水處理工藝中加藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

李文靜， 程 峰， 喬紅偉

(1.天津津安基環(huán)保科技有限公司，天津300400；2.天津城建大學(xué)，天津300384)

隨著工業(yè)需求的不斷提高、水資源短缺與水體污染的日益加重，給水深度處理與污水資源化回用的工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，主體工藝日臻完善。在水處理工藝中，有多處需要加注相關(guān)藥劑，例如在砂濾工藝前要投加絮凝劑和殺菌劑，在反滲透工藝前要投加還原劑和阻垢劑，在一級(jí)系統(tǒng)給水中可能加酸，在二級(jí)系統(tǒng)給水中可能加堿。因此，加藥裝置是水處理輔助工藝的重要組成部分[1]，其往往由多個(gè)設(shè)備組成，也稱為加藥系統(tǒng)。

加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行不規(guī)范的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致水處理工程故障頻發(fā)[2]。作為加藥系統(tǒng)的主設(shè)備，加藥泵主要分為機(jī)械計(jì)量泵、電磁計(jì)量泵與磁力加藥泵[3]。這3類(lèi)泵的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)不同，與其配套的輔助設(shè)備也存在差別。

筆者以這3類(lèi)加藥系統(tǒng)為例，通過(guò)分析加藥泵的特性和各輔助設(shè)備的要點(diǎn)，明確加藥系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)，強(qiáng)化加藥系統(tǒng)自動(dòng)化的概念，旨在為規(guī)范加藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。一般而言，電磁計(jì)量泵用于小型水處理系統(tǒng)，機(jī)械計(jì)量泵與磁力加藥泵用于大中型水處理系統(tǒng)，表1所示為中型水處理系統(tǒng)中加藥泵的型號(hào)與主要用途。

1 機(jī)械計(jì)量泵系統(tǒng)

典型的機(jī)械計(jì)量泵加藥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械計(jì)量泵屬于隔膜泵范疇，通過(guò)設(shè)置隔膜運(yùn)動(dòng)的沖程頻率與沖程長(zhǎng)度達(dá)到調(diào)節(jié)加藥量的目的，其輸出壓力取決于出口阻力，輸出的流量與壓力均呈脈沖形式。

機(jī)械計(jì)量泵系統(tǒng)中泵出的藥液量需由泵前的流量標(biāo)定柱予以標(biāo)定。進(jìn)行流量標(biāo)定前，打開(kāi)罐口閥和標(biāo)定柱上端的通氣孔，使藥液流入標(biāo)定柱，隨后啟動(dòng)計(jì)量泵，使藥液通過(guò)安全閥回流至藥劑罐，并在該過(guò)程中使流量標(biāo)定柱內(nèi)充滿藥液。進(jìn)行流量標(biāo)定時(shí)，關(guān)閉罐口閥，屆時(shí)計(jì)量泵的流量可由流量標(biāo)定柱的液位標(biāo)定。

表1 中型水處理系統(tǒng)中加藥泵的型號(hào)與主要用途Tab.1 Model and main application of dosing pump in medium-sized water treatment system

圖1 機(jī)械計(jì)量泵加藥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置Fig.1 Configuration of dosing system with mechanical metering pump

由于機(jī)械計(jì)量泵輸出的藥劑脈沖較大，需要設(shè)置空氣式脈動(dòng)阻尼器以消減流量脈沖對(duì)流量標(biāo)定柱中液位的沖擊。計(jì)量泵系統(tǒng)輸出的是脈沖藥量，無(wú)法用流量計(jì)對(duì)加藥量進(jìn)行檢測(cè)，因此流量標(biāo)定的準(zhǔn)確性對(duì)藥劑的輸出量至關(guān)重要。

盡管可以通過(guò)調(diào)節(jié)沖程頻率與沖程長(zhǎng)度改變其總藥液流量，但如圖2.a所示，機(jī)械計(jì)量泵輸出的藥劑通常具有較大的脈沖幅度。為防止誤操作等原因造成的輸出壓力過(guò)高對(duì)管路、閥門(mén)等相關(guān)設(shè)備的損傷，計(jì)量泵出口處必須安裝安全閥，其安全壓力應(yīng)設(shè)置為加藥壓力的120%～150%。

