凈水廠加氯系統(tǒng)的技術(shù)改造與優(yōu)化

史 偉，馮 兵，鐘建東，汪 健

(蕪湖華衍水務(wù)有限公司 生產(chǎn)運(yùn)行部，安徽蕪湖 241000)

由于液氯消毒成本較低、工藝成熟，液氯消毒在我國各地大中型自來水公司被廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的加氯控制方式由于控制模式簡單，在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)加氯量過大或不足等問題，使水質(zhì)安全得不到保證。針對這些問題，結(jié)合A水廠的平面布局和工藝、設(shè)備現(xiàn)狀，提出新增加氯點(diǎn)、改造加氯控制系統(tǒng)、在線余氯儀表布置、加氯設(shè)備更新等措施，最終在保障水質(zhì)衛(wèi)生指標(biāo)安全、降低消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生上取得了較好的效果[1]。

1 水廠工藝及加氯系統(tǒng)現(xiàn)狀

A水廠位于蕪湖市城南地區(qū)，供水量約為15萬m3/d，通過取水泵提升長江水后經(jīng)過常規(guī)凈水工藝處理并供向城市管網(wǎng)。水廠常規(guī)凈水工藝主要采用混凝、沉淀、過濾、消毒的方式保證出廠水質(zhì)，如圖1所示。圖中實(shí)線為改造前已實(shí)現(xiàn)的加氯點(diǎn)，虛線為改造前未實(shí)現(xiàn)的加氯點(diǎn)。

圖1 A水廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of A WTP

A水廠消毒環(huán)節(jié)主要采用傳統(tǒng)的液氯投加工藝，加氯間配備兩組氯瓶(1 000 kg/瓶)，一用一備，并設(shè)有蒸發(fā)器可實(shí)現(xiàn)液氯或氣氯投加，同時(shí)兩路之間設(shè)置壓力自動(dòng)切換系統(tǒng)，以保證連續(xù)工作。目前前加氯投加點(diǎn)在折板反應(yīng)池前端DN1400進(jìn)水總管上，主要在夏季使用以增強(qiáng)除藻效果。后加氯投加點(diǎn)位于V型濾池DN1600出水總管上，主要保障出廠水余氯達(dá)到國家出廠水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

水廠加氯設(shè)備主要由真空調(diào)節(jié)器、加氯流量調(diào)節(jié)控制部分、水射器等組成，加氯量主要通過人工經(jīng)驗(yàn)確定，加氯過程如圖2所示。

圖2 人工控制加氯法加氯過程Fig.2 Manual Control of Chlorination Process

2 存在的主要問題

2.1 后加氯點(diǎn)數(shù)量單一

目前A水廠采用前后“兩點(diǎn)加氯”，其中前加氯在去除水中的藻類及浮游生物的過程中氯消耗較大，在沉淀池出水處余氯量已接近為零。后加氯的加氯量是決定出廠水的余氯的主要因素之一，投加量較少將達(dá)不到消毒效果，而投加量較多時(shí)會(huì)帶來產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

同時(shí)由于出廠水余氯受到清水池水力停留時(shí)間，一、二泵房開停泵，有機(jī)物含量等因素的影響，實(shí)際運(yùn)行時(shí)僅僅通過單點(diǎn)后加氯投加實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確加氯較難實(shí)現(xiàn)，對加氯工人的經(jīng)驗(yàn)要求極高。

2.2 加氯系統(tǒng)控制模式簡單

水廠加氯控制為開環(huán)控制運(yùn)行。在PLC控制方式下，設(shè)備的運(yùn)行取決于PLC的輸出控制，PLC將根據(jù)有效的輸出控制指令執(zhí)行有關(guān)的控制邏輯，包括在自動(dòng)模式下根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)工況以及事先設(shè)定的工藝參數(shù)自動(dòng)對設(shè)備的運(yùn)行做出控制和對被控設(shè)備的故障保護(hù)，在點(diǎn)動(dòng)模式下執(zhí)行人機(jī)操作界面對單臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行控制，以及在組合操作模式下對設(shè)備組的一步化控制。

