再生水除磷工藝中聚合氯化鋁投放的控制研究

潘 萌 姚大偉 江 梅 陳 暢

(1.北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100044； 2.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 北京 100029)

引 言

除磷是再生水處理工藝中的重要環(huán)節(jié)，再生水廠出水中的磷含量是評(píng)價(jià)其是否符合排放標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)[1-2]。為了確保再生水排放時(shí)總磷含量達(dá)標(biāo)，在除磷工藝中需要輔以化學(xué)絮凝除磷技術(shù)，通過(guò)投加沸石、無(wú)機(jī)鹽等將溶解性的磷轉(zhuǎn)化為固體沉淀物，從而達(dá)到除磷的目的[3-5]。本文的目標(biāo)再生水廠通過(guò)在V型濾池中投放聚合氯化鋁(PAC)，將水體中過(guò)量的磷元素脫除，同時(shí)通過(guò)絮凝作用去掉一部分懸浮物[6]。如果PAC投放的量不夠，不足以達(dá)到除磷和絮凝的效果，影響出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)；而PAC投放過(guò)量，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不利。

近年來(lái)，有文獻(xiàn)將PAC純藥/總磷去除比作為一個(gè)衡量PAC投放是否合理的指標(biāo)[7-10]。所謂PAC純藥/總磷去除比，是指單位體積水中PAC純藥的投放量(mg/L)與總磷去除量(mg/L)的比值，代表所投放的純PAC與磷去除量之間的比例關(guān)系。去除比值越大，說(shuō)明除去單位量的磷所投放的PAC藥劑量越大，超過(guò)一定值可能造成浪費(fèi)。然而，目前尚未有文獻(xiàn)給出公認(rèn)的PAC/總磷去除比合理范圍。本文擬建立PAC 投放量與多影響因素之間的關(guān)系方程，為一線操作工人提供投放標(biāo)準(zhǔn)，以期為保證企業(yè)再生水處理效率、提高經(jīng)濟(jì)效益提供幫助。

1 材料與方法

研究對(duì)象為北京市某再生水廠，該廠日處理規(guī)模10萬(wàn)m3，采用兩級(jí)生物濾池工藝，上游污水廠處理后的污水作為再生水廠的進(jìn)水，經(jīng)提升泵房，送入兩級(jí)生物濾池中進(jìn)行脫氮處理，之后再生水送入V形濾池進(jìn)行化學(xué)絮凝除磷，投放藥劑為聚合氧化鋁(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，滄州臨港六環(huán)化工有限公司)；通過(guò)臭氧完成除色消毒后送入清水池，經(jīng)配水泵房出水。為表述方便，以下統(tǒng)一以進(jìn)水、出水代表該再生水廠的進(jìn)、出水?？偭缀坎捎勉f酸銨分光光度法[10]及哈希總磷Phosphax Sigma在線分析儀(HACH上海水質(zhì)分析儀器有限公司)測(cè)定。

PAC投放量與進(jìn)水總磷值、出水總磷值、處理水量等因素均有關(guān)系。為了能夠精準(zhǔn)控制PAC參與除磷的過(guò)程，得出PAC投放量及與各因素之間的關(guān)系，必須在長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上歸納、總結(jié)規(guī)律。為此，本文監(jiān)測(cè)采集了2015年1月1日至2016年12月31日兩年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括進(jìn)水總磷(input TP)、出水總磷(output TP)、PAC藥劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)投放量、總磷去除率(TP removal)、日進(jìn)水總量等指標(biāo)。經(jīng)最小二乘法線性分析擬合推導(dǎo)PAC精準(zhǔn)投放公式，在2017年推廣使用，采集全年運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩年再生水各指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果

由2015—2016年數(shù)據(jù)分析可知，日進(jìn)水總磷濃度(圖1(a))在0.045～1.38 mg/L之間波動(dòng)，平均值為0.405 mg/L；處理后的日出水(再生水)總磷含量(圖1(b))在0.017～0.299 mg/L之間波動(dòng)，平均值為0.113 mg/L。