圖2 計(jì)量泵不同沖程與頻率條件下的藥劑脈沖Fig.2 Chemical pulse with different stroke and frequency of metering pump

為消減計(jì)量泵輸出壓力的脈動(dòng)幅度，需要在計(jì)量泵出口處安裝膜片式脈動(dòng)阻尼器。阻尼器的膜片背側(cè)充斥氮?dú)?，充氣壓力?yīng)為加藥系統(tǒng)壓力的50%～60%，加藥系統(tǒng)的輸出壓力應(yīng)為主系統(tǒng)管道壓力的1.5倍左右。

計(jì)量泵系統(tǒng)出口還需設(shè)置背壓閥以形成特定的加藥壓力，背壓閥與安全閥的結(jié)構(gòu)完全一致，只是因安裝方向不同使閥內(nèi)的流態(tài)不同?？梢酝ㄟ^(guò)背壓閥的調(diào)整螺絲調(diào)整系統(tǒng)的加藥壓力，從而改變輸出藥液的壓力和調(diào)整流量的脈動(dòng)幅度。

藥劑罐是加藥系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的藥品種類(lèi)相關(guān)。為了防止藥劑揮發(fā)擴(kuò)散或被污染，藥劑罐需要加蓋防塵，必要時(shí)需在罐蓋上加裝排氣閥。藥劑加入罐內(nèi)均需要注水稀釋，且需要根據(jù)藥劑特性選擇不同強(qiáng)度的機(jī)械攪拌。藥液進(jìn)入加藥泵之前均需經(jīng)過(guò)Y型過(guò)濾器或底閥過(guò)濾器，以防止藥液殘?jiān)螂s質(zhì)進(jìn)入泵體。

2 電磁計(jì)量泵系統(tǒng)

典型的電磁計(jì)量泵加藥系統(tǒng)如圖3所示，多功能閥同時(shí)具有安全閥與背壓閥的功能，注射閥具有止回閥功能并兼作與主系統(tǒng)給水管道的連接器。

圖3 電磁計(jì)量泵加藥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置Fig.3 Configuration of electromagnetic metering pump dosing system

由于電磁計(jì)量泵的流量較小，且具有小沖程長(zhǎng)度和高沖程頻率的特點(diǎn)，其輸出的藥劑量具有較小的脈沖幅度，如圖2.b所示。因此，無(wú)需膜片阻尼器來(lái)降低加藥壓力脈沖幅度，也無(wú)需流量標(biāo)定柱和空氣脈動(dòng)阻尼器。盡管可以用電磁計(jì)量泵自帶的調(diào)節(jié)器設(shè)定輸出藥劑流量，為了更準(zhǔn)確地計(jì)量藥劑流量，還可選用電磁式流量計(jì)檢測(cè)實(shí)際的加藥量。

3 磁力加藥泵系統(tǒng)

磁力泵屬于離心泵范疇，具有與離心泵相似的流量壓力特性[4]，其加藥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。在小流量運(yùn)行工況下，滯留液將在泵體內(nèi)循環(huán)并被反復(fù)攪動(dòng)，會(huì)造成溫度上升，甚至使泵體受損。因此，應(yīng)在系統(tǒng)中設(shè)置回流閥，通過(guò)系統(tǒng)用量來(lái)設(shè)置回流閥開(kāi)度，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

圖4 磁力泵型加藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置Fig.4 Structure configuration of dosing system with magnetic pump

針對(duì)磁力泵的上凸型流量壓力特性曲線，可采用調(diào)節(jié)閥控制該系統(tǒng)的加藥量。因磁力泵系統(tǒng)輸出的是連續(xù)藥量，可以用電磁流量計(jì)對(duì)加藥量進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)流量計(jì)反饋的流量信號(hào)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向并調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，進(jìn)而保證加藥量的恒定。為了便于調(diào)控，調(diào)節(jié)閥的通流面積應(yīng)與其旋轉(zhuǎn)角度呈線性關(guān)系。圖5示出了線性截流閥與伺服電機(jī)的組合結(jié)構(gòu)。對(duì)于主系統(tǒng)分為多個(gè)單元的結(jié)構(gòu)，可以采用大流量的磁力泵，且并聯(lián)配置多個(gè)調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)各個(gè)系統(tǒng)單元的加藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖5 調(diào)節(jié)閥與伺服電機(jī)Fig.5 Regulating valve and servo motor

