流動電流單因子凝聚投藥自動控制生產(chǎn)

1、 注：原刊于給水排水1991年，第5期。流動電流單因子凝聚投藥自動控制生產(chǎn)性試驗研究崔福義(教授) 洪覺民(教授) 李圭白（院士） 陳寶華(教授)（哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院） 摘要： 本文簡要介紹了將流動電流單因子凝聚投藥自動控制技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)性試驗研究的情況。文中對其控制原理和主要設(shè)備進行了介紹，并對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用及其對水質(zhì)的保證率等進行了分析和評價。試驗結(jié)果表明，采用該技術(shù)不僅濾前水質(zhì)合格率高于人工方法，而且達到降低藥耗20.7%24%的效果。 流動電流法是國際上八十年代出現(xiàn)的凝聚投藥自動控制新技術(shù)。利用凝聚的微觀特性膠體電荷的變化，僅控制流動電流一個因子，就可實現(xiàn)投藥的連續(xù)控制，是

2、凝聚投藥技術(shù)領(lǐng)域的一項重要突破。由哈爾濱建筑工程學(xué)院與杭州自來水公司合作在我國首次以流動電流技術(shù)進行凝聚投藥控制的生產(chǎn)性試驗，歷時一年半，已經(jīng)取得了成功，現(xiàn)將研究概況介紹如下。流動電流單因子投藥自動控制原理 根據(jù)膠體化學(xué)理論，在固液相界面上由于固體物質(zhì)的離解或?qū)θ芤褐须x子的吸附，會導(dǎo)致固體表面某種電荷的過剩，并使附近液相中形成負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)。流動電位（流）即指在外力作用下，液體相對于靜止的固體表面流動而產(chǎn)生電場的現(xiàn)象。流動電流和電位是對固液雙電層特性的不同描述，理論與實踐證明二者呈線性關(guān)系。 流動電流的測定是利用流動電流檢測器（SCD）完成的。SCD有一個

3、傳感器和一個信號處理器。傳感器又可稱為測頭，是SCD的心臟。其內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示。 電機 活塞導(dǎo)套 水樣入口 水樣出口 檢測室 活 塞 交流電源圖1 傳感器構(gòu)造示意圖 被測水樣以一定流速進入檢測室。在圓形檢測室內(nèi)有一活塞，作垂直往復(fù)運動?；钊蜋z測室內(nèi)壁之間的狹小縫隙構(gòu)成一個環(huán)形毛細管空間。當(dāng)活塞在電機帶動下作往復(fù)運動時，促使水樣在毛細管內(nèi)作相應(yīng)的往復(fù)運動。水樣中的微粒會附著于活塞與檢測室內(nèi)壁的表面，形成一個微粒“膜”。環(huán)形毛細管中的水流帶動微?！澳ぁ钡臄U散層中反離子運動，從而產(chǎn)生流動電流，經(jīng)檢測室兩端的環(huán)形電極收集送給后續(xù)信號處理裝置。該儀器為實現(xiàn)凝聚投藥的連續(xù)控制提供了關(guān)鍵性的技術(shù)手段。

4、水中渾濁物質(zhì)主要由帶電的膠體物質(zhì)組成。在一定的工藝條件下，凝聚過程中膠體的電荷變化即脫穩(wěn)程度與凝聚效果一一對應(yīng)。以流動電流為控制因子的凝聚投藥自動控制系統(tǒng)基本流程如圖2所示。記錄儀計算機控制中心SCD后續(xù)處理工藝混合 原水 出水 凝聚劑投藥泵 下水道圖2 SCD系統(tǒng)流程圖 上述系統(tǒng)中，認為在一定范圍內(nèi)，加入凝聚劑后水的流動電流值同濾前水濁度一一對應(yīng)。即存在一個特定的流動電流值，只要調(diào)整凝聚劑投量，使加藥后水的流動電流維持在該值上，就可恰好獲得要求的濾前水質(zhì)。該特定流動電流值可稱為控制系統(tǒng)的給定值。由于給定值抓住了影響凝聚的主要因素，各種水質(zhì)、水量及藥劑濃度等因素的變化都可體現(xiàn)在流動電流單一因子

