一种高密池化学除磷剂智能投加系统的制作方法

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种高密池化学除磷剂智能投加系统。

背景技术：

污水中的磷主要来自生活污水中的含磷有机物、合成洗涤剂、工业废液、化肥农药以及各类动物的排泄物。如果污水未完全处理，磷就会流失到江河湖海，造成水体富营养化，进而造成严重的水环境问题。

目前，很多污水厂化学除磷采用高密池(全称为高密度沉淀池，又叫高效沉淀池)工艺，除磷剂采用聚铝(pac)或聚铁(pfs)该工艺能够在除磷的同时，能有效去除悬浮固体和部分颗粒态有机污染物，明显改善出水水质，且具有避免除磷药剂对生物处理系统的干扰，占地面积小的优点，因而在污水处理厂的提标升级改造中得到大量应用。据初步统计，在重庆水务市场上使用的高密池多达60座。但高密池一开始主要用于给水处理工艺去除浊度，其运行管理复杂，尤其是其投药系统，不仅与进水流量、进出水水质有关，而且与高密池的回流比、回流污泥浓度、反应区污泥浓度、排泥周期等因素有关。目前，全国绝大多数污水厂在化学除磷的加药过程中，控制都较为粗放，主要凭人工经验，通常采用“牺牲运行成本以保证出水效果”的运行策略，存在着恒量、超量投加除磷药剂的现象，药耗浪费比较大。据统计，在污水厂提标改造后，全国很多污水厂药耗已经超过电耗，通过实际调研发现，某污水厂2020年月报表数据，将全年总处理水量，总电耗，总药耗(包括聚铁、聚铝、pam、复合碳源、消毒剂)换算成每立方米污水的电耗和药耗，结果如下：2020年处理每吨污水电耗是0.135元/m3(电价按0.7元/kw.h计算)，药耗是0.2元/m3，药耗是电耗的1.48倍，药耗已经远超过电耗，而在药耗(包括聚铁、聚铝、pam、复合碳源、消毒剂)成本构成中，除磷剂占比已经超过50％，这也显示除磷剂的用量已经占据药耗的绝大部分。因此，如何实现精准投药，以达到既能保证出水水质达标，又能降低药耗，正是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高密池化学除磷剂智能投加系统，在充分掌握高密池回流污泥对除磷剂投加量的重要影响基础上，解决现有技术无法对进水水质进行精准把控、导致投药量无法得到及时精准控制的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高密池化学除磷剂智能投加系统，包括进水流量计、进水正磷检测仪、出水正磷检测仪和加药泵；其中，进水流量计对进水管道水量进行实时测定并记录采集到的进水量；进水正磷检测仪对进水管道进水正磷进行实时测定并记录采集到的进水正磷值；出水正磷检测仪对出水管道出水正磷进行实时测定并记录采集到的出水正磷值；加药泵根据实际化学除磷剂投加量进行加药；

所述高密池化学除磷剂智能投加系统的理论化学除磷剂投加量由以下式确定：

式中：

cm—除磷剂理论加药量(mg/l)；

cp0—进水正磷浓度(mg/l)；

cp—设定的出水正磷浓度目标控制值(mg/l)；

a1、a2—无量纲经验常数；

a3—有量纲经验常数(l/mg)；

实际化学除磷剂的投加量由以下式确定：

式中：v—加药泵每小时加药量(l/h)；k1—高密池污泥影响修正系数；q—高密池进水流量(m3/h)；ρ—除磷剂的密度(kg/l)；cm—除磷剂理论加药量(mg/l)。

优选地，所述除磷剂选自液态聚氯化铝(pac)或液态聚合硫酸铁(pfs)中的一种。

优选地，将高密池进水正磷浓度值cp0划分为以下10个区间，cp0≤0.50；0.50

优选地，所述除磷剂为液态聚合氯化铝(pac)；当cp0≤0.50时，a1＝1.26043，a2＝0.01723，a3＝-0.28809；当0.50

优选地，所述除磷剂为液态聚合硫酸铁(pfs)；当cp0≤0.50时，a1＝1.3794、a2＝0.04615、a3＝-0.34017；当0.50

优选地，将所述设定的出水正磷浓度目标控制值cp设为以下6档：0.15mg/l；0.20mg/l；0.25mg/l；0.30mg/l；0.35mg/l；0.40mg/l；出水正磷浓度实测值变化区间对应所述6档设为：0.12～0.165mg/l；0.16～0.22mg/l；0.2～0.275mg/l；0.24～0.33mg/l；0.28～0.385mg/l；0.32～0.44mg/l。

