混凝投藥工藝的控制策略及其實(shí)現(xiàn)

混凝投藥工藝的控制策略及其實(shí)現(xiàn)

摘要本文系統(tǒng)地回顧了我國(guó)混凝投藥控制技術(shù)的發(fā)展，詳細(xì)介紹了各種投藥技術(shù)并進(jìn)行分析，通過本文可以了解到，在2005年新的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行后，出廠水的濁度由原來的1NTU降為，因此在我國(guó)實(shí)現(xiàn)混凝投藥工藝的自動(dòng)化控制，提升水質(zhì)指標(biāo)，降低水廠成本是當(dāng)務(wù)之急。

關(guān)鍵詞凝投藥控制流動(dòng)電流法透光率脈動(dòng)法

在水處理單元環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制方面，混凝投藥是最困難的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗婕暗氖且粋€(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，但由于混凝在水處理工藝中的重要地位，混凝投藥也是最為人們關(guān)注的環(huán)節(jié)。幾十年來，我國(guó)的混凝投藥控制技術(shù)十分落后，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)基本上采用原始的人工控制方式。近二十年來，隨著改革開放的深入，國(guó)外先進(jìn)的自動(dòng)控制理念逐步深入到凈水廠這個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)。

1．投藥控制技術(shù)

投藥及控制方式按藥劑投加形態(tài)分為干投與濕投。干投是用干投機(jī)將固體藥劑直接投入水中或投入溶解容器內(nèi)，再投入水中，其計(jì)量與控制都是比較困難的，調(diào)節(jié)性能較差。濕投又可以分為高位溶液池重力投加、泵前投加、水射器投加、水泵投加等多種形式[1]。

重力式投藥

藥液自高架溶液池中流出，經(jīng)過恒液位水箱依靠重力作用投入水中。較早的一種投藥控制調(diào)節(jié)方式是苗嘴調(diào)節(jié)。根據(jù)對(duì)投藥量的要求，更換恒液位水箱出口苗嘴的規(guī)格，由水力學(xué)可知流出流量會(huì)發(fā)生改變。這是一種不能太頻繁的間歇式調(diào)節(jié)方式，在90年代初期仍有個(gè)別水廠應(yīng)用。另一種常見的調(diào)節(jié)方式是對(duì)投藥管路上的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，觀察轉(zhuǎn)子流量計(jì)的指示，改變投藥量。圖一高位溶液池重力投藥1—溶解池；2—水泵；3—溶液池；4—投藥箱；5—漏斗；6—壓水管

泵前投加圖二泵前加藥1—吸水管；2—出水管；3—水泵；4—水封箱；5—浮球閥；6—溶液池；7—漏斗

藥液投加在水泵吸水管或吸水管頭部。這種投加方式安全可靠，一般適用于取水泵房距水廠較近者。圖中水封箱是為防止空氣進(jìn)入而設(shè)的。

水射器投加

利用高壓水通過噴嘴和喉管之間真空抽吸作用將藥液吸入，同時(shí)隨水的余壓注入原水管中。水射器效率較低，易磨損，但設(shè)備簡(jiǎn)單，使用方便，溶液池高度不受太大的限制。圖三水射器投加1—溶液池；2—閥門；3—投藥箱；4—閥門；5—漏斗；6—高壓水管；7—水射器；8—原水管

水泵投加

傳統(tǒng)上最常見的方式是采用離心式投藥泵，將藥液送入水中。調(diào)節(jié)方法是對(duì)投藥管路的閥門調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)指示。后來在80年代后期，開始出現(xiàn)了計(jì)量泵投藥的應(yīng)用。

2.混凝劑投加控制技術(shù)

無論上述何種投加與調(diào)節(jié)方式，都涉及一個(gè)重要的問題：如何決定當(dāng)前最佳投藥量應(yīng)該是多少?；炷齽┳罴淹都恿渴侵高_(dá)到既定水質(zhì)目標(biāo)的最小的混凝劑投加量?；炷齽┩都恿康么_定主要有以下幾種方式

經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)法

操作人員根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)、或者觀察絮凝池礬花生成情況，決定投藥量。有的水廠根據(jù)試驗(yàn)或生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，制成濁度-礬耗對(duì)照表，作為決定投藥量的依據(jù)。事實(shí)上，這是以原水濁度為控制參數(shù)的一種控制方法。

