陳志平，胡介明

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

今年7月1日起，我國將實施新版的《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749—2006），飲用水中消毒劑常規(guī)指標由1項（游離氯）增至4項，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物三鹵甲烷等非常規(guī)指標，部分項目限值更加嚴格，因此供水企業(yè)的消毒工藝、加氯方法需要調整和優(yōu)化。

在自來水消毒中，通常采用以游離氯或總氯（氯胺）形式消毒。無論是在線余氯儀還是在化驗室里，容易對總氯和游離氯進行分析，但不能識別一氯胺。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。目前國內較少有水廠采用游離氨來調整氯／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合的NH3／NH+4。

當氯氨投加比＞5∶1，游離氨接近于零，會導致部分一氯胺轉變成二氯胺，將使自來水有難聞氣味和不良口感；當加氨量過多，游離氨偏高（＞0.2 mg／L），特別在夏季水溫＞15 ℃，有部分游離氨會轉化成亞硝酸鹽，使亞硝酸鹽濃度升高，導致一氯胺降低[2]。嚴重時管網（泵站水庫）水停留時間過長，會出現余氯偏低或接近于零，對供水安全構成潛在風險。因而需用計算機程序自動控制出廠水游離氨和一氯胺，科學合理控制加氯量和加氨量，使出廠余氯可控、管網水質穩(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t／d），于2005年10月實施全廠加藥系統(tǒng)自動化，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，整個消毒工藝過程由原來氯胺消毒改為折點加氯，出廠水為氯胺消毒，浦東水廠又于2011年10月對原自動加氯加氨系統(tǒng)進行了完善和工藝優(yōu)化。

1.1 青草沙原水水質

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

表1 居家橋分廠原水水質數據Tab.1 Jujiaqiao Water Plant Raw Water Quality Data

圖1 青草沙原水水質數據Fig.1 Qingcaosha Raw Water Quality Data

1.2 自動加氯工藝

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

通過現場數據采集，信號反饋，由PLC控制系統(tǒng)進行自動加氯／加氨控制。

1.3 優(yōu)化前自動投加控制模式

前加氯／后加氯／加氨參照原水進水流量，以人工設定流量投加比來自動控制加氯加氨量，按沉淀水游離氯、濾后總氯變化，人工調整其加氯/加氨投加比，但當班員工不知如何根據一氯胺與游離氨變化來正確合理調整其投加比。

1.4 優(yōu)化前自動加氯運行情況

前加氯為三臺次氯酸鈉計量泵（350 L／h）；后加氯為三臺次氯酸鈉計量泵（150 L／h）；后加氨為三臺新改裝硫酸銨計量泵（20 L／h）；運行方式都為二用一備。前加氯由折點加氯所生成游離氯（HClO）[3]作為主要消毒劑；濾后加氨補氯，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運行數據（單位：mg／L）Tab.2 Jujiaqiao Water Plant Chlorination Process Data(mg ／L)

2 優(yōu)化工藝介紹

折點加氯可以流量投加比與游離氯反饋自動加氯，但對于氯胺消毒，現有自動加氯會存在問題：（1）不清楚如何按出廠余氯目標值來合理控制氯氨投加比。（2）按總氯反饋，而不考慮游離氨限值，沒有預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，自動加氯控制難以在自來水廠得到真正應用，而自動加氯工藝優(yōu)化，較好解決了長期困擾和制約國內自動加氯的瓶頸。

2.1 優(yōu)化工藝

優(yōu)化后自動投加控制模式：是完全按照出廠水一氯胺和游離氨目標值和加藥點進水流量來自動控制整個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值，自動調整加氯加氨投加比。

2.1.1 設定余氯控制目標值

余氯目標值高低會影響到加氯加氨量的多少。根據不同水質、消毒工藝和階段性藻類變化，結合沉淀水和清水庫停留時間，按CT值，科學合理設置沉淀水和出廠水余氯目標值。

2.1.2 前加氯

青草沙水庫水穩(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，減少加氯消毒所產生的消毒副產物（三鹵甲烷）。以沉淀后游離氯來反饋控制前加氯量。

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，需加氨，按出廠水余氯目標值來計算出加氨量。為了保證出廠水不出現二氯胺和儀表檢測限值，要考慮0.1 mg／L游離氨富余量。加氨量與出廠水余氯目標值呈正比（y=0.2×一氯胺目標值（1.3 mg／L）+0.1）。出廠水游離氨設定目標值為0.1～0.15 mg／L。