优选地，选择所述6档中的一档设为初始设定档；当出水正磷浓度实测值cp1连续两次超过初始设定档cp，则将cp降低一档，以此增加投药量；当出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次超过初始设定档cp，则继续将cp降低两档，以此进一步增加投药量，当降至最低档时，出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次超过初始设定档cp，则报警提示；当出水正磷浓度实测值cp1在cp所对应的实测值变化区间内则不再调整。

优选地，选择所述6档中的一档设为初始设定档；当出水正磷浓度实测值cp1连续两次低于初始设定档cp，则将cp提高一档，以此减少投药量；当出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次低于初始设定档cp，则继续将cp提高一档，以此进一步减少投药量；当出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次低于初始设定档cp，则报警提示；当出水正磷浓度实测值cp1在cp所对应的实测值变化区间内则不再调整。

优选地，出水总磷理论值由以下式获得：

ctp＝k2×cp，

其中，ctp—出水总磷理论值；k2为1.2；cp—设定的出水正磷浓度目标控制(mg/l)。

优选地，所述投加系统适用于高密池或没有污泥回流的化学除磷池。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过对高密池进出水正磷值进行实时在线检测，及时掌握水质变化情况，通过构建的数学模型准确计算出除磷剂的投加量并实时调整加药量，避免“加药凭人工经验进行恒量投加和超量投加”的弊端，在保证出水水质达标的同时，尽可能地将除磷剂投加量控制在较低的范围内，从而减少药剂的浪费，降低了运行成本。

2、本发明还考虑到高密池污泥回流对除磷效果及加药量的重要影响，充分利用回流污泥中的药剂，在理论投药量的基础上进行修正，最终获得实际投药量；并针对性的考虑到不同除磷剂的特点和效果，将出水总磷值控制在国标或地标要求的范围内，精细化调控除磷剂的投药量，以最大限度的降低药品消耗。

附图说明

图1为实施例中高密池a与高密池b药耗对比图。

图2为高密池污泥沉淀区剖面图。

图3为烧杯试验的示意图。

图中：1为1#取样管，2为2#取样管，3为3#取样管，4为4#取样管。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

一、一种高密池化学除磷剂智能投加系统

经过研究发现，进水水质的变化对投药量的影响比较大，在对进水正磷值的变化范围进行研究后发现，与在线总磷检测仪相比，在线正磷检测仪由于不需要消解，可以10分钟左右输出一个在线监测数据(在线总磷仪器通常需要1小时左右)，能够快速准确的显示进水水质的变化情况，提前实时调整投药量，确保出水水质达标的同时达到对投药量精准控制的目的。

在高密池内设有高密池化学除磷剂智能投加系统，所述高密池化学除磷剂智能投加系统包括进水流量计、进水正磷检测仪、出水正磷检测仪和加药泵；其中，进水流量计对进水管水量进行实时测定并记录采集到的进水量；进水正磷检测仪对进水管进水正磷进行实时测定并记录采集到的进水正磷值；出水正磷检测仪对出水管出水正磷进行实时测定并记录采集到的出水正磷值；加药泵根据实际化学除磷剂投加量进行加药。

该高密池化学除磷剂智能投加系统的理论化学除磷剂投加量由以下式确定：

式中：

cm—除磷剂理论加药量(mg/l)。

cp0—进水正磷浓度(mg/l)。

cp—设定的出水正磷浓度目标控制值(mg/l)。

a1、a2—无量纲经验常数；其中，a1、a2通过originpro2018软件对烧杯试验数据进行非线性拟合所得。

a3—有量纲经验常数(l/mg)；其中，a3通过originpro2018软件对烧杯试验数据进行非线性拟合所得。

其中，烧杯试验是一种用烧杯进行的化学试验方法，本发明中采用的试验仪器为六联搅拌器，如附图3所示，主要由六个烧杯组成。烧杯试验主要操作步骤如下：

1)取试验水样。在试验室测定取回原水水质，如总磷、正磷、浊度、温度、ph等(测浊度时必须将桶里原水样反复搅匀后，迅速倒入比色皿中测试)。

2)将要试验的原水倒入6个搅拌杯中(每一次取水样时，都务必将桶里的水样进行反复搅匀，并润洗搅拌杯后再加注)，往搅拌杯加注水样时，可以适当超过1l的刻度，多余的水样可通过搅拌杯上的取样管放出至1l的刻度。

3)将搅拌杯放在搅拌机的搅拌位置，并降下搅拌桨。将配置好的除磷剂溶液按照确定的6个投加量，用移液枪从左至右(加药量从小到大)依次放入6个加药试管中。

4)启动混凝搅拌设备，按设定好的程序运行(pac在启动30s时自动加入，pam在快速搅拌剩余1min时手动迅速加入)。

5)沉淀结束时从各搅拌杯中取水至锥形瓶(锥形瓶从左至右依次编号：1～6号)，测量总磷、正磷等各个水质指标。

实际化学除磷剂的投加量由以下式确定：

式中：v—加药泵每小时加药量(l/h)；k1—高密池污泥影响修正系数；q—高密池进水流量(m3/h)；ρ—除磷剂的密度(kg/l)；cm—除磷剂理论加药量(mg/l)。

