混凝投藥工藝的控制策略及其實現(xiàn)摘要：本文系統(tǒng)地回顧了我國混凝投藥控制技術(shù)的發(fā)展，詳細介紹了各種投藥技術(shù)并進行分析，通過本文可以了解到，在2005年新的水質(zhì)標準實行后，出廠水的濁度由原來的1NTU降為0.5NTU，因此在我國實現(xiàn)混凝投藥工藝的自動化控制，提升水質(zhì)指標，降低水廠成本是當務(wù)之急。關(guān)鍵字：凝投藥控制流動電流法透光率脈動法在水處理單單元環(huán)節(jié)的自自動控制方面面，混凝投藥藥是最困難的的環(huán)節(jié)，因為為它涉及的是是一個復(fù)雜的的物理化學(xué)過過程，但由于于混凝在水處處理工藝中的的重要地位，混混凝投藥也是是最為人們關(guān)關(guān)注的環(huán)節(jié)。幾幾十年來，我我國的混凝投投藥控制技術(shù)術(shù)十分落后，在在相當長的一一段時期內(nèi)基基本上采用原原始的人工控控制方式。近近二十年來，隨隨著改革開放放的深入，國國外先進的自自動控制理念念逐步深入到到凈水廠這個個傳統(tǒng)行業(yè)。1．投藥控控制技術(shù)投藥及控制制方式按藥劑劑投加形態(tài)分分為干投與濕濕投。干投是是用干投機將將固體藥劑直直接投入水中中或投入溶解解容器內(nèi)，再再投入水中，其其計量與控制制都是比較困困難的，調(diào)節(jié)節(jié)性能較差。濕濕投又可以分分為高位溶液液池重力投加加、泵前投加加、水射器投投加、水泵投投加等多種形形式[1]。1.1

重力力式投藥（圖圖一所示）藥液自高架架溶液池中流流出，經(jīng)過恒恒液位水箱依依靠重力作用用投入水中。較較早的一種投投藥控制調(diào)節(jié)節(jié)方式是苗嘴嘴調(diào)節(jié)。根據(jù)據(jù)對投藥量的的要求，更換換恒液位水箱箱出口苗嘴的的規(guī)格，由水水力學(xué)可知流流出流量會發(fā)發(fā)生改變。這這是一種不能能太頻繁的間間歇式調(diào)節(jié)方方式，在90年代初期仍仍有個別水廠廠應(yīng)用。另一一種常見的調(diào)調(diào)節(jié)方式是對對投藥管路上上的閥門進行行調(diào)節(jié)，觀察察轉(zhuǎn)子流量計計的指示，改改變投藥量。圖一高位位溶液池重力力投藥1—溶解池池；2—水泵；3—溶液池；4—投藥箱；5—漏斗；6—壓水管1.2

泵前前投加（圖二二所示）圖二泵前前加藥1—

吸吸水管；2—出水管；3—水泵；4—水封箱；5—浮球閥；6—溶液池；7—漏斗藥液投加在在水泵吸水管管或吸水管頭頭部。這種投投加方式安全全可靠，一般般適用于取水水泵房距水廠廠較近者。圖圖中水封箱是是為防止空氣氣進入而設(shè)的的。1.3

水射射器投加（圖圖三所示）利用高壓水水通過噴嘴和和喉管之間真真空抽吸作用用將藥液吸入入，同時隨水水的余壓注入入原水管中。水水射器效率較較低，易磨損損，但設(shè)備簡簡單，使用方方便，溶液池池高度不受太太大的限制。圖三水射射器投加1—溶液池池；2—閥門；3—投藥箱；4—閥門；5—漏斗斗；6—高壓水管；7—水射器；8—原水管1.4