燒杯試驗(yàn)法

在70～80年代以后，越來越多的水廠采用燒杯試驗(yàn)作為確定投藥量的參考方法。燒杯試驗(yàn)每天或每周進(jìn)行1次。由于間隔時(shí)間長(zhǎng)，而且許多水廠燒杯試驗(yàn)結(jié)果與水廠實(shí)際有一定的出入，因此多數(shù)水廠只是將燒杯試驗(yàn)結(jié)果作為參考。這里存在的一個(gè)問題是，燒杯試驗(yàn)條件不應(yīng)是千篇一律的，每個(gè)水廠應(yīng)該研究與該廠水處理工藝有相似性的特定燒杯試驗(yàn)條件。

上述各種方法都屬于人工控制方法，都難以追隨水質(zhì)水量等因素的變化，對(duì)投藥量進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)。投藥的準(zhǔn)確性不僅取決于操作人員的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，而且和操作人員的責(zé)任心有很大關(guān)系，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也較大。由于投藥控制技術(shù)落后，嚴(yán)重影響了水處理的質(zhì)量，也造成藥劑的較大浪費(fèi)。

模擬濾池法

60年代初，模擬濾池法在西方國(guó)家開始應(yīng)用，我國(guó)無錫中橋水廠于1981年安裝了一套模擬濾池系統(tǒng)控制投藥。該方法可對(duì)混凝劑量進(jìn)行在線連續(xù)控制。上作過程是：將在生產(chǎn)凈化系統(tǒng)中加藥混合后的原水，引出一部分進(jìn)入小模型濾池，根據(jù)該濾池出水濁度的情況來評(píng)價(jià)混凝劑投量是否適宜，由控制系統(tǒng)對(duì)投藥量自動(dòng)調(diào)節(jié)。這屬于一種中間參數(shù)反饋控制系統(tǒng)。該方法的模擬性能也是取決于原型(生產(chǎn)系統(tǒng))與模型(模擬濾池)的相似性。

模擬濾池法關(guān)于相似性的解釋不僅未涉及幾何相似的問題，而且忽略了實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中反應(yīng)池、沉淀他的作用，僅僅考慮濾池同藥耗的關(guān)系，對(duì)此還需要更深入的探討。另外，原水加藥后直至經(jīng)過模擬濾池而得到結(jié)果，一般需要10～15min，在原水水質(zhì)變化較快的情況下該滯后時(shí)間也對(duì)控制的有效性提出疑問。盡管如此，這種方法將一個(gè)復(fù)雜的混凝效果評(píng)價(jià)問題以簡(jiǎn)單的模擬濾池出水濁度作為指標(biāo)判斷，據(jù)此來調(diào)整混凝劑投量．系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，是一種簡(jiǎn)易的投藥自動(dòng)控制方案，在生產(chǎn)上也得到了一定程度的應(yīng)用。

數(shù)學(xué)模型法

混凝劑的投加量與原水水質(zhì)和水量有關(guān)，可根據(jù)水質(zhì)、水量建立數(shù)學(xué)模型，寫出程序叫計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制。由此可見，數(shù)學(xué)模型法是以若干原水水質(zhì)、水量參數(shù)為變量，建立其與投藥量之間的相關(guān)函數(shù)，即數(shù)學(xué)模型。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集參數(shù)數(shù)據(jù)，并按此模型自動(dòng)控制投藥。在水處理中最好采用前饋和后饋相結(jié)合的控制模型。前饋數(shù)學(xué)模型應(yīng)選擇影響混凝效果的主要參數(shù)為變量，例如原水濁度、pH值、水溫、溶解氧、堿度和水量等。前饋控制確定一個(gè)給出量，然后以沉淀池的出水濁度作為后饋信號(hào)來調(diào)節(jié)前饋給出量。由前饋給出量和后饋調(diào)節(jié)量就可獲得最佳藥劑量。這種方法國(guó)外自70年代初開始有研究和應(yīng)用，如美國(guó)依阿華水廠、前蘇聯(lián)莫斯科水廠、日本朝霞水廠等，我國(guó)也有上海石化總廠水廠等應(yīng)用該方法控制混凝投藥。

但是這種控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)也是顯而易見的?？刂葡到y(tǒng)儀表較多．并要求每臺(tái)儀表都能準(zhǔn)確可靠地工作，整個(gè)系統(tǒng)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此。雖然許多水廠建立丁自己的數(shù)學(xué)模型，但都未能實(shí)現(xiàn)以數(shù)學(xué)模型法控制投藥。特別是有些模型中包含目前難以自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)的參數(shù)(如氨氮等)．自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就更加困難了，故此法至今在生產(chǎn)上難以推廣。

