废水处理中化学品添加的控制
图1. Partech Instruments公司已经开发出一种闭环的入口添加预控系统，用于去除磷酸盐。
图2. 采样系统的潜水泵处理低流量、低采样水平、含粗砂的湍流。
图3. 试验用添加设备位于入水管道之上、添加点上游大约20米处。
不同的废水处理过程都需要向液流添加化学品，以对处理过程有所帮助或者去除其中的杂质成分。为使计量泵有效运行，操作人员需要时刻注意处理过程，以便调节添加速度。Bryan Orchard报道说，英国Partech Instruments公司已经开发出一种添加预控系统，在入口处使用在线分析仪输送实时数据到添加控制系统，以便自动调节计量泵。
从污水处理厂的污水中去除磷酸盐是英国城市废水处理和相关法令规定的一个重要组成部分。现在，更多处理厂的磷排放量是可以接受的，但是随着未处理水中磷含量的不断增加，问题也逐渐增加。磷的去除通过添加化学品来实现，通常是铁盐，偶尔使用铝盐。这些化学品都是较昂贵的，因此废水处理厂希望严格控制添加系统。
Partech Instruments公司开发的闭环入口添加控制系统在英国的多个处理厂内试验成功（图1）。试验结果表明，该方法可靠且成本低，有助于计量泵达到最大性能，大大节约化学品用量。
在适当条件下，磷的自然去除（生物作用或化学沉淀作用）是最佳选择。但多数情况下这是不可能的，必须借助化学品，氯化铁和硫酸铁是最常用的。
在铁的效率大大降低的情况下，处理厂通常会将铝盐与铁盐结合使用。任何情况下，化学品的用量对处理厂的性能、成本控制和满足磷和铁/铝的排放标准来说都是至关重要的。
在处理厂的上游添加铁盐需要一定的泵控水平，以确保水流的pH值不会太低（酸性强），因为这对硝化过程有不利影响。以前，铁的添加速率通过一天中抽取的样品来计算，样品经过分析后得到每日概况，然后在一定的时间间隔内添加特定量的铁，从而“控制”添加系统。
采样系统
Partech公司的采样系统以正磷酸盐而不是总磷的分析为基础 ；正磷酸盐的化学反应简单快速，而总磷的反应复杂且非常缓慢。铁与可溶性磷酸盐直接反应，可溶性磷酸盐几乎全部以正磷酸盐形式存在。总磷大部分以固体形式存在，因此自然地会与反应后的可溶性磷酸盐一起沉淀下来。要分析总磷，还必须分析未滤过的样品，这在入水口应用中是不可能的。
该测量系统使用MicroMac C分析仪，其包含一个环流分析（LFA）系统。这种高度灵活的LFA技术可以使得分析仪能够处理原污水带来的高背景浑浊度。该分析仪使用可以直接与实验室所用蓝皮书方法相比较的化学方法，因此可以与实验室分析的任何样品进行直接比较。（蓝皮书由英国环保署的国家实验室出版，其法定分析师委员会提供了权威的样品采集和分析方法，以确定环境质量。）
在整个实验过程中，Partech公司很重视低保养采样系统的设计，确保原污水的可靠采样。采样系统是控制系统的关键部分，需要清澈的样品来精确测定正磷酸盐的含量，这是通过采用过滤技术去除样品中的固体来实现的。最终的设计可以处理低流量、低采样水平、含粗砂的湍流（图2）。除了保养少，采样系统的设计还给予操作者信心，并使成本最小化。
在入水口确定磷酸盐含量的优势在于铁盐或铝盐的添加速度可以精确计算出来，而且可以通过流速和磷酸盐浓度来控制计量泵系统。同时排出物可让操作者根据现场的特定条件调节计量泵以得到最优化的P/Fe比例。优化过程需要监测最后的流出物确保磷酸盐含量满足环保署的规定，一旦达到最优比例，将不再需要进一步的监测。同时，用于监测排出物总磷含量的分析仪可用于测定入水口的正磷酸盐含量。
通过使用添加预控系统，计量泵会对磷酸盐浓度的实时变化作出反应，实现主动添加。相反，通常所用的“日报”不能反应入水口的变化，可能会添加过度或不足，两种情况都会造成成本的浪费。某些场合可以使用反馈控制，但由于添加和测量点的时间滞后，控制效果不佳。流速较慢的污水处理过程和较长的杂质滞留时间可以从这种添加预控系统中获益。Partech的测量系统实现了这一点，而其它系统不能在此应用。
添加系统
Partech的所有化学品添加系统具有同样的基本模式，尽管它们看上去可能非常不同。每个系统有两个化学品储罐，并可以拆下来维修。化学品通过一系列隔离阀从储罐进入入口过滤器。这些过滤器去除化学品中的杂质，因为杂质可能会降低泵送效率或阻塞泵上游的阀门。这些过滤器需要定期清洗，是添加系统中的最常见问题所在。如果它们被阻塞，泵就不能按需要的速率添加，因此建议在校准之前首先清洗两个过滤器。
化学品一旦通过过滤器，就可以进入添加点上两台计量泵（工作/备用）中的一台。有些场合会有多个添加点，这样每个添加点就会有一个单独的添加系统。