在具体实施时，所述除磷剂选自液态聚氯化铝(pac)或液态聚合硫酸铁(pfs)中的一种，也可用于其他除磷剂，但需要通过烧杯试验重新确定a1、a2和a3。

将高密池进水正磷浓度值cp0划分为以下10个区间，cp0≤0.50；0.50

当所述除磷剂为液态聚合氯化铝(pac)时；当cp0≤0.50时，a1＝1.26043，a2＝0.01723，a3＝-0.28809；当0.50

当所述除磷剂为液态聚合硫酸铁(pfs)时；当cp0≤0.50时，a1＝1.3794、a2＝0.04615、a3＝-0.34017；当0.50

k1值的获取方法：在高密池回流管上取得高密池回流污泥泥样，静置沉淀30分钟后，撇去上清液，与在高密池进水管上取得的高密池进水水样进行混合，分别配置成不同污泥浓度的混合液(模拟高密池絮凝反应区)，本发明中所配制的污泥混合液浓度分别为：348mg/l、688mg/l、1022mg/l、1350mg/l、1671mg/l，然后做烧杯试验(不加除磷剂，只加高分子助凝剂pam)，考察不投加除磷剂的情况下，高密池回流污泥对所取水样中的正磷(op)和总磷(tp)去除效果。研究表明，当混合液污泥浓度达到500mg/l以上时，对总磷和正磷的去除率达到50％以上。而且除磷效果也呈现出随着污泥浓度升高而越来越好的趋势，证明高密池污泥回流以及适当提高反应区污泥浓度的重要性。经过多次试验表明，为了充分利用高密池回流污泥中的药剂，絮凝反应区污泥浓度不宜小于500mg/l，保持在1000mg/l左右为宜。为了维持合适的污泥浓度，在生产运行中，必须高度重视排泥问题，如附图2所示：1#取样管～3#取样管之间属于污泥浓缩区，排泥时应保持泥位在2#取样管～3#取样管之间，泥位过高如果超3#取样管，易导致出水水质变差；泥位过低如果低于2#取样管，一方面易导致排泥浓度降低，增大后续处理负担和加大水量损失，另外一方面易导致回流污泥浓度降低从而减小絮凝反应区的污泥浓度，影响除磷效果。当本发明所述系统适用于没有污泥回流的化学除磷池时，则不需要考虑污泥回流对水样的影响，因此k1可取值为1.0进行计算。

将所述设定的出水正磷浓度目标控制值cp设为以下6档：0.15mg/l；0.20mg/l；0.25mg/l；0.30mg/l；0.35mg/l；0.40mg/l；出水正磷浓度实测值变化区间对应所述6档设为：0.12～0.165mg/l；0.16～0.22mg/l；0.2～0.275mg/l；0.24～0.33mg/l；0.28～0.385mg/l；0.32～0.44mg/l。当出水正磷浓度实测值cp1连续两次超过初始设定档cp，则将cp降低一档，以此增加投药量；当出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次超过初始设定档cp，则继续将cp降低两档，以此进一步增加投药量，当降至最低档时，出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次超过初始设定档cp，则报警提示；当出水正磷浓度实测值cp1在cp所对应的实测值变化区间内则不再调整。

例如，设定出水正磷浓度目标控制值cp为0.30mg/l，出水正磷浓度实测值变化区间即为0.24～0.33mg/l。对出水正磷浓度进行检测，如果出水正磷浓度实测值cp1连续两次超过0.33mg/l，则将出水正磷浓度目标控制值cp降低一档，即出水正磷浓度目标控制值cp从0.3mg/l降低至0.25mg/l，以此增加投药量。继续对出水正磷浓度进行检测，降档后，如果出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次超过0.33mg/l，继续将出水正磷浓度目标控制值cp降低两档，即cp从0.25mg/l降低至0.15mg/l，以此进一步增加投药量。如果此后，出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次超过0.33mg/l，则报警提示。当然，如果调整后出水正磷浓度实测值cp1在0.24～0.33mg/l范围内则不再调整。其中，第一次调整为1档，第二次及之后进行调整的步长均为2档。

当出水正磷浓度实测值cp1连续两次低于初始设定档cp，则将cp提高一档，以此减少投药量；当出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次低于初始设定档cp，则继续将cp提高一档，以此进一步减少投药量；当出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次低于初始设定档cp，则报警提示；当出水正磷浓度实测值cp1在cp所对应的实测值变化区间内则不再调整。