流動(dòng)電流法

流動(dòng)電流法的發(fā)展歷程

80年代，國(guó)際上出現(xiàn)了流動(dòng)電流投藥控制技術(shù)，其關(guān)鍵是通過測(cè)量流動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中膠體電荷的在線連續(xù)檢測(cè)。1989年，流動(dòng)電流投藥自動(dòng)控制技術(shù)被首次介紹到了國(guó)內(nèi)。1992年，首套國(guó)產(chǎn)流動(dòng)電流混凝控制系統(tǒng)在牡丹江應(yīng)用成功。與流動(dòng)電流技術(shù)相配合，還將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于包括計(jì)量泵和離心泵在內(nèi)的投藥泵的調(diào)節(jié)。在應(yīng)用中，流動(dòng)電流技術(shù)得到了不斷的改進(jìn)，發(fā)展出了流動(dòng)電流-濁度串級(jí)反饋控制系統(tǒng)、流量-流動(dòng)電流前饋-反饋控制系統(tǒng)等。流動(dòng)電流技術(shù)在我國(guó)許多水廠獲得了較普遍的應(yīng)用，已被列入我國(guó)“城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃”，成為水處理混凝控制的主導(dǎo)技術(shù)之一。

流動(dòng)電流法的原理

流動(dòng)電流是固、液界面的重要電動(dòng)現(xiàn)象之一,最早在毛細(xì)管模型的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)液體受一定壓力通過1個(gè)毛細(xì)管或微孔塞時(shí),在液體流動(dòng)過程中可發(fā)生電荷遷移,電荷移動(dòng)產(chǎn)生的電流稱為流動(dòng)電流;管兩端產(chǎn)生的電位差稱為流動(dòng)電位。根據(jù)膠體化學(xué)理論,固、液界面上由于固體表面物質(zhì)的離解或?qū)θ芤褐须x子的吸附,會(huì)導(dǎo)致固體表面某種電荷的過剩,并使附近液相中形成反電荷離子的不均勻分布,從而構(gòu)成固、液界面的雙電層結(jié)構(gòu)。當(dāng)有外力作用時(shí),雙電層結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng),在其反離子層中的吸附層與擴(kuò)散層之間出現(xiàn)相對(duì)位移,在位移界面—滑動(dòng)面上顯現(xiàn)出的電位,即ζ電位。由于固、液兩相分別帶有電性相反的過剩電荷,在外力作用下會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)現(xiàn)象之一的流動(dòng)電流,即在外力作用下液體相對(duì)于固體表面流動(dòng),使擴(kuò)散層與吸附層之間產(chǎn)生位移,形成反電荷離子定向移動(dòng)而產(chǎn)生電流。流動(dòng)電流的檢測(cè)是通過流動(dòng)電流檢測(cè)儀來完成。被測(cè)水樣以一定的流速進(jìn)入檢測(cè)室,在檢測(cè)室內(nèi)有一活塞,作垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊蜋z測(cè)室內(nèi)壁之間的狹小縫隙構(gòu)成環(huán)形毛細(xì)管空間。當(dāng)活塞在電機(jī)帶動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),就象柱塞泵使水樣在毛細(xì)管內(nèi)做相應(yīng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。水樣中的微粒會(huì)附著于活塞與檢測(cè)室內(nèi)壁的表面,形成一個(gè)微?！澳ぁ?環(huán)形毛細(xì)管中的水流帶動(dòng)微?！澳ぁ钡臄U(kuò)散層作反離子運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生流動(dòng)電流。流動(dòng)電流經(jīng)檢測(cè)室兩端的環(huán)形電極收集后,送給后繼信號(hào)處理裝置。

單因子自動(dòng)投藥控制系統(tǒng)

由以上理論可知，只需檢測(cè)并控制與膠體ζ電位正相關(guān)的流動(dòng)電流這一反映混凝本質(zhì)的單因子。所謂單因子是指將影響混凝效果的幾種主要因素,都反映在流動(dòng)電流這一混凝本質(zhì)參數(shù)上,只要測(cè)定和控制流動(dòng)電流這一因子,就可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制混凝劑的投加量。流動(dòng)電流控制技術(shù)抓住了水中膠體的微觀電特性,解決了影響水處理效果的主要矛盾?？刂菩Ч葌鹘y(tǒng)“多因子數(shù)學(xué)模型法”更準(zhǔn)確、可靠。

其控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程傳感器、微電腦測(cè)控儀和變頻調(diào)速裝置3部分組成。由于全廠PLC聯(lián)網(wǎng),控制信號(hào)都進(jìn)入PLC后,由其輸出至就地設(shè)備。

