專利名稱：：一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及環(huán)境工程領(lǐng)域，具體地涉及一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法。技術(shù)背景隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化進程的加快，我國城市水環(huán)境污染加劇，缺水問題更加嚴峻。國家有關(guān)部門為了解決這個問題，相繼出臺了有關(guān)政策。主要包括(1)將污水處理廠的出水水質(zhì)提高到一級A標準，減少排入水環(huán)境的污染物總量。(2)大力推廣污水回用。上述兩項政策，都涉及到控制污水處理廠或者再生水廠出水中總磷的濃度。為了去除污水中的總磷，確保達到一級A標準，或者達到再生水回用的標準，一般都采用投加混凝劑的方法。目前，實驗室或者水廠一般采用混凝燒杯試驗來決定混凝劑的投加量。該種方法的基本操作步驟如下(1)按照燒杯的數(shù)目量取等容量1000ml的水樣裝入每個燒杯中。把多位攪拌器的槳葉放入水內(nèi)，但槳葉的軸應(yīng)該偏離燒杯中心，而槳葉與燒杯壁間應(yīng)有6皿間隙。(2)按照燒杯數(shù)目選取藥劑投加量，每個劑量先裝入小試管內(nèi)，再稀釋成10ml或者其它相等容量，將小試管裝在投藥架上以便同時向燒杯中投藥。(3)開動攪拌器，以120r/min的轉(zhuǎn)速進行快速攪拌。按照不同燒杯需投加的藥劑劑量同時向每個燒杯內(nèi)投藥，攪拌約lrain。(4)降低轉(zhuǎn)速進行慢攪拌約20min。轉(zhuǎn)速以保持燒杯內(nèi)顆粒均勻懸浮起來為度，一般為20~40r/min。記錄每個燒杯內(nèi)出現(xiàn)絮體的時間。(5)把攪拌槳從水中提出來，觀察絮體的沉降過程。(6)經(jīng)過15min沉淀時間后，在燒杯內(nèi)水深1/2處取樣，測定濁度、色度、堿度和pH等水質(zhì)數(shù)據(jù)。(7)根據(jù)水樣濁度、色度確定最佳混凝條件。上述燒杯試驗的優(yōu)點是在設(shè)備和操作都很簡單的條件下，能夠反映或者部分反映混凝過程中很多因素間錯綜復(fù)雜的關(guān)系，所以從20世紀60年代以來，一直是水廠控制混凝過程的主要方法，后來出現(xiàn)了再生水廠，也沿用此方法，給實際工作提供依據(jù)。通過混凝沉淀法除磷，影響磷去除效果的因素很多，包括混凝劑的種類、pH和堿度、水溫、水化學(xué)特性、水中雜質(zhì)性質(zhì)和濃度、水利條件等因素的綜合影響。在實際操作過程中，混凝沉淀法的主要缺點是每次確定一個最優(yōu)變量，但由于水質(zhì)的復(fù)雜性，多個變量同時達到最優(yōu)的可能性很少，比如為得到不同pH原水最佳投藥量，需要把原水加酸或者加堿配成若干個不同pH的試驗原水，然后對每個pH的原水，分別進行不同加藥量的試驗，試驗次數(shù)很多，帶有很強的主觀性，所以在很多情況下，這種試驗的結(jié)果僅能作為定量試驗。單純形優(yōu)化法是運籌學(xué)中廣泛應(yīng)用的一種多因素優(yōu)化方法，被廣泛應(yīng)用于分析測試、實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析等方面，但在水處理混凝劑投加量及投加條件的確定中尚未得到應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，包括如下步驟(1)尋找混凝劑投加量的邊界條件，確定混凝劑中的金屬離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍；(2)尋找pH的邊界條件，確定pH值的范圍；，(3)單純形優(yōu)化試驗取水樣置于容器中，在混凝劑中金屬離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍之間、pH的范圍之間，任選三點，攪拌，沉淀，在液面下取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度，根據(jù)結(jié)果確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH。所述混凝劑為硫酸鐵、硫酸鋁或聚合氯化鋁。所述混凝劑為硫酸鐵時，所述確定硫酸鐵中鐵離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍為1一4.0:1，所述確定pH值的范圍為6.0—8.5。所述混凝劑為硫酸鋁時，所述確定硫酸鋁中鋁離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍為1—5.0:1，所述確定pH值的范圍為5.0—8.5。所述混凝劑為聚合氯化鋁時，所述確定聚合氯化鋁中鋁離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍為1—5.5:1，所述確定pH值的范圍為5.0—8.5。所述單純形優(yōu)化試驗為取水樣置于容器中，在混凝劑硫酸鐵中Fe/P摩爾比的范圍為1_4:1之間、pH的范圍為6.0—8.5之間，任選三點，以180-240r/min攪拌1分鐘，在20-30r/min攪拌30分鐘，沉淀30分鐘，在液面下3cm處取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度；根據(jù)試驗的結(jié)果確定水處理中混凝劑硫酸鐵最佳投加量及最佳pH。