一种基于双馈调节的重介质粉末干法自动投加系统及方法与流程

1.本发明属于水处理领域，具体涉及一种基于双馈调节的重介质粉末干法自动投加系统及方法。


背景技术：

2.火电厂循环水排污水是较高硬度较高浊度废水，处理合格后回用节水减排效果显著。通常采用高效混凝沉淀软化的工艺去除排污水中的硬度及悬浮物。多数电厂排污水中镁硬占比较大，镁硬形成的絮体轻，不易沉降，出水水质不稳定，工程实践中多采用增大池体面积、降低上升流速或加大絮凝剂投加量等方法提高硬度去除率，改善出水水质，但也存在建设及运行成本高和对后续膜污堵的问题。重介质混凝沉淀技术是向反应池中投加混凝剂的同时投加惰性高密度微颗粒状重介质粉作为絮体晶核以强化混凝沉淀，重介质粉包裹在混凝絮体中增加絮体密度，加快絮体沉降速度。设置污泥回流系统通过回流循环使用重介质粉和混凝剂，污泥排放系统经过重介质粉回收装置回收循环使用重介质粉末，剩余污泥则排出系统。该工艺可提高反应器的上升流速，具有占地小、出水水质好、运行药剂少、污泥产量小、抗冲击能力强、除浊除磷效果好等优点。
3.现有重介质混凝沉淀装置重介质粉末多采用人工干法间断性投加，规程要求投加频次不宜小于2次/d，属间断性冲击加药。采用人工干法投加重介质粉末，随意性大，投加时机、投加量均受主观因素影响较大，且劳动强度大。重介质粉末干法冲击性投加弊端表现在每次投加前，系统中重介质粉末浓度低，瞬时投加后，系统中重介质粉末浓度急剧升高，难以同步形成稳态的混合液，会对系统造成一定冲击，不利于设备稳定运行。每次投加后，由于短时间内系统中重介质粉末过多，形成的重介质污泥密度过大，在进入沉淀单元前就在絮凝单元沉淀，造成絮凝单元积泥严重，长时间累积后会导致絮凝单元过水洞、连通管堵塞，甚至引起搅拌器损坏。现有系统重介质粉末干法间断性投加未充分考虑处理水量的实时变化，仅能根据两次投加时间间隔内总处理水量进而计算下次单次需投加的重介质粉末量，在两次投加时间间隔内处理水量小于平均处理水量，重介质粉末投加过量，提前沉淀，处理水量大于平均处理水量，重介质粉末投加不足，形成絮体密度轻，沉淀性能降低，出水水质变差。少数专利产品提出了重介质粉末干法自动投加，但只根据处理水量粗略调节重介质粉末投加量，未有效监测系统出水水质、实时污泥密度等重要指标精细化追踪调节重介质粉末投加量，难以较精确控制系统中混合液浓度，均存在一定局限性。


技术实现要素：

4.针对采用重介质混凝沉淀软化的较高硬度废水处理工艺，重介质粉末人工干法间断性投加对系统的冲击、系统污堵、难以适应水量水质波动、人工操作强度大的问题，本发明的目的是提供一种基于双馈调节的重介质粉末干法自动投加系统及方法，该方法可实现重介质粉末连续自动精准投加，并可追踪水质指标实现重介质粉末后馈精细化调节，提高系统在来水水量波动和频繁启停工况下的抗波动能力，有效稳定出水水质，防止重介质颗
粒在系统内发生污堵，该方法操作简单，自动化程度高。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于双馈调节的重介质粉末干法自动投加系统，包括絮凝单元、重介质粉末干法自动投加单元与污泥回流单元；重介质粉末干法自动投加单元与絮凝单元上部相连；污泥回流单元与絮凝单元相连；
7.其中，重介质粉末干法自动投加单元包括储存料斗、柔性破拱器与无轴定量给料机，重介质粉末储存料斗与柔性破拱器相连，柔性破拱器与无轴定量给料机相连，无轴定量给料机与絮凝单元上部相连。
