陳志平，胡介明

（1.上海浦東威立雅自來(lái)水有限公司浦東水廠，上海 200120；2.上海三高計(jì)算機(jī)中心股份有限公司，上海 200092）

今年7月1日起，我國(guó)將實(shí)施新版的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006），飲用水中消毒劑常規(guī)指標(biāo)由1項(xiàng)（游離氯）增至4項(xiàng)，增加了一氯胺、臭氧、二氧化氯，還增加了氨氮及加氯消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷等非常規(guī)指標(biāo)，部分項(xiàng)目限值更加嚴(yán)格，因此供水企業(yè)的消毒工藝、加氯方法需要調(diào)整和優(yōu)化。

在自來(lái)水消毒中，通常采用以游離氯或總氯（氯胺）形式消毒。無(wú)論是在線余氯儀還是在化驗(yàn)室里，容易對(duì)總氯和游離氯進(jìn)行分析，但不能識(shí)別一氯胺。新版消毒劑中總氯為一氯胺，所以，需合理控制好氯氨投加比[1]在 3.5∶1～5∶1 的范圍內(nèi)。目前國(guó)內(nèi)較少有水廠采用游離氨來(lái)調(diào)整氯／氨投加比，即水中需維持少量游離氨，以確保水中生成余氯為一氯胺。游離氨是水中能與氯結(jié)合的NH3／NH+4。

當(dāng)氯氨投加比＞5∶1，游離氨接近于零，會(huì)導(dǎo)致部分一氯胺轉(zhuǎn)變成二氯胺，將使自來(lái)水有難聞氣味和不良口感；當(dāng)加氨量過(guò)多，游離氨偏高（＞0.2 mg／L），特別在夏季水溫＞15 ℃，有部分游離氨會(huì)轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，使亞硝酸鹽濃度升高，導(dǎo)致一氯胺降低[2]。嚴(yán)重時(shí)管網(wǎng)（泵站水庫(kù)）水停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)余氯偏低或接近于零，對(duì)供水安全構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。因而需用計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)控制出廠水游離氨和一氯胺，科學(xué)合理控制加氯量和加氨量，使出廠余氯可控、管網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定。

1 加氯工藝改造背景

浦東水廠下轄居家橋分廠（制水能力12.0萬(wàn)t／d），于2005年10月實(shí)施全廠加藥系統(tǒng)自動(dòng)化，采用按流量比投加，因2011年1月原水由黃浦江上游原水切換到青草沙原水，加氯消毒工藝和加藥控制方式發(fā)生改變，整個(gè)消毒工藝過(guò)程由原來(lái)氯胺消毒改為折點(diǎn)加氯，出廠水為氯胺消毒，浦東水廠又于2011年10月對(duì)原自動(dòng)加氯加氨系統(tǒng)進(jìn)行了完善和工藝優(yōu)化。

1.1 青草沙原水水質(zhì)

青草沙原水水質(zhì)總體較好且平穩(wěn)，其主要表現(xiàn)為濁度、色度、氨氮、COD等指標(biāo)低，溶解氧高。

表1 居家橋分廠原水水質(zhì)數(shù)據(jù)Tab.1 Jujiaqiao Water Plant Raw Water Quality Data

圖1 青草沙原水水質(zhì)數(shù)據(jù)Fig.1 Qingcaosha Raw Water Quality Data

1.2 自動(dòng)加氯工藝

圖2 居家橋分廠自動(dòng)加氯加氨工藝流程Fig.2 Automatic Chlorine and Ammonia Dosing System in Jujiaqiao Water Treatment Plant

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，信號(hào)反饋，由PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)加氯／加氨控制。

1.3 優(yōu)化前自動(dòng)投加控制模式

前加氯／后加氯／加氨參照原水進(jìn)水流量，以人工設(shè)定流量投加比來(lái)自動(dòng)控制加氯加氨量，按沉淀水游離氯、濾后總氯變化，人工調(diào)整其加氯/加氨投加比，但當(dāng)班員工不知如何根據(jù)一氯胺與游離氨變化來(lái)正確合理調(diào)整其投加比。

