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                                                            水處理工藝中加藥系統的設計與運行

                                                            隨著工業需求的不斷提高、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模不斷擴大,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,在一級系統給水中可能加酸,在二級系統給水中可能加堿。因此,加藥裝置是水處理輔助工藝的重要組成部分[1],其往往由多個設備組成,也稱為加藥系統。

                                                            加藥系統設計與運行不規范的現象時有發生,導致水處理工程故障頻發[2]。作為加藥系統的主設備,加藥泵主要分為機械計量泵、電磁計量泵與磁力加藥泵[3]。這3類泵的結構與特點不同,與其配套的輔助設備也存在差別。

                                                            筆者以這3類加藥系統為例,通過分析加藥泵的特性和各輔助設備的要點,明確加藥系統的基本結構與運行特點,強化加藥系統自動化的概念,旨在為規范加藥系統的設計和運行提供參考。一般而言,電磁計量泵用于小型水處理系統,機械計量泵與磁力加藥泵用于大中型水處理系統,表1所示為中型水處理系統中加藥泵的型號與主要用途。

                                                            1 機械計量泵系統

                                                            典型的機械計量泵加藥系統的結構如圖1所示。機械計量泵屬于隔膜泵范疇,通過設置隔膜運動的沖程頻率與沖程長度達到調節加藥量的目的,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。

                                                            機械計量泵系統中泵出的藥液量需由泵前的流量標定柱予以標定。進行流量標定前,打開罐口閥和標定柱上端的通氣孔,使藥液流入標定柱,隨后啟動計量泵,使藥液通過安全閥回流至藥劑罐,并在該過程中使流量標定柱內充滿藥液。進行流量標定時,關閉罐口閥,屆時計量泵的流量可由流量標定柱的液位標定。

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

                                                            圖1 機械計量泵加藥系統的結構配置Fig.1 Configuration of dosing system with mechanical metering pump

                                                            由于機械計量泵輸出的藥劑脈沖較大,需要設置空氣式脈動阻尼器以消減流量脈沖對流量標定柱中液位的沖擊。計量泵系統輸出的是脈沖藥量,無法用流量計對加藥量進行檢測,因此流量標定的準確性對藥劑的輸出量至關重要。

                                                            盡管可以通過調節沖程頻率與沖程長度改變其總藥液流量,但如圖2.a所示,機械計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高對管路、閥門等相關設備的損傷,計量泵出口處必須安裝安全閥,其安全壓力應設置為加藥壓力的120%~150%。

                                                            圖2 計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

                                                            為消減計量泵輸出壓力的脈動幅度,需要在計量泵出口處安裝膜片式脈動阻尼器。阻尼器的膜片背側充斥氮氣,充氣壓力應為加藥系統壓力的50%~60%,加藥系統的輸出壓力應為主系統管道壓力的1.5倍左右。

                                                            計量泵系統出口還需設置背壓閥以形成特定的加藥壓力,背壓閥與安全閥的結構完全一致,只是因安裝方向不同使閥內的流態不同??梢酝ㄟ^背壓閥的調整螺絲調整系統的加藥壓力,從而改變輸出藥液的壓力和調整流量的脈動幅度。

                                                            藥劑罐是加藥系統中的重要設備,其結構與對應的藥品種類相關。為了防止藥劑揮發擴散或被污染,藥劑罐需要加蓋防塵,必要時需在罐蓋上加裝排氣閥。藥劑加入罐內均需要注水稀釋,且需要根據藥劑特性選擇不同強度的機械攪拌。藥液進入加藥泵之前均需經過Y型過濾器或底閥過濾器,以防止藥液殘渣或雜質進入泵體。

                                                            2 電磁計量泵系統

                                                            典型的電磁計量泵加藥系統如圖3所示,多功能閥同時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給水管道的連接器。

                                                            圖3 電磁計量泵加藥系統的結構配置Fig.3 Configuration of electromagnetic metering pump dosing system