所述進行單純形優(yōu)化試驗還可以是取水樣置于容器中，在混凝劑硫酸鋁中Al/P摩爾比的范圍為1一5.0:1之間、pH的范圍為5.0—8.5之間，任選三點，以180-240r/min攪拌1分鐘，在20-30r/min攪拌30分鐘，沉淀30分鐘，在液面下3cm處取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度；根據(jù)試驗的結(jié)果確定水處理中混凝劑硫酸鋁最佳投加量及最佳pH。所述進行單純形優(yōu)化試驗也可以是取水樣置于容器中，在混凝劑聚合氯化鋁中Al/P摩爾比的范圍為1—5.5:1之間、pH的范圍為5.0—8.5之間，任選三點，以180-240r/min攪拌1分鐘，在20-30r/min攪拌30分鐘，沉淀30分鐘，在液面下3cm處取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度；根據(jù)試驗的結(jié)果確定水處理中混凝劑聚合氯化鋁最佳投加量及最佳pH。本發(fā)明的有益效果為操作簡便，通過本發(fā)明可以方便地確定水處理中混凝劑的最佳投加量及最佳pH，每種混凝劑的總磷去除率都達到最佳。提高污水處理廠、再生水廠的運行管理水平，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。圖1為硫酸鐵投加量與去除率的關(guān)系。圖2為pH值對硫酸鐵除磷的影響。具體實施方式單純形法單純形法是一種動態(tài)調(diào)優(yōu)方法，每次選用的試驗條件暴根據(jù)前一次試驗的結(jié)果來確定的，對試驗條件逐步進行調(diào)整，最后達到最優(yōu)化。對于多因子特別是當因子間相互作用不是線性時，單純形法有其獨特的優(yōu)越性。如對于二因子的單純形，首先選定3個點，并且比較在這3個點處系統(tǒng)的響應(yīng)(函數(shù))值，響應(yīng)最差的點以W表示，次差點以N表示，最好點以B表示。即為一單純形B麗，我們的目的是尋求系統(tǒng)的最佳響應(yīng)，故系統(tǒng)的響應(yīng)值越大，此點越好，反之，響應(yīng)值越小，此點越壞。將W點經(jīng)過其余點的形心進行反射，就是將W經(jīng)過線段NB的中點P進行反射。=(N+B)/n，n為因子數(shù)得到反射點R。R=P+a(P-W)正數(shù)a稱為反射系數(shù)，一般取a=l。反射后有三種可能的情形1.如果R點的響應(yīng)值大于B點，則按此方向進行擴展。令E=P+y(P_W)其中Y〉1稱為擴展系數(shù)。(本次取7=2)、若E點的響應(yīng)值大于B點，則用E點代替W點，得到以E，N和B為頂點的新單純形。若E點的響應(yīng)值小于R點，則擴展失敗。這時用R點代替W點，得到以R，N和B為頂點的新的單純形。2.如果R點的響應(yīng)值在B和N點之間，則用R點代替W點，得以R，N和B為頂點的新的單純形。3.如果R點的響應(yīng)值小于N點，則表明方向錯誤，進行收縮步驟。1)若R點的響應(yīng)值小于N點但是大于W點，則取Cr點，令得到以Cr，N和B為頂點的新單純形。2)若R點的響應(yīng)值小于W點，則取Cw點，令CW=_0.5(^—W)得到以Cw，N和B為頂點的新單純形。以上得到的單純形，不論屬于那一種，必有一個頂點的響應(yīng)值小于或等于原單純形頂點上的響應(yīng)值。每得到一個新的單純形后，再重復(fù)以上步驟，直至得到最佳條件為止。此方法除了確定最佳投藥量、pH之外，也可以確定其它影響混凝、沉淀效率的因素，不僅可以用于再生水廠、污水處理的混凝、沉淀過程，也可以推廣到水廠的混凝、沉淀過程以及水廠、污水廠污泥脫水過程中的影響因素選擇。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。實施例l一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，包括如下步驟(1)尋找混凝劑投加量的邊界條件，確定混凝劑中的金屬離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍本實驗用水為某污水處理廠二級出水，水質(zhì)如表l。表1二級出水各項水質(zhì)指標<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>分別取400mL水樣置于6個500mL燒杯中，加入硫酸鐵(見表2)，使Fe/P摩爾比(見表2)，在轉(zhuǎn)速為200r/min下攪拌lmin，在30r/min下攪拌30min，然后靜置沉降30min，在液面下3cm處取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度。結(jié)果見表2、見圖l。表2硫酸鐵投加量實驗效果投加量(mg/L)Fe/P(mol/mo1)正磷酸鹽(mg/L)去除率(％)總磷(mg/L)去除率(%)3.360.721.30234.011.64434.945.601.210,93352.691.27149.707.841.690.68765.181.07057.6610.082.170.51673.850,73770.8311.202.410.42578.460.65774.0022.404,830,33483.070.45581.99從圖1可以看出，總磷和正磷酸鹽的去除率隨投加量增加而增加，在Fe/P(mol/mo1)為2.4之前，總磷和正磷酸鹽的去除率隨投加量的增加而迅速增加，而在此點之后，隨著投加量的增加，總磷和正磷酸鹽的去除率也增加，但是增長趨勢緩慢。