1.4 優(yōu)化前自動(dòng)加氯運(yùn)行情況

前加氯為三臺(tái)次氯酸鈉計(jì)量泵（350 L／h）；后加氯為三臺(tái)次氯酸鈉計(jì)量泵（150 L／h）；后加氨為三臺(tái)新改裝硫酸銨計(jì)量泵（20 L／h）；運(yùn)行方式都為二用一備。前加氯由折點(diǎn)加氯所生成游離氯（HClO）[3]作為主要消毒劑；濾后加氨補(bǔ)氯，出廠水為一氯胺（NH2Cl）[4]消毒。如表 2 所示。

表2 居家橋分廠氯氨消毒生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)（單位：mg／L）Tab.2 Jujiaqiao Water Plant Chlorination Process Data(mg ／L)

2 優(yōu)化工藝介紹

折點(diǎn)加氯可以流量投加比與游離氯反饋?zhàn)詣?dòng)加氯，但對(duì)于氯胺消毒，現(xiàn)有自動(dòng)加氯會(huì)存在問(wèn)題：（1）不清楚如何按出廠余氯目標(biāo)值來(lái)合理控制氯氨投加比。（2）按總氯反饋，而不考慮游離氨限值，沒(méi)有預(yù)防二氯胺和確保飲用水生物穩(wěn)定性的安全措施，使余氯穩(wěn)定性低，不安全，自動(dòng)加氯控制難以在自來(lái)水廠得到真正應(yīng)用，而自動(dòng)加氯工藝優(yōu)化，較好解決了長(zhǎng)期困擾和制約國(guó)內(nèi)自動(dòng)加氯的瓶頸。

2.1 優(yōu)化工藝

優(yōu)化后自動(dòng)投加控制模式：是完全按照出廠水一氯胺和游離氨目標(biāo)值和加藥點(diǎn)進(jìn)水流量來(lái)自動(dòng)控制整個(gè)消毒工藝加氯和加氨量。以游離氯、一氯胺和游離氨的反饋數(shù)值，自動(dòng)調(diào)整加氯加氨投加比。

2.1.1 設(shè)定余氯控制目標(biāo)值

余氯目標(biāo)值高低會(huì)影響到加氯加氨量的多少。根據(jù)不同水質(zhì)、消毒工藝和階段性藻類變化，結(jié)合沉淀水和清水庫(kù)停留時(shí)間，按CT值，科學(xué)合理設(shè)置沉淀水和出廠水余氯目標(biāo)值。

2.1.2 前加氯

青草沙水庫(kù)水穩(wěn)定性高，濁度低，氨氮變化小，全年氨氮最大值為 0.25 mg／L，平均值 0.06 mg／L，采用按流量比投加為主，沉淀水游離氯控制幅度為0.3～0.5 mg／L，且游離氯與投加比呈正比，限制前加氯量＜2.3 mg／L，減少加氯消毒所產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物（三鹵甲烷）。以沉淀后游離氯來(lái)反饋控制前加氯量。

2.1.3后加氨

因澄清水為游離氯，水中氨氮為零，出廠水為氯胺消毒時(shí)，需加氨，按出廠水余氯目標(biāo)值來(lái)計(jì)算出加氨量。為了保證出廠水不出現(xiàn)二氯胺和儀表檢測(cè)限值，要考慮0.1 mg／L游離氨富余量。加氨量與出廠水余氯目標(biāo)值呈正比（y=0.2×一氯胺目標(biāo)值（1.3 mg／L）+0.1）。出廠水游離氨設(shè)定目標(biāo)值為0.1～0.15 mg／L。

2.1.4 后加氯

按出廠余氯（一氯胺）目標(biāo)值與濾池游離氯差值，計(jì)算出加氯量。出廠水一氯胺目標(biāo)值為1.3 mg／L（新國(guó)標(biāo)為≥0.5 mg／L），CT值為86（國(guó)標(biāo)CT值≥60）。