每台泵之后都会有一个减压阀。假如泵的下游出现阻塞，系统内压力过大时，需要打开这些阀门，然后不同系统中的化学品或者流回储罐或者进入添加点。然后，两台泵的排出物将汇在一起，接下来的所有过程都是一样的。
流通路径的下一个装置是脉动减震器。泵向前推动化学品时会产生脉动，减震器可以消除这种脉动，从而保证化学品连续地进入添加点。减震器的压力为10 bar。减震器之后是一个流量监测仪，用来检查化学品流速是否低于设定值。如果工作泵失效，备用泵就会启动，同时出现警报。如果备用泵无法输送最小的流量，那么这台泵也是失效的，警报会升级。
流量监测仪之后是一个压力表，显示添加系统中的压力和泵的背压。它可以用来确定系统故障的起因，例如流动路径的下一个装置载荷阀是否阻塞，以及化学品是否正在通过减压阀。在泵不工作时，压力表上显示的数值不可能为零，因为存在来自载荷阀的背压。
载荷阀有两个用途。一个是防止化学品从储罐虹吸到添加点，另一个是确保泵中有一定的背压，从而能够以一定的速度添加化学品。如果载荷阀施加的压力改变，那么泵必须重新校准。
一旦化学品通过载荷阀就可以进入添加点。校正管用于测量泵的添加量以及每台泵的冲程设置是否符合添加速率要求。通常每台泵都有一个紧急停止按钮，可以同时停止两台泵。
试验场所
四家水务公司为Partech的评估程序提供了场所：Thames、Wessex、Southern和Anglian Water。Thames水务公司的人中当量为3.9万人，采用Gee公司的系统添加硫酸铁，控制模式为预先确定的日报模式。进水流量在40-200 l/s之间，测量点的上游是一个水堰，在其下方是两个“沙堤”，在高流量时释放大量粗砂。
试验设备位于入水管道之上、添加点上游大约20米处（图3），采样泵直接位于试验设备之下。流量信号从一个原有的流量计获取。4个月之后，该系统可靠地分析着原污水的正磷酸盐含量，并且与入口流量一起成功地控制着添加系统。在初始阶段，与每日添加模式相比，Partech大约可以节约25%的铁添加量。后来通过调节P/Fe比例，又进一步节约了8%。
Wessex水务公司的Keynsham污水处理厂人中当量为23000，总磷含量为2 mg/l（以磷计），使用Michael Smith工程公司的添加系统添加硫酸铁。该试验的目的是证明由磷含量和流量共同控制的铁添加系统具有成本优势，因为所添加的硫酸铁（铁含量12.5%）量减少了。
一个正磷酸盐监测仪安装在屏幕之后、添加点之前的的入水口。流量计输出的电流（mA）被传送到监测仪，与磷酸盐的输出电流合并在一起，然后运用运算法则为添加设备提供单一的输出电流。
该试验持续了14天，其中采用了“控制”和“无控制”时期。所谓“无控制”就是使用传统的添加量设定方法。一个可携带的分析仪用来测定流出物中的磷酸盐含量，以评估磷酸盐去除工艺的效率，确保试验期间的流出物符合要求。
起初，铁与磷的比例设定为3，以便试验的输出结果与原有添加机制相似。一天之后，该因数被减小到2.5，以观察其对添加量的影响。在这个阶段，一个便携式分析仪用来监测最终的流出物。
试验设备安装在入水管道旁边，刚好在流量测量点之前、添加点上游。采样泵与试验设备靠得尽可能的近，流量信号由原有的一个流量计上读取。
潜水泵由分析仪控制，每个分析循环仅运行90秒，这段时间足够用来在分析仪收集其样品之前清洗过滤元件和填充下面的采样罐。这一循环可以使用过滤样品而无需手动清洗过滤器元件。
最终的排出物在城市废水采样点旁边进行氨和正磷酸盐含量的监测，样品通过一个未过滤样品线由一台小型蠕动泵输送。该系统得到的数据用于检测前端的任何调节没有对排出物造成不利影响。在进水口采用磷酸盐分析仪，可以在磷浓度低于一定值例如 3 mg/l时完全停止添加铁盐。这当然又实现了潜在的节约，可以简单地集成到添加控制系统中。
总结
根据应用条件的不同，Partech控制系统的成本在12000-17000英镑之间。如果一个工厂的化学品添加速率为400 l/d，成本为50英镑/吨，每年节约18%，那么投资回报期将少于12个月。
在水厂入水口使用“主动”控制系统具有下列优势：
1. 更有效的控制化学品添加泵设备。
2. 根据工厂状态的不同，优化条件下添加的化学品有望节约10-40%。
3. 残余化学品（铁或铝）和磷酸盐失效的可能性更小。
4. 减少污水产量
5. 降低了过量添加铁造成的设备腐蚀。
6. 相对于工厂规模和用铁量该控制系统将具有一个投资回报期，但在小型工厂中不太可行。
总而言之，可靠耐用的添加控制系统可以优化污水处理厂的计量泵性能和化学品用量。
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