廃水処理における薬液投与の制御

さまざまな廃水処理プロセスでは、処理を支援したり、望ましくない元素を除去したりするために、プロセス流への化学薬品の制御された投与が必要です。 投与ポンプが効率的に動作するためには、作業員は処理プロセスで何が起こっているかを常に認識し、それに応じて投与レベルと速度を調整する必要があります。 英国に本拠を置く Partech Instruments は、注入ポンプの自動調整のために注入制御システムにリアルタイム データを送信するために、入口流にオンライン アナライザを採用したフィードフォワード制御システムを開発しました。 ブライアン・オーチャードが報じた。

下水処理場の排水からのリン酸塩の除去は、英国の都市廃水処理および関連指令の重要な部分です。 現在、さらに多くの処理工事でリン排出の同意が得られていますが、未処理水中のリン酸塩濃度が高レベルで続いているため、同意の範囲内に留まるという問題が増大しています。 リン酸塩の除去は、化学物質、通常は鉄、場合によってはアルミニウムの塩を投与することによって実行されます。 このプロセスで使用される化学物質は高価であるため、下水処理プラントでは投与計画を厳密に管理することが重要です。

英国セント オーステルの Partec Instruments は、リン酸塩除去のための入口注入システムの閉ループ フィードフォワード制御を開発し、英国中のさまざまな施設で試験的に成功しました (図 1)。 試験の結果は、このアプローチが信頼性と費用対効果が高く、最適な注入ポンプの性能を達成し、化学物質を大幅に節約できることを示しています。

該当する場合、リン酸塩の自然除去 (自然に発生する生物学的または化学的沈殿による) が最適な方法です。 しかし、ほとんどの場合それは不可能であり、作業員は化学物質に頼る必要があり、塩化第二鉄と硫酸第一鉄が最も一般的に使用されます。 鉄の効率が大幅に低下する場合には、アルミニウム塩の適用が成功しており、鉄塩と併用すると正常に機能します。 いずれの場合も、使用する化学物質の量は、作業のパフォーマンス、コスト管理、およびリン酸塩と鉄/アルミニウムの両方の排出同意を満たすために重要です。

工場のフロントエンドで鉄塩を投与するには、流入水の pH が酸性になりすぎないように、硝化プロセスに悪影響を与えるレベルのポンプ制御が必要です。 歴史的に、鉄投与率は、1 日を通して一連のサンプルを採取し、それらを分析して日内プロファイルを導き出すことによって計算されていました。 このプロファイルは、使用される時間間隔で特定の量の鉄が投与されるように投与システムに入力され、これが投与量の「制御」に使用されました。

Partec サンプリング システムは、全リンではなくオルトリン酸の分析に基づいています。 オルトリン酸塩の化学はシンプルで高速ですが、全リンの化学はより複雑で非常に時間がかかる場合があります。 鉄は、ほぼ完全にオルトリン酸塩の形である可溶性リン酸塩と直接反応します。 総リンは大部分が固体と結合した形であるため、処理された可溶性形のリン酸塩と一緒に自然に沈降します。 全リンを分析するには、ろ過されていないサンプルを分析する必要もありますが、入口アプリケーションではそれは不可能です。

測定システムにはループフロー解析（LFA）システムを組み込んだMicroMac Cアナライザーを使用しています。 柔軟性の高い LFA 技術により、分析装置は未処理下水に伴う高レベルのバックグラウンド濁度に対処できます。 この分析装置は、研究室で使用されるブルーブック法に直接匹敵する化学的手法を使用しているため、研究室で分析されたグラブサンプルと直接比較できます。 (ブルーブックは、英国環境庁の国立検査局によって発行されています。その法定分析委員会は、環境マトリックスの品質を決定するためのサンプリングと分析の方法に関する権威あるガイダンスを提供しています。)

トライアル全体を通して、Partec はメンテナンスの手間がかからず、信頼性の高い粗製下水サンプリングを保証するサンプリング システムの設計に細心の注意を払いました。 サンプリング システムは制御システムの重要な部分であり、オルトリン酸レベルを正確に測定するには光学的に透明なサンプルが必要です。これは、サンプルから固体を除去する濾過技術の使用によって実現されます。 完成した設計は、低流量および低サンプルレベル、砂、ぼこぼこ、乱流に対応します (図 2)。 メンテナンスの手間がかからないだけでなく、シンプルな設計によりオペレータの安心感が高まり、コストも最小限に抑えられます。

入口でのリン酸塩レベルを決定する利点は、鉄またはアルミニウム塩の線量率を計算でき、流量とリン酸塩濃度の組み合わせを使用して投与ポンプ システムを制御できることです。 生成される複合出力により、オペレーターは現場固有の条件に合わせて注入ポンプを調整でき、「P 対 Fe」比が最適化されるまで調整できます。 この最適化では、リン酸塩レベルが環境庁の同意の範囲内であることを確認するために最終排水を監視する必要があり、最適化が完了すると、最終排水をさらに監視する必要はありません。 必須ではありませんが、入口でオルトリン酸塩が測定されるため、排出同意を監視するために総リンを測定する分析装置を使用できます。