經(jīng)計(jì)算，日總磷去除量(圖1(c))處于0.007～1.148 mg/L之間，平均值為0.292 mg/L。進(jìn)水總磷值越高，所需PAC量也就越大，直接影響出水中總磷的含量。以上長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)將直接作為分析PAC投放規(guī)律的重要基礎(chǔ)，用于后續(xù)擬合公式的推導(dǎo)。2015—2016兩年的每日水處理量、PAC藥劑投放量、PAC純藥投配率RPAC(單位水體中PAC純藥的投放質(zhì)量，mg/L)、PAC純藥/總磷去除比數(shù)據(jù)如圖2所示。從圖2(a)可知，兩年內(nèi)日水處理量處于(5.30～13.42)萬(wàn)t之間，日均水處理量為10.29萬(wàn)t，基本符合日處理量10萬(wàn)t的設(shè)計(jì)負(fù)荷。在水廠運(yùn)行中，日水量波動(dòng)屬正常情況，會(huì)直接影響PAC投放量。圖2(b)是兩年運(yùn)行過(guò)程中的日PAC藥劑投放量曲線，其值在8.33～7 007 kg之間波動(dòng)，均值為2 203.5 kg。日純PAC投配率(圖2(c))在0.08～7.74 mg/L之間波動(dòng)，均值為2.17 mg/L。從圖2(d)中可以看到PAC純藥/總磷去除比在0.137～180之間，波動(dòng)非常大，也表明現(xiàn)場(chǎng)急需要一個(gè)方便使用的規(guī)律公式，以便指導(dǎo)工人隨時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)情況準(zhǔn)確控制PAC的投放量。

2.2 除磷工藝中PAC投放量方程的擬合

在PAC投放量方程擬合過(guò)程中，需要甄別2015—2016年數(shù)據(jù)，利用投放量比較合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律推導(dǎo)。將2015—2016年每日進(jìn)水總磷含量、PAC純藥/總磷去除比曲線放在一起進(jìn)行比較，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，以進(jìn)水磷濃度0.3 mg/L為界，高于此值時(shí)PAC純藥/總磷去除比相對(duì)較小，而低于此濃度時(shí)去除比要大得多。這是因?yàn)楫?dāng)需除去的磷較少時(shí)，PAC主要起絮凝作用，PAC投放未能根據(jù)進(jìn)水總磷濃度進(jìn)行及時(shí)精準(zhǔn)的調(diào)整，因而得到偏高的去除比。

考慮到《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 (DB11/890—2012)中對(duì)于再生水出水中磷的限值為0.3 mg/L，若進(jìn)水時(shí)磷濃度已經(jīng)小于0.3 mg/L，則PAC只需維持基本絮凝作用，無(wú)需多加；若進(jìn)水磷濃度高于0.3 mg/L，則需要增加PAC投放量，發(fā)揮其除磷和絮凝作用。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，以進(jìn)水磷濃度在0.3 mg/L以上的點(diǎn)為研究對(duì)象，同時(shí)選取去除比在7及以下的各點(diǎn)數(shù)據(jù)(過(guò)大的數(shù)值代表投放明顯過(guò)量，不符合經(jīng)濟(jì)性要求，應(yīng)予舍棄)擬合規(guī)律方程。共篩選出合理點(diǎn)256 d，對(duì)純PAC投配率(RPAC)、進(jìn)水總磷(P進(jìn))、出水總磷(P出)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析，結(jié)果可知，PAC投配率與進(jìn)水總磷、出水總磷呈顯著正相關(guān)，即去除的磷越多，所需的PAC投配率就越高，符合科學(xué)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，以PAC投配率為因變量，以進(jìn)、出水總磷含量為自變量，進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得擬合方程為

RPAC=0.371+4.316P進(jìn)-4.082P出

(1)

經(jīng)方差分析得F值為151.106，sigma值為0.000，說(shuō)明可信度為100%。經(jīng)共線性診斷可知，各自變量參數(shù)之間相互獨(dú)立。

2.3 公式的變形

式(1)是在2015—2016年數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上擬合出的原始方程，然而在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮方程使用的簡(jiǎn)便性。RPAC不方便在現(xiàn)場(chǎng)使用，一線工人在操作時(shí)，習(xí)慣使用流量計(jì)控制PAC藥劑投放體積VPAC(L/h)。PAC藥劑中PAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，為了便于使用，將式(1)變形，10%PAC藥劑的密度(ρPAC)按1.15 kg/L換算成體積，即