由于單純形需要確定邊界條件，根據(jù)以上實驗確定混凝劑投加量的邊界條件為Fe/P(mol/mol)在1一4之間，以避免投加量過大的情況出現(xiàn)。(2)尋找pH的邊界條件，確定pH值的范圍分別取400mL水樣置于6個500mL燒杯中，用0.1mol/L鹽酸溶液或氫氧化鈉溶液調(diào)整pH值，變化范圍從5.09.0，然后加入一定量的混凝劑(見表3)，在轉(zhuǎn)速為200r/min下攪拌lmin，在30r/min下攪拌30min，然后靜置沉降30min，在液面下3cm處取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度。結(jié)果見表3、見圖2。表3pH值對硫酸鐵除磷的影響pH投加量正磷酸鹽去除率(％)總磷(mg/L)去除率(％)(mg/L)(mg/L)5.011.201.51323.311.81528,186.011.20l扁48.861.25150.497.011.200.46576.430.65774.007.911.200.51673.850.72871.198.511.200.65766.700.88764.909.011.200.87555.651.12655.44從圖2可以看出硫酸鐵的混凝去除效率受溶液pH值的影響。在投加相同量混凝劑的條件下，正磷酸鹽去除率的變化范圍為23.31%—76.43%，總磷去除率的變化范圍為28.18%—74.00%。正磷酸鹽和總磷的最佳去除率出現(xiàn)在7—8之間。根據(jù)以上實驗結(jié)果，從而確定硫酸鐵的pH值影響的單純形邊界條件為pH值在6.0—8.5之間。(3)單純形優(yōu)化實驗根據(jù)以上實驗結(jié)果進行單純形優(yōu)化實驗。通過實驗確定的邊界條件分別為投加量(Fe/P,mol/mol)在1—4之間，pH值在6.0—8.5之間。在此區(qū)域內(nèi)任選三點(即點l、2、3)開始單純形實驗。實驗結(jié)果如表4所示。先分別取400mL水樣置于3個500mL燒杯中(表4中的序號為1、2、3號)，用0.1mol/L鹽酸溶液或氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)至所需pH值(在范圍內(nèi)任選出來的)，然后加入一定量的混凝劑(在范圍內(nèi)任選出來的)，在200r/min時快速攪拌l分鐘，然后在30r/min時慢攪30分鐘，沉淀30分鐘。在液面下3cm處取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度。根據(jù)總磷的去除率通過單純形法動態(tài)調(diào)優(yōu)，最終得出水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH。結(jié)果見表4。表4硫酸鐵單純形優(yōu)化數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實驗結(jié)果表明通過21次實驗(做多少次實驗是不確定的，當總磷去除率(％)出現(xiàn)較高值時，實驗結(jié)束)，單純形即可確定硫酸鐵除磷的最佳條件。其最佳條件為投加量為2.95(Fe/P，mol/mo1)，pH值為7.0。在最佳條件下總磷的去除率為87.25%，總磷的殘余濃度為0,35mg./U通過單純形優(yōu)化，總磷的去除率達到87.25%，而總磷的殘余濃度為0.35mg/L，達到0.5mg/L以下的《城市污水再生利用一景觀環(huán)境用水水質(zhì)》標準(GB/T18921—2002)。實施例2混凝劑以硫酸鋁為例(1)尋找混凝劑投加量的邊界條件，確定混凝劑中的金屬離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍；(2)尋找pH的邊界條件，確定pH值的范圍；(3)單純形優(yōu)化試驗(方法參照實施例l)通過實驗確定的邊界條件分別為投加量A1/P(mol/mo1)為1_5.0:l之間，pH值在5.0'—8.5之間。在此區(qū)域內(nèi)任選三點(即點l、2、3)開始單純形實驗，在投加量為4.13(Al/P，mol/mo1)，pH值為6.3時，硫酸鋁的去除效率最大，此時總磷的去除率為95.60%，總磷的殘余濃度為O.12mg/L，達到O.5mg/L以下的《城市污水再生利用一景觀環(huán)境用水水質(zhì)》標準(GB/T18921—2002)。實施例3以混凝劑聚合氯化鋁為例(1)尋找混凝劑投加量的邊界條件，確定混凝劑中的金屬離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍；(2)尋找pH的邊界條件，確定pH值的范圍；(3)單純形優(yōu)化試驗(方法參照實施例l)通過實驗確定的邊界條件分別為投加量A1/P(mol/mo1)為1一5.5:l之間，pH值在5.0—8.5之間。在此區(qū)域內(nèi)任選三點(即點l、2、3)開始單純形實驗。