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    解決方案

    水廠濾池優化管理 - 反沖洗終點的精確控制

    作者:不詳 供稿單位:美國哈希公司 瀏覽次數: 發布時間:2012-6-13 應用領域: 市政給排水
    水廠濾池優化管理 - 反沖洗終點的精確控制
    楊家建  錢文嬌  施正純
    (美國HACH公司,北京,100004)
     
    【摘要】當今的自來水廠面臨著許多挑戰,它們要滿足日益快速增長的人口對水量的需求。它們必須要滿足法規部門的要求,考慮供水水質安全因素,以最經濟可行的方式提供高質量的水來滿足最終用戶的需要。為了達到這些要求,自來水廠必須達到總體優化。優化的一個關鍵過程就是濾池的反沖洗。
     
    【關鍵詞】濾池;濾池反沖洗;濾池反沖洗終點;濁度測量
     
     
    Optimization Management of Sand Filter Backwash
    - Backwash Termination Accurate Control
    Jiajian Yang,Qian Wenjiao,Henry Shi
    (HACH Company,Beijing,100004)
     
    【Abstract】Today’s drinking water plants have many challenges to meet as they produce water for a fast-growing and increasingly demanding population. They must satisfy regulatory agency requirements, address health concerns, and ultimately fill the end customer’s needs by producing very high quality water in an economically feasible manner. To meet these challenges, total optimization of the drinking water plant must be achieved. A key process for optimization is filter backwash. This article covers issues associated with monitoring the turbidity during a filter backwash cycle.
     
    【Key Words】Sand Filter, Filter Backwash, Filter backwash Termination, Turbidity Monitoring
     
     
     
    傳統反沖洗終點的控制方式及存在的問題
    在傳統的自來水處理工藝中,濾池的反沖洗是非常有挑戰性的一個環節。對濾床的反沖洗需要大量的(已經處理過的)反沖洗水。過度的反沖洗會大量減少自來水廠的最終產量。通常對濾池的反沖洗需要3~5%的處理過的水。這么多的水也會對自來水廠的運行成本以及利潤率有很大的影響。
     
    現行傳統的濾池反沖洗終點控制方式有以下幾種:
    1. 操作人員肉眼觀察濾池頂部反沖洗廢水的潔凈程度(視覺低濁度),根據經驗判斷;
    2. 根據反沖洗水量判定;
    3. 時間程序控制;
    無論是哪種方式,出于對水質安全方面的考慮,通常都會考慮比較高的保險系數,從而導致對濾池的過度反沖洗。
     
    而通過研究表明, 濾池過度反沖洗一方面浪費了大量的反沖洗水及能源,更重要的是將導致濾池運行性能的降低:
    1. 過度反沖洗最終會導致更加嚴重的濾料流失情況;
    2. 對濾池熟化階段(初濾水)有負面影響,將造成高濁度初濾水恢復到正常濁度所需的時間大大延長,導致濾池有效運行時間縮短,效率降低;
    3. 同時,過度反沖洗有可能會造成濾池穿透現象的提早發生,導致濾池過濾周期時間的縮短。
     
    在反沖洗結束精確控制
    如何實現反沖洗終點的準確判斷,避免過度反沖洗,對提高濾池運行性能、效率,節能降耗具有重要的現實意義。
     
    研究表明,反沖洗周期結束時反沖洗廢水的濁度值與濾池后續的運行性能和運行時間具有非常緊密的直接相關性。使用適合濾池工況條件,可***的儀器進行濁度監測是監控反沖洗周期,包括確定反沖洗終點的一個理想的方法。
     
    根據這些研究,美國水協推薦將反沖洗廢水濁度達到10~15NTU時做為反沖洗終點判定的依據。中國住建部于2010年頒布的《城鎮供水廠運行、維護及安全技術規程CJJ58-2009》4.8.1條中也有類似的規定“沖洗結束時,排水的濁度不宜大于10NTU” 。當反沖洗周期在這個濁度范圍內結束時,在濾池上面的反沖洗水中仍然殘存合適量的虛浮顆粒物質,可以為后續的濾池盡快熟化,進入正常過濾周期創造一個合適的環境。在這種狀態下,通常會使得濾池的運行周期更長,效率更高。
     
