污水处理混凝剂投加系统设计及自动化研究

文_王欣 杨佳椿 北京航天试验技术研究所

常规的给水处理厂净水工艺由预处理、混凝沉淀、过滤、消毒等工艺组成。在沉淀工艺中，水体中大的悬浮物和胶体颗粒一般可以借助于重力自行下沉，从水体中去除掉，而水体中粒径较小的悬浮物和胶体颗粒，很难从污水中分离出来。采用混凝方法去除悬浮物和胶体物质，可有效去除水中微生物、病原菌和病毒，同时去除污水中的乳化油、色度、重金属离子及其他一些污染物。因此，在沉淀工艺前需要投加一定量的混凝剂药液，破坏细小颗粒的稳定性，才能将其从水体中去除。

污水经过一级处理（预处理）、二级处理（生物化学处理）、混凝沉淀处理之后，可获得以下水质：SS≤7mg/L，BOD5≤10mg/L，NH3-N≤15-30mg/L，TP-P≤0.5mg/L。

1 加药系统发展现状

当污水经过生化二级处理后，出水仍不能满足受纳水体的排放要求时，为提高水资源的利用率，需要进一步降低出水中的COD、BOD5、SS等污染物指标。国内污水处理厂投药系统一般是凭借制水工人的经验进行混凝剂投加，很难保证水质安全。我国大部分水处理工艺仍然由人工操作控制配投设备，难以根据工艺要求及时准确地控制投加量。

向水中投加一定量的混凝剂，是由药液配投系统（也称加药系统）来实现的，药液配投系统就是将混凝过程需要的混凝剂送到混凝池投加点，多数水质事故都与混凝效果不好有关，并且投药系统不能及时、准确地将混凝过程需要的混凝剂送到混凝池。加药系统可以充分应用自动化控制技术，解决目前混凝剂药液配投系统存在的各种问题。因此，研究加药系统及其自动控制技术非常重要。

2 加药系统设计探讨

图1 两个平行放置的药桶的加药流1程图

图2 两个平行放置的药筒的加药流2程图

图3 两个高低放置的药筒的加药流程图

目前用得较多的是湿投法，即先把药剂溶解并配制成一定浓度的溶液后，再投入被处理的水中。湿法投加的优点是药液易与原水充分混合，不易阻塞入口，投加量易于调节。

在湿投法系统中，配制药品包括溶解和配成投加两个过程：首先通过溶解池将固体药剂溶解成浓药液，然后通过耐腐蚀泵将浓药液送入溶液池。下面就三种形式的加药系统进行对比分析。

2.1 并行交替使用的加药系统

以常用的混凝剂PAC为例，加药系统设有两个相同高度的药桶，如图1所示。每个药桶配有独立的搅拌机及对应的低液位报警仪。药桶①、药桶②由人工加入一定比例的PAC粉末和自来水，配制成浓度为5%的混凝剂，当1号液位报警仪、2号液位报警仪分别处于非液位低时，1号搅拌机、2号搅拌机启动，搅拌0.5h后电磁阀a或电磁阀b自动开启，当任意一个电磁阀开启后即启动计量泵，将药桶①或者药桶②搅拌好的混凝剂输送至加药点，药桶①和药桶②交替使用。当液位报警仪达到低液位时，系统停止工作并发出蜂鸣报警，任一搅拌机连续工作3h后，自动关闭。值班人员在药桶①、药桶②交替工作期间要及时向药桶①或药桶②加入一定比例的PAC粉末与自来水。

2.2 并行单一使用的加药系统

加药系统设有两个相同高度的药桶，如图2所示。每个药桶都配制有独立的搅拌机和对应的液位报警仪。药桶①、药桶②先由人工加入PAC粉末，控制系统自动注入一定量的自来水。当1号低液位报警仪、2号低液位报警仪达到非低液位时，1号搅拌机、2号搅拌机自动启动，按照设定的搅拌时间（0.5h）溶解固体原药，配制成浓度为5%的混凝剂。0.5h后药物溶解，电磁阀a自动开启，继而计量泵开启，药品即可输送至加药点。当任一液位报警仪达到低液位时，系统停止工作并发出蜂鸣报警，任一搅拌机连续工作3h后，自动关闭。值班人员在系统蜂鸣报警时要及时向药桶①和药桶②加入一定比例的PAC粉末且开机重新注入自来水。

2.3 串行放置的加药系统

加药系统设有一高一低两个药桶，如图3所示。药桶①配置有搅拌机和液位报警仪，药桶②配有低液位报警仪，药桶①由人工加入PAC粉末、注入一定量的自来水，配制成浓度约为5%的混凝剂。当1号液位报警仪达到非低液位时，1号搅拌机自动启动，药品搅拌约0.5h之后，开启电磁阀a，在重力作用下混凝剂流入药桶②，在药桶①混凝剂流尽1号液位报警仪低液位时电磁阀a关闭。当2号液位报警仪达到非低液位时，计量泵自动开启，药品即可输送至加药点。当2号液位报警仪达到低液位时，计量泵停止工作。与此同时，人工重新向药桶①加入PAC粉末，注入自来水。

图5

图6

3 加药系统自动化控制设计

加药系统作为污水处理系统的一个功能系统，其自动化程度的高低对污水处理系统的效率有着至关重要的影响。工业污水处理系统常用的控制器为PLC，小型污水处理系统常选用西门子200系列，大中型污水处理系统常选用西门子300或400系列，在此仅对比分析三种加药系统的控制方案，对硬件系统不做说明。

3.1 方案一

对于方案一的加药系统，其工艺过程对应的控制方案流程如图4。

采用卡诺图的形式对计量泵的控制进行分析，用a表示液位报警仪1，b表示搅拌机2，c表示液位报警仪3，d表示搅拌机4 ，e表示电磁阀a，f表示电磁阀b，计量泵输出用Y表示，其卡诺图（仅有效状态）如表1。

表1

3.2 方案二

对于方案二的加药系统，其工艺过程对应的控制方案流程图如图5。

采用卡诺图的形式对计量泵的控制进行分析，用a表示液位报警仪1，b表示搅拌机2，c表示液位报警仪3，d表示搅拌机4 ，e表示电磁阀a，计量泵输出用Y表示，其卡诺图（仅有效状态）如表2。

表2

3.3 方案三

对于方案三的加药系统，其工艺过程对应的控制方案流程图如图6。

采用卡诺图的形式对计量泵的控制进行分析，用a表示液位报警仪1，b表示搅拌机2，c表示电磁阀a，d表示液位报警仪3 ，计量泵输出用Y表示，其卡诺图（仅有效状态）如表3。

表3

以上三种控制方案的卡诺图不难看出后两种的输出条件唯一，有效输出提高，所以从控制方案上讲后两种优于第一种方案。

4 分析对比

三种加药系统的优劣势分析如表4。

5 结论

本文讨论了污水处理厂常用的三种混凝剂投加系统的设计及其自动化控制方案，每种方案都有各自的优势。并行交替使用的加药系统适用于中小型污水处理厂，且需要有专人值守。并行单一使用的加药系统适用于日加药量不大的处理系统，溶药一次可以用于一阶段加药，简单方便。串行放置的加药系统适用于大型污水处理厂，易实现连续加药及全自动化控制，故被大多数的污水处理厂所采用。

表4