8.本发明进一步的改进在于，絮凝单元包括絮凝池，絮凝池内设置有搅拌器，絮凝池底部设置有进水连通管和导流筒，连通管伸入到导流筒内，搅拌器的下部位于导流筒内；进水连通管始端设置有用于实时计量显示测量值的进水流量计。
9.本发明进一步的改进在于，储存料斗内壁设置有耐磨涂层；
10.储存料斗包括相连通的圆筒形筒体与圆锥形筒体，圆筒形筒体位于圆锥形筒体上，圆锥形筒体外壁与水平呈60
°
夹角；
11.圆筒形筒体顶部设置有与圆筒形筒体轴线垂直的密目钢丝网片，密目钢丝网片的孔径为200目；
12.圆锥形筒体底部开口，圆锥形筒体上设置有活套法兰；圆锥形筒体下部外壁上对称设置有振动装置。
13.本发明进一步的改进在于，柔性破拱器包括圆筒形本体，圆筒形本体上部通过法兰与储存料斗的锥形筒体下部连接，圆筒形本体上设置有关断插板阀；圆筒形本体侧壁设置有观察口，圆筒形本体中心竖直设置有中心轴，中心轴连接有电机，中心轴伸进储存料斗内部，并且伸进圆锥形筒体内部的中心轴上均匀设置有若干水平柔软不锈钢刮片。
14.本发明进一步的改进在于，无轴定量给料机包括带刮片无轴螺旋输送装置，带刮片无轴螺旋输送装置外部设置有圆管型外壳，带刮片无轴螺旋输送装置连接有变频电机和减速机，带刮片无轴螺旋输送装置与圆管型外壳间隙为3～5mm。
15.本发明进一步的改进在于，污泥回流单元包括污泥回流泵与回流管路；絮凝单元一侧设置有与絮凝单元相连通的沉淀单元，污泥回流泵一端与沉淀单元底部相连，一端与回流管路相连，污泥回流管路与絮凝单元的进水连通管相连；
16.污泥回流泵为变频泵，污泥回流管路上设置有污泥密度计及流量计。
17.一种基于如上所述的系统的基于双馈调节的重介质粉末干法自动投加方法，储存料斗中的重介质粉末通过柔性破拱器送至无轴定量给料机中，通过无轴定量给料机加入到絮凝池中，与絮凝池中含有混凝剂与软化剂后的混合液混合，形成重介质絮体，重介质絮体进入沉淀单元沉淀，沉淀单元底部污泥通过污泥回流单元输送至絮凝单元。
18.本发明进一步的改进在于，无轴定量给料机频率根据如下公式计算：
[0019][0020]
式中：
[0021]
p
投
—前馈无轴定量给料机频率；
[0022]q投
—无轴定量给料机投加能力；
[0023]
q—絮凝池水流量；
[0024]
k1—修正系数；
[0025]
r—重介质粉末回收率；
[0026]
c1—初次投运重介质粉末投加量。
[0027]
本发明进一步的改进在于，沉淀单元底部的污泥回流流量通过下式计算：
[0028]q回
＝q
×
(22.4-20ρ)
×
5％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0029]
式中：
[0030]q回
—回流污泥流量；
[0031]
ρ—污泥密度计显示值。
[0032]
本发明进一步的改进在于，无轴定量给料机频率通过下式计算：
[0033][0034]
式中：
[0035]
μ(t)—后馈无轴定量给料机频率；
[0036]e(t)
—污泥密度计实时显示值；
[0037]kp
—比例系数；
[0038]
ti—积分时间常数；
[0039]
td—微分时间常数。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0041]
本发明设置有重介质粉末干法自动投加单元，通过计算重介质粉末的投加量，实现重介质粉末连续投加，重介质粉末分散均匀，反应充分，避免人工投加的随意性，避免间断冲击性加药对絮凝反应器的冲击，同时加药精确，自动化程度高，运行可靠，人工操作强度低。
[0042]