5、的變化上。流動電流發(fā)生變化偏離給定值說明當(dāng)前凝聚狀況不佳，要通過調(diào)整凝聚劑投量去補償，從而實現(xiàn)了凝聚劑投量的單因子自動調(diào)節(jié)。2. 試驗系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試2.1 試驗水廠及原水水質(zhì)概況 試驗在杭州南星水廠進行。該廠分為新、老兩套凈化系統(tǒng)。試驗控制范圍是新工藝系統(tǒng)，設(shè)計凈水能力為3.0萬噸/日，高峰供水時實際達到5.06.0萬噸/日。新系統(tǒng)流程示于圖3。 投藥管道混合絮凝池沉淀池二泵房清水池雙閥濾池 原水 加C12 用戶 圖3 試驗系統(tǒng)工藝流程圖 凝聚劑（液體聚合鋁）投于800的原水管道中，經(jīng)過約60米長的管道混合，在絮凝池入口處，分成兩根600的管道，分別進入兩組絮凝沉淀池。兩組沉淀池的出水匯集于

6、一個公共渠道中，分配給后續(xù)的濾池。 南星水廠以錢塘江水為水源。原水濁度變化較大。據(jù)近十年統(tǒng)計，最高濁度達5000度，最低為3.2度；水溫最高達38度，最低為2.0度。該廠位于錢塘江下游，受海潮影響較嚴重。潮水到來時，原水濁度可在數(shù)分鐘內(nèi)由幾十度猛增到上千度。濁度的急劇變化，使人工投藥很難控制，對試驗系統(tǒng)是一個嚴峻的考驗。該廠具有嚴格的經(jīng)濟責(zé)任制，工人投藥操作十分認真，人工投藥的準(zhǔn)確程度較好，節(jié)約挖潛的余地較小，對試驗成果來說就更有意義。2.2 試驗系統(tǒng)的流程及主要設(shè)備 試驗系統(tǒng)保留原有凈化工藝不變，新設(shè)若干投藥及控制設(shè)施。 流動電流檢測器（SCD）檢測混合后水的膠體電荷，以420毫安的信號送給

7、控制中心，運算后輸出一個控制信號給執(zhí)行機構(gòu)投藥泵，控制投藥工況。原有投藥系統(tǒng)作為備用裝置，與試驗系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)置，可隨時切換。 主要設(shè)備： 流動電流檢測器（SCD），引進美國產(chǎn)品，檢測水樣流量13升/分，輸出信號420毫安。 控制中心，選用國產(chǎn)長城286EX微型計算機及配套設(shè)備構(gòu)成。 雙筆式記錄儀，選用上海大華儀表廠產(chǎn)品。其中，1*筆記錄流動電流信號，2*筆記錄執(zhí)行機構(gòu)信號。以此記錄儀可直接觀察控制狀況和投藥量的變動情況。 執(zhí)行機構(gòu)，即計量泵及變頻調(diào)速器。計量泵采用德國產(chǎn)品MAKRO-TZ型隔膜計量泵。額定最大流量為1000升/小時。流量可由調(diào)沖程和轉(zhuǎn)速兩種方式調(diào)節(jié)。 微機全部采用漢字顯示，操作均

8、有漢字提示。系統(tǒng)的工作參數(shù)可在運行過程中隨時調(diào)整，由鍵盤輸入，可有二種控制工作狀態(tài)。 一是自動控制。這是控制系統(tǒng)工作的基本狀態(tài)。在此狀態(tài)下，投藥系統(tǒng)按要求自動控制運行。 二是手動控制。在此狀態(tài)下，計算機提供一個凝聚劑流量參考值供選用，而實際投加量由操作者鍵盤控制，可隨時輸入任意選用的值。在由鍵盤輸入新的流量值之前，系統(tǒng)將始終維持原有值不變。 此外，該系統(tǒng)還可完全脫離計算機的控制，改由水泵變頻控制器上的旋鈕手動調(diào)節(jié)，此時計算機可作為監(jiān)測系統(tǒng)使用。3. 試驗系統(tǒng)的運行及評價 試驗系統(tǒng)經(jīng)過安裝調(diào)試后，于90年5月91年4月進行了系統(tǒng)運行試驗。試驗工作以保證一定的濾前水濁度指標(biāo)為目標(biāo)進行，并依此目標(biāo)確

9、定SCD給定值。 試驗采取對人工控制投藥進行監(jiān)測及自動控制二種工況，自動控制試驗又分為間斷運行（8小時）和長期連續(xù)運行兩種情況。 試驗期間經(jīng)歷了各種水質(zhì)的考驗，包括水質(zhì)變化最大的秋季潮水期及穩(wěn)定的冬季。試驗期間原水濁度范圍為5.02500度，水溫為7.023.5度，Cl-為6250毫克/升，試驗系統(tǒng)的出水量為15004000米3/時，上述主要參數(shù)的變化概括了南星水廠水質(zhì)和運行條件的基本情況，獲得的結(jié)果是有代表性的。3.1 試驗系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能 （1）對原水水質(zhì)變化的適應(yīng)性 水質(zhì)變化的典型情況是每年秋季的大潮水季節(jié)，原水濁度可在幾分鐘之內(nèi)從正常的幾十度突升至上千度，人工控制投藥極其困難。以往采用的