人工輸入加氯量數(shù)值后，傳輸?shù)募勇刃盘?hào)只有傾向作用，并無反向聯(lián)系。這種模式下控制精度較低，且抗干擾能力差，一旦受到外界條件(如水力條件、氣溫變化)的影響，加氯效果無法保證。

A水廠正常情況下出廠水余氯值控制為0.6～0.9 mg/L，為保證出廠水余氯穩(wěn)定一般控制在0.7 mg/L。圖3為改造前某日22∶20到次日8∶00出廠余氯受取水泵流量變化的影響情況圖。在夜間23∶00和次日6∶00加減泵操作時(shí)，由于加氯控制系統(tǒng)較簡單，會(huì)出現(xiàn)短暫的出廠水余氯波動(dòng)變化，直到人員干預(yù)調(diào)整投加氯量后才重新恢復(fù)穩(wěn)定。

圖3 改造前A水廠某日22∶20到次日8∶00出廠水余氯變化Fig.3 Variation of Residual Chlorine in Time of 22∶00～8∶00 before Reconstruction

2.3 加氯設(shè)備及附屬配件老化

由于加氯設(shè)備使用年限較長，部分元件存在磨損現(xiàn)象，直接導(dǎo)致閥門反饋及輸出與實(shí)際情況存在偏差，除此之外設(shè)備老化對加氯機(jī)閥門開度，水射器吸口壓力、水射器管路等硬件裝置都有一定的影響。

3 改造措施

3.1 前加氯控制采用比例控制

實(shí)施改造后，將加氯量和取水量建立關(guān)聯(lián)，即取水流量儀的流量數(shù)據(jù)將反饋信號(hào)給PLC決斷，PLC根據(jù)取水流量的大小輸出相應(yīng)執(zhí)行命令來調(diào)節(jié)前加氯機(jī)閥門的開度，前加氯比例投加示意如圖4所示。

圖4 前加氯比例投加氯示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Proportional Dosing of Chlorine

3.2 增設(shè)補(bǔ)加氯點(diǎn)

由于后加氯不能快速與水混合并發(fā)生反應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)加氯量更加準(zhǔn)確，一方面技改時(shí)在吸水井上增加補(bǔ)加氯點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)解決濾后水加氯點(diǎn)的加氯負(fù)擔(dān)，當(dāng)出廠水DN1200總管上的余氯儀數(shù)據(jù)接近內(nèi)控余氯標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值并呈逐漸下降趨勢時(shí)進(jìn)行啟用投加。另一方面，為確保出廠水余氯量的穩(wěn)定，改造時(shí)在清水池中重新優(yōu)化在線余氯儀表安裝位置。取樣監(jiān)測點(diǎn)位置計(jì)算如下：A水廠供水量為15萬m3/d，清水庫平面尺寸130 m×35 m×3.8 m，實(shí)際運(yùn)行水深約3 m，采用多道隔板往復(fù)式流道布置，兩道隔板間過流寬度為5 m，在不考慮水流上下層流量影響的條件下可將清水庫中的清水簡化為理想的層流，廊道中的水流流速0.116 m/s。同時(shí)依據(jù)水廠余氯衰減經(jīng)驗(yàn)可初步確定30 min為最佳加氯點(diǎn)，因此結(jié)合實(shí)際水力計(jì)算后確定采樣點(diǎn)位置設(shè)置在清水池入口端209 m處，用來作為后加氯和補(bǔ)加氯的反饋信號(hào)，確保在進(jìn)入吸水井前余氯正常合理，在出現(xiàn)異常時(shí)也可用補(bǔ)加氯點(diǎn)的余氯反饋信號(hào)數(shù)據(jù)。

