居家桥水厂自动加氯工艺优化

2013-09-15陈志平胡介明

净水技术 2013年1期

陈志平，胡介明

（1.上海浦东威立雅自来水有限公司浦东水厂，上海 200120；2.上海三高计算机中心股份有限公司，上海 200092）

今年7月1日起，我国将实施新版的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），饮用水中消毒剂常规指标由1项（游离氯）增至4项，增加了一氯胺、臭氧、二氧化氯，还增加了氨氮及加氯消毒副产物三卤甲烷等非常规指标，部分项目限值更加严格，因此供水企业的消毒工艺、加氯方法需要调整和优化。

在自来水消毒中，通常采用以游离氯或总氯（氯胺）形式消毒。无论是在线余氯仪还是在化验室里，容易对总氯和游离氯进行分析，但不能识别一氯胺。新版消毒剂中总氯为一氯胺，所以，需合理控制好氯氨投加比[1]在 3.5∶1～5∶1 的范围内。目前国内较少有水厂采用游离氨来调整氯／氨投加比，即水中需维持少量游离氨，以确保水中生成余氯为一氯胺。游离氨是水中能与氯结合的NH3／NH+4。

当氯氨投加比＞5∶1，游离氨接近于零，会导致部分一氯胺转变成二氯胺，将使自来水有难闻气味和不良口感；当加氨量过多，游离氨偏高（＞0.2 mg／L），特别在夏季水温＞15 ℃，有部分游离氨会转化成亚硝酸盐，使亚硝酸盐浓度升高，导致一氯胺降低[2]。严重时管网（泵站水库）水停留时间过长，会出现余氯偏低或接近于零，对供水安全构成潜在风险。因而需用计算机程序自动控制出厂水游离氨和一氯胺，科学合理控制加氯量和加氨量，使出厂余氯可控、管网水质稳定。

1 加氯工艺改造背景

浦东水厂下辖居家桥分厂（制水能力12.0万t／d），于2005年10月实施全厂加药系统自动化，采用按流量比投加，因2011年1月原水由黄浦江上游原水切换到青草沙原水，加氯消毒工艺和加药控制方式发生改变，整个消毒工艺过程由原来氯胺消毒改为折点加氯，出厂水为氯胺消毒，浦东水厂又于2011年10月对原自动加氯加氨系统进行了完善和工艺优化。

1.1 青草沙原水水质

青草沙原水水质总体较好且平稳，其主要表现为浊度、色度、氨氮、COD等指标低，溶解氧高。

表1 居家桥分厂原水水质数据Tab.1 Jujiaqiao Water Plant Raw Water Quality Data

图1 青草沙原水水质数据Fig.1 Qingcaosha Raw Water Quality Data

1.2 自动加氯工艺

图2 居家桥分厂自动加氯加氨工艺流程Fig.2 Automatic Chlorine and Ammonia Dosing System in Jujiaqiao Water Treatment Plant

通过现场数据采集，信号反馈，由PLC控制系统进行自动加氯／加氨控制。

1.3 优化前自动投加控制模式

前加氯／后加氯／加氨参照原水进水流量，以人工设定流量投加比来自动控制加氯加氨量，按沉淀水游离氯、滤后总氯变化，人工调整其加氯/加氨投加比，但当班员工不知如何根据一氯胺与游离氨变化来正确合理调整其投加比。

1.4 优化前自动加氯运行情况

前加氯为三台次氯酸钠计量泵（350 L／h）；后加氯为三台次氯酸钠计量泵（150 L／h）；后加氨为三台新改装硫酸铵计量泵（20 L／h）；运行方式都为二用一备。前加氯由折点加氯所生成游离氯（HClO）[3]作为主要消毒剂；滤后加氨补氯，出厂水为一氯胺（NH2Cl）[4]消毒。如表 2 所示。

表2 居家桥分厂氯氨消毒生产运行数据（单位：mg／L）Tab.2 Jujiaqiao Water Plant Chlorination Process Data(mg ／L)