控制原則：先確定濾后反饋一氯胺是否在控制范圍內(nèi)（1.0～1.5 mg／L），后根據(jù)游離氨值來(lái)確定調(diào)整加氯還是加氨量。

2.2 控制程序

2.2.1 程序計(jì)算基本方法

（1）程序計(jì)算目標(biāo)：確保過(guò)程水余氯在控制設(shè)定范圍內(nèi)。設(shè)定了3個(gè)控制點(diǎn)：即沉淀后水的游離氯檢測(cè)點(diǎn)、濾后水一氯胺和游離氨檢測(cè)點(diǎn)、出廠水余氯和總氨檢測(cè)點(diǎn)。

（2）程序計(jì)算原則：設(shè)定出廠水總氯目標(biāo)值，結(jié)合各控制點(diǎn)余氯，來(lái)計(jì)算過(guò)程水中加氯量和加氨量，借助一氯胺和游離氨檢測(cè)儀表來(lái)調(diào)控后加氯和加氨量。

（3）程序基本計(jì)算公式

（硫酸銨有效氨含量9.71%×密度1.22×1 000）

式中：K1——前加氯流量投加比；

△C1——沉淀水游離氯與控制目標(biāo)值差值，mg／L；

K2——后加氯投加比；

△C2——出廠總氯目標(biāo)值（一氯胺）與濾后水一氯胺的差值，mg／L；

K3后加氨投加比；

△C3——濾后游離氨與出廠控制目標(biāo)值差值，mg／L。

2.2.2 控制參數(shù)界面

該界面僅供水質(zhì)管理員進(jìn)行后臺(tái)參數(shù)的設(shè)置與修改，所有參數(shù)均可被控制程序直接調(diào)用。

（1）前加氯界面：設(shè)加氯流量投加比K1及游離氯控制目標(biāo)值。

（2）后加氯界面：設(shè)后加氯投加比K2及出廠一氯胺控制目標(biāo)值。

（3）后加氨界面：設(shè)后加氨投加比K3及出廠游離氨控制目標(biāo)值。

3 實(shí)施及成果

由于青草沙水源水質(zhì)穩(wěn)定，從而要求將過(guò)程水消毒處理的重點(diǎn)放在水廠后處理階段，即濾后消毒處理。在實(shí)際自動(dòng)控制中，經(jīng)常參與變動(dòng)是后加氯量，因二路原水進(jìn)水方式不一樣，一路進(jìn)配水井至四座澄清池，一路直接進(jìn)1#2#澄清池，且配水井游離氯易揮發(fā)，使兩組澄清池余氯差異大；二根濾后出水管道距離長(zhǎng)短和阻力大小又不同，使得濾池出水量也不一樣，所以，對(duì)后加氯自動(dòng)控制變得相當(dāng)重要。為此目的，要求加強(qiáng)對(duì)濾后水的監(jiān)測(cè)控制，確保出廠水水質(zhì)的安全。

基于上述工藝要求，自控系統(tǒng)增加對(duì)濾后水量水質(zhì)的監(jiān)測(cè)。

（1）增加對(duì)濾后水流量和水質(zhì)的監(jiān)控功能。

（2）增加后加氯和后加氨的監(jiān)控功能。

針對(duì)上述功能擴(kuò)展要求，提出如下系統(tǒng)改造方案：

3.1 濾后流量監(jiān)測(cè)

10格虹吸濾池的二根DN1000出水總管沒(méi)有安裝流量?jī)x，因此，自控系統(tǒng)無(wú)法對(duì)濾后水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本次改造將首先在濾池出水管上安裝2臺(tái)帶有Modbus接口的流量?jī)x，模清了1#清水庫(kù)進(jìn)水量與2#清水庫(kù)進(jìn)水量相差約500 t左右。通過(guò)Modbus接口，實(shí)現(xiàn)水流量?jī)x與PLC系統(tǒng)的通信連接，將流量?jī)x數(shù)據(jù)直接讀入，對(duì)濾后流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)節(jié)補(bǔ)氯量和補(bǔ)氨量。

