碳中和背景下水厂混凝剂自动投加系统的应用_李家耀.pdf

净水技术，（）：供排水企业运行及管理成果专栏李家耀，何嘉莉，戴紫云，等 碳中和背景下水厂混凝剂自动投加系统的应用 净水技术，（）：，（）：碳中和背景下水厂混凝剂自动投加系统的应用李家耀，何嘉莉，戴紫云，刘瑾科（东莞市水务集团供水有限公司，广东东莞）摘 要 水厂的药剂在运送和生产过程中会排放二氧化碳，过量的药剂投加会增加污泥的产量，同时会增加污泥处理处置过程中的碳排放量，合理控制加药量有利于水厂践行低碳路径。将优化的混凝剂自动投加系统应用于某中型水厂实际生产中，采用分阶段开展的方式进行了长达半年的混凝剂自动投加试验，对比了混凝剂自动投加系统与人工经验投加的运行情况。在实际运行当中，分阶段投入使用混凝剂自动投加系统能有效保障水厂的供水安全。试验结果表明，混凝剂自动投加系统的投入节约了 的混凝剂用量，在正常及汛期水质情况下均可确保出水水质稳定。试验期间待滤水浑浊度平均值低于 ，且出厂水中铝的含量低于手动投加方式，具有显著的水质提升效果以及经济效益，且污泥产量明显降低。研究结果为大中型水厂混凝剂自动投加系统的应用提供了示范和参考。关键词 碳中和 中型水厂 混凝剂 自动投加 分步推进 浑浊度中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）（），收稿日期 通信作者李家耀（），男，硕士，主要从事给水技术研究，：。碳达峰、碳中和是我国未来发展的战略目标，并逐步成为各行各业的关注重点。随着我国人口增长和经济的日益发展，居民生活用水需求增加，对水质要求也越来越高，供水行业的碳排放量也随之增加。在“双碳”背景下，供水企业践行低碳路径，应做到高效生产、低能耗运行，包括提高设备能源效率、合理控制药耗以及完善能源管理体系。混凝是水厂中最关键的工艺，合理控制混凝剂，不仅有利于保障供水安全，同时有利于减少生产药剂在运送和生产过程中的碳排放量，具有举足轻重的作用。混凝剂投加不足容易导致出厂水浑浊度超标，同时影响后续的工艺运行。相反，混凝剂投加过量时，从经济角度看，会明显提高水厂的制水成本；从工艺角度看，一定程度上增加污泥量，会加大污泥处理处置中的碳排放量，并存在出厂水中铝离子超标的风险。因此，准确控制混凝剂投加量是水厂高效生产的标准之一。图 水厂混凝剂自动投加系统 目前，关于水厂建立混凝剂自动投加系统实施精准投加已有相关的研究，然而由于实际条件的限制，尚未得到很好的普及，大多数自动投加系统未能实现长期稳定运行，难以评估药耗。卢友杰研究了集前馈、模型以及反馈的投加模式，可以随水质水量差异实现自动加药，不仅稳定了水质，同时降低了成本。邹振裕等收集并分析原水浑浊度数据，将其和混凝剂投加量两者建立关系式，优化了沙口水厂混凝剂的投加方式。何嘉莉等在处理规模为 的制水生产线中搭建数学模型并开展试验，模型中涉及的数据包含了原水、待滤水的浑浊度以及混凝剂投加量，整体运行稳定，处理效果好，且基本无需另行投入成本。苏宇宸等开发了基于分布式水下监测器和机器视觉技术的絮凝反应效果监测系统，出水浑浊度波动幅度降低了，絮凝剂投加量减少了。唐德翠等成功建立两种混凝剂投加量数学模型，模型运用了机理法、差分进化参数辨识法，有效化解了混凝剂投加因人而异的问题。本文以某中型水厂为研究对象，基于实现混凝剂自动投加的目的，开展了长达半年的混凝剂自动投加试验工作，结合历史数据将数学模型写入优化的混凝剂自动投加系统中，同时收集试验期间的数据，分析了系统运行情况及其效果，核算了混凝剂自动投加系统在实际应用中的投入产出。该试验为大中型水厂混凝剂自动投加系统的应用提供了示范和参考。混凝剂自动投加系统的应用.系统搭建模型、原水监测系统、混凝剂投加系统、待滤水监测系统、可编程逻辑控制器（）系统是水厂混凝剂自动投加系统五大组成部分。其中，原水监测系统包括流量计、原水浊度仪、流动电流检测（）仪，混凝剂投加系统包括药池、液位计、投矾泵、投矾流量计、压力计。