（流体机械及工程专业论文）混凝投药工艺控制技术研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：参癌罨 日期： 卅矿，多- 夕搿师篡绺 日期 2 猡护占。专 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：李诌军 指导教师签名： 日期： 矽矿尹 日期刃 西华大学硕士学位论文 摘要 混凝技术是目前国内外用来提高水质处理效率的一种既经济又简便的水处理技术。 混凝技术的关键问题之一是加药量的控制。准确地投加混凝剂是获得较好混凝效果及经 济效益的前提。目前国内众多水厂混凝投药控制的效果都不太理想，因为在实际水处理 过程中，由于水质水量不断波动，如何控制适合水质变化的最佳混凝剂投加，长期以来 一直是给水行业普遍关心而又亟待解决的问题。即混凝投药过程具有明显的非线性、大 滞后、多变量等特点。因此，针对水处理混凝投药控制方法的研究具有很大的意义。 本文首先通过对混凝和影响混凝的因素的分析，找到影响混凝投药的因素。并通过 对实际情况的分析，找出了主要因素，即温度、原水水量、原水浊度。通过对温度划分 区间处理，原水水量的单位处理，我们将原水浊度看为影响投药量的唯一因素，建立了 原水浊度和投药量的数学模型，根据数学模型，并与实际数据进行分析，我们所建立的 数学模型是有效的。但由于这只是在一定的特殊条件下建立的，其准确度不是很高。随 着神经网络的发展，我们将神经网络中的b p 神经网络应用到混凝投药控制中，来实现 对混凝投药的准确控制，根据实际数据仿真，得到了良好的效果，从而实现了对混凝投 药的准确控制，减少了生产成本。 本文通过对混凝投药控制方法的研究，探索出一种适合水厂实现混凝投药的自动化 控制方法。非常适合目前我国中小水厂的自动化水平，具有广阔的应用前景。 关键词：混凝；混凝投药；数学模型；神经网络；b p 网络；仿真 混凝投药工艺控制技术研究 a b s t r a c t c o a g u l a t i o ni s a ne c o n o m i ca n ds i m p l ew a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yi ni m p r o v i n gt h e w a t e rq u a l i t yt r e a t m e n te f f i c i e n c ya th o m ea n da b r o a d c o a g u l a t i o ni so n eo ft h ek e yi s s u e so f d o s a g ec o n t r 0 1 a c c u r a t ed o s a g eo fc o a g u l a n t i st h e p r e r e q u i s i t e o fo b t a i n i n gg o o d c o a g u l a t i o ne f f e c ta n de c o n o m i cb e n e f i t s m a n yd o m e s t i cw a t e rp l a n tc o a g u l a n td o s a g e r e s u l t sa r en o ts a t i s f a c t o r y , b e c a u s ei na c t u a lt r e a t m e n tp r o c e s s ，d u et ot h ef l u c t u a t i o ni nw a t e r q u a l i t ya n dq u a n t i t y , h o wt oc o n t r o lc h a n g e si nw a t e rq u a l i t yf o rt h eb e s tc o a g u l a n td o s a g e ， h a sl o n gb e e nt h ew a t e rs u p p l yi n d u s t r yg e n e r a lc o n c e r t ib u tas e r i o u sp r o b l e m i nt h ea c t u a l t r e a t m e n tp r o c e s s ，1 1 1 ed o s i n gp r o c e s so fc o a g u l a n th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n - l i n e a r ，l o n g t i m ed e l a y ，m u l t i - v a r i a b l e ，e t c t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fc o n t r o lm e t h o df o rt h ed o s i n go f c o a g u l a n th a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef a c t o r so fc o a g u l a t i o na n dt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o a g u l a t i o n p r o c e s s ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o a g u l a t i o nd o s a g ea r ef o u n do u t m a i nf a c t o r s ，l i k e t e m p e r a t u r e ，q u a n t i t yo fr a ww a t e ra n dt u r b i d i t yo fr a ww a t e ra r ef o u n do u tt h r o u g ha n a l y z i n g t h ea c t u a ls i t u a t i o n s t h r o u g ht r e a t m e n to ft e m p e r a t u r ez o n ea n dr a ww a t e rq u a n t i t y , t h e t u r b i d i t yo f r a ww a t e ri sv i e w e da st h eo n l yf a c t o rw h i c hw i l la f f e c tt h ed o s a g e ，a n dn u m e r i c a l m o d e lo fr a ww a t e rt u r b i d i t ya n d d o s a g ea m o u n ti se s t a b l i s h e d t h r o u g hc o m p a r i n gt h ea c t u a l d a t a , w ef o u n do u tt h a tt h ee s t a b l i s h e dn u m e r i c a lm o d e li se f f e c t i v e h o w e v e r ，i t sp r e c i s i o ni s n o tt o ov e r yh i g hd u et ot h es p e c i a lc o n d i t i o n sw h i l et h ee s t a b l i s h m e n to ft h i sm o d e l w i t ht h e d e v e l o p m e n to fn e u r a ln e t w o r k ，t h eb pn e u r a ln e t w o r ki sa p p l i e di nt h ec o n t r o lo fc o a g u l a n t d o s a g et or e a l i z ep r e c i s ec o n t r o lo ft h ed o s a g e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no fa c t u a ld a t a , a g o o de f f e c ti so b t a i n e d t h u st h ea c c u r a t ec o n t r o lo fc o a g u l a n td o s a g ei sr e a l i z e da n dt h e p r o d u c t i o nc o s ti sr e d u c e d a na u t o m a t i cc o n t r o lm e t h o ds u i t a b l ef o rt h e c o a g u l a n td o s i n g i nw a t e r w o r k si s d e v e l o p e dt h r o u g hs t u d y i n gt h ec o n t r o lm e t h o do fc o a g u l a n td o s a g e t h i sm e t h o di sv e r y s u i t a b l ef o r t h ec u r r e n ta u t o m a 毫i cl e v e lo fm e d i u m a n ds m a l l s i z e dw a r e r w o r k so fc h i n aa n d h a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：c o a g u l a t i o n ；c o a g u l a n td o s i n g ；n u m e r i c a lm o d e l ；n e u r a ln e t w o r k ；b p n e t w o r k ；s i m u l a t i o n i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪 念1 1 1 课题来源及名称1 1 1 1课题来源1 1 1 2 课题名称1 1 2 课题研究的背景和意义l 1 3 本文的技术路线与主要研究内容2 1 3 1 本文技术路线2 1 3 2 本文主要研究内容2 1 4 投药控制技术综述3 1 4 1 重力式投药3 1 4 2 泵前投加4 1 4 3 水射器投加5 1 4 4 水泵投加5 1 5国内外混凝投药控制工艺研究的现状6 1 5 1经验目测法6 1 5 2 烧杯实验法6 1 5 3 烧杯实验法模拟滤池( 沉淀池法) 7 1 5 4 数学模型法7 1 5 5 胶体电荷控制法8 1 5 6 流动电流法8 1 5 7 透光率脉动法一9 1 5 8 基于人工智能的复合控制技术一1 0 1 6d 、结1 0 2 混凝机理和影响混凝效果的因素分析1 1 2 1 胶体结构及性质1 1 2 2 水中胶体颗粒的稳定性1 3 2 3 混凝机理15 2 3 1 压缩双电层机理1 5 2 3 2 电性中和机理1 5 i i i 混凝投药工艺控制技术研究 2 - 3 2 吸附架桥机理1 5 2 3 4网捕( 卷扫) 机理1 6 2 4 影响混凝效果的因素。