随着工业需求的不断提高、水资源短缺与水体污染的日益加重，给水深度处理与污水资源化回用的工程规模不断扩大，主体工艺日臻完善。在水处理工艺中，有多处需要加注相关药剂，例如在砂滤工艺前要投加絮凝剂和杀菌剂，在反渗透工艺前要投加还原剂和阻垢剂，在一级系统给水中可能加酸，在二级系统给水中可能加碱。因此，加药装置是水处理辅助工艺的重要组成部分[1]，其往往由多个设备组成，也称为加药系统。

加药系统设计与运行不规范的现象时有发生，导致水处理工程故障频发[2]。作为加药系统的主设备，加药泵主要分为机械计量泵、电磁计量泵与磁力加药泵[3]。这3类泵的结构与特点不同，与其配套的辅助设备也存在差别。

笔者以这3类加药系统为例，通过分析加药泵的特性和各辅助设备的要点，明确加药系统的基本结构与运行特点，强化加药系统自动化的概念，旨在为规范加药系统的设计和运行提供参考。一般而言，电磁计量泵用于小型水处理系统，机械计量泵与磁力加药泵用于大中型水处理系统，表1所示为中型水处理系统中加药泵的型号与主要用途。

1 机械计量泵系统

典型的机械计量泵加药系统的结构如图1所示。机械计量泵属于隔膜泵范畴，通过设置隔膜运动的冲程频率与冲程长度达到调节加药量的目的，其输出压力取决于出口阻力，输出的流量与压力均呈脉冲形式。

机械计量泵系统中泵出的药液量需由泵前的流量标定柱予以标定。进行流量标定前，打开罐口阀和标定柱上端的通气孔，使药液流入标定柱，随后启动计量泵，使药液通过安全阀回流至药剂罐，并在该过程中使流量标定柱内充满药液。进行流量标定时，关闭罐口阀，届时计量泵的流量可由流量标定柱的液位标定。

表1 中型水处理系统中加药泵的型号与主要用途Tab.1 Model and main application of dosing pump in medium-sized water treatment system

图1 机械计量泵加药系统的结构配置Fig.1 Configuration of dosing system with mechanical metering pump

由于机械计量泵输出的药剂脉冲较大，需要设置空气式脉动阻尼器以消减流量脉冲对流量标定柱中液位的冲击。计量泵系统输出的是脉冲药量，无法用流量计对加药量进行检测，因此流量标定的准确性对药剂的输出量至关重要。

尽管可以通过调节冲程频率与冲程长度改变其总药液流量，但如图2.a所示，机械计量泵输出的药剂通常具有较大的脉冲幅度。为防止误操作等原因造成的输出压力过高对管路、阀门等相关设备的损伤，计量泵出口处必须安装安全阀，其安全压力应设置为加药压力的120%～150%。

图2 计量泵不同冲程与频率条件下的药剂脉冲Fig.2 Chemical pulse with different stroke and frequency of metering pump

为消减计量泵输出压力的脉动幅度，需要在计量泵出口处安装膜片式脉动阻尼器。阻尼器的膜片背侧充斥氮气，充气压力应为加药系统压力的50%～60%，加药系统的输出压力应为主系统管道压力的1.5倍左右。

计量泵系统出口还需设置背压阀以形成特定的加药压力，背压阀与安全阀的结构完全一致，只是因安装方向不同使阀内的流态不同。可以通过背压阀的调整螺丝调整系统的加药压力，从而改变输出药液的压力和调整流量的脉动幅度。

药剂罐是加药系统中的重要设备，其结构与对应的药品种类相关。为了防止药剂挥发扩散或被污染，药剂罐需要加盖防尘，必要时需在罐盖上加装排气阀。药剂加入罐内均需要注水稀释，且需要根据药剂特性选择不同强度的机械搅拌。药液进入加药泵之前均需经过Y型过滤器或底阀过滤器，以防止药液残渣或杂质进入泵体。

2 电磁计量泵系统

典型的电磁计量泵加药系统如图3所示，多功能阀同时具有安全阀与背压阀的功能，注射阀具有止回阀功能并兼作与主系统给水管道的连接器。

图3 电磁计量泵加药系统的结构配置Fig.3 Configuration of electromagnetic metering pump dosing system