试验水厂供水规模为 万 ，原水取自 江，供水范围涉及市内多个镇区，采用网格絮凝池、平流沉淀池、型滤池、消毒接触池、下叠式清水池的工艺，现场搭建情况如图 所示。原水流量计和原水浊度仪安装在原水管道上，在静态混合器前投加混凝剂，与原水混合后进入网格絮凝池和平流沉淀池，沉淀后的待滤水通过出水管流入下一个工艺净 水 技 术 ，段，待滤水浊度仪安装在出水管段上。药池上安装了液位计，并附带液位报警系统，药池通过管道将矾液输送至投矾泵，投矾泵的出液处配置有投矾流量计以及压力计。首先在 系统上根据已拟合的模型进行编程，再将各监测系统接至 控制系统，此时系统即可自动获取原水的数据，相应的混凝剂投加量通过已写入的数学模型自动计算，投矾泵根据自动计算出的投加量调整工作参数，实现自动投加，通过待滤水浑浊度反馈投加效果。.系统优化为增加混凝剂自动投加系统的安全性，安装了原水浊度仪报警系统。由于原水中杂质较多，存在取样泵取到较多杂质的水样或管路堵塞的情况，当原水浊度仪测值出现突变（偏差）时，系统会发出浑浊度异常报警，提醒值班人员使用便携式浊度仪复核浑浊度，并确认浊度仪是否出现故障。如确认浊度仪故障，则切换至手动设置投加量，待原水浊度仪恢复后再切换至自动投加模式。除了保障原水浑浊度数据的真实性和准确性外，投矾泵的实际瞬时投加量是否准确也是重要的影响因素。由于现有工艺中已安装投矾流量计，在确保流量计数据在合理误差范围的情况下，通过投矾流量计的瞬时流量换算实际投矾量，将其与模型自动计算的投矾量进行实时比较。为此，增加了数据偏差大的报警系统，当实际投矾量与自动投矾量之间相差较大（超过），且持续时间大于，系统发出异常报警。此时应以投矾泵实际投矾量为准，同步通知维修人员现场对投矾泵进行检查，巡查人员通过现场观察沉淀池矾花情况判断投药量是否合适，若网格絮凝池存在细小絮体，末端和平流沉淀池入口处未形成明显的泥水分离现象，池面明显浑浊且待滤水浑浊度超过 ，则需要通过手动调整投加系数以保证正常生产。.数学建模提取 组完整数据进行初筛，并进行初步回归分析。删除标准化残差绝对值大于 的离散数据，再进行二次建模。根据上述方法，去除不符合数据 组，符合条件的 组数据（总数据的）拟合最终模型。结果如式（）。.|（）其中：混凝剂的自动投加量，；原水浑浊度，。经分析，试验水厂的原水水质指标、待滤水浑浊度等与混凝剂投加量的相关性较差，因此，模型暂不将上述指标作为自变量。拟合优度 .，复相关系数.，回归系数的显著性检验（检验）以及回归方程的显著性检验（检验）中，显著性水平均小于.，可以认为建立的模型有效。后续也将更加关注各项指标，持续跟踪试验水厂的水质数据，不断调整优化模型。运行情况.开展阶段水厂承担着居民生活用水的重任，且试验期间处于夏季，正值用水高峰期，为保障供水需求和安全，将混凝剂自动投加系统开展试验的工作分为 个阶段，实行分步推进。第一阶段为间歇性试验阶段，第二阶段为全天候试验阶段，第三阶段为长期运行阶段。开展间歇性试验，可在保障正常供水的前提下，对混凝剂自动投加系统应用的可行性进行初步验证，试验时间为每天：，试验组设计规模为 万 ，持续时间共计一个月。全天候试验可进一步验证混凝剂自动投加系统的稳定性，试验期间 运行，试验组设计规模为 万 ，持续时间共计 个月。长期运行通过持续监测并记录数据，评估自动投加系统的经济效益，试验期间 运行，运行规模为 万 ，即实现全厂试运行。.运行效果.间歇性试验开展了为期一个月的间歇性试验，监测每天：的水质数据并分析，试验前均对值班人员开展相关培训工作，间歇性数据如图 图 所示。由图 可知，间歇性试验期间原水浑浊度为.，平均值为.。由图 可知，试验组原水流量平均值为 ，对照组原水流量平均值为 ，低于试验组。