    圖1及表1顯示的是一個典型的濾池反沖洗情況,該濾池采用汽水反沖洗加間歇式表面沖洗。同時,待濾水濁度為2NTU左右。
     
    1:某水廠的反沖洗情況
     
    反沖洗方案的詳細描述
    描述
    初始點的讀數(NTU
    時間
    (分:秒)
    相對時間
    (分:秒)
    A
    表面沖洗開
    7.60
    00:05
    03:55
    B
    流速=4000gpm
    23.5
    00:04
    01:30
    C
    流速=6000gpm
    55.0
    02:10
    03:45
    D
    表面沖洗關
    23.6
    04:00
    01:55
    E
    表面沖洗開
    流速=3900gpm
    3.10
    05:55
    表面沖洗開=1:15
    當1:15時,流速=3900gpm
    F
    表面沖洗關
    流速=6000gpm
    14.3
    07:10
    對剩余的反沖洗,表面沖洗關=6:35;
    當1:30時,流速=6000gpm
    G
    流速=5300gpm
    3.90
    08:40
    00:30
    H
    流速=4600gpm
    2.57
    09:10
    00:25
    I
    流速=3900gpm
    1.70
    09:35
    00:20
    J
    流速=3200gpm
    1.35
    09:55
    00:45
    K
    流速=2600gpm
    0.85
    10:40
    02:20
    L
    流速=2000gpm
    0.081
    13:00
    02:55
     
    圖1的曲線顯示了一條有兩個突出峰值的平滑曲線。反沖洗周期按照如下方式進行:
    1.      反沖洗周期從表面沖洗開始,逐步增加到流量為6000加侖/分鐘(gpm)。
    2.      當流速達到6000gpm時,反沖洗的濁度達到峰值,為55NTU。
    3.      濁度開始下降,6分鐘內達到5NTU以下。
    4.      開始第二次(也是最后一次)表面沖洗。反沖洗的濁度上升到第二個峰值15NTU,此時表面沖洗結束。
    5.      反沖洗的流速從6000 gpm緩慢較小到2000gpm。
     
    在該過程開始后的第9分鐘,反沖洗的濁度值在1~2NTU之間,與沉后水(待濾水)的濁度相同。隨著反沖洗周期的進一步進行,濾池達到過度清洗,在反沖洗周期即將結束時,最終反沖洗的濁度值達到0.081NTU。從開始到結束,整個反沖洗周期持續了14分鐘。
     
    根據這些情況,可以進行一些觀察。反沖洗結束時的濁度值為0.081NTU;遠遠低于美國水協推薦的濁度值10~15NTU。這表明濾池是過度清洗了。對后來的濾池的總體影響沒有記載,但如果堅持美國水協的推薦標準,反沖洗過程可以在最后一次表面沖洗的峰值處結束,因為那時的濁度值約為10~15NTU,這樣就可以節省大量的反沖洗用水量及能耗。尤其是在高生產能力(供水高峰,濾池高負荷運行)期間,使用較少的反沖洗時間將會延長濾池正常過濾時間,提高濾池的工作效率。
     
    綜上所述,如果可以對濾池反沖洗廢水濁度進行快速、準確地測量,將可以使對濾池反沖洗終點進行精確控制成為可能,從而實現濾池管理的優化。
     
    反沖洗廢水的濁度測量方法
    反沖洗的終點是根據美國水協推薦的濁度范圍確定的。該圖顯示的反沖洗周期相對較短,而且反沖洗周期中濁度的變化非?。反沖洗周期的優化需要準確、迅速的濁度測量響應。
     
    反沖洗過程中的濁度測量通?梢酝ㄟ^實驗室采樣分析或進行在線分析實現的。由于反沖洗過程短暫,濁度變化快速,測量點工況不佳,兩種方法都有一些問題必須考慮和解決。
     
    實驗室采樣分析:
    實驗室采樣分析是一種簡單的搜集數據確定特定的反沖洗情況的方法。這個過程包括了在整個反沖洗周期中,在設定的時間間隔內搜集大量的有代表性的樣品,并使用實驗室濁度儀對這些樣品進行分析。這個過程比較簡單,而且非常直接,但卻需要操作人員花費大量的時間來測量樣品和對數據進行分析。在大多數情況下,每個濾池都需要采集很多樣品,以確保獲取整個反沖洗周期中整體的情況。
     