3.3 增加原水氨氮異常報(bào)警

現(xiàn)階段，由于A水廠原水氨氮較低，常年原水氨氮濃度在0.15 mg/L以內(nèi)，濾后水氨氮已低于檢測下限。加氯量主要根據(jù)出廠余氯值進(jìn)行調(diào)整，尚未和氨氮進(jìn)行關(guān)聯(lián)。然而由于突然水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的逐年提高，安裝在線氨氮監(jiān)測將有利于進(jìn)一步保證加氯時(shí)不受到有機(jī)污染物的影響。當(dāng)突發(fā)出現(xiàn)氨氮類水質(zhì)污染時(shí)，通過報(bào)警裝置及時(shí)將加氯系統(tǒng)切換為手動(dòng)控制模式，確保因自控系統(tǒng)未與氨氮建立聯(lián)系而出現(xiàn)故障[3-4]。

3.4 閉環(huán)控制系統(tǒng)的建立

根據(jù)A水廠加氯系統(tǒng)的硬件配置情況，計(jì)劃采用閉環(huán)加氯運(yùn)行模式進(jìn)行技術(shù)改造[5-6]，該系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為PLC自控運(yùn)行，無需人工干預(yù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換至人工操作模式，更大程度保證了加氯系統(tǒng)的安全可靠。閉環(huán)加氯模式原理圖如如圖5所示。

圖5 閉環(huán)加氯模式Fig.5 Closed-Loop Chlorination Mode

閉環(huán)加氯正常情況下設(shè)定初始投加氯量進(jìn)行后加氯投加，補(bǔ)加氯。當(dāng)清水池中在線余氯儀表數(shù)據(jù)異常并反饋給控制系統(tǒng)后，PLC執(zhí)行程度視具體余氯值對后加氯和補(bǔ)加氯環(huán)節(jié)進(jìn)行加氯量調(diào)整。此外，補(bǔ)加氯點(diǎn)會(huì)再次根據(jù)出廠水余氯信號(hào)進(jìn)行精確微調(diào)，這將作為水廠消毒工藝的最后屏障保證出廠水余氯達(dá)到國標(biāo)和內(nèi)控水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 新增水射器及配套材料

由于A廠水射器工作出廠壓力為0.28～0.32 MPa，同時(shí)根據(jù)投加量實(shí)際需要設(shè)定新增補(bǔ)加氯的最大投加量為1.0 mg/L，那么單臺(tái)水射器的氯氣投加量為7.29 kg/h，根據(jù)水射器選型表選定型號(hào)545-0715。

表1 水射器選型表Tab.1 Water Injector Selection

同時(shí)為保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，除對老舊加氯設(shè)備(真空調(diào)節(jié)器、加氯機(jī)、管道、蒸發(fā)器、閥門)更新外，需新增配套PLC控制柜、補(bǔ)加氯管道等以提高加氯系統(tǒng)的安全。

3.6 閉環(huán)加氯改造后運(yùn)行效果分析

圖6為A水廠閉環(huán)加氯技術(shù)改造后的出廠水余氯變化。通過實(shí)施閉環(huán)加氯技術(shù)改造項(xiàng)目，水廠出廠水余氯值保持穩(wěn)定，不會(huì)受到水量等多條件的影響而出現(xiàn)突變，進(jìn)一步保證了出廠水質(zhì)安全。

圖6 A水廠閉環(huán)加氯技術(shù)改造后的出廠水余氯變化Fig.6 Variation of Residual Chlorine in Finished Water After Reconstruction

4 結(jié)論

閉環(huán)加氯系統(tǒng)技改項(xiàng)目實(shí)施后使得A水廠在出廠水余氯控制上得到優(yōu)化并取得水廠工藝提升的效果。

(1) 閉環(huán)控制系統(tǒng)使氯氣準(zhǔn)確、安全地投加，很好地控制了出廠水余氯。

(2) 水廠的自動(dòng)化水平提高向集團(tuán)智慧水務(wù)的建設(shè)更進(jìn)一步；

(3) 降低對水廠工藝運(yùn)行工加氯操作對經(jīng)驗(yàn)的依賴。

(4) 形成多道屏障保證出廠余氯達(dá)標(biāo)的加氯模式。