3.2 過(guò)程水監(jiān)測(cè)儀表

3.2.1 在線游離氨儀

檢測(cè)原理如同便攜式儀器，但其操作是自動(dòng)的；可同時(shí)顯示一氯胺和游離氨，也可按游離氨和一氯胺所消耗的氨（0.2×一氯胺濃度）總和來(lái)顯示總氨氮[3]。余氯儀是測(cè)總氯，其值偏高于一氯胺濃度，不能測(cè)一氯胺。在線CA71A氨氮儀測(cè)總氨氮，不能測(cè)游離氨。相比較在線游離氨儀價(jià)格低于在線氨氮儀，性價(jià)比又高，雖然日常運(yùn)行藥劑費(fèi)用相對(duì)較高，但對(duì)自動(dòng)加氯控制尤其重要。

3.2.2 便攜式游離氨儀

可同時(shí)檢測(cè)一氯胺和游離氨，操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、測(cè)定時(shí)間短（5～10 min），價(jià)格低。當(dāng)班員工把游離氨和一氯胺測(cè)得數(shù)據(jù)人工輸入到加氯或加氨工藝圖界面，計(jì)算機(jī)會(huì)直接進(jìn)行后加氯/加氨量的自動(dòng)控制。

補(bǔ)充說(shuō)明：把水中一氯胺所消耗氨氮（N／Cl2=0.2）和游離氨總和作為水中總氨氮量，更能反映實(shí)際總氨氮，而現(xiàn)有化驗(yàn)室對(duì)氯化后水采用納氏法測(cè)氨氮，受水中氯的干擾和一氯胺要消耗一部分氨，測(cè)得數(shù)值偏低。舉例：采水樣：Hach試劑法測(cè)得一氯胺為 1.4 mg／L，游離氨為 0.29 mg／L，則總氨氮為0.2×1.4+0.29=0.57 mg／L（超出新國(guó)際 0.5 mg／L），而納氏法測(cè)出氨氮小于新國(guó)標(biāo)。

3.3 加藥間SLC增加后加氯和后加氨控制功能

系統(tǒng)硬件將在原加氯SLC機(jī)架上加裝模擬量輸入模塊，讀取后加氯和后加氨流量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)加氯流量和加氨流量監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)，增加模擬量輸出模塊，對(duì)加注泵的沖程和頻率的調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)后加氯和后加氨的自動(dòng)控制，其控制流程參見(jiàn)圖3。

圖3 自動(dòng)加氯/加氨程序框圖Fig3 Diagram of Automatic Chlorine and Ammonia Dosing System

3.4 報(bào)警、數(shù)據(jù)分析界面

（1）加注設(shè)備運(yùn)行故障報(bào)警

（2）游離氯、游離氨、一氯胺的上下限報(bào)警

（3）進(jìn)水量和濾后出水量及加氯／加氨量趨勢(shì)圖，具備隱藏部分曲線。

（4）沉淀水游離氯，濾后水一氯胺和游離氨，出廠總氯趨勢(shì)圖等。該分析界面為故障分析、系統(tǒng)評(píng)價(jià)、參數(shù)調(diào)整等提供依據(jù)。

3.5 優(yōu)化后生產(chǎn)運(yùn)行

3.5.1 前加氯（折點(diǎn)加氯）

按進(jìn)水流量和加氯投加比自動(dòng)投加，青草沙原水氨氮低，水質(zhì)穩(wěn)定，沉淀水游離氯基本在控制目標(biāo)范圍內(nèi)，余氯穩(wěn)定，波動(dòng)小。前加氯量為1.4～1.8 mg／L，游離氯為 0.3～0.5 mg／L。