水泵泵投加傳統(tǒng)上最常常見的方式是是采用離心式式投藥泵，將將藥液送入水水中。調(diào)節(jié)方方法是對投藥藥管路的閥門門調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)子子流量計指示示。后來在80年代后期，開開始出現(xiàn)了計計量泵投藥的的應(yīng)用。2.混凝劑劑投加控制技技術(shù)無論上述何何種投加與調(diào)調(diào)節(jié)方式，都都涉及一個重重要的問題：：如何決定當當前最佳投藥藥量應(yīng)該是多多少?；炷齽﹦┳罴淹都恿苛渴侵高_到既既定水質(zhì)目標標的最小的混混凝劑投加量量[2]?；炷齽┩都恿康玫么_定主要有有以下幾種方方式：2.1

經(jīng)驗?zāi)磕繙y法操作人員根根據(jù)工作經(jīng)驗驗、或者觀察察絮凝池礬花花生成情況，決決定投藥量。有有的水廠根據(jù)據(jù)試驗或生產(chǎn)產(chǎn)統(tǒng)計經(jīng)驗，制制成濁度-礬耗對照表表，作為決定定投藥量的依依據(jù)。事實上上，這是以原原水濁度為控控制參數(shù)的一一種控制方法法。2.2

燒杯試試驗法在70～880年代以后，越越來越多的水水廠采用燒杯杯試驗作為確確定投藥量的的參考方法。燒燒杯試驗每天天或每周進行行1次。由于間間隔時間長，而而且許多水廠廠燒杯試驗結(jié)結(jié)果與水廠實實際有一定的的出入，因此此多數(shù)水廠只只是將燒杯試試驗結(jié)果作為為參考。這里里存在的一個個問題是，燒燒杯試驗條件件不應(yīng)是千篇篇一律的，每每個水廠應(yīng)該該研究與該廠廠水處理工藝藝有相似性的的特定燒杯試試驗條件。上述各種方方法都屬于人人工控制方法法，都難以追追隨水質(zhì)水量量等因素的變變化，對投藥藥量進行及時時準確的調(diào)節(jié)節(jié)。投藥的準準確性不僅取取決于操作人人員的技術(shù)與與經(jīng)驗，而且且和操作人員員的責(zé)任心有有很大關(guān)系，工工人的勞動強強度也較大。由由于投藥控制制技術(shù)落后，嚴嚴重影響了水水處理的質(zhì)量量，也造成藥藥劑的較大浪浪費。2.3

模擬濾濾池法[3]]60年代初初，模擬濾池池法在西方國國家開始應(yīng)用用，我國無錫錫中橋水廠于于1981年安裝了一一套模擬濾池池系統(tǒng)控制投投藥。該方法法可對混凝劑劑量進行在線線連續(xù)控制。上上作過程是：：將在生產(chǎn)凈凈化系統(tǒng)中加加藥混合后的的原水，引出出一部分進入入小模型濾池池，根據(jù)該濾濾池出水濁度度的情況來評評價混凝劑投投量是否適宜宜，由控制系系統(tǒng)對投藥量量自動調(diào)節(jié)。這這屬于一種中中間參數(shù)反饋饋控制系統(tǒng)。該該方法的模擬擬性能也是取取決于原型(生產(chǎn)系統(tǒng))與模型(模擬濾池)的相似性。模擬濾池法法關(guān)于相似性性的解釋不僅僅未涉及幾何何相似的問題題，而且忽略略了實際生產(chǎn)產(chǎn)系統(tǒng)中反應(yīng)應(yīng)池、沉淀他他的作用，僅僅僅考慮濾池池同藥耗的關(guān)關(guān)系，對此還還需要更深入入的探討。另另外，原水加加藥后直至經(jīng)經(jīng)過模擬濾池池而得到結(jié)果果，一般需要要10～15min，在原水水水質(zhì)變化較快快的情況下該該滯后時間也也對控制的有有效性提出疑疑問。盡管如如此，這種方方法將一個復(fù)復(fù)雜的混凝效效果評價問題題以簡單的模模擬濾池出水水濁度作為指指標判斷，據(jù)據(jù)此來調(diào)整混混凝劑投量．．系統(tǒng)設(shè)備簡簡單，易于實實現(xiàn)，是一種種簡易的投藥藥自動控制方方案，在生產(chǎn)產(chǎn)上也得到了了一定程度的的應(yīng)用。2.4