本发明通过设置污泥回流单元，污泥回流量通过进水流量与回流比乘积并辅以污泥密度值修正双重精细化调节，提高混凝反应效果，有效保持絮凝单元混合液浓度均匀稳定，改善絮凝单元重介质絮体沿池底沉积，减少重介质粉末及混凝剂用量，降低运行成本。
[0043]
本发明的方法能够实现重介质粉末连续精准投加，较精确控制絮凝软化反应器中混合液浓度，使重介质絮体在絮凝单元基本处于悬浮状态(稳态)，有效解决重介质絮体提前沉淀堵塞设备的问题，并能更好地适应水量剧烈波动的情形。本发明的方法适用于较高硬度的循环水排污水，可有效降低重介质粉末对絮凝反应器的污堵与冲击，大幅度提高重介质粉末的利用效率，维持重介质粉末在反应器中的悬浮浓度，进而可保证出水水质，并强化系统在来水水量波动和频繁启停工况下的抗波动能力，具有良好的经济效益。
[0044]
进一步的，本发明重介质粉末干法自动投加单元根据处理水量实时前馈粗调节重介质粉末投加量，再追踪出水水质、实时污泥密度值来后馈精细化调节重介质粉末投加量，两步协同复合精确调控，可实现较精确控制反应器中混合液浓度，提高系统抗冲击负荷及混凝软化效果。
附图说明
[0045]
图1为本发明的基于双馈调节的重介质粉末干法自动投加系统示意图；
[0046]
图2为系统运行监测期间絮凝反应器中污泥密度变化图。
[0047]
图中，1-进水流量计、2-絮凝池、2-1-絮凝池搅拌器、2-2-导流筒、2-3-进水连通管、2-4-淹没出水堰、3-污泥回流泵、4-污泥回流管路、4-1-污泥回流流量计、4-2-污泥密度计、5-储存料斗、5-1-密目钢丝网片、5-2-振动装置、5-3-断料开关、6-柔性破拱器、6-1-柔韧刮片、6-2-关断插板阀、6-3-电机、7-无轴定量给料机、7-1-圆管外壳、7-2-带刮片无轴螺旋输送装置、7-3-变频电机。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0049]
参见图1，本发明所述的一种基于双馈调节的重介质粉末干法自动投加系统，包括絮凝单元、重介质粉末干法自动投加单元与污泥回流单元；重介质粉末干法自动投加单元与絮凝单元上部相连；污泥回流单元与絮凝单元相连。
[0050]
其中，絮凝单元为絮凝池2，絮凝池2内设置有搅拌器2-1，具体的，搅拌器2-1的下部位于导流筒2-2内，絮凝池2底部设置有导流筒2-2与进水连通管2-3，连通管2-3顶部位于导流筒2-2内搅拌器2-1桨叶以下。絮凝单元一侧设置有与絮凝单元相连通的沉淀单元，另一侧设置有凝聚单元。
[0051]
进水连通管2-3始端设置有用于实时计量显示测量值的进水流量计1，出水通过淹没堰2-4与后续的沉淀单元相连。
[0052]
重介质粉末干法自动投加单元，包括储存料斗5、柔性破拱器6与无轴定量给料机7。重介质粉末储存料斗5与柔性破拱器6相连，柔性破拱器6与无轴定量给料机7相连，无轴定量给料机7与絮凝单元上部相连。储存料斗5用于存放重介质粉末，柔性破拱器6用于松散料斗底部物料，无轴定量给料机7用于将重介质粉末连续精确投加至絮凝单元中。
[0053]
优选的，储存料斗5内部整体内衬一层表面光滑的耐磨涂层，减小重介质粉末与储存料斗5内壁摩擦力，防止储存料斗5内重介质粉末断料及对储存料斗5内壁冲刷。
[0054]
储存料斗5包括相连通的圆筒形筒体与圆锥形筒体，圆筒形筒体位于圆锥形筒体上，圆锥形筒体外壁与水平呈60
°
夹角，可以防止重介质粉末在边角堆积。
[0055]