10、典型措施是，在預(yù)報潮水到達前的幾十分鐘，提前按經(jīng)驗投藥量加大到足夠程度，這就不可避免地造成藥劑的浪費。 投藥自動控制系統(tǒng)可隨原水濁度的升高，迅速地增加投加量，保證處理水質(zhì)。這時如果投藥量不變，則水中單位濁質(zhì)的藥劑占有量下降，脫穩(wěn)程度隨之降低，立即表現(xiàn)為SCD檢測值偏離給定值，從而使系統(tǒng)迅速作出反應(yīng)，增加投藥量。在表1中還同時給出了與之條件相近的人工控制投藥的情況。 可以明顯看到，自動控制具有良好的應(yīng)付濁度變化的性能?？梢栽诒ＷC水質(zhì)的同時，節(jié)省藥耗。 潮水期對比試驗 表1日期(11 月)2 日3 日19 日17 日23 日24 日總 平 均工 況自 控人 工自 控人 工自 控人 工自 控人 工原

11、水平均濁度68267564126736.8140.5453361濾前水平均濁度3.53.75.44.43.44.04.3水質(zhì)合格率(%)10090.977.71008097.078.9產(chǎn)水量(m3)2180020700245702714027070263407344074190藥耗(kg)8551184.4991.2989.1587.6749.72433.72923.2平均單耗(mg/l)39.257.240.336.421.728.533.139.4平均節(jié)藥率(%)31.1-10.723816.0實際節(jié)藥率(%)24.0 （2）對水量變化的適應(yīng)性 水量變化時，凈化系統(tǒng)的總需藥量發(fā)生相應(yīng)的變化

12、，表現(xiàn)為控制因子即SCD檢測值的變化，從而使控制系統(tǒng)作出反應(yīng)，調(diào)節(jié)投藥量，以此維持出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。圖4是一次典型的自動調(diào)節(jié)情況，無論水量增大或減少，系統(tǒng)都能很快使投藥量隨之變化。圖4 （3）SCD值的穩(wěn)定性及自動控制調(diào)節(jié)速度 若以SCD值的穩(wěn)定時期（的大小）來評價投藥系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，則表2的對比數(shù)據(jù)給出了較為定量的評價。無論何種情況，均以自控時SCD值更為穩(wěn)定（SCD方差較?。?，這是人工控制難以達到的。 調(diào)節(jié)速度統(tǒng)計 表2參 數(shù)變化幅度控制因子波動幅度（mA）恢復(fù)穩(wěn)定時間（min）均 值方 差均 值方 差水 量848%0.260.1116.56.3原水濁度一般濁度波動0.1250.04312

13、.85.89一般潮水0.150.0812.55.6大潮水16.0 作為自動控制系統(tǒng)，評價其調(diào)節(jié)特性的一個重要參數(shù)就是調(diào)節(jié)速度。 表2代表了水量、水質(zhì)變動的典型情況。在所有的變化情況下，出水水質(zhì)始終得到保證。尤其是大潮水期，盡管恢復(fù)穩(wěn)定時間較長（因為該期間原水變化就很劇烈，難以穩(wěn)定）濾前水質(zhì)則始終符合要求，甚至較平時為好。3.2 試驗系統(tǒng)對水質(zhì)的保證作用 如上所述，試驗系統(tǒng)對原水水質(zhì)、水量等因素的變化都很敏感，響應(yīng)迅速，使保證濾前水水質(zhì)具備了技術(shù)條件。在潮水期間，原水水質(zhì)大幅度變化，人工控制往往難以適應(yīng)，有時難免出現(xiàn)了水質(zhì)超標(biāo)（濾前水濁度6度）。由于自動控制響應(yīng)迅速，對水質(zhì)構(gòu)成了可靠的保證，即使

14、在大潮水期間，也未出現(xiàn)水質(zhì)惡化，最高出水濁度為5.5度。 表3和表4是在原水水質(zhì)較穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種條件下，對人工及自動兩種工況下濾前水濁度進行的比較。 表中的方差值可用以描述參數(shù)的波動情況。對原水而言，方差大就代表原水水質(zhì)的變化程度大；對濾前水而言，方差小則代表出水水質(zhì)穩(wěn)定、工況良好。表3說明，原水水質(zhì)不穩(wěn)定時，人工控制的水質(zhì)保證率低，穩(wěn)定性也差；在自動控制條件下，則顯示出較大的優(yōu)點，仍能保證濾前水濁度的合格率，且水質(zhì)明顯穩(wěn)定。在原水水質(zhì)穩(wěn)定條件下，自動控制工況仍顯示出其特點：盡管同人工控制相比，平均濾前水濁度相等，但顯然穩(wěn)定性更好（方差較小）。原因在于原水水質(zhì)總難免有一定的波動，對此人工控制