數(shù)學(xué)模模型法混凝劑的投投加量與原水水水質(zhì)和水量量有關(guān)，可根根據(jù)水質(zhì)、水水量建立數(shù)學(xué)學(xué)模型，寫出出程序叫計算算機執(zhí)行控制制。由此可見見，數(shù)學(xué)模型型法是以若干干原水水質(zhì)、水水量參數(shù)為變變量，建立其其與投藥量之之間的相關(guān)函函數(shù)，即數(shù)學(xué)學(xué)模型。計算算機系統(tǒng)自動動采集參數(shù)數(shù)數(shù)據(jù)，并按此此模型自動控控制投藥。在在水處理中最最好采用前饋饋和后饋相結(jié)結(jié)合的控制模模型。前饋數(shù)數(shù)學(xué)模型應(yīng)選選擇影響混凝凝效果的主要要參數(shù)為變量量，例如原水水濁度、pH值、水溫、溶溶解氧、堿度度和水量等。前前饋控制確定定一個給出量量，然后以沉沉淀池的出水水濁度作為后后饋信號來調(diào)調(diào)節(jié)前饋給出出量。由前饋饋給出量和后后饋調(diào)節(jié)量就就可獲得最佳佳藥劑量。這這種方法國外外自70年代初開始始有研究和應(yīng)應(yīng)用，如美國國依阿華水廠廠、前蘇聯(lián)莫莫斯科水廠、日日本朝霞水廠廠等，我國也也有上海石化化總廠水廠等等應(yīng)用該方法法控制混凝投投藥。但是這種控控制系統(tǒng)的缺缺點也是顯而而易見的?？乜刂葡到y(tǒng)儀表表較多．并要要求每臺儀表表都能準確可可靠地工作，整整個系統(tǒng)才能能正常運轉(zhuǎn)。因因此。雖然許許多水廠建立立丁自己的數(shù)數(shù)學(xué)模型，但但都未能實現(xiàn)現(xiàn)以數(shù)學(xué)模型型法控制投藥藥。特別是有有些模型中包包含目前難以以自動連續(xù)檢檢測的參數(shù)(如氨氮等)．自動控制制系統(tǒng)的實現(xiàn)現(xiàn)就更加困難難了，故此法法至今在生產(chǎn)產(chǎn)上難以推廣廣。2.5

流動電電流法2.5.11

流動電流法法的發(fā)展歷程程80年代，國國際上出現(xiàn)了了流動電流投投藥控制技術(shù)術(shù)，其關(guān)鍵是是通過測量流流動電流，實實現(xiàn)了對水中中膠體電荷的的在線連續(xù)檢檢測。1989年，流動電電流投藥自動動控制技術(shù)被被首次介紹到到了國內(nèi)[44]。1992年，首套國國產(chǎn)流動電流流混凝控制系系統(tǒng)在牡丹江江應(yīng)用成功[[5]。與流流動電流技術(shù)術(shù)相配合，還還將變頻調(diào)速速技術(shù)應(yīng)用于于包括計量泵泵和離心泵在在內(nèi)的投藥泵泵的調(diào)節(jié)。在在應(yīng)用中，流流動電流技術(shù)術(shù)得到了不斷斷的改進，發(fā)發(fā)展出了流動動電流-濁度串級反反饋控制系統(tǒng)統(tǒng)、流量-流動電流前前饋-反饋控制系系統(tǒng)等[6]]。流動電流流技術(shù)在我國國許多水廠獲獲得了較普遍遍的應(yīng)用，已已被列入我國國“城市供水行行業(yè)2000年技術(shù)進步步發(fā)展規(guī)劃”，成為水處處理混凝控制制的主導(dǎo)技術(shù)術(shù)之一[7]]。2.5.22