3.5.2 濾后加氯加氨（氯胺消毒）：

計(jì)算機(jī)讀取在線或便攜式游離氨（人工）測(cè)得一氯胺和游離氨數(shù)據(jù)，會(huì)及時(shí)作出智能化程序控制，自動(dòng)調(diào)整加氯加氨量，使出廠水一氯胺和游離氨在控制目標(biāo)值范圍內(nèi)（見(jiàn)表 3）。后加氯為 0.6～1.0 mg／L，加氨量從 0.53 mg／L 降至 0.43 mg／L。

表3 自動(dòng)加氯控制程序生產(chǎn)運(yùn)行指南Tab.3 Operation Instruction of Automatic Chlorine and Ammonia Dosing System

當(dāng)澄清池游離氯高于設(shè)定控制范圍時(shí)，PLC控制系統(tǒng)會(huì)按中心目標(biāo)值自動(dòng)調(diào)低前加氯量，當(dāng)游離氯低于控制范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)高前加氯量。當(dāng)濾后游離氨或一氯胺出現(xiàn)高低時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)作一判斷，先確定一氯胺是否在控制范圍，然后確定游離氨是否偏高或低，再最終確定加氯量。當(dāng)一氯胺偏高，游離氨偏低時(shí)，調(diào)低后加氯量；當(dāng)一氯胺偏低，游離氨偏高時(shí)，調(diào)高后加氯量。

3.5.3 故障分析

通過(guò)故障記錄和余氯趨勢(shì)圖分析，加氯/加氨計(jì)量泵安全運(yùn)行非常重要，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)次氯酸鈉計(jì)量泵上單向閥玻璃球有時(shí)會(huì)被撞擊成一個(gè)個(gè)小峰窩，造成實(shí)際加注流量變小，引起余氯曲線差異變大，對(duì)玻璃球材質(zhì)加以改進(jìn)。

3.5.4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)前加氯量消耗較大。敞開(kāi)配水井內(nèi)配水溢流口（DN1000）距水面約8 cm，加氯量越大，配水井內(nèi)游離氯揮發(fā)量越多。改進(jìn)措施：（1）配水井上加裝封閉式遮陽(yáng)蓬。（2）調(diào)低機(jī)械加速澄清池葉輪轉(zhuǎn)速，使活性污泥回流比降低至合理回流量，以此減少游離氯揮發(fā)量和耗氯量，達(dá)到降低前加氯量，減少消毒副產(chǎn)物。

3.5.5 參數(shù)調(diào)整

原水出現(xiàn)硅藻時(shí)，可調(diào)整沉淀水游離氯控制目標(biāo)值為0.8 mg／L和調(diào)低濾后加氯投加比K2；當(dāng)原水公司預(yù)加氯（0.6～1.0 mg／L）時(shí)，調(diào)低前加氯投加比K1等。

3.5.6 優(yōu)化后效果比較

（1）優(yōu)化前：自動(dòng)投藥控制以人工設(shè)置加氯加氨投加比，有時(shí)不注意，加氯/加氨量會(huì)過(guò)高或偏低，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)調(diào)節(jié)，造成余氯和加氯／加氨量波動(dòng)，如一氯胺偏低至0.65 mg／L，游離氨偏低至＜0.05 mg／L 或偏高至 0.32 mg／L；有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)二路濾后水余氯高低（1#余氯 0.8 mg／L，2#余氯1.3 mg／L），影響到余氯穩(wěn)定性。

（2）優(yōu)化后：自動(dòng)投藥控制按出廠余氯目標(biāo)值自動(dòng)控制整個(gè)工藝過(guò)程中加氯加氨投加比，特別是濾后一氯胺和游離氨反饋控制，可每隔10～15 min（可設(shè)置）對(duì)加注點(diǎn)加氯/加氨投加比進(jìn)行一次自動(dòng)調(diào)整，及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)調(diào)節(jié)，確保出廠余氯和加氯/加氨量的穩(wěn)定，真正做到水質(zhì)動(dòng)態(tài)的精細(xì)化管理（見(jiàn)表 4，圖 4）。

