影响模型。

2.根据权利要求1所述的混凝剂经济最优投加量的确定方法，其特征在于，步骤2)中，杂质去除率为254nm的紫外吸光度下的杂质去除率。

3.根据权利要求1所述的混凝剂经济最优投加量的确定方法，其特征在于，杂质去除率的计算方法具体为：

式中：C₀为杂质初始值，C为杂质在不同混凝剂投加量下的测量值。

4.一种基于权利要求1-3任意一项所述方法的给水处理混凝剂自动加药系统，其特征在于，包括依次连接的原水、混合器和沉淀过滤池；

混合器设有两个进口端，一个进口端与原水的出口端连接，另一个进口端连接有用于投加混凝剂的药剂投加泵；

还包括前反馈控制单元、后反馈控制单元和PLC控制单元；

前反馈控制单元安装在原水的输出端；PLC控制单元与药剂投加泵电连接；后反馈控制单元安装在沉淀过滤池的输出端。

5.根据权利要求4所述的给水处理混凝剂自动加药系统，其特征在于，前反馈控制单元包括流量仪和第一浊度测量仪；

其中，流量仪、第一浊度测量仪的输入端均设置在原水和混合器的连接管路上，流量仪、第一浊度测量仪的输出端均与PLC控制单元的输入端连接。

6.根据权利要求4所述的给水处理混凝剂自动加药系统，其特征在于，

后反馈控制单元包括第二浊度测量仪，第二浊度测量仪的输入端和沉淀过滤池的输出端连接，第二浊度测量仪的输出端与PLC控制单元的输入端连接。

7.根据权利要求5所述的给水处理混凝剂自动加药系统，其特征在于，第一浊度测量仪由浊度测量器和UV探头电连接组成。

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