流動電流法法的原理[88]流動電流是是固、液界面面的重要電動動現(xiàn)象之一,最早在毛細細管模型的實實驗中發(fā)現(xiàn)。當當液體受一定定壓力通過1個毛細管或或微孔塞時,在液體流動動過程中可發(fā)發(fā)生電荷遷移移,電荷移動產(chǎn)產(chǎn)生的電流稱稱為流動電流流;管兩端產(chǎn)生生的電位差稱稱為流動電位位。根據(jù)膠體體化學(xué)理論,固、液界面面上由于固體體表面物質(zhì)的的離解或?qū)θ苋芤褐须x子的的吸附,會導(dǎo)致固體體表面某種電電荷的過剩,并使附近液液相中形成反反電荷離子的的不均勻分布布,從而構(gòu)成固固、液界面的的雙電層結(jié)構(gòu)構(gòu)。當有外力力作用時,雙電層結(jié)構(gòu)構(gòu)受到擾動,在其反離子子層中的吸附附層與擴散層層之間出現(xiàn)相相對位移,在位移界面—滑動面上顯顯現(xiàn)出的電位位,即ζ電位。由于于固、液兩相相分別帶有電電性相反的過過剩電荷,在外力作用用下會產(chǎn)生電電動現(xiàn)象之一一的流動電流流,即在外力作作用下液體相相對于固體表表面流動,使擴散層與與吸附層之間間產(chǎn)生位移,形成反電荷荷離子定向移移動而產(chǎn)生電電流。流動電電流的檢測是是通過流動電電流檢測儀來來完成。被測測水樣以一定定的流速進入入檢測室,在檢測室內(nèi)內(nèi)有一活塞,作垂直往復(fù)復(fù)運動?；钊蜋z測室內(nèi)內(nèi)壁之間的狹狹小縫隙構(gòu)成成環(huán)形毛細管管空間。當活活塞在電機帶帶動下做往復(fù)復(fù)運動時,就象柱塞泵泵使水樣在毛毛細管內(nèi)做相相應(yīng)的往復(fù)運運動。水樣中中的微粒會附附著于活塞與與檢測室內(nèi)壁壁的表面,形成一個微微?！澳ぁ?環(huán)形毛細管管中的水流帶帶動微?！澳ぁ钡臄U散層作作反離子運動動,從而產(chǎn)生流流動電流。流流動電流經(jīng)檢檢測室兩端的的環(huán)形電極收收集后,送給后繼信信號處理裝置置。2.5.33