VPAC=RPAC×10×V水/ρPAC=(0.371+4.316P進(jìn)-4.082P出)×V水×10-2/1.15

(2)

在變形后的公式中，P進(jìn)、P出可以通過(guò)快速在線監(jiān)測(cè)儀讀數(shù)讀出，每小時(shí)處理的再生水量(V水,m3)由流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)控，將實(shí)時(shí)數(shù)值代入式(2)，即可確定每小時(shí)需要的PAC藥劑投放體積VPAC。這樣使PAC投配率轉(zhuǎn)換為容易操控的PAC流量，同時(shí)也將再生水的流量考慮在內(nèi)，方程更為合理、方便，工人可根據(jù)每小時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)隨時(shí)代入式(2)計(jì)算，以控制投放流量。然而，式(2)只適用于進(jìn)水總磷濃度大于0.3 mg/L的情況，若實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)水總磷小于0.3 mg/L，則依照以往總結(jié)得到的絮凝經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按40 L/h的流量投放10%PAC藥劑。

2.4 除磷工藝PAC投放量方程應(yīng)用效果評(píng)估

2017年全年的每日水處理量、PAC藥劑投放量、PAC純藥投配率、PAC純藥/總磷去除比數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4(a)可知，2017年內(nèi)日水處理量在(4.58～13.29)萬(wàn)t之間，日均水處理量為9.68萬(wàn)t，波動(dòng)較2015—2016年略大。日水處理量波動(dòng)屬正常情況，該因素已經(jīng)考慮在式(2)內(nèi)，可以隨時(shí)根據(jù)不同水量調(diào)整所需PAC量，使投藥過(guò)程更加準(zhǔn)確。圖4(b)為2017年的每日PAC藥劑投放量曲線，其值在694～5 452 kg之間波動(dòng)，均值為2 437.6 kg；日純PAC投配率(圖4(c))在0.63～5.00 mg/L之間波動(dòng)，均值為2.52 mg/L。在圖4(d)中可以看出PAC純藥/總磷去除比在4.37～83.22之間，從均值上看，2017年P(guān)AC純藥/總磷去除比為6.95，與2015—2016年的值(7.38)相比有顯著降低，說(shuō)明采用本文式(2)進(jìn)行精準(zhǔn)投放有顯著效果。

2017年每日監(jiān)測(cè)進(jìn)水、出水的總磷濃度，數(shù)據(jù)如圖5所示。經(jīng)分析可知，日進(jìn)水總磷濃度(圖5(a))在0.09～1.02 mg/L之間波動(dòng)，平均值為0.479 mg/L；處理后的日出水(再生水)總磷濃度(圖5(b))在0.039～0.299 mg/L之間波動(dòng)，平均值為0.120 mg/L，全年均未超過(guò)0.3 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，全部合格。經(jīng)計(jì)算，日總磷去除量(圖5(c))在0～0.917 mg/L之間，平均值為0.360 mg/L。利用本文所推導(dǎo)公式進(jìn)行精準(zhǔn)投放后，出水總磷符合平穩(wěn)與經(jīng)濟(jì)原則，與2015—2016年相比波動(dòng)較小。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

利用擬合公式進(jìn)行精準(zhǔn)投放后，在保持出水總磷達(dá)標(biāo)和平穩(wěn)的同時(shí)，2017年共使用10%PAC藥劑889 758 kg，PAC純藥/總磷去除比為6.95，如按照2015—2016年的7.38水平計(jì)算，10%PAC少投放55 881 kg，按照700元/t的價(jià)格計(jì)算，節(jié)約了約3.91萬(wàn)元。

3 結(jié)論

以某再生水廠為對(duì)象，對(duì)其再生水處理工藝除磷過(guò)程中外加藥劑的投放量進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)兩年再生水的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬合得出PAC投放體積與進(jìn)、出水總磷和水處理量之間的關(guān)系方程。穩(wěn)定運(yùn)行一年的結(jié)果表明，按照擬合方程的要求投放PAC藥劑后，出水的總磷符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且波動(dòng)范圍明顯減小。經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)表明，按照擬合方程投放藥劑，全年可為該再生水廠節(jié)省約3.91萬(wàn)元的成本投入，在不影響再生水處理效率的基礎(chǔ)上節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。