废水处理中脱氯剂的投加及自动控制研究

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图文摘要

C _R —脱氯剂投加量；t—脱氯时间；C _t —投药后污水余氯；C ₀ —投药前原污水余氯。

图1 硫代硫酸钠脱氯效果

从图1可以看出，脱氯效果C _t /C ₀ （投药后污水余氯与投药前原污水余氯的比值）随着硫代硫酸钠投加量C _R 和脱氯时间t的变化而变化，其中C _R 对脱氯效果的影响更大。当t保持恒定，C _t /C ₀ 随着C _R 增大而明显减小；当C _R 保持定值，C _t /C ₀ 随着t增大而有所减小，但减小量有限。

而且，当C _R 一定时，污水中的余氯在脱氯反应起初的1 min就可被去除90%，而剩余10%左右的余氯去除比较慢。这一实验结果与R. G. HELZ等采用焦亚硫酸钠进行污水脱氯试验的结果一致。

因此，可以得出硫代硫酸钠脱氯时，影响污水脱氯效果的主要因素是硫代硫酸钠投加量，脱氯时间是次要因素。这就为投药量基于初等数学函数建模和PLC（Programmable logic controller，可编程逻辑控制器）自控创造了可能。

试验结果出现的原因是一定量的硫代硫酸钠溶液加入污水中后，硫代硫酸钠会与污水中余氯发生氧化还原反应，生成氯化钠和硫酸氢钠，脱氯反应是在瞬时发生的，且这一氧化还原反应过程主要受到反应物含量变化影响。

此外，已有硫代硫酸钠脱氯动力学分析研究也表明，硫代硫酸钠污水脱氯可分为2个过程，第一个过程是反应起初1 min的呈现零级反应的快速脱氯段，零级快速反应段的反应速率不受反应物浓度限制，反应速率趋于定值，但这一过程很短；

第二个过程是反应1 min后的非零级反应段，反应速率主要受限于污水中剩余余氯和硫代硫酸钠浓度。即使在硫代硫酸钠超量投加，后一过程趋于一级反应时，其反应速率仍主要受限于污水中剩余余氯值。

而当反应进行1 min后，污水中余氯大部分在快速脱氯段已被去除，剩余余氯值已较低了，故出现了慢速的一级反应脱氯段。

此时，即使延长脱氯时间t，C _t /C ₀ 降低量有限，脱氯效果提升也有限。因此，若希望在短时间1 min内快速降低污水余氯值，硫代硫酸钠就需投加超出脱氯化学反应计量比〔n（Na ₂ S ₂ O ₃ ）/n（Cl ₂ ）=0.25〕的量。

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创新性发展

为实现废水处理中脱氯剂投加的精准自控，通过对硫代硫酸钠脱氯效果分析，构建了投药量DCM模型，进行模型非线性拟合，建立了污水脱氯投药自控系统。

结果表明：水质净化厂进水余氯偏高时，污水中90%的余氯在与硫代硫酸钠反应起初1 min时就可被去除，脱氯效果主要取决硫代硫酸钠投量；脱氯投药量DCM模型可用

表示；DCM模型曲线和试验数据点相关性较好，拟合相关系数平方值都大于0.99，残差平方和都小于0.000 5，脱氯时间1 min时DCM模型拟合效果最好；

基于DCM模型构建以可编程控制器为主体，以余氯在线监测仪为测量元件，以变频隔膜计量泵为执行设备的污水脱氯投药量自控系统，在厂区进水泵站集水井处投药，生物处理单元进水余氯值作为系统是否稳定正常运行的实时反馈。

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全文导读

为从源头阻断病毒传播，我国要求污水必须先经过一定接触时间的氯化消毒后，才允许排入市政污水管道，且消杀后污水余氯量原则上应大于10 mg/L，这样做的确达到了在源头上杀灭污水中病毒的目的。然而，从单个家庭到救治医院，都大量使用各种含氯消毒剂，消杀后的污水汇集进入城市污水管网。

虽然污水在管网传输中，部分还原性物质（有机物、氨氮等）可消耗一部分游离性余氯，但是当水质净化厂直接接纳医院污水（污水车运厂区，未经污水管网传输）时，或当水质净化厂离所服务区域的医院很近（污水管网传输距离较短）时，会造成中小规模水质净化厂进水余氯升高，监测数据显示厂区进水余氯平均值达到2.5 mg/L，部分时刻的瞬时余氯值更高。

然而，已有研究表明，当污水余氯超过1.5 mg/L时，以活性污泥法作为二级生物处理单元的水质净化厂会出现异常，表现出生物处理单元内污泥浓度突然下降，活性污泥菌胶团解体，污泥结构松散，处理效率直线下降等不良状况。

因此，为保障水质净化厂的安全稳定高效运转，需实时监测进水余氯值，当余氯偏高时需在水质净化厂生物处理单元前实施脱氯处理。污水脱氯常采用向污水中投加还原性药剂后混合搅拌，用以中和过高的余氯。

然而，如何精准控制还原性药剂投加量，并根据水质净化厂进水余氯值的变化适时调整投量呢？目前这方面的研究较少，笔者认为这些问题值得研究。

对此，以我国水质净化厂常用的脱氯成本相对较低的硫代硫酸钠为脱氯还原剂，分析其对污水的脱氯效果，并构建硫代硫酸钠投加量和余氯去除效果之间的数学模型，用自动投加代替传统手工超量投加，以避免投加量过大导致的脱氯成本升高和影响后续生物处理单元溶解氧（DO）浓度等问题。

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主要结论

水质净化厂进水余氯偏高时，硫代硫酸钠可用于脱氯处理。污水中90%的余氯在脱氯反应起初1 min就可被去除，脱氯效果主要取决于硫代硫酸钠投量。

污水脱氯投药量DCM模型可用初等数学方程表示，其中C _R 是脱氯剂投加量，C _t /C ₀ ＜1是投药后污水中余氯与投药前原污水中余氯的比值，k ₁ 、k ₂ 、k ₃ 是经验常数，且k ₁ 和k ₂ 是主控参数，k ₃ 是修正调节参数。

污水脱氯DCM模型拟合曲线和试验数据点相关性较好，拟合相关系数平方值都大于0.99，残差平方和都小于0.000 5。

脱氯时间1 min时能通过DCM模型方程式很好地计算与预测。

基于DCM模型构建污水脱氯投药量自动控制闭环反馈系统，当C _t /C ₀ ＜1时，C _R ＞0；当C _t /C ₀ ≥1时，C _R =0。脱氯剂硫代硫酸钠投加用变频隔膜计量泵，投药点选择在进水泵站集水井处，生物处理单元进水余氯值作为整个脱氯自动投药系统是否正常稳定运行的实时反馈。