同样的，例如，设定出水正磷浓度目标控制值cp为0.30mg/l，出水正磷浓度实测值变化区间即为0.24～0.33mg/l。对出水正磷浓度进行检测，如果出水正磷浓度实测值cp1连续两次都低于0.24mg/l，则将出水正磷浓度目标控制值cp提高一档，即出水正磷浓度目标控制值cp从0.3mg/l提高至0.35mg/l，以此减少投药量。继续对出水正磷浓度进行检测，提档后，如果出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次都低于0.24mg/l，继续将出水正磷浓度目标控制值cp提高一档，即cp从0.35mg/l提高至0.40mg/l，以此进一步降低投药量，以此类推，直到调整后出水正磷浓度实测值cp1在0.24～0.33mg/l范围内则不再调整。当然，如果出水正磷浓度实测值cp1仍然连续两次都低于0.24mg/l，则报警提示。值班人员在收到报警信息后，应立即到现场查看在线仪器和投药设备的工作状态，如果出现故障马上启动维修作业。

出水总磷理论值由以下式获得：

ctp＝k2×cp，

其中，ctp—出水总磷理论值；k2为1.2；cp—设定的出水正磷浓度目标控制值(mg/l)。

本发明适用于高密池(全称为高密池)，也可适用于没有污泥回流的化学除磷池。

二、实施例

实施例1

在某污水厂中选择两个运行工况完全相同的高密池进行对比实验，除磷剂选用液态聚合氯化铝(pac)，采用国标一级a标排放标准：总磷tp≤0.5mg/l。高密池a保持原有加药系统不变，由运行人员凭经验控制，由于没有设置正磷检测仪，每天人工化验高密池a的进水和出水，其出水正磷都在0.1mg/l以下。

高密池b采用本发明所述系统进行投药，对进入高密池b的三批废水正磷浓度进行检测，这三批废水进入高密池b时的进水正磷浓度cp0分别为0.62mg/l、0.82mg/l、0.69mg/l，并设定三种出水正磷控制目标值为：0.3mg/l、0.2mg/l、0.15mg/l，与之对应的设定这三批废水出水总磷tp控制目标值分别设为0.36mg/l、0.24mg/l、0.18mg/l。

将上述进水正磷浓度带入进水正磷浓度值cp0划分的10个区间，第一批废水进水正磷浓度cp0为0.62mg/l，位于区间0.60

通过计算得出除磷剂理论加药量cm＝59.6mg/l。考虑高密池具有污泥回流的特点，因此，采用以下公式计算计量泵实际投药量(流量计读数)：

其中，因为本实施例中采用的是高密池，高密池回流污泥中的药剂在反应区还会发挥除磷作用，必须高度重视污泥回流问题，应至少保持反应区污泥浓度在500mg/l以上，以便充分利用回流污泥中的药剂，高密池除磷剂实际投药量比理论计算投药量要少，必须在前述理论投药量的基础上考虑修正系数，本实施例中修正系数k1取值0.6，不同污水厂k1可能不同，需要现场做试验。

本实施例中三批次废水进入高密池b的进水流量均为1587m3/h，除磷剂液态聚合氯化铝(pac)的密度为1.15mg/l，以此将上述数据代入公式(2)计算得出第一批次废水实际投药量为：49.4l/h(流量计读数)，对应的实际药耗为：36mg/l；照此计算，第二批次、第三批次的投药量分别为106.5l/h(流量计读数)、92.0l/h(流量计读数)，对应的实际药耗为：77mg/l，67mg/l。

对高密池b的三批次废水分别投入上述用量的除磷剂进行除磷，并对出水水质进行检测，高密池b的三批次废水出水正磷实际值分别为0.25mg/l、0.18mg/l、0.13mg/l。

表1

参见图1，并结合表1可以看出：对于高密池a(一期)，由于没有智能投药系统，运行人员心中无底，为了确保水质达标，通过超量投药，把出水总磷控制得很低，远低于国标一级a(≤0.5mg/l)要求。甚至在第二批次和第三批次高密池进水中，总磷已经达标的情况下，还大量投药，药剂浪费十分严重。对于高密池b(二期)，由于有了智能投药系统，加药时可以做到心中有数，尽管进水正磷和总磷比高密池a(一期)高得多，但能够通过合理的投药量将出水总磷控制在设定目标值以下，而且其投药量均比高密池a(一期)低，至少低30％以上。同时，在确保出水总磷达标的前提下，能够底气十足地适当提高出水控制目标值，显著降低投药量。

经过测算，针对该厂7万m3/天的设计规模，在本发明后，可以在2020年基础上每年节约至少20％的药耗，节省48万元的药剂费，三年左右就可以收回改造成本，经济效益十分可观。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。