2.1.4 后加氯

按出廠余氯（一氯胺）目標值與濾池游離氯差值，計算出加氯量。出廠水一氯胺目標值為1.3 mg／L（新國標為≥0.5 mg／L），CT值為86（國標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（1.0～1.5 mg／L），后根據游離氨值來確定調整加氯還是加氨量。

2.2 控制程序

2.2.1 程序計算基本方法

（1）程序計算目標：確保過程水余氯在控制設定范圍內。設定了3個控制點：即沉淀后水的游離氯檢測點、濾后水一氯胺和游離氨檢測點、出廠水余氯和總氨檢測點。

（2）程序計算原則：設定出廠水總氯目標值，結合各控制點余氯，來計算過程水中加氯量和加氨量，借助一氯胺和游離氨檢測儀表來調控后加氯和加氨量。

（3）程序基本計算公式

（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值差值，mg／L；

K2——后加氯投加比；

△C2——出廠總氯目標值（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值差值，mg／L。

2.2.2 控制參數界面

該界面僅供水質管理員進行后臺參數的設置與修改，所有參數均可被控制程序直接調用。

（1）前加氯界面：設加氯流量投加比K1及游離氯控制目標值。

（2）后加氯界面：設后加氯投加比K2及出廠一氯胺控制目標值。

（3）后加氨界面：設后加氨投加比K3及出廠游離氨控制目標值。

3 實施及成果

由于青草沙水源水質穩(wěn)定，從而要求將過程水消毒處理的重點放在水廠后處理階段，即濾后消毒處理。在實際自動控制中，經常參與變動是后加氯量，因二路原水進水方式不一樣，一路進配水井至四座澄清池，一路直接進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短和阻力大小又不同，使得濾池出水量也不一樣，所以，對后加氯自動控制變得相當重要。為此目的，要求加強對濾后水的監(jiān)測控制，確保出廠水水質的安全。

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

（1）增加對濾后水流量和水質的監(jiān)控功能。

（2）增加后加氯和后加氨的監(jiān)控功能。

針對上述功能擴展要求，提出如下系統(tǒng)改造方案：

3.1 濾后流量監(jiān)測

10格虹吸濾池的二根DN1000出水總管沒有安裝流量儀，因此，自控系統(tǒng)無法對濾后水流量進行監(jiān)測。

本次改造將首先在濾池出水管上安裝2臺帶有Modbus接口的流量儀，模清了1#清水庫進水量與2#清水庫進水量相差約500 t左右。通過Modbus接口，實現水流量儀與PLC系統(tǒng)的通信連接，將流量儀數據直接讀入，對濾后流量進行監(jiān)測，進而進行有針對性的調節(jié)補氯量和補氨量。

3.2 過程水監(jiān)測儀表

3.2.1 在線游離氨儀

檢測原理如同便攜式儀器，但其操作是自動的；可同時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）總和來顯示總氨氮[3]。余氯儀是測總氯，其值偏高于一氯胺濃度，不能測一氯胺。在線CA71A氨氮儀測總氨氮，不能測游離氨。相比較在線游離氨儀價格低于在線氨氮儀，性價比又高，雖然日常運行藥劑費用相對較高，但對自動加氯控制尤其重要。

3.2.2 便攜式游離氨儀

可同時檢測一氯胺和游離氨，操作簡便、準確、測定時間短（5～10 min），價格低。當班員工把游離氨和一氯胺測得數據人工輸入到加氯或加氨工藝圖界面，計算機會直接進行后加氯/加氨量的自動控制。

補充說明：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，更能反映實際總氨氮，而現有化驗室對氯化后水采用納氏法測氨氮，受水中氯的干擾和一氯胺要消耗一部分氨，測得數值偏低。舉例：采水樣：Hach試劑法測得一氯胺為 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（超出新國際 0.5 mg／L），而納氏法測出氨氮小于新國標。

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機架上加裝模擬量輸入模塊，讀取后加氯和后加氨流量信號，實現加氯流量和加氨流量監(jiān)測功能，同時，增加模擬量輸出模塊，對加注泵的沖程和頻率的調節(jié)控制，實現后加氯和后加氨的自動控制，其控制流程參見圖3。

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

3.4 報警、數據分析界面

（1）加注設備運行故障報警

（2）游離氯、游離氨、一氯胺的上下限報警

（3）進水量和濾后出水量及加氯／加氨量趨勢圖，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，出廠總氯趨勢圖等。該分析界面為故障分析、系統(tǒng)評價、參數調整等提供依據。