2 优化工艺介绍

折点加氯可以流量投加比与游离氯反馈自动加氯，但对于氯胺消毒，现有自动加氯会存在问题：（1）不清楚如何按出厂余氯目标值来合理控制氯氨投加比。（2）按总氯反馈，而不考虑游离氨限值，没有预防二氯胺和确保饮用水生物稳定性的安全措施，使余氯稳定性低，不安全，自动加氯控制难以在自来水厂得到真正应用，而自动加氯工艺优化，较好解决了长期困扰和制约国内自动加氯的瓶颈。

2.1 优化工艺

优化后自动投加控制模式：是完全按照出厂水一氯胺和游离氨目标值和加药点进水流量来自动控制整个消毒工艺加氯和加氨量。以游离氯、一氯胺和游离氨的反馈数值，自动调整加氯加氨投加比。

2.1.1 设定余氯控制目标值

余氯目标值高低会影响到加氯加氨量的多少。根据不同水质、消毒工艺和阶段性藻类变化，结合沉淀水和清水库停留时间，按CT值，科学合理设置沉淀水和出厂水余氯目标值。

2.1.2 前加氯

青草沙水库水稳定性高，浊度低，氨氮变化小，全年氨氮最大值为 0.25 mg／L，平均值 0.06 mg／L，采用按流量比投加为主，沉淀水游离氯控制幅度为0.3～0.5 mg／L，且游离氯与投加比呈正比，限制前加氯量＜2.3 mg／L，减少加氯消毒所产生的消毒副产物（三卤甲烷）。以沉淀后游离氯来反馈控制前加氯量。

2.1.3后加氨

因澄清水为游离氯，水中氨氮为零，出厂水为氯胺消毒时，需加氨，按出厂水余氯目标值来计算出加氨量。为了保证出厂水不出现二氯胺和仪表检测限值，要考虑0.1 mg／L游离氨富余量。加氨量与出厂水余氯目标值呈正比（y=0.2×一氯胺目标值（1.3 mg／L）+0.1）。出厂水游离氨设定目标值为0.1～0.15 mg／L。

2.1.4 后加氯

按出厂余氯（一氯胺）目标值与滤池游离氯差值，计算出加氯量。出厂水一氯胺目标值为1.3 mg／L（新国标为≥0.5 mg／L），CT值为86（国标CT值≥60）。

控制原则：先确定滤后反馈一氯胺是否在控制范围内（1.0～1.5 mg／L），后根据游离氨值来确定调整加氯还是加氨量。

2.2 控制程序

2.2.1 程序计算基本方法

（1）程序计算目标：确保过程水余氯在控制设定范围内。设定了3个控制点：即沉淀后水的游离氯检测点、滤后水一氯胺和游离氨检测点、出厂水余氯和总氨检测点。

（2）程序计算原则：设定出厂水总氯目标值，结合各控制点余氯，来计算过程水中加氯量和加氨量，借助一氯胺和游离氨检测仪表来调控后加氯和加氨量。

（3）程序基本计算公式

（硫酸铵有效氨含量9.71%×密度1.22×1 000）

式中：K1——前加氯流量投加比；

△C1——沉淀水游离氯与控制目标值差值，mg／L；

K2——后加氯投加比；

△C2——出厂总氯目标值（一氯胺）与滤后水一氯胺的差值，mg／L；

K3后加氨投加比；

△C3——滤后游离氨与出厂控制目标值差值，mg／L。

2.2.2 控制参数界面

该界面仅供水质管理员进行后台参数的设置与修改，所有参数均可被控制程序直接调用。

（1）前加氯界面：设加氯流量投加比K1及游离氯控制目标值。

（2）后加氯界面：设后加氯投加比K2及出厂一氯胺控制目标值。

（3）后加氨界面：设后加氨投加比K3及出厂游离氨控制目标值。

3 实施及成果

由于青草沙水源水质稳定，从而要求将过程水消毒处理的重点放在水厂后处理阶段，即滤后消毒处理。在实际自动控制中，经常参与变动是后加氯量，因二路原水进水方式不一样，一路进配水井至四座澄清池，一路直接进1#2#澄清池，且配水井游离氯易挥发，使两组澄清池余氯差异大；二根滤后出水管道距离长短和阻力大小又不同，使得滤池出水量也不一样，所以，对后加氯自动控制变得相当重要。为此目的，要求加强对滤后水的监测控制，确保出厂水水质的安全。