试验组混凝剂投加量相比于对照组有明显的调整，由于试验期间原水水质较好，浑浊度基本位于 以下，自动投加调节值为 ，低于 则保持原水浑浊度为 时计算的混凝剂投加量进行投加，数据如图 所示，混凝剂投加量均值为李家耀，何嘉莉，戴紫云，等碳中和背景下水厂混凝剂自动投加系统的应用，图 间歇性试验期间待滤水浑浊度对比 图 间歇性试验期间取水流量对比 .；对照组为手动设置，因此，几乎维持不变的混凝剂投加量，平均值为.。两种投加方式下的待滤水浑浊度数据，试验组平均值略高，为.，对照组为.。由图 可知，试验组总体波动小于对照组。在间歇运行阶段，自动投加系统药剂投加量比手动设置略高，但试验组待滤水浑浊度略高于对照组，可能的原因是试验期间原水水质较好，浑浊度平均值小于 ，而投加模型只能按原水浑浊度下限（）的情况计算投加量，导致在该水质情况下投加量偏高，絮体整体密度降低，出口处有絮体带出。图 分别统计了两组的出厂水铝含量，其中对图 间歇性试验期间混凝剂投加量对比 图 间歇性试验期间出厂水铝质量浓度对比 照组质量浓度为.，试验组质量浓度为.，可见试验组出厂水铝的含量高于对照组。由于试验组混凝剂投加量略高于对照组，其待滤水浑浊度偏高，在滤池截留能力相同的情况下，试验组出水中含较多携带氢氧化铝的絮体，导致试验组出厂水铝含量也略高于对照组。两组试验数据均满足国标要求。综上，间歇性试验期间混凝剂自动投加系统处理效果较好，整体运行平稳，但长期运行情况有待进一步验证。.全天候试验为验证长期运行效果，使试验数据更具代表性，净 水 技 术 ，将试验规模扩大至 万 开展全天候试验，为期 个月。提取每天：数据进行分析，全天候试验数据如图 图 所示。由于全天候试验处于汛期进行，当 江上游排涝时，下游水质将受到短期影响，原水浑浊度波动较正常水质时明显增大，位于.，平均值为.。图 显示，试验组和对照组的原水流量均位于 ，没有明显差异。由图 可知，自动投加系统的混凝剂投加量低于手动设置的方式，在汛期排涝期间自动投加量随原水浑浊度的变化而变化，投加量均值为.；手动设置为经验值投加，在排涝视水质情况进行调整。经统计，其投加均值达到了.。由图 可知，两组待滤水的浑浊度均小于 ，不会增加滤池的运行负荷，其中试验组平均值为.，对照组平均值为.。图 全天候试验期间待滤水浑浊度对比 两组出厂水铝含量的测定结果如图 所示，对照组的出厂水铝平均质量浓度为.，试验组的出厂水铝平均质量浓度为.，可知降低了混凝剂投加量，水中氢氧化铝的含量随待滤水浑浊度的降低而减少，有效降低了出厂水铝含量，进一步降低了出厂水铝超标的风险。这表明试验水厂启动自动投加模式的出厂水铝含量低于手动投加，对出厂水铝控制有显著的提升效果。综上，原水水质在实际中不停变化，且伴有特殊水质的情况，全天候试验数据表明混凝剂自动投加系统正常及汛期水质的情况下均能稳定运行，不仅图 全天候试验期间原水流量对比 图 全天候试验期间混凝剂投加量对比 保障了实际生产运行中的供水安全，减少了经验值投加带来的误差，同时可降低药耗，该试验充分验证了系统的实际应用价值。.长期运行启动全厂试运行后，对该中型水厂实行连续监测，分析了数据库中运行 （除投矾设备维修及发生特殊情况外均自动运行）以来每小时的数据。原水浑浊度平均值为.，最高值为.，待滤水浑浊度平均值为.，出厂水铝平均质量浓度为.，混凝剂平均质量浓度为.。李家耀，何嘉莉，戴紫云，等碳中和背景下水厂混凝剂自动投加系统的应用，图 全天候试验期间出厂水铝对比 将自动投加系统长期运行的数据与往年同期采用手动投加方式的数据进行对比，往年同期手动投加方式下待滤水浑浊度平均值为.，出厂水铝平均质量浓度为.，混凝剂平均质量浓度为.。可知，在长期运行期间，混凝剂自动投加的方式为水厂的水质带来了一定程度的提升，并节约了 的混凝剂用量。.经济效益和碳减排效益由于试验水厂初始配置相对成熟，混凝自动投加系统搭建所需增加的配置为 台电磁流量计，且水厂配备自动化技术人员，系统开发无需增加额外费用，共计投入成本约.万元。鉴于间歇性试验期间，混凝剂自动投加系统及水质都尚未稳定，暂不进行效益分析。