    采樣分析中伴隨著以下幾個問題:
    1. 采集有代表性的樣品是非常關鍵的。樣品必須在同一個地點連續采集。采樣地點必須仔細選取,這樣反沖洗過程中的濁度才能真實的反映整個反沖洗過程。角落和濾床邊緣都不是采集樣品的理想位置,采集有代表性的樣品也是一件很有挑戰性的工作;
    2. 由于非沖洗廢水中的懸浮顆粒屬于宜沉降顆粒,采用實驗室采樣法測量濁度時,由于懸浮顆粒在經過采樣,到實驗室檢測之間發生的沉降,將導致實驗室測量數據的失真;
    3. 實驗室采樣分析是一個很長的過程,而且必須經常分析,因為反沖洗過程的濁度值會不斷變化。這些變化也表明需要做出更多的努力,以獲取一個準確的、有代表性的反沖洗濁度情況。使用實驗室采樣法了解反沖洗過程的濁度情況既耗時又耗力,也正因為這些原因,這種方法很難使用。
     
    在線分析反沖洗濁度
    在反沖洗監測過程中,要想成功進行在線濁度的監測,必須考慮以下兩點:
    1、必須要考慮由于反沖洗廢水色度對濁度測量造成的干擾;
    由于反沖洗廢水的色度相比較要大大高于濾后水色度,而由于色度對可見光線具有吸收的效果,從 而導致濁度儀表的入射光及散射光強度由于色度原因造成干擾;
    2、必須考慮現場干擾因素對濁度儀表造成的噪聲干擾;
    由于反沖洗廢水在濾層上部的情況復雜,比如環境光、表面反射及汽洗氣泡等,在進行濁度測量時,如果測量設置沒有進行優化,所測濁度值將包含很高的噪聲干擾因素。噪音主要是由于反沖洗水從濾池表面到廢水中的紊流狀態引起的。經過濁度傳感器前部的大部分的懸浮顆粒及氣泡都很大,大部分在線儀器都將這些大粒子視為噪音。在進行濁度測量時,必須進行噪聲補償。
    3、儀器的響應時間是非常關鍵的因素;
    由于反沖洗過程中濁度是變化得相當快的一個參數,儀器必須有一個非常準確、快速的響應,從而正確推導出濾池反沖洗的情況。
     
    世界上目前的在線濁度測量的方式,按照光源類型分為符合USEPA180.1標準的可見光濁度儀,和符合ISO7027標準的紅外光濁度儀;同時按照傳感器類型,分為流通池式分析和現場探頭式分析。
     
    由于符合USEPA180.1標準的可見光濁度儀的光源是鎢燈,采用的是400~600nm波長范圍的可見光作為光源,受色度干擾較大,適合于經過處理的水的低濁度測量,而在反沖洗廢水濁度監測應用中是存在一定問題的,所以不建議采用此類型濁度儀。
     
    而符合ISO7027標準的紅外光濁度儀的是LED燈,采用的是860nm單一波長的紅外光作為光源,不受色度干擾,適合于反沖洗廢水濁度監測的應用,建議采用。
     
    對于流通池式濁度儀,通常,一小部分有代表性的樣品被導入濁度儀的樣品池。光源和光電檢測器懸掛在樣品室中,當樣品流過樣品室時,就可以得到濁度結果,此時,在線取樣的時間決定了儀器對于濁度變化的響應速度。通常,這些儀器相對于反沖洗的變化而言,因為受取樣時間的限制,響應速度較慢,同時受宜沉降懸浮顆粒影響,數據失真,因此一般不建議采用。
     
    現場探頭式分析是將濁度傳感器直接放置在濾池過濾介質上1~2英尺的地方,將檢測器放置在這個位置,可以確保儀器不受反沖洗時濾料膨脹影響,并且可以盡可能早的在濁度變化的時候測量濁度,這樣就可以連續測量以捕捉反沖洗周期中濁度的快速變化。這種方法可以及時地了解反沖洗的每一個階段的情況,而且也減少了操作人員的采樣和準備等工作。響應迅速的現場探頭式分析是反沖洗周期中預測濁度變化的理想方法。
     
    為了補償現場干擾因素,比如大尺寸懸浮顆粒、氣洗氣泡等對濁度儀表造成的噪聲干擾,濁度儀表必須具備儀器測量值平均功能(信號平均計算)。信號平均需要連續進行一些測量,一起平均,然后顯示。每進行一次新的測量,就會在計算平均值時取代一個舊的測量值,從而產生一個新的平均值。當在線監測中使用信號平均時,平均的程度必須要仔細考慮。較長的平均周期導致對樣品變化的響應更慢。相反的,較短的平均周期對樣品的變化響應更快。當定義信號平均速率時,必須要考慮在實際的響應時間和反沖洗情況定義的程度的交換。理想情況下,信號平均周期越短,越會產生更有意義的使用信息。
     
