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  北京化工大学学报(自然科学版)  2020, Vol. 47 Issue (1): 8-12   DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2020.01.002
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引用本文  

潘萌, 姚大伟, 江梅, 陈畅. 再生水除磷工艺中聚合氯化铝投放的控制研究[J]. 北京化工大学学报(自然科学版), 2020, 47(1): 8-12. DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2020.01.002.
PAN Meng, YAO DaWei, JIANG Mei, CHEN Chang. Control of polyaluminum chloride addition in the dephosphorization process in a reclaimed water plant[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science), 2020, 47(1): 8-12. DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2020.01.002.

第一作者

潘萌, 女, 1985年生, 硕士, 工程师.

通信联系人

陈畅, E-mail:chenchang@mail.buct.edu.cn

文章历史

收稿日期:2019-05-30
再生水除磷工艺中聚合氯化铝投放的控制研究
潘萌 1, 姚大伟 1, 江梅 1, 陈畅 2     
1. 北京城市排水集团有限责任公司, 北京 100044;
2. 北京化工大学 化学工程学院, 北京 100029
摘要:对某再生水厂再生水处理工艺除磷过程中化学药剂聚合氯化铝(PAC)的投放量进行了优化计算与控制。通过对两年再生水相关指标的统计分析,采用最小二乘法拟合出了PAC投放体积与进、出水总磷和水处理量之间的关系方程。稳定运行一年的结果表明按照拟合方程精准投放药剂后,出水的总磷符合标准要求,而且波动范围明显减小。本文所建立的方程为再生水厂的一线操作提供了参考,在不影响再生水处理效率的基础上节约了经济成本。
关键词再生水    除磷    聚合氯化铝    拟合方程    精准投放    
Control of polyaluminum chloride addition in the dephosphorization process in a reclaimed water plant
PAN Meng1 , YAO DaWei1 , JIANG Mei1 , CHEN Chang2     
1. Beijing Drainage Group Co. Ltd., Beijing 100044;
2. College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China
Abstract: The dephosphorization (phosphorus removal) process in a reclaimed water plant has been optimized. The correlation equation between polyaluminum chloride (PAC) addition, inflow and outflow phosphorus concentrations, and water flow was established through linear fitting analysis of the monitoring data from 2015-2016. After validating the results in 2017, it was found that the phosphorus concentrations in the outflow water met the water quality requirements. Our correlation equation not only provides a basis for the efficient operation of the reclaimed water plant, which reduces economic costs without affecting the efficiency of reclaimed water treatment, but also has important practical significance.
Key words: reclaimed water    dephosphorization    polyaluminum chloride    correlation equation    accurate addition    
引言

除磷是再生水处理工艺中的重要环节,再生水厂出水中的磷含量是评价其是否符合排放标准的重要指标[1-2]。为了确保再生水排放时总磷含量达标,在除磷工艺中需要辅以化学絮凝除磷技术,通过投加沸石、无机盐等将溶解性的磷转化为固体沉淀物,从而达到除磷的目的[3-5]。本文的目标再生水厂通过在V型滤池中投放聚合氯化铝(PAC),将水体中过量的磷元素脱除,同时通过絮凝作用去掉一部分悬浮物[6]。如果PAC投放的量不够,不足以达到除磷和絮凝的效果,影响出水水质达标;而PAC投放过量,对企业经济效益不利。

近年来,有文献将PAC纯药/总磷去除比作为一个衡量PAC投放是否合理的指标[7-10]。所谓PAC纯药/总磷去除比,是指单位体积水中PAC纯药的投放量(mg/L)与总磷去除量(mg/L)的比值,代表所投放的纯PAC与磷去除量之间的比例关系。去除比值越大,说明除去单位量的磷所投放的PAC药剂量越大,超过一定值可能造成浪费。然而,目前尚未有文献给出公认的PAC/总磷去除比合理范围。本文拟建立PAC投放量与多影响因素之间的关系方程,为一线操作工人提供投放标准,以期为保证企业再生水处理效率、提高经济效益提供帮助。

1 材料与方法

研究对象为北京市某再生水厂,该厂日处理规模10万m3,采用两级生物滤池工艺,上游污水厂处理后的污水作为再生水厂的进水,经提升泵房,送入两级生物滤池中进行脱氮处理,之后再生水送入V形滤池进行化学絮凝除磷,投放药剂为聚合氧化铝(质量分数10%,沧州临港六环化工有限公司);通过臭氧完成除色消毒后送入清水池,经配水泵房出水。为表述方便,以下统一以进水、出水代表该再生水厂的进、出水。总磷含量采用钼酸铵分光光度法[10]及哈希总磷Phosphax Sigma在线分析仪(HACH上海水质分析仪器有限公司)测定。