由全天候试验及长期运行的数据可知，相比手动投加，采用自动投加的方式可节约 的混凝剂用量。以预计每年节约 的用量计算，该 万 的中型自来水厂每年节省药耗（以商品计）约.，合计节省费用约.万元，具有显著的经济效益，具体如表 所示。表 混凝剂投加成本节约明细 投加方式混凝剂投加量（）全年药耗（商品计）总费用万元手动投加.自动投加.节约.水厂的污泥处理处置费用也是运行成本中不可忽视的部分，污泥产量与混凝剂投加量息息相关。通过试验期间的实时监测可知，较未启用混凝剂自动投加系统之前，降低混凝剂用量后，网格絮凝池的排泥阀和平流沉淀池的排泥车启动频率明显降低，有效减少了污泥产量，进而降低水厂污泥处理处置费用。水厂主要的碳排放来源于设备运行产生的能耗，以及药剂投加产生的药耗。采取降低电耗、热耗、药耗等间接碳排放类技术，有利于减少供排水行业的现有排放量。自动投加系统通过对混凝剂投加的优化后，混凝剂用量得到了减少，可间接减少生产运行过程中的碳排放量。其次，随着混凝剂的减少，污泥产量相应减少，污泥运输环节中使用燃料产生的温室气体随之减少，从而降低了污泥处理处置过程中的碳排放量。总体而言，通过优化混凝剂投加量，可以对水厂实现一定的碳减排效益，水厂系统碳减排及定量计算方面仍有待进一步探讨研究。结论（）在碳中和的背景下，降低药耗是水厂践行低碳路径的重要措施。本研究在某中型水厂搭建了优化的混凝剂自动投加系统，降低了 的混凝剂用量。（）采用分步推进混凝剂自动投加系统的方式保障了供水安全，出水水质稳定，其中出厂水浑浊度和出厂水铝含量均有一定程度的下降。（）该系统投入使用后，在降低混凝剂用量的同时降低了污泥产量，可有效削减污泥处理处置环节中所产生的经济成本以及碳排放量，提高了水厂的经济效益和碳减排效益。（）研究结果表明，水厂主动开展混凝剂投加系统升级改造工作，不仅有助于水厂的高效、优质生产，更是实现碳减排的有力举措，具有很强的时代意义。参考文献 翁晓姚 碳达峰与碳中和目标下供水企业绿色低碳发展的思考 净水技术，（）：，（）：，杨俊义 混凝剂自动投加系统 城镇供水，（）：净 水 技 术 ，（）：杨开明，张建强，杨小林 混凝沉淀过程中最佳混凝剂投量的研究 工业水处理，（）：，（）：王茜 污水处理厂自动化系统研发与设计 西安：长安大学，：，卢友杰 水厂混凝剂投加智能控制系统 电子技术与软件工程，（）：，（）：邹振裕，罗永恒，李展峰，等 沙口水厂混凝剂优化投加的研究及实践 中国给水排水，（）：，（）：何嘉莉，袁耀芬，周沛良，等 自来水厂混凝剂自动精准投加系统建设与运行 中国给水排水，（）：，（）：苏宇宸，李鹏飞，张新运，等 基于时序神经网络的絮凝剂精准投加控制系统研究 中国给水排水，（）：，（）：唐德翠，邓晓燕，朱学峰，等 水厂混凝剂投加量建模研究 水处理技术，（）：，（）：，何嘉莉，郭晓颖，周沛良，等 自来水厂混凝剂自动投加系统的搭建与长期运行效果分析 城镇供水，（）：，（）：，郭恰，陈广，马艳 城市水系统关键环节碳排放影响因素分析及减排对策建议 净水技术，（）：，（）：陈显峰，黄开，赵荣，等 基于碳减排理念的 市某污水再生处理厂提标设计与运行 净水技术，（）：，（）：，（上接第 页）刘云根，王海峰 絮凝剂和混凝方法对 的处理效率研究 三峡环境与生态，（）：，（）：，陈建，周俊驰，胡旷成，等 湘江长沙段重金属分布特征及污染评价 湖南农业科学，（）：，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部 室外给水设计标准：北京：中国计划出版社，：，王如华，郑国兴，周建平 给排水设计手册（第三册）：城镇给水 北京：中国建筑工业出版社，（）：，上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 给排水设计手册（第九册）：专用机械 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