單因子自動動投藥控制系系統(tǒng)由以上理論論可知，只需需檢測并控制制與膠體ζ電位正相關(guān)關(guān)的流動電流流這一反映混混凝本質(zhì)的單單因子。所謂謂單因子是指指將影響混凝凝效果的幾種種主要因素,都反映在流流動電流這一一混凝本質(zhì)參參數(shù)上,只要測定和和控制流動電電流這一因子子,就可實現(xiàn)準準確控制混凝凝劑的投加量量。流動電流流控制技術(shù)抓抓住了水中膠膠體的微觀電電特性,解決了影響響水處理效果果的主要矛盾盾。控制效果果比傳統(tǒng)“多因子數(shù)學(xué)學(xué)模型法”更準確、可可靠。其控制系統(tǒng)統(tǒng)主要由遠程程傳感器、微微電腦測控儀儀和變頻調(diào)速速裝置3部分組成。由由于全廠PLC聯(lián)網(wǎng),控制信號都都進入PLC后,由其輸出至至就地設(shè)備。傳感器利用用流動電流原原理,在傳感器的的檢測室內(nèi),水樣連續(xù)通通過2個電極之間間的毛細管通通路,膠體雜質(zhì)會會吸附于毛細細管壁,其反離子層層受到水力剪剪切發(fā)生移動動產(chǎn)生流動電電流,由電極檢出出。它與水中中膠體ζ電位正相關(guān),準確反映膠膠體的脫穩(wěn)程程度,電子電路和和微電腦利用用該信號可準準確控制混凝凝劑投量?？刂破鲗鱾鞲衅鳟a(chǎn)生的的信號進行整整流、濾波、放放大,使之成為能能反映水中微微電荷特性的的參數(shù),該參數(shù)產(chǎn)生生控制投藥量量的4～20mAA信號至PLC。變頻調(diào)速速控制系統(tǒng)根根據(jù)PLC的輸出信號,對投藥泵實實行變頻調(diào)節(jié)節(jié),變頻投藥泵泵采用往復(fù)式式計量泵調(diào)節(jié)節(jié)轉(zhuǎn)速,達到調(diào)節(jié)加加藥量的目的的?；炷^程中中影響混凝效效果的因素很很多,存在許多干干擾。單因子子自動投藥控控制系統(tǒng)具有有克服各種干干擾的調(diào)節(jié)能能力,當工況波動動時,流動電流值值發(fā)生波動偏偏離給定值,干擾越大偏偏離越大。因因此,該系統(tǒng)以流流動電流的實實測值與控制制目標值之差差為控制參數(shù)數(shù)。加藥混合合后的水樣經(jīng)經(jīng)現(xiàn)場傳感器器檢測,測出與水中中膠體ζ電位正相關(guān)關(guān)的流動電流流,當設(shè)定沉淀淀池出水濁度度目標值后,該系統(tǒng)能自自動確定水中中膠體電荷被被中和的最佳佳值,儀器據(jù)此就就可全自動地地確定混凝劑劑投量。該系系統(tǒng)能迅速反反映水質(zhì)、水水量、濃度等等各項表觀參參數(shù)的綜合影影響,實現(xiàn)混凝劑劑的精確投加加。圖四為單單因子自動投投藥控制系統(tǒng)統(tǒng)的組成。圖四單因因子自動投藥藥控制系統(tǒng)2.5.44

流動電流法法的缺點流動電流技技術(shù)是基于膠膠體電中和脫脫穩(wěn)為主的混混凝控制技術(shù)術(shù)，若混凝作作用非以電中中和脫穩(wěn)為主主而是以高分分子（尤其是是非離子型或或陰離子型絮絮凝劑）以吸吸附架橋為主主，則投藥量量與流動電流流就很少相關(guān)關(guān)。例如黃河河高濁度水和和某些污染較較嚴重的水質(zhì)質(zhì)。2.6

透光率率脈動法透光率脈動動法是利用光光電原理檢測測水中絮凝顆顆粒變化（包包括顆粒尺寸寸和數(shù)量）從從而達到在線線連續(xù)控制的的一種新技術(shù)術(shù)。絮凝脈動檢檢測技術(shù)成功功地解決了流流動電流法不不能解決的問問題。該技術(shù)術(shù)測量水中雜雜質(zhì)絮凝過程程中尺寸的相相對變化，檢檢測過程不受受水中雜質(zhì)玷玷污的影響。我我國將國外尚尚處于實驗室室研究階段的的該項技術(shù)進進行了應(yīng)用開開發(fā)，并于1992年首次成功功地應(yīng)用于黃黃河高濁度水水的投藥控制制[9]。3.展望同任何技術(shù)術(shù)一樣，混凝凝投藥控制技技術(shù)也在不斷斷地進步。近近年來，流動動電流和絮凝凝脈動檢測技技術(shù)在日臻完完善，已經(jīng)形形成了系列化化產(chǎn)品,并在大中型型水廠得到了了廣泛的應(yīng)用用。最近，又又有應(yīng)用水下下攝影和計算算機處理技術(shù)術(shù)進行投藥控控制的研究報報導(dǎo)[10]]。隨著水質(zhì)質(zhì)在線檢測儀儀表的發(fā)展、完完善與普及，水水廠自動化系系統(tǒng)的進步，新新一代數(shù)學(xué)模模型、模糊控控制等方式也也將