PAC投放量与进水总磷值、出水总磷值、处理水量等因素均有关系。为了能够精准控制PAC参与除磷的过程,得出PAC投放量及与各因素之间的关系,必须在长期运行数据的基础上归纳、总结规律。为此,本文监测采集了2015年1月1日至2016年12月31日两年的运行数据,包括进水总磷(input TP)、出水总磷(output TP)、PAC药剂(质量分数10%)投放量、总磷去除率(TP removal)、日进水总量等指标。经最小二乘法线性分析拟合推导PAC精准投放公式,在2017年推广使用,采集全年运行数据,进行检验。

2 结果与讨论 2.1 两年再生水各指标监测结果

由2015—2016年数据分析可知,日进水总磷浓度(图 1(a))在0.045~1.38 mg/L之间波动,平均值为0.405 mg/L;处理后的日出水(再生水)总磷含量(图 1(b))在0.017~0.299 mg/L之间波动,平均值为0.113 mg/L。

图 1 2015—2016年每日进水总磷浓度(a)、出水总磷浓度(b)和总磷去除量(c) Fig.1 Total phosphate concentration in daily inflow water (a), daily outflow water (b), and phosphate removal (c) data for 2015—2016

经计算,日总磷去除量(图 1(c))处于0.007~1.148 mg/L之间,平均值为0.292 mg/L。进水总磷值越高,所需PAC量也就越大,直接影响出水中总磷的含量。以上长期运行数据将直接作为分析PAC投放规律的重要基础,用于后续拟合公式的推导。2015—2016两年的每日水处理量、PAC药剂投放量、PAC纯药投配率RPAC(单位水体中PAC纯药的投放质量,mg/L)、PAC纯药/总磷去除比数据如图 2所示。从图 2(a)可知,两年内日水处理量处于(5.30~13.42)万t之间,日均水处理量为10.29万t,基本符合日处理量10万t的设计负荷。在水厂运行中,日水量波动属正常情况,会直接影响PAC投放量。图 2(b)是两年运行过程中的日PAC药剂投放量曲线,其值在8.33~7 007 kg之间波动,均值为2 203.5 kg。日纯PAC投配率(图 2(c))在0.08~7.74 mg/L之间波动,均值为2.17 mg/L。从图 2(d)中可以看到PAC纯药/总磷去除比在0.137~180之间,波动非常大,也表明现场急需要一个方便使用的规律公式,以便指导工人随时根据实时情况准确控制PAC的投放量。

图 2 2015—2016年每日水处理量(a)、每日PAC投放量(b)、纯PAC投配率(c)和纯药/总磷去除比(d) Fig.2 Daily treated water amount (a), daily added PAC (10%) amount (b), daily PAC addition rate (c), and PAC/phosphate removal ratio (d) in 2015—2016
2.2 除磷工艺中PAC投放量方程的拟合

在PAC投放量方程拟合过程中,需要甄别2015—2016年数据,利用投放量比较合理的数据进行规律推导。将2015—2016年每日进水总磷含量、PAC纯药/总磷去除比曲线放在一起进行比较,如图 3所示,可以发现,以进水磷浓度0.3 mg/L为界,高于此值时PAC纯药/总磷去除比相对较小,而低于此浓度时去除比要大得多。这是因为当需除去的磷较少时,PAC主要起絮凝作用,PAC投放未能根据进水总磷浓度进行及时精准的调整,因而得到偏高的去除比。

图 3 2015—2016年每日进水总磷含量、PAC纯药/总磷去除比曲线 Fig.3 Comparison of daily inflow phosphate concentration and PAC/phosphate removal ratio in 2015 and 2016

考虑到《城镇污水处理厂水污染物排放标准》 (DB11/890—2012)中对于再生水出水中磷的限值为0.3 mg/L,若进水时磷浓度已经小于0.3 mg/L,则PAC只需维持基本絮凝作用,无需多加;若进水磷浓度高于0.3 mg/L,则需要增加PAC投放量,发挥其除磷和絮凝作用。对数据进行筛选,以进水磷浓度在0.3 mg/L以上的点为研究对象,同时选取去除比在7及以下的各点数据(过大的数值代表投放明显过量,不符合经济性要求,应予舍弃)拟合规律方程。共筛选出合理点256 d,对纯PAC投配率(RPAC)、进水总磷(P)、出水总磷(P)进行皮尔逊相关性分析,结果可知,PAC投配率与进水总磷、出水总磷呈显著正相关,即去除的磷越多,所需的PAC投配率就越高,符合科学规律。在此基础上,以PAC投配率为因变量,以进、出水总磷含量为自变量,进行最小二乘法线性拟合,得拟合方程为

$ {R_{{\rm{PAC}}}} = 0.371 + 4.316{P_{进}} - 4.082{P_{出}} $ (1)