15、很難進行精確及時的調(diào)節(jié)。3.3 試驗系統(tǒng)的節(jié)藥水平 試驗藥耗比較是以采用人工投藥與自控投藥交替進行的方法進行比較的。由于南星水廠的新舊兩套系統(tǒng)產(chǎn)水量難以單獨計算，只有兩套系統(tǒng)的總產(chǎn)水量，這樣只能得到包括舊系統(tǒng)在內(nèi)的全廠平均清水藥耗。顯然采用該清水藥耗評價自控系統(tǒng)的節(jié)藥率，結(jié)果是偏低的，因為舊系統(tǒng)并不屬于SCD系統(tǒng)的控制范圍。為了減少誤差，根據(jù)水廠長期運轉(zhuǎn)經(jīng)驗，新系統(tǒng)的產(chǎn)水量及藥耗約占全廠的三分之二，以此修正節(jié)藥率，求得試驗系統(tǒng)的實際節(jié)藥率。 原水水質(zhì)不穩(wěn)定階段水質(zhì)對比 表3對 比 組 號12345運 行 條 件自控人工自控人工自控人工自控人工自控人工日 期90.102290.102190.12

16、3191.1190.112390.112490.11CAPut!90.111790.11290.111原 水 濁 度平均值 700 80731822236.8140641267682160最大值 15002680150114最小值 92 755.1 6.0方差57.7 972 46.5 33.8濾 前 水 濁 度平均值 3.8 4.53.0 1.94.43.43.75.24.14.4最大值 5.5 7.03.7 3.15.57.0 10 12 6.0 10最小值 2.5 2.0 1.5 1.04.01.81.82.31.72.1方差0.79 1.900.7560.55合格率(%)100 83.

17、3100 100100 80 90.9 77.7 100 86 說明：1. 第二組濾前水要求濁度4度，其余組次要求濁度6度。 2. 第四組自控濾前水濁度超標(biāo)是加藥泵流量達到最大值，藥量無法增加造成的。 后面介紹的藥耗評價結(jié)果均按上述兩種方法計算。 （1）水質(zhì)穩(wěn)定時期的藥耗評價 在水質(zhì)較為穩(wěn)定的條件下，一般人工投藥控制也可達到較為滿意的效果，但這同值班工人的業(yè)務(wù)素質(zhì)、工作責(zé)任心等有較大關(guān)系，有時也難免出現(xiàn)問題。自動控制則可避免上述情況。 原水水質(zhì)穩(wěn)定階段水質(zhì)對比 表4項 目原 水 指 標(biāo)濾 前 水 濁 度濁 度水溫()Cl-(mg/l)平均值最大值最小值方差平均值最大值最小值方差合格率(%)工

18、況自控9.630.05.04.328.19.03.95.21.80.519100人工8.920.55.01.968.08.93.96.51.11.0197 說明：1. 試驗時間：91年1月226日，自動控制與人工控制投藥交錯進行，各自10天。 2. 控制目標(biāo)：濾前水濁度小于6度。 表5為原水水質(zhì)相對穩(wěn)定時期藥耗的對比。這段時間內(nèi)原水水質(zhì)的平均狀況基本相同，處理效果即濾前水濁度也基本相同，只是從方差分析上可發(fā)現(xiàn)自動控制時期原水濁度的變化幅度較大，而濾前水濁度的穩(wěn)定性卻較好，并且濾前水濁度合格率較高。因此對比期間以自控投藥有更好的水質(zhì)保證。 水質(zhì)穩(wěn)定時期藥耗對比 表5工 況自 動 控 制人 工 控 制用藥量(kg)3147.43616.2產(chǎn)水量(m3)240320237880平均藥耗(mg/l)13.115.2平均節(jié)藥率(%)13.8實際節(jié)藥率(%)20.7 表5的統(tǒng)計結(jié)果表明，以自動控制投藥的藥耗較低。即使在原水水質(zhì)相對穩(wěn)定的條件下，仍能取得全廠平均節(jié)藥13.8%，新系統(tǒng)實際節(jié)藥率20.7%的結(jié)果。 （2）水質(zhì)變動時期的藥耗評價 在原水水質(zhì)有較大波動時期，正是自動投藥系統(tǒng)發(fā)揮作用的時期。在表1中對一組較大潮水期的對比試驗進行統(tǒng)