基于上述工艺要求，自控系统增加对滤后水量水质的监测。

（1）增加对滤后水流量和水质的监控功能。

（2）增加后加氯和后加氨的监控功能。

针对上述功能扩展要求，提出如下系统改造方案：

3.1 滤后流量监测

10格虹吸滤池的二根DN1000出水总管没有安装流量仪，因此，自控系统无法对滤后水流量进行监测。

本次改造将首先在滤池出水管上安装2台带有Modbus接口的流量仪，模清了1#清水库进水量与2#清水库进水量相差约500 t左右。通过Modbus接口，实现水流量仪与PLC系统的通信连接，将流量仪数据直接读入，对滤后流量进行监测，进而进行有针对性的调节补氯量和补氨量。

3.2 过程水监测仪表

3.2.1 在线游离氨仪

检测原理如同便携式仪器，但其操作是自动的；可同时显示一氯胺和游离氨，也可按游离氨和一氯胺所消耗的氨（0.2×一氯胺浓度）总和来显示总氨氮[3]。余氯仪是测总氯，其值偏高于一氯胺浓度，不能测一氯胺。在线CA71A氨氮仪测总氨氮，不能测游离氨。相比较在线游离氨仪价格低于在线氨氮仪，性价比又高，虽然日常运行药剂费用相对较高，但对自动加氯控制尤其重要。

3.2.2 便携式游离氨仪

可同时检测一氯胺和游离氨，操作简便、准确、测定时间短（5～10 min），价格低。当班员工把游离氨和一氯胺测得数据人工输入到加氯或加氨工艺图界面，计算机会直接进行后加氯/加氨量的自动控制。

补充说明：把水中一氯胺所消耗氨氮（N／Cl2=0.2）和游离氨总和作为水中总氨氮量，更能反映实际总氨氮，而现有化验室对氯化后水采用纳氏法测氨氮，受水中氯的干扰和一氯胺要消耗一部分氨，测得数值偏低。举例：采水样：Hach试剂法测得一氯胺为 1.4 mg／L，游离氨为 0.29 mg／L，则总氨氮为0.2×1.4+0.29=0.57 mg／L（超出新国际 0.5 mg／L），而纳氏法测出氨氮小于新国标。

3.3 加药间SLC增加后加氯和后加氨控制功能

系统硬件将在原加氯SLC机架上加装模拟量输入模块，读取后加氯和后加氨流量信号，实现加氯流量和加氨流量监测功能，同时，增加模拟量输出模块，对加注泵的冲程和频率的调节控制，实现后加氯和后加氨的自动控制，其控制流程参见图3。

图3 自动加氯/加氨程序框图Fig3 Diagram of Automatic Chlorine and Ammonia Dosing System

3.4 报警、数据分析界面

（1）加注设备运行故障报警

（2）游离氯、游离氨、一氯胺的上下限报警

（3）进水量和滤后出水量及加氯／加氨量趋势图，具备隐藏部分曲线。

（4）沉淀水游离氯，滤后水一氯胺和游离氨，出厂总氯趋势图等。该分析界面为故障分析、系统评价、参数调整等提供依据。

3.5 优化后生产运行

3.5.1 前加氯（折点加氯）

按进水流量和加氯投加比自动投加，青草沙原水氨氮低，水质稳定，沉淀水游离氯基本在控制目标范围内，余氯稳定，波动小。前加氯量为1.4～1.8 mg／L，游离氯为 0.3～0.5 mg／L。

3.5.2 滤后加氯加氨（氯胺消毒）：

计算机读取在线或便携式游离氨（人工）测得一氯胺和游离氨数据，会及时作出智能化程序控制，自动调整加氯加氨量，使出厂水一氯胺和游离氨在控制目标值范围内（见表 3）。后加氯为 0.6～1.0 mg／L，加氨量从 0.53 mg／L 降至 0.43 mg／L。

表3 自动加氯控制程序生产运行指南Tab.3 Operation Instruction of Automatic Chlorine and Ammonia Dosing System