圆筒形筒体顶部设置有与圆筒形筒体轴线垂直的密目钢丝网片5-1，密目钢丝网片5-1的孔径为200目，用于筛分截留重介质粉末中无效杂质，定期将截留杂质清出料斗，避免杂质进入反应器长期积累后堵塞设备管路。
[0056]
圆锥形筒体底部开口，并设置有活套法兰。圆锥形筒体下部外壁上对称设置有振动装置5-2，当料斗重介质粉末形成反拱断料时，振动装置5-2运行，破坏起拱，确保下料连续。圆锥形筒体底部法兰以上部位设置有断料开关5-3，储存料斗5中重介质粉末用尽时报警，提示运行人员及时补料。
[0057]
柔性破拱器6包括圆筒形本体，圆筒形本体上部通过法兰与储存料斗5的锥形筒体下部法兰连接，法兰以下部位设置有关断插板阀6-2，后续设备检修时，插入关断插板阀，防止料斗中重介质粉末外泄；
[0058]
圆筒形本体侧面设置有观察口，圆筒形本体中心竖直设置有中心轴，中心轴伸进圆锥形筒体内部。伸进圆锥形筒体内部的中心轴上均匀设置有若干水平柔软不锈钢刮片6-1，中心轴外接电机6-3，用于驱动中心轴沿圆周运动，不锈钢刮片6-1在圆锥形筒体底部不
断沿圆周旋转，松散堆实的重介质粉末，保证下料源源不断。
[0059]
无轴定量给料机7始端与柔性破拱器6底部相连，末端与絮凝单元上部相连。无轴定量给料机7包括带刮片无轴螺旋输送装置7-2，带刮片无轴螺旋输送装置7-2外部设置有圆管型外壳7-1，可有效改善倾斜安装时重介质粉末回落的情形。带刮片无轴螺旋输送装置7-2外接变频电机7-3和减速机，用于驱动带刮片无轴螺旋输送装置7-2沿轴向向前运动。带刮片无轴螺旋输送装置7-2与圆管型外壳7-1间隙为3～5mm，防止带刮片无轴螺旋输送装置7-2向前送料时回流及与圆管型外壳7-1的摩擦力。带刮片无轴螺旋输送装置7-2每旋转一次，可完成一次重介质粉末投加，每次投加的重介质粉末的质量是固定的，通过驱动变频电机控制带刮片无轴螺旋输送装置7-2的转速，进而控制重介质粉末的投加量。无轴定量给料机7根据需要在与水平夹角呈0
°
～45
°
范围内安装使用。
[0060]
污泥回流单元，包括污泥回流泵3与回流管路4；污泥回流泵3一端与后续的沉淀单元底部相连，一端与回流管路4相连，污泥回流管路4则与絮凝单元的进水连通管2-3末端相连。
[0061]
污泥回流泵3为变频泵，污泥回流管路4上设置有污泥密度计4-2及流量计4-1。
[0062]
本发明基于上述系统的投加方法为：重介质粉末在系统初次启动运行时，根据磁介质混凝沉淀污水处理技术规程要求的反应器单位池容投加量进行初次投加，初次投加时，重介质粉干法自动投加装置满频率运行，根据无轴定量给料机7投加能力及总投加量计算投加时间，累计投加时间到达设定时间时，投加装置停止运行。系统运行过程中，重介质粉末通过重介质粉末干法自动投加单元补充投加，储存料斗5中的重介质粉末通过柔性破拱器6将重介质粉末送至无轴定量给料机7中，无轴定量给料机7经过计量控制重介质粉末运行时的补充投加量，经计算定量的重介质粉末经无轴定量给料机7输送至絮凝池2中，通过搅拌器2-1与池中加混凝剂软化剂后的混合液充分混合，完成重介质粉末连续投加。系统运行过程中，重介质粉末干法自动投加单元根据设定的补充投加量及絮凝单元进水量1前馈调节无轴定量给料机7频率。无轴定量给料机7频率根据如下公式计算：
[0063][0064]
式中：
[0065]
p
投
—前馈无轴定量给料机频率，hz；
[0066]q投
—无轴定量给料机投加能力，kg/h；
[0067]
q—絮凝池进水流量，m3/h；
[0068]
k1—修正系数，当出水ss＜2mg/l时，k1取0.6～0.8；当出水2mg/l≤ss＜5mg/l时，k1取0.8～1.0；