フィードフォワード制御を使用することにより、投与ポンプはリン酸塩レベルの実際の変化に応答し、アクティブな投与計画を提供します。 対照的に、一般的に使用される「日内プロファイル」は注入口の変化に対応できず、投与量が過剰または過少になる可能性があり、どちらも経済的な影響を及ぼします。 一部の現場では代替フィードバック制御を採用できますが、投与点と測定点の間に時間差があるため、制御が不十分になる傾向があります。 沈殿槽や曝気槽内で長時間滞留する、ゆっくりとした下水処理プロセスでは、フィードフォワード制御の恩恵を受けます。 パーテックの測定システムはこれを可能にし、代替システムを適用できない場所でも動作します。

パーテックの化学薬品投与システムはすべて、見た目は大きく異なっていても、同じ基本パターンに従っています。 各システムには、メンテナンスを可能にするために隔離できる 2 つの化学薬品保持タンクがあります。 化学薬品は保持タンクから出て、一連の隔離バルブを通ってインラインフィルターに送られます。 これらのフィルターは化学物質から破片を除去しますが、これによりポンプ効率が低下したり、ポンプの上流のバルブが詰まる可能性があります。 これらのフィルターは定期的な清掃が必要であり、投与システム内で問題が発生する最も一般的な原因です。 それらが詰まると、ポンプは必要な線量率を供給できなくなります。 ポンプを校正する前に、両方のフィルターを洗浄することをお勧めします。

化学物質がフィルターを通過すると、各投与ポイントの 2 つの投与ポンプ (業務用/スタンバイ) のいずれかに送られます。 一部のサイトには複数の投与ポイントがありますが、その場合は各投与ポイントに個別の投与システムが存在します。

各ポンプの後には圧力リリーフバルブがあります。 ポンプの下流に詰まりがあり、システム内の圧力がこれらのバルブを開くのに必要な圧力に達した場合、化学物質はシステムのタイプに応じて保持タンク (オーバーフロー ラインを通って) または堤防に戻ります。 その後、両方のポンプからの吐出は共通ラインに合流するため、後続のすべての項目は両方のポンプに共通になります。

流路内の次のアイテムはパルセーション ダンパーです。 ポンプは化学物質をパルス状に前方に押し出し、ダンパーはこれを滑らかにして、化学物質が一定の流れで投与ポイントに供給されるようにします。 ダンパーの圧力は 10 bar です。 パルセーション ダンパーの後には流量モニターがあり、化学薬品の流量が調整可能な設定値を下回ったかどうかを検出します。 これが発生すると、デューティポンプが故障し、スタンバイポンプがオンになり、アラームが発生します。 スタンバイ ポンプが最小流量を供給できない場合、そのポンプも故障し、より優先度の高いアラームが発生します。

フローモニターの後には、注入システム内の圧力とポンプの背圧を示す圧力計があります。 これは、システムが正常に動作していない場合、つまり、流路の次の部品であるローディング バルブが詰まっていて、化学物質が圧力リリーフ バルブを通過している場合に、問題の原因を特定するために使用できます。 現場によっては、ポンプが停止しているときにローディングバルブからの背圧により、ゲージに表示される圧力がゼロにならない場合があります。 ゲージはローディングバルブの設定にも使用されます。

ローディングバルブには 2 つの目的があります。 1 つ目は、貯蔵タンクから投与ポイントへの化学物質の吸い上げを停止することです。 2 つ目は、ポンプに背圧がかかるようにして、所定の速度で必要な量を送達することです。 ローディングバルブによって加えられる圧力が変化した場合、ポンプを再校正する必要があります。

化学物質がローディングバルブを通過すると、投与ラインを介して投与ポイントに移動します。 校正ポットは、ポンプがどのくらいの量を投与しているのか、また各ポンプのストローク設定が必要な投与量率に対して適切であるかどうかを測定するために使用されます。 フラッシング バルブは、ラインを接続して、メンテナンス作業を行う前に飲料水 (最終排水ではない) をフラッシュして化学物質を除去するために使用できる投与システム上のポイントです。 通常、各ポンプ セットには緊急停止ボタンが 1 つあります。 これにより両方のポンプが故障します。

パーテックの評価プログラムには、テムズ、ウェセックス、サザン、アングリアン ウォーターの 4 つの水道会社がサイトを提供しました。 人口当量 (PE) が 39,000 人のテムズ水域には、ポンプで汲み上げられた取水口と、所定の日周パターンによって制御された硫酸第二鉄の投与システムが備えられていました。 内向きの流れは毎秒 40 ～ 200 リットルの間で変化し、測定点の上流には堰があり、その下には 2 つの「砂州」があり、高流量時に大量の砂を放出しました。