当澄清池游离氯高于设定控制范围时，PLC控制系统会按中心目标值自动调低前加氯量，当游离氯低于控制范围时，会自动调高前加氯量。当滤后游离氨或一氯胺出现高低时，计算机控制系统会作一判断，先确定一氯胺是否在控制范围，然后确定游离氨是否偏高或低，再最终确定加氯量。当一氯胺偏高，游离氨偏低时，调低后加氯量；当一氯胺偏低，游离氨偏高时，调高后加氯量。

3.5.3 故障分析

通过故障记录和余氯趋势图分析，加氯/加氨计量泵安全运行非常重要，运行中发现次氯酸钠计量泵上单向阀玻璃球有时会被撞击成一个个小峰窝，造成实际加注流量变小，引起余氯曲线差异变大，对玻璃球材质加以改进。

3.5.4 数据分析

经系统评价，发现前加氯量消耗较大。敞开配水井内配水溢流口（DN1000）距水面约8 cm，加氯量越大，配水井内游离氯挥发量越多。改进措施：（1）配水井上加装封闭式遮阳蓬。（2）调低机械加速澄清池叶轮转速，使活性污泥回流比降低至合理回流量，以此减少游离氯挥发量和耗氯量，达到降低前加氯量，减少消毒副产物。

3.5.5 参数调整

原水出现硅藻时，可调整沉淀水游离氯控制目标值为0.8 mg／L和调低滤后加氯投加比K2；当原水公司预加氯（0.6～1.0 mg／L）时，调低前加氯投加比K1等。

3.5.6 优化后效果比较

（1）优化前：自动投药控制以人工设置加氯加氨投加比，有时不注意，加氯/加氨量会过高或偏低，不能及时发现，及时调节，造成余氯和加氯／加氨量波动，如一氯胺偏低至0.65 mg／L，游离氨偏低至＜0.05 mg／L 或偏高至 0.32 mg／L；有时还会出现二路滤后水余氯高低（1#余氯 0.8 mg／L，2#余氯1.3 mg／L），影响到余氯稳定性。

（2）优化后：自动投药控制按出厂余氯目标值自动控制整个工艺过程中加氯加氨投加比，特别是滤后一氯胺和游离氨反馈控制，可每隔10～15 min（可设置）对加注点加氯/加氨投加比进行一次自动调整，及时发现，及时调节，确保出厂余氯和加氯/加氨量的稳定，真正做到水质动态的精细化管理（见表 4，图 4）。

表4 居家桥分厂加氯消毒优化的运行数据（单位：mg／L）Tab.4 Jujiazui Water Plant Data of Optimized Chlorination (mg ／L)

图4 居家桥分厂出厂水余氯趋势图（单位：mg／L）Fig.4 Treated Water Residual Chlorine Trends of Jujiaqiao Water Treatment Plant (mg／L)

（3）优化后出厂水质

一氯胺和游离氨更能直接反映加氯消毒质量的重要指标，优化后，游离氨达最小值，既能消除二氯胺产生，又减少管网水中发生硝化作用而使一氯胺降低风险，使加氯量最大限度转化为一氯胺，达到减少加氯量，改善自来水口味，这也是优化前自动投药控制所难以做到的（见图5）。

图5 加氯／加氨与出厂水一氯胺和游离氨月平均数Fig.5 Monthly Average Data of Chlorine ／Ammonia Dosing Rate and Monochloramine／Free Ammonia in the Treated Water

3.5.7 讨论

沉淀区游离氯消毒及停留时间，足以保障了后续氯胺消毒效果，建议将滤后加氯（氨）加药点改到滤前及沉淀池出水总管上（滤后加药点为备用）。优点：（1）延长了一氯胺消毒的过滤接触时间，增加了消毒因子CT值。（2）避免滤池反洗及池面上游离氯挥发，产生氯味对环境污染，也降低了游离氯消耗量。（3）一氯胺取样时间和电磁流量仪安装条件优于滤后加药点。（4）可避免次氯酸钠原液和硫酸铵原液直接投加在出厂自来水中，经过滤，有利于饮用水的安全。