由于电磁计量泵的流量较小，且具有小冲程长度和高冲程频率的特点，其输出的药剂量具有较小的脉冲幅度，如图2.b所示。因此，无需膜片阻尼器来降低加药压力脉冲幅度，也无需流量标定柱和空气脉动阻尼器。尽管可以用电磁计量泵自带的调节器设定输出药剂流量，为了更准确地计量药剂流量，还可选用电磁式流量计检测实际的加药量。

3 磁力加药泵系统

磁力泵属于离心泵范畴，具有与离心泵相似的流量压力特性[4]，其加药系统的结构如图4所示。在小流量运行工况下，滞留液将在泵体内循环并被反复搅动，会造成温度上升，甚至使泵体受损。因此，应在系统中设置回流阀，通过系统用量来设置回流阀开度，确保系统安全稳定。

图4 磁力泵型加药系统结构配置Fig.4 Structure configuration of dosing system with magnetic pump

针对磁力泵的上凸型流量压力特性曲线，可采用调节阀控制该系统的加药量。因磁力泵系统输出的是连续药量，可以用电磁流量计对加药量进行检测，通过流量计反馈的流量信号控制伺服电机转向并调节阀开度，进而保证加药量的恒定。为了便于调控，调节阀的通流面积应与其旋转角度呈线性关系。图5示出了线性截流阀与伺服电机的组合结构。对于主系统分为多个单元的结构，可以采用大流量的磁力泵，且并联配置多个调节阀对应各个系统单元的加药系统结构。

图5 调节阀与伺服电机Fig.5 Regulating valve and servo motor

无论药剂是计量泵输出的脉冲流还是磁力泵输出的连续流，其药剂浓度均远高于混合后在主系统管道中的浓度。为了使药液与主系统给水径流均匀混合，尚需安装图6所示的管道混合器。此外，对加药系统末端的加药管插入主系统给水管道的位置也有特定要求。如果加药管出口紧贴给水管的管壁，在给水径流的冲击作用下，药剂将沿管壁成层流状。这样不仅不利于药剂与给水径流的混合，还可能使下游药剂检测仪的监测数据出现错误，甚至会导致高浓度药剂腐蚀主给水管道。只有当加药管出口深入到主给水管道中部，才能直接混入给水径流的紊流体中，从而实现有效混合，并保证下游仪表的准确检测。

图6 管道混合器示意Fig.6 Schematic of pipeline mixer

4 加药系统自动化

随着药剂品种和稀释程度的改变，加药量需要人工适时调整。此外，随着水源改变导致pH、氧化还原电位(ORP)、硬度、浊度等水质指标变化，以及随主系统产水量或回收率波动导致给水流量变化，加药量也需要自动且实时加以调整[5]。

以反渗透膜系统的还原剂加药过程为例，在图1、图3与图4中所示的加药系统中，用检测ORP的水质检测仪和给水流量计，分别检测主系统给水的实时流量与氧化剂含量，运用流量计与水质检测仪传出的信号和特定的分析算法，得到计量泵系统应有的还原剂加药量。采用该加药量信号控制图1和图3计量泵的冲程频率，或控制图4磁力泵系统的调节阀开度，即可实现对还原剂加药量的实时闭环控制。

如果将磁力泵系统中的药剂流量与调节阀开度的联控视为内循环控制，则膜系统给水的流量及ORP值与加药量的联控则为外循环控制。如此双重循环控制，即构成了膜系统中典型的还原剂加药控制模式。由此，既能避免因加药量不足造成膜系统被氧化，又避免了因加药量过多造成膜系统污染或厌氧菌孳生。

5 污水回用工程案例

某污水资源化回用工程中给水的水质和水量条件，以及各工艺位置上的加药设备与加药量，如图7所示。图中标出的加药量均为纯药剂量，若进行药剂稀释，则需相应地提高加药量。

图7 某污水资源化回用工程参数Fig.7 Parameters for a reuse project of sewage reclamation

6 结论

① 水处理工艺中的加药系统主要包括电磁计量泵、机械计量泵与磁力泵3种结构。

② 各加药系统具有各自不同的特点与辅助设备，设计与运行过程应遵循其特点与规律。

③ 根据主系统给水流量和水质指标进行加药量调节，可实现加药量的实时闭环控制。

李文静， 程 峰， 乔红伟

(1.天津津安基环保科技有限公司，天津300400；2.天津城建大学，天津300384)