3.5 優(yōu)化后生產運行

3.5.1 前加氯（折點加氯）

按進水流量和加氯投加比自動投加，青草沙原水氨氮低，水質穩(wěn)定，沉淀水游離氯基本在控制目標范圍內，余氯穩(wěn)定，波動小。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）：

計算機讀取在線或便攜式游離氨（人工）測得一氯胺和游離氨數據，會及時作出智能化程序控制，自動調整加氯加氨量，使出廠水一氯胺和游離氨在控制目標值范圍內（見表 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 自動加氯控制程序生產運行指南Tab.3 Operation Instruction of Automatic Chlorine and Ammonia Dosing System

當澄清池游離氯高于設定控制范圍時，PLC控制系統(tǒng)會按中心目標值自動調低前加氯量，當游離氯低于控制范圍時，會自動調高前加氯量。當濾后游離氨或一氯胺出現高低時，計算機控制系統(tǒng)會作一判斷，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。當一氯胺偏高，游離氨偏低時，調低后加氯量；當一氯胺偏低，游離氨偏高時，調高后加氯量。

3.5.3 故障分析

通過故障記錄和余氯趨勢圖分析，加氯/加氨計量泵安全運行非常重要，運行中發(fā)現次氯酸鈉計量泵上單向閥玻璃球有時會被撞擊成一個個小峰窩，造成實際加注流量變小，引起余氯曲線差異變大，對玻璃球材質加以改進。

3.5.4 數據分析

經系統(tǒng)評價，發(fā)現前加氯量消耗較大。敞開配水井內配水溢流口（DN1000）距水面約8 cm，加氯量越大，配水井內游離氯揮發(fā)量越多。改進措施：（1）配水井上加裝封閉式遮陽蓬。（2）調低機械加速澄清池葉輪轉速，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，達到降低前加氯量，減少消毒副產物。

3.5.5 參數調整

原水出現硅藻時，可調整沉淀水游離氯控制目標值為0.8 mg／L和調低濾后加氯投加比K2；當原水公司預加氯（0.6～1.0 mg／L）時，調低前加氯投加比K1等。

3.5.6 優(yōu)化后效果比較

（1）優(yōu)化前：自動投藥控制以人工設置加氯加氨投加比，有時不注意，加氯/加氨量會過高或偏低，不能及時發(fā)現，及時調節(jié)，造成余氯和加氯／加氨量波動，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；有時還會出現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：自動投藥控制按出廠余氯目標值自動控制整個工藝過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（可設置）對加注點加氯/加氨投加比進行一次自動調整，及時發(fā)現，及時調節(jié)，確保出廠余氯和加氯/加氨量的穩(wěn)定，真正做到水質動態(tài)的精細化管理（見表 4，圖 4）。

表4 居家橋分廠加氯消毒優(yōu)化的運行數據 （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

一氯胺和游離氨更能直接反映加氯消毒質量的重要指標，優(yōu)化后，游離氨達最小值，既能消除二氯胺產生，又減少管網水中發(fā)生硝化作用而使一氯胺降低風險，使加氯量最大限度轉化為一氯胺，達到減少加氯量，改善自來水口味，這也是優(yōu)化前自動投藥控制所難以做到的（見圖5）。

圖5 加氯／加氨與出廠水一氯胺和游離氨月平均數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）加藥點改到濾前及沉淀池出水總管上（濾后加藥點為備用）。優(yōu)點：（1）延長了一氯胺消毒的過濾接觸時間，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)，產生氯味對環(huán)境污染，也降低了游離氯消耗量。（3）一氯胺取樣時間和電磁流量儀安裝條件優(yōu)于濾后加藥點。（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水中，經過濾，有利于飲用水的安全。

4 結論

（1）自動加氯工藝優(yōu)化，可幫助水廠正確掌握加氯加氨新方法，提高出廠水消毒質量，確保出廠水一氯胺和氨氮考核指標優(yōu)于新國標水質要求。

（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。改善自來水口感。

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

（4）自動加氯工藝優(yōu)化，突顯出工藝先進性和水質安全，使得自動加氯變得簡單實用和有效，對推動和深化國內加氯領域的自動化具有現實指導意義。

［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,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,2012.30(5)：105.

［3］陸宇駿.次氯酸鈉現場生產系統(tǒng)在大中型水廠的應用[J].凈水技術,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用[J].給水排水,2009,11.