                                                            由于電磁計量泵的流量較小,且具有小沖程長度和高沖程頻率的特點,其輸出的藥劑量具有較小的脈沖幅度,如圖2.b所示。因此,無需膜片阻尼器來降低加藥壓力脈沖幅度,也無需流量標定柱和空氣脈動阻尼器。盡管可以用電磁計量泵自帶的調節器設定輸出藥劑流量,為了更準確地計量藥劑流量,還可選用電磁式流量計檢測實際的加藥量。

                                                            3 磁力加藥泵系統

                                                            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],其加藥系統的結構如圖4所示。在小流量運行工況下,滯留液將在泵體內循環并被反復攪動,會造成溫度上升,甚至使泵體受損。因此,應在系統中設置回流閥,通過系統用量來設置回流閥開度,確保系統安全穩定。

                                                            圖4 磁力泵型加藥系統結構配置Fig.4 Structure configuration of dosing system with magnetic pump

                                                            針對磁力泵的上凸型流量壓力特性曲線,可采用調節閥控制該系統的加藥量。因磁力泵系統輸出的是連續藥量,可以用電磁流量計對加藥量進行檢測,通過流量計反饋的流量信號控制伺服電機轉向并調節閥開度,進而保證加藥量的恒定。為了便于調控,調節閥的通流面積應與其旋轉角度呈線性關系。圖5示出了線性截流閥與伺服電機的組合結構。對于主系統分為多個單元的結構,可以采用大流量的磁力泵,且并聯配置多個調節閥對應各個系統單元的加藥系統結構。

                                                            圖5 調節閥與伺服電機Fig.5 Regulating valve and servo motor

                                                            無論藥劑是計量泵輸出的脈沖流還是磁力泵輸出的連續流,其藥劑濃度均遠高于混合后在主系統管道中的濃度。為了使藥液與主系統給水徑流均勻混合,尚需安裝圖6所示的管道混合器。此外,對加藥系統末端的加藥管插入主系統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儀的監測數據出現錯誤,甚至會導致高濃度藥劑腐蝕主給水管道。只有當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,從而實現有效混合,并保證下游儀表的準確檢測。

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

                                                            4 加藥系統自動化

                                                            隨著藥劑品種和稀釋程度的改變,加藥量需要人工適時調整。此外,隨著水源改變導致pH、氧化還原電位(ORP)、硬度、濁度等水質指標變化,以及隨主系統產水量或回收率波動導致給水流量變化,加藥量也需要自動且實時加以調整[5]。

                                                            以反滲透膜系統的還原劑加藥過程為例,在圖1、圖3與圖4中所示的加藥系統中,用檢測ORP的水質檢測儀和給水流量計,分別檢測主系統給水的實時流量與氧化劑含量,運用流量計與水質檢測儀傳出的信號和特定的分析算法,得到計量泵系統應有的還原劑加藥量。采用該加藥量信號控制圖1和圖3計量泵的沖程頻率,或控制圖4磁力泵系統的調節閥開度,即可實現對還原劑加藥量的實時閉環控制。

                                                            如果將磁力泵系統中的藥劑流量與調節閥開度的聯控視為內循環控制,則膜系統給水的流量及ORP值與加藥量的聯控則為外循環控制。如此雙重循環控制,即構成了膜系統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被氧化,又避免了因加藥量過多造成膜系統污染或厭氧菌孳生。

                                                            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和水量條件,以及各工藝位置上的加藥設備與加藥量,如圖7所示。圖中標出的加藥量均為純藥劑量,若進行藥劑稀釋,則需相應地提高加藥量。

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

                                                            6 結論

                                                            ① 水處理工藝中的加藥系統主要包括電磁計量泵、機械計量泵與磁力泵3種結構。

                                                            ② 各加藥系統具有各自不同的特點與輔助設備,設計與運行過程應遵循其特點與規律。

                                                            ③ 根據主系統給水流量和水質指標進行加藥量調節,可實現加藥量的實時閉環控制。

                                                             

                                                            李文靜, 程 峰, 喬紅偉

                                                            (1.天津津安基環??萍加邢薰?,天津300400;2.天津城建大學,天津300384)


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