    綜上所述,在反沖洗廢水濁度監測應用中,采用符合ISO7027標準的紅外光現場探頭式濁度儀是比較合理的選擇,同時此應用的在線濁度儀應具備信號平均計算的功能。
     
    最后,如果干擾和儀器的響應時間都可以解決,使用濁度儀進行在線控制反沖洗就可以實現了。
     
    數字傳感器系統技術——反沖洗優化解決方案
    近年來開始應用一種新的在線懸浮固體測量系統。該系統的設計宗旨是幫助自來水廠的工作人員優化反沖洗周期,最終有助于整個自來水廠的總體優化。新的測量系統包括帶自清洗的浸入式光學濁度數字探頭、具有消除氣泡干擾噪音功能的全智能控制器,具有一些關鍵的特點可以解決傳統在線濁度儀監測反沖洗時的局限性,具體如下:
    1、光源:該系統使用的光源是LED 紅外光源,波長約為860nm。這種光源是經過精確調整的,可以消除環境光的干擾。860nm的波長為紅外光源,是肉眼不可見的,極大地減少了反沖洗廢水對色度的干擾。這種設計可以提供在0.3~1000NTU的范圍內具有很高的線性和非常準確的濁度測量。


    圖2:探頭式濁度儀
    2、傳感器的設計:現場浸入探頭式光學傳感器的設計非常適合用于現場測量(見圖2)。使用合適的安裝組件,傳感器可以直接浸入水中,懸掛在濾池濾層上部,這使得我們可以采集到有代表性的樣品,可以消除樣品從樣品流導入到儀器中的滯后時間,幾乎可以立刻響應反沖洗周期中的濁度波動。并減少表面反射、過濾介質和氣泡造成的干擾。

    3、噪音消除:在大尺寸懸浮顆粒、紊流及大量氣泡造成高儀器噪音的工況下,一般的濁度儀及控制器難以滿足濁度的準確測量。新型控制器具有對實時測量值進行平均計算功能。濁度測量每1秒鐘進行一次,信號平均被設置成每5秒一次,可以有效降低濾池反沖洗廢水大尺寸懸浮顆粒、反沖洗氣泡、和紊流引起的測量噪音。
    4、數據收集:新型控制器可以以每秒鐘一組的頻率存儲數據。數據可以以圖表的形式顯示在屏幕上,立刻進行分析,或通過4~20mA或數字方式傳輸到外圍的數據收集系統。對于每次反沖洗,其情況都可以很方便的了解。由于反沖洗的周期使用無偏差的分析儀進行監測,因此可以實現對每個濾池的優化。
     
    該新型濁度傳感器可以消除反沖洗測量過程中典型的干擾問題,可實現對反沖洗的實時監測。準確的反沖洗情況可以使操作人員準確判斷什么時候反沖洗過程應該結束,從而優化濾池的運行性能。
     
    傳感器安裝
    在水廠,濁度傳感器的安裝是使用標準安裝工具進行的明渠安裝。傳感器浸沒在水面以下大約4英尺的地方,可以消除氣泡干擾。傳感器以水平的位置直接放到水中,在過濾介質上18英寸的地方,這樣可以允許濾料膨脹而不會干擾濁度的測量。傳感器需要面向遠離會產生反射干擾的墻面或濾層的方向。一旦選好了有代表性的采樣位置,就可以對濾池的進水和反沖洗水的濁度進行測量。
     
    數據收集
    反沖洗過程中的濁度變化很快。數據可以每1秒鐘記錄一次,產生準確的情況,為濁度和反沖洗周期階段之間提供相關性。時間與濁度之間的關系被畫出來,將反沖洗過程中特定的步驟與濁度測量相關聯起來。這樣做可以評估每一步對反沖洗的整體效果的影響。
     
    結論
    新型濁度傳感器以及具有噪音消除功能的控制器,可以提供大量關于反沖洗情況的準確、及時的信息。傳感器被安裝在正確的位置和考慮到噪聲的削減的傳感器設置是非常關鍵的。 一旦建立了反沖洗廢水在線濁度測量體系,就可以實現更準確、更有效、更經濟的反沖洗終點的精確控制,從而最終實現濾池的優化管理,在保證水質的前提下,提高濾池運行效率,節能降耗。
     
     
     
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