傳感器利用流動(dòng)電流原理,在傳感器的檢測(cè)室內(nèi),水樣連續(xù)通過2個(gè)電極之間的毛細(xì)管通路,膠體雜質(zhì)會(huì)吸附于毛細(xì)管壁,其反離子層受到水力剪切發(fā)生移動(dòng)產(chǎn)生流動(dòng)電流,由電極檢出。它與水中膠體ζ電位正相關(guān),準(zhǔn)確反映膠體的脫穩(wěn)程度,電子電路和微電腦利用該信號(hào)可準(zhǔn)確控制混凝劑投量。

控制器對(duì)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整流、濾波、放大,使之成為能反映水中微電荷特性的參數(shù),該參數(shù)產(chǎn)生控制投藥量的4～20mA信號(hào)至PLC。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)根據(jù)PLC的輸出信號(hào),對(duì)投藥泵實(shí)行變頻調(diào)節(jié),變頻投藥泵采用往復(fù)式計(jì)量泵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,達(dá)到調(diào)節(jié)加藥量的目的。

混凝過程中影響混凝效果的因素很多,存在許多干擾。單因子自動(dòng)投藥控制系統(tǒng)具有克服各種干擾的調(diào)節(jié)能力,當(dāng)工況波動(dòng)時(shí),流動(dòng)電流值發(fā)生波動(dòng)偏離給定值,干擾越大偏離越大。因此,該系統(tǒng)以流動(dòng)電流的實(shí)測(cè)值與控制目標(biāo)值之差為控制參數(shù)。加藥混合后的水樣經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)傳感器檢測(cè),測(cè)出與水中膠體ζ電位正相關(guān)的流動(dòng)電流,當(dāng)設(shè)定沉淀池出水濁度目標(biāo)值后,該系統(tǒng)能自動(dòng)確定水中膠體電荷被中和的最佳值,儀器據(jù)此就可全自動(dòng)地確定混凝劑投量。該系統(tǒng)能迅速反映水質(zhì)、水量、濃度等各項(xiàng)表觀參數(shù)的綜合影響,實(shí)現(xiàn)混凝劑的精確投加。圖四為單因子自動(dòng)投藥控制系統(tǒng)的組成。圖四單因子自動(dòng)投藥控制系統(tǒng)

流動(dòng)電流法的缺點(diǎn)

流動(dòng)電流技術(shù)是基于膠體電中和脫穩(wěn)為主的混凝控制技術(shù)，若混凝作用非以電中和脫穩(wěn)為主而是以高分子以吸附架橋?yàn)橹鳎瑒t投藥量與流動(dòng)電流就很少相關(guān)。例如黃河高濁度水和某些污染較嚴(yán)重的水質(zhì)。

透光率脈動(dòng)法

透光率脈動(dòng)法是利用光電原理檢測(cè)水中絮凝顆粒變化從而達(dá)到在線連續(xù)控制的一種新技術(shù)。

絮凝脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)成功地解決了流動(dòng)電流法不能解決的問題。該技術(shù)測(cè)量水中雜質(zhì)絮凝過程中尺寸的相對(duì)變化，檢測(cè)過程不受水中雜質(zhì)玷污的影響。我國(guó)將國(guó)外尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段的該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用開發(fā)，并于1992年首次成功地應(yīng)用于黃河高濁度水的投藥控制。

3.展望同任何技術(shù)一樣，混凝投藥控制技術(shù)也在不斷地進(jìn)步。近年來，流動(dòng)電流和絮凝脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在日臻完善，已經(jīng)形成了系列化產(chǎn)品,并在大中型水廠得到了廣泛的應(yīng)用。最近，又有應(yīng)用水下攝影和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)進(jìn)行投藥控制的研究報(bào)導(dǎo)[10]。隨著水質(zhì)在線檢測(cè)儀表的發(fā)展、完善與普及，水廠自動(dòng)化系統(tǒng)的進(jìn)步，新一代數(shù)學(xué)模型、模糊控制等方式也將出現(xiàn)。可以預(yù)計(jì)，水處理投藥控制技術(shù)將出現(xiàn)更加豐富、完善的局面，這將促進(jìn)水處理系統(tǒng)自動(dòng)化、現(xiàn)代化水平的提高，為生產(chǎn)安全飲用水提供可靠的技術(shù)保證?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】[1]張啟海．城市給水工程．中國(guó)建筑工業(yè)出版社．2003。嚴(yán)煦世．給水工程．中國(guó)建筑工業(yè)出版社．1999。.崔福義、彭永臻．給水排水工程儀表與控制．中國(guó)建筑工業(yè)出版社．1999。崔福義．混凝劑投加的優(yōu)化自動(dòng)控制—檢測(cè)器法的試驗(yàn)研究．給水排水，，1989。崔福義、曲久輝、李虹、李圭