無(wú)論藥劑是計(jì)量泵輸出的脈沖流還是磁力泵輸出的連續(xù)流，其藥劑濃度均遠(yuǎn)高于混合后在主系統(tǒng)管道中的濃度。為了使藥液與主系統(tǒng)給水徑流均勻混合，尚需安裝圖6所示的管道混合器。此外，對(duì)加藥系統(tǒng)末端的加藥管插入主系統(tǒng)給水管道的位置也有特定要求。如果加藥管出口緊貼給水管的管壁，在給水徑流的沖擊作用下，藥劑將沿管壁成層流狀。這樣不僅不利于藥劑與給水徑流的混合，還可能使下游藥劑檢測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，甚至?xí)?dǎo)致高濃度藥劑腐蝕主給水管道。只有當(dāng)加藥管出口深入到主給水管道中部，才能直接混入給水徑流的紊流體中，從而實(shí)現(xiàn)有效混合，并保證下游儀表的準(zhǔn)確檢測(cè)。

圖6 管道混合器示意Fig.6 Schematic of pipeline mixer

4 加藥系統(tǒng)自動(dòng)化

隨著藥劑品種和稀釋程度的改變，加藥量需要人工適時(shí)調(diào)整。此外，隨著水源改變導(dǎo)致pH、氧化還原電位(ORP)、硬度、濁度等水質(zhì)指標(biāo)變化，以及隨主系統(tǒng)產(chǎn)水量或回收率波動(dòng)導(dǎo)致給水流量變化，加藥量也需要自動(dòng)且實(shí)時(shí)加以調(diào)整[5]。

以反滲透膜系統(tǒng)的還原劑加藥過(guò)程為例，在圖1、圖3與圖4中所示的加藥系統(tǒng)中，用檢測(cè)ORP的水質(zhì)檢測(cè)儀和給水流量計(jì)，分別檢測(cè)主系統(tǒng)給水的實(shí)時(shí)流量與氧化劑含量，運(yùn)用流量計(jì)與水質(zhì)檢測(cè)儀傳出的信號(hào)和特定的分析算法，得到計(jì)量泵系統(tǒng)應(yīng)有的還原劑加藥量。采用該加藥量信號(hào)控制圖1和圖3計(jì)量泵的沖程頻率，或控制圖4磁力泵系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)還原劑加藥量的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。

如果將磁力泵系統(tǒng)中的藥劑流量與調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的聯(lián)控視為內(nèi)循環(huán)控制，則膜系統(tǒng)給水的流量及ORP值與加藥量的聯(lián)控則為外循環(huán)控制。如此雙重循環(huán)控制，即構(gòu)成了膜系統(tǒng)中典型的還原劑加藥控制模式。由此，既能避免因加藥量不足造成膜系統(tǒng)被氧化，又避免了因加藥量過(guò)多造成膜系統(tǒng)污染或厭氧菌孳生。

5 污水回用工程案例

某污水資源化回用工程中給水的水質(zhì)和水量條件，以及各工藝位置上的加藥設(shè)備與加藥量，如圖7所示。圖中標(biāo)出的加藥量均為純藥劑量，若進(jìn)行藥劑稀釋，則需相應(yīng)地提高加藥量。

圖7 某污水資源化回用工程參數(shù)Fig.7 Parameters for a reuse project of sewage reclamation

6 結(jié)論

① 水處理工藝中的加藥系統(tǒng)主要包括電磁計(jì)量泵、機(jī)械計(jì)量泵與磁力泵3種結(jié)構(gòu)。

② 各加藥系統(tǒng)具有各自不同的特點(diǎn)與輔助設(shè)備，設(shè)計(jì)與運(yùn)行過(guò)程應(yīng)遵循其特點(diǎn)與規(guī)律。

③ 根據(jù)主系統(tǒng)給水流量和水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行加藥量調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)加藥量的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。