試験ユニットは、注入ポイントの約 20 m 上流 (図 3) の入口チャネルの上に配置され、サンプル ポンプは試験ユニットの真下に配置されました。 流量信号は既存の流量計から取得されました。 4 か月後、システムは粗下水のオルトリン酸塩を確実に分析し、入口流と組み合わせることで投与システムの制御に成功しました。 初期段階で、Partec は、日中の投与計画と比較して、鉄投与量の約 25% を節約できることを実証することができました。 これは後に「P 対​​ Fe」比を調整することでさらに 8% 改善されました。

ウェセックス ウォーターのケインシャム下水処理施設は、人口 23,000 人に相当するポンプ式取水施設です。 総リン含有量は P として 2 mg/リットルであり、Michael Smith Engineering Ltd の投与システムによって投与された硫酸第二鉄を使用しています。 この試験の目的は、リン酸塩レベルと流量の組み合わせによる鉄注入システムの制御により、使用する硫酸第二鉄 (12.5% Fe) 溶液の量の削減によりコスト上の利点がもたらされることを実証することでした。

オルトリン酸塩モニターは、スクリーンの後、鉄注入ポイントの前の工場への入口に設置されました。 既存の流量計からの電流 (mA) 出力はモニターに送信され、PR 電子モジュール内でリン酸塩の mA 出力と結合され、投与ユニットに単一の mA 出力を提供するアルゴリズムが適用されました。

試験は 14 日間続き、その間に「対照」期間と「対照なし」期間が使用されました。 「制御なし」とは、線量レベルを設定する従来の方法を使用することを意味します。 ポータブル分析装置を使用して最終排水中のリン酸塩レベルを測定し、リン酸塩除去プロセスの効率を評価し、試験中に排水が適合していることを確認しました。

当初、鉄とリン酸塩の比は、試験ユニットからの出力が既存の用量メカニズムを模倣するように、つまり 3 倍に設定されました。数日後、この係数は 2.5 に減少し、用量の違いを確認しました。 。 この段階で、最終流出物を監視するためにポータブル分析装置が設置されました。

試用ユニットは、チャネル内の流量測定ポイントの直前、注入ポイントの上流の入口チャネルの隣に設置されました。 サンプルポンプは試用ユニットのできるだけ近くに設置され、流量信号は既存の流量計から取得されました。

水中ポンプは分析装置によって制御され、日常的に c の間のみ作動されました。 分析サイクルあたり 90 秒。これは、分析装置がサンプルを収集する前にフィルターエレメントを洗浄し、サブサンプルポットをオーバーフローするまで満たすのに十分な時間です。 このサイクルにより、フィルターエレメントを 3 か月に 1 回以上の頻度で手動で洗浄する必要がなく、濾過されたサンプルを使用できるようになります。

最終排水は、都市廃水サンプリングポイントの隣でアンモニアとオルトリン酸塩について監視されました。 サンプルは、濾過されていないサンプルラインを介して小型の蠕動ポンプによってサンプルポットまで汲み上げられました。 このシステムによって取得されたデータは、フロントエンドで行われた調整が排水に悪影響を及ぼさないことを確認するために使用されました。 工場への入口にあるリン酸塩分析計を使用することにより、流入するリン濃度が特定の数値、例えば 3 mg/リットルを下回った場合に鉄の投与を完全に停止することが可能になる可能性があります。 もちろん、これによりさらなる節約の可能性がもたらされ、投与制御パッケージに簡単に組み込むことができます。

Partech 制御システムのコストは、現場の状況に応じて 12,000 ～ 17,000 ポンドの範囲にあり、化学物質の投与量が 1 日あたり約 400 リットルの現場では年間 18% の節約になります。コストは 1 トンあたり 50 ポンドで、回収期間は 12 か月未満です。

工場への入口で「アクティブ」制御システムを使用すると、次のような影響が生じる可能性があります。

1. 日常的および非日常的なイベントに対応して、化学物質投与ポンプユニットをより厳密かつ効果的に制御します。

2. 最適化に関する限り、使用する化学物質の節約は、作業の状況に応じて 10 ～ 40% の範囲になると予想されます。

3. 残留化学物質（Fe または Al）とリン酸塩の両方について同意が得られない可能性が低くなります。

4. スラッジの生成が減少します。

5. 鉄の過剰投与によるワークの腐食の可能性が減少します。

6. 制御システムには、工作物のサイズと使用する鉄の量に応じて回収期間があり、小規模な工作物では実行可能であるとは予想されません。

要約すると、投与ポンプの性能と使用される化学薬品の両方を最適化する、下水処理用の信頼性が高く堅牢な投与制御システムが現在存在しています。