经方差分析得F值为151.106,sigma值为0.000,说明可信度为100%。经共线性诊断可知,各自变量参数之间相互独立。

2.3 公式的变形

式(1)是在2015—2016年数据基础上拟合出的原始方程,然而在实际应用中必须考虑方程使用的简便性。RPAC不方便在现场使用,一线工人在操作时,习惯使用流量计控制PAC药剂投放体积VPAC (L/h)。PAC药剂中PAC的质量分数为10%,为了便于使用,将式(1)变形,10%PAC药剂的密度(ρPAC)按1.15 kg/L换算成体积,即

$ \begin{array}{l} {V_{{\rm{PAC}}}} = {R_{{\rm{PAC}}}} \times 10 \times {V_{水}}/{\rho _{{\rm{PAC}}}} = {\rm{ (}}0.371 + 4.316{P_{进}} - \\ {\rm{ }}4.082{P_{出}}) \times {V_{水}} \times {10^{ - 2}}/1.15 \end{array} $ (2)

在变形后的公式中,PP可以通过快速在线监测仪读数读出,每小时处理的再生水量(V, m3)由流量计进行监控,将实时数值代入式(2),即可确定每小时需要的PAC药剂投放体积VPAC。这样使PAC投配率转换为容易操控的PAC流量,同时也将再生水的流量考虑在内,方程更为合理、方便,工人可根据每小时的监控数据随时代入式(2)计算,以控制投放流量。然而,式(2)只适用于进水总磷浓度大于0.3 mg/L的情况,若实时监测进水总磷小于0.3 mg/L,则依照以往总结得到的絮凝经验系数,按40 L/h的流量投放10%PAC药剂。

2.4 除磷工艺PAC投放量方程应用效果评估

2017年全年的每日水处理量、PAC药剂投放量、PAC纯药投配率、PAC纯药/总磷去除比数据如图 4所示。

图 4 2017年每日水处理量(a)、每日PAC(10%)投放量(b)、纯PAC投配率(c)、纯药/总磷去除比(d) Fig.4 Daily treated water amount (a), daily added PAC(10%) amount (b), daily PAC addition rate (c), and PAC/phosphate removal ratio (d) in 2017

图 4(a)可知,2017年内日水处理量在(4.58~13.29)万t之间,日均水处理量为9.68万t,波动较2015—2016年略大。日水处理量波动属正常情况,该因素已经考虑在式(2)内,可以随时根据不同水量调整所需PAC量,使投药过程更加准确。图 4(b)为2017年的每日PAC药剂投放量曲线,其值在694~5 452 kg之间波动,均值为2 437.6 kg;日纯PAC投配率(图 4(c))在0.63~5.00 mg/L之间波动,均值为2.52 mg/L。在图 4(d)中可以看出PAC纯药/总磷去除比在4.37~83.22之间,从均值上看,2017年PAC纯药/总磷去除比为6.95,与2015—2016年的值(7.38)相比有显著降低,说明采用本文式(2)进行精准投放有显著效果。

2017年每日监测进水、出水的总磷浓度,数据如图 5所示。经分析可知,日进水总磷浓度(图 5(a))在0.09~1.02 mg/L之间波动,平均值为0.479 mg/L;处理后的日出水(再生水)总磷浓度(图 5(b))在0.039~0.299 mg/L之间波动,平均值为0.120 mg/L,全年均未超过0.3 mg/L的标准,全部合格。经计算,日总磷去除量(图 5(c))在0~0.917 mg/L之间,平均值为0.360 mg/L。利用本文所推导公式进行精准投放后,出水总磷符合平稳与经济原则,与2015—2016年相比波动较小。

图 5 2017年每日进水总磷浓度(a)、出水总磷浓度(b)、总磷去除量(c) Fig.5 Total phosphate concentration in daily inflow water (a), daily outflow water (b), and phosphate removal (c) data for 2017
2.5 经济效益评价

利用拟合公式进行精准投放后,在保持出水总磷达标和平稳的同时,2017年共使用10%PAC药剂889 758 kg,PAC纯药/总磷去除比为6.95,如按照2015—2016年的7.38水平计算,10%PAC少投放55 881 kg,按照700元/t的价格计算,节约了约3.91万元。

3 结论

以某再生水厂为对象,对其再生水处理工艺除磷过程中外加药剂的投放量进行了研究。通过对两年再生水的相关指标进行统计分析,拟合得出PAC投放体积与进、出水总磷和水处理量之间的关系方程。稳定运行一年的结果表明,按照拟合方程的要求投放PAC药剂后,出水的总磷符合标准要求,且波动范围明显减小。经济效益评价表明,按照拟合方程投放药剂,全年可为该再生水厂节省约3.91万元的成本投入,在不影响再生水处理效率的基础上节约了经济成本。

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