[0069]
r—重介质粉末回收率，％；
[0070]
c1—初次投运重介质粉末投加量，mg/l；(20g/l池容≤c1≤40g/l池容)。
[0071]
通过重介质粉末干法自动投加单元实现重介质粉末连续补充投加，来水在絮凝单元的进水连通管2-3始端加入软化剂、混凝剂后，进入絮凝单元中，与重介质粉末混合，形成比重较大的絮体，絮体经过淹没堰2-4后进入后续沉淀单元沉淀。沉淀单元底部含有重介质粉末及混凝剂的污泥通过污泥回流泵3及回流管路4输送至絮凝单元进水连通管2-3末端，回收重介质及混凝剂，继续参加混凝软化反应。
[0072]
本发明的系统在运行过程中，需连续不断的进行污泥回流，增强混凝效果，回收重介质及混凝剂，减少药剂耗量及减轻沉淀单元底部重介质污泥堆积污堵等，污泥回流量为进水流量计1显示值与污泥回流比乘积，并通过污泥密度计4-2显示值进行修正，修正后的污泥回流流量计算公式如下：
[0073]q回
＝q
×
(22.4-20ρ)
×
5％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0074]
式中：
[0075]q回
—回流污泥流量，m3/h；
[0076]
ρ—污泥密度计显示值，g/cm3。(1.04g/cm3≤ρ≤1.10g/cm3)。
[0077]
本发明系统在运行过程中，污泥密度值不断变化，通过污泥密度值进一步精细化调节无轴定量给料机7频率，进而实现絮凝单元中混合液浓度均匀稳定。无轴定量给料机7根据污泥密度值后馈精细化调节投加量，重介质粉末投加量的调节公式如下：
[0078][0079]
式中：
[0080]
μ(t)—输出后馈值(后馈无轴定量给料机频率)，hz；
[0081]e(t)
—输入前馈值(污泥密度计实时显示值)，g/cm3；
[0082]kp
—比例系数；
[0083]
ti—积分时间常数；
[0084]
td—微分时间常数。
[0085]
实施例1
[0086]
北方某火电厂来水为循环水排污水，经重介质高效澄清装置混凝澄清软化处理，单套装置设计最大处理量350m3/h，上升流速15-20m/s，进水水质指标见下表1：
[0087]
表1进出水水质指标
[0088][0089]
1)根据前述公式(1)，q
投
取2.0kg/h，k1取0.85，r取95％，c1取4000kg(根据有效池容计算)，处理水量q为300m3/h时，无轴定量给料机7频率p
投
＝50
×
300
÷2÷
0.85
÷
(1-0.95)
÷
4000＝44.1hz。根据公式(2)，正常运行时，针对该类水质特点，控制污泥密度在1.04g/cm3～1.1g/cm3之间，处理效果较好，处理水量为300m3/h，污泥密度值为1.05g/cm3时，污泥回流量q
回
＝300
×
(22.4-20
×
1.05)
×
5％＝21m3/h。根据公式(3)，针对该类水质特点，通过公式(3)pid后馈调节无轴定量给料机7频率，控制运行时污泥密度处于1.07g/cm3较窄范围内。
[0090]
2)系统启用前经絮凝池连通管向絮凝池注满待处理原水，开启搅拌器，絮凝池搅拌器满频运行，开启污泥回流泵，满频率运行。事先向絮凝池投加足量的含150目重介质粉末，并通过搅拌、回流设备使重介质粉末在反应器中处于悬浮状态。
[0091]
3)排污水经计量后进入絮凝池中，凝聚剂、助凝剂、氢氧化钠、碳酸钠加药量与进水流量连锁，通过控制机械隔膜泵频率进行控制。
[0092]