表4 居家橋分廠加氯消毒優(yōu)化的運(yùn)行數(shù)據(jù) （單位：mg／L）Tab.4 Jujiazui Water Plant Data of Optimized Chlorination (mg ／L)

圖4 居家橋分廠出廠水余氯趨勢(shì)圖 （單位：mg／L）Fig.4 Treated Water Residual Chlorine Trends of Jujiaqiao Water Treatment Plant (mg／L)

（3）優(yōu)化后出廠水質(zhì)

一氯胺和游離氨更能直接反映加氯消毒質(zhì)量的重要指標(biāo)，優(yōu)化后，游離氨達(dá)最小值，既能消除二氯胺產(chǎn)生，又減少管網(wǎng)水中發(fā)生硝化作用而使一氯胺降低風(fēng)險(xiǎn)，使加氯量最大限度轉(zhuǎn)化為一氯胺，達(dá)到減少加氯量，改善自來(lái)水口味，這也是優(yōu)化前自動(dòng)投藥控制所難以做到的（見(jiàn)圖5）。

圖5 加氯／加氨與出廠水一氯胺和游離氨月平均數(shù)Fig.5 Monthly Average Data of Chlorine ／Ammonia Dosing Rate and Monochloramine／Free Ammonia in the Treated Water

3.5.7 討論

沉淀區(qū)游離氯消毒及停留時(shí)間，足以保障了后續(xù)氯胺消毒效果，建議將濾后加氯（氨）加藥點(diǎn)改到濾前及沉淀池出水總管上（濾后加藥點(diǎn)為備用）。優(yōu)點(diǎn)：（1）延長(zhǎng)了一氯胺消毒的過(guò)濾接觸時(shí)間，增加了消毒因子CT值。（2）避免濾池反洗及池面上游離氯揮發(fā)，產(chǎn)生氯味對(duì)環(huán)境污染，也降低了游離氯消耗量。（3）一氯胺取樣時(shí)間和電磁流量?jī)x安裝條件優(yōu)于濾后加藥點(diǎn)。（4）可避免次氯酸鈉原液和硫酸銨原液直接投加在出廠自來(lái)水中，經(jīng)過(guò)濾，有利于飲用水的安全。

4 結(jié)論

（1）自動(dòng)加氯工藝優(yōu)化，可幫助水廠正確掌握加氯加氨新方法，提高出廠水消毒質(zhì)量，確保出廠水一氯胺和氨氮考核指標(biāo)優(yōu)于新國(guó)標(biāo)水質(zhì)要求。

（2）控制好出廠水游離氨為最小限值（0.1～0.15 mg／L），減少加氯量，余氯穩(wěn)定。改善自來(lái)水口感。

（3）在線游離氨儀是自動(dòng)加氯控制的“眼睛”，通過(guò)對(duì)該儀器熟悉和掌握，總運(yùn)行成本將會(huì)逐步降低，功能上又可替代余氯儀和氨氮儀。隨著人們生活質(zhì)量提高和對(duì)飲用水安全較為敏感，顯現(xiàn)出該儀器對(duì)水廠加氯控制的重要性。

（4）自動(dòng)加氯工藝優(yōu)化，突顯出工藝先進(jìn)性和水質(zhì)安全，使得自動(dòng)加氯變得簡(jiǎn)單實(shí)用和有效，對(duì)推動(dòng)和深化國(guó)內(nèi)加氯領(lǐng)域的自動(dòng)化具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

［1］劉建華,尚書銓,陳志平.青草沙原水加氯消毒工藝的優(yōu)化[J].凈水技術(shù),2012.30(5)：102-106.

［2］劉建華,尚書銓,陳志平.青草沙原水加氯消毒工藝的優(yōu)化[J].凈水技術(shù),2012.30(5)：105.

［3］陸宇駿.次氯酸鈉現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)在大中型水廠的應(yīng)用[J].凈水技術(shù),2010,29(1)：70-73.

［4］張麗麗,張群,陳志平.氯化銨在浦東水廠消毒中的應(yīng)用[J].給水排水,2009,11.