在投加量為4.37(Al/P，mol/mo1)，pH值為5.4時，聚合氯化鋁的去除效率最大，此時總磷的去除率為93.97%，總磷的殘余濃度為0.16mg/L，達到O.5mg/L以下的《城市污水再生利用一景觀環(huán)境用水水質(zhì)》標準(GB/T18921—2002)。權(quán)利要求1.一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是包括如下步驟(1)尋找混凝劑投加量的邊界條件，確定混凝劑中的金屬離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍；(2)尋找pH的邊界條件，確定pH值的范圍；(3)單純形優(yōu)化試驗取水樣置于容器中，在混凝劑中金屬離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍之間、pH的范圍之間，任選三點，攪拌，沉淀，在液面下取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度，根據(jù)結(jié)果確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述混凝劑為硫酸鐵、硫酸鋁或聚合氯化鋁。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述混凝劑為硫酸鐵，所述確定硫酸鐵中鐵離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍為1—4.0:1，所述確定pH值的范圍為6.0—8.5。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述混凝劑為硫酸鋁，所述確定硫酸鋁中鋁離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍為1一5.0:1，所述確定pH值的范圍為5.0—8.5。5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述混凝劑為聚合氯化鋁，所述確定聚合氯化鋁中鋁離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍為1一5.5:1，所述確定pH值的范圍為5.0—8.5。6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述單純形優(yōu)化試驗為取水樣置于容器中，在混凝劑硫酸鐵中Fe/P摩爾比的范圍為1—4:1之間、pH的范圍為6.0—8.5之間，任選三點，以200r/min攪拌1分鐘，在30r/min攪拌30分鐘，沉淀30分鐘，在液面下3cm處取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度；根據(jù)試驗的結(jié)果確定水處理中混凝劑硫酸鐵最佳投加量及最佳pH。7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述進行單純形優(yōu)化試驗為取水樣置于容器中，在混凝劑硫酸鋁中Al/P摩爾比的范圍為1—5.0:1之間、pH的范圍為5.0—8.5之間，任選三點，以'200r/min攪拌1分鐘，在30r/min攪拌30分鐘，沉淀30分鐘，在液面下3cm處取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度；根據(jù)試驗的結(jié)果確定水處理中混凝劑硫酸鋁最佳投加量及最佳pH。8.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，其特征是所述進行單純形優(yōu)化試驗為取水樣置于容器中，在混凝劑聚合氯化鋁中Al/P摩爾比的范圍為1—5.5:l之間、pH的范圍為5.0—8.5之間，任選三點，以200r/min攪拌l分鐘，在30r/min攪拌30分鐘，沉淀30分鐘，在液面下3cm處取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度；根據(jù)試驗的結(jié)果確定水處理中混凝劑聚合氯化鋁最佳投加量及最佳pH。全文摘要本發(fā)明公開了一種確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH的方法，包括如下步驟(1)尋找混凝劑投加量的邊界條件，確定混凝劑中的金屬離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍；(2)尋找pH的邊界條件，確定pH值的范圍；(3)單純形優(yōu)化試驗取水樣置于容器中，在混凝劑中金屬離子與待處理水中總磷的摩爾比的范圍之間、pH的范圍之間，任選三點，攪拌，沉淀，在液面下取液，測定正磷酸鹽和總磷的濃度，根據(jù)結(jié)果確定水處理中混凝劑最佳投加量及最佳pH。本發(fā)明的方法操作簡便，可以方便地確定水處理中混凝劑的最佳投加量及最佳pH，每種混凝劑的總磷去除率都達到最佳。提高污水處理廠、再生水廠的運行管理水平。文檔編號C02F1/52GK101264961SQ20081005290公開日2008年9月17日申請日期2008年4月25日優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日發(fā)明者曹艷芳,王洪云,王玉秋,王秀朵,趙樂軍,韓天瑋申請人:天津市市政工程設(shè)計研究院