4)系统出水后启动重介质粉末干法自动投加装置，频率与进水流量连锁，频率计算采用公式(1)，重介质粉末依次通过柔性破拱器、无轴定量给料机后连续投加至絮凝池，料斗侧壁振动器每隔一定时间振动1min，破拱喂料机与振动器共同作用防止重介质粉末在料斗中板结或起拱引起断料，料斗底部设置压力式料位传感器，待料斗中重介质粉用尽时，通过压力变化将报警及补料信号回传至dcs画面，提示运行人员补料。
[0093]
5)经快速混合，电中和、压缩双电层作用使胶体脱稳的循环水排污水通过连通管进入絮凝池的导流筒底部；连通管采用长半径弯管型式，于絮凝池底部水流方向经一次绕流90
°
即进入导流筒底部，流道较顺直，阻力小，水利条件好，污堵风险小。
[0094]
6)混合液经导流筒内絮凝池搅拌器的提升作用在导流筒内外进行循环，搅拌器频率与进水量连锁，进水量小时频率高，进水量大时频率低，保证与加入到絮凝池中氢氧化钠、助凝剂和碳酸钠药剂进行絮凝软化反应所需的必要条件，利用絮凝剂的网补卷扫、吸附架桥作用形成较大的絮体，絮体经导流筒上部翻至外侧时，与絮凝池上部补充投加的重介质粉末充分接触进一步生长，同时包裹足量重介质粉末加速沉降；随后经推流区淹没堰进入后续沉淀单元。
[0095]
7)混合液经后续沉淀单元绕流沉淀后，去除剩余的悬浮物，出水清澈，稳定运行出水水质见表1。
[0096]
8)沉淀单元重介质污泥一部分通过污泥回流泵回流至絮凝池中，使未彻底反应的凝聚剂及重介质粉末重新参与反应，节省药剂及重介质投加量。另一部分经剩余污泥泵连续输送至磁粉回收装置后，进行重介质与剩余污泥分离回收，磁粉重新投加至絮凝池，剩余污泥送至脱水系统。系统运行过程中，剩余污泥连续排放，重介质回收单元连续稳定运行，有效减轻重介质回收单元因频繁启停而对系统的冲击，减轻对设备寿命的影响，也降低因频繁停机冲洗不彻底引起管路设备堵塞的可能性。回流污泥量根据处理水量及回流比并辅以污泥密度值修正方式调节，可助于絮凝池保持混合液浓度稳定，强化系统抗冲击能力，改善处理效果，降低淤积风险，回流污泥量计算采用公式(2)。
[0097]
9)运行期间经式(1)前馈计算，重介质粉末补充量约5.5mg/l，并根据公式(3)，以实时污泥密度计显示值为输入前馈值，以无轴定量给料机7频率为输出后馈值，经pid后馈调节后，重介质粉末补充量约4-6mg/l，重介质消耗量在合适较窄范围内，经前馈-后馈两步协同复合精确调控后的污泥密度值见图2。重介质粉末干法自动投加量经双馈调节后，系统运行良好，污泥密度稳定在1.065g/cm3～1.075g/cm3较窄范围内，污泥浓度稳定在5％，重介质污泥含水率96％，系统各处理单元底部重介质粉末淤积情况大大缓解；出水浊度稳定在1ntu以下，钙硬去除率95％，镁硬去除率90％，悬浮物去除率96％，出水携带的重介质粉末大大减少，有效减轻对后续处理工艺的不利影响。
[0098]
本发明通过设置重介质粉末干法自动投加装置，实现重介质粉末全自动连续计量精确投加，避免人工随意间断性投加对系统的冲击；同时根据处理水量、污泥密度值等水量水质指标采用前馈、后馈两步协同复合调节的方法实时精细化全自动调节重介质粉末投加量；根据处理水量、污泥回流比辅以污泥密度值修正的方法实时调节污泥回流量，两种方法综合作用保持絮凝反应器混合液悬浮浓度均匀稳定，强化絮凝软化反应效果。本发明处理
效果好，重介质利用效率高，工艺流程简单，自动化程度高，人工操作强度低，系统运行成本低，水量水质波动适应范围广，系统污堵风险小，可较好的适用于火电厂循环水排污水的水处理领域。