1 6 2 4 1 原水水质的影响1 6 2 4 2 混凝剂的影响1 7 2 4 3水力条件的影响17 2 5 混凝动力学1 7 2 5 1 异向絮凝1 7 2 5 2 同向絮凝18 2 6 刀、l 右2 l 3 数学模型法在混凝投药控制中的应用2 2 3 1影响混凝剂投加量大小的因素分析2 2 3 1 1原水温度的影响2 2 3 1 2 原水p h 的影响2 4 3 1 3原水水量的影响2 6 3 1 4 原水浊度的影响2 6 3 2 绘制单位混凝剂投加量与原水浊度关系图2 6 3 3 混凝投药数学模型的建立3 0 3 3 1 最- b - 乘法原理3 1 3 3 2 系数的确定3 2 3 3 3 误差分析3 5 3 4 小结3 6 4b p 神经网络简介3 8 4 1神经网络简介3 8 4 1 1 神经网络的发展概况3 8 4 1 2 神经网络的研究内容4 0 4 1 3 神经网络原理4 1 4 1 4 神经网络的分类4 3 4 1 5 神经网络的学习算法4 5 4 1 6 神经网络的优点4 8 4 2b p 网络4 8 西华大学硕士学位论文 4 2 1 b p 算法一4 8 4 2 2b p 学习算法的计算步骤和流程图5 2 4 2 3b p 网络的优缺点5 3 4 3 小结5 4 5b p 神经网络在混凝投药过程中的应用5 5 5 1 确定混凝投药的b p 神经网络模型一5 5 5 2 混凝投药的b p 神经网络仿真5 6 5 3小结6 4 结论与展望6 5 结论6 5 展望6 5 参考文献6 7 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况一7 0 致1 射：7 1 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 水质恶化是当代水资源面临的首要问题，通过水质处理解决缺水问题已成为共识。 混凝技术是目前国内外用来提高水质处理效率的一种既经济又简便的水处理技术。混凝 技术的核心问题是加药量的控制。准确地投加混凝剂是获得较好混凝效果及经济效益的 前提。在实际水处理过程中，水质水量不断波动，达到准确投药非常困难。因此针对水 处理混凝投药控制方法的研究是具有很大的意义。 1 1课题来源及名称 1 1 1课题来源 双流水务局 1 1 2 课题名称 混凝投药工艺控制技术研究 1 2 课题研究的背景和意义 自来水在当今经济和生活中起着非常重要的作用，是经济的命脉，是人类生存和发 展的基础，是保障人民生活和发展生产建设不可缺少的物质条件。随着经济的发展和人 民生活水平的提高，需水量大幅度上升，并且对水质提出了更高的要求。然而水资源是 有限的，对于水资源，目前还没有非常明确的定义，但普遍认为有广义和狭义之分。广 义的水资源是指地球水圈内的水，它以气态、固态和液态等形式存在和运动着，如海洋 水、湖泊水、河流水、地下水、土壤水、生物水和大气水等。地球上水资源的总储量达 1 3 8 6 亿k m 3 ，其中海水占9 6 5 ：与我们平常生活关系最为密切的淡水( 即每升水中氯 元素含量少于1 克的水) 量约0 3 5 亿k m 3 ，占总储量的2 5 3 ，而其中的9 9 8 6 是深 层地下水和两极、高山冰雪等难以为人们所利用的静态水。真正与人类活动密切相关的 江、河等河槽淡水量只占淡水总储量的0 0 0 6 ；而地下淡水的储量却占淡水总储量的 3 0 e l 】。不仅如此，人类还不断地受到环境污染及生态系统被破坏的严重威胁，水源所 遭受的污染日益严重，这给水厂常规工艺处理带来了一定的困难，水质情况不容乐观。 目前水处理技术在大多数国家得到了普遍推广和应用，给社会带来了显著的综合效益。 水处理技术的研究和应用潜力是巨大的，因此针对水处理技术的研究课题具有重大的现 实意义和实用价值。 混凝投药工艺控制技术研究 混凝技术是目前国内外用来提高水质处理效率的一种既经济又简便的水处理技术。 混凝技术的核心问题是加药量的控制。准确地投加混凝剂是获得较好混凝效果及经济效 益的关键问题。在实际水处理过程中，由于原水水质水量不断波动；不同对象投药量与 影响量之间的相互关系不同；影响投药量的因素以及需要检测的参数众多，甚至参数之 间存在着耦合。这三方面的原因从而使达到准确投药非常困难【厶川。 在饮用水水质规范中，浊度是一项重要的指标，直接关系到水质的好坏【4 j 。在自来 水生产工艺过程中，浊度控制主要的一环是混凝投药，混凝投药过程对沉淀、过滤以至 消毒的影响都很大，直接关系到出水的水质【4 1 。这一过程中混凝剂的投加量又是一个决 定性因素。在工艺条件一定的情况下，若混凝剂投量偏少，胶体杂质达不到应有的脱稳 程度，混凝效果不好，相反，若投加量过多，胶体表面吸附过量的反电荷，胶体发生再 稳定而不能凝结，反应同样不理想。要求其能够根据原水水质参数的变化而不断改变加 药量以满足出水水质的要求p j 。 结合当前我国实际情况，要合理降低水的浊度，如果要求普遍采取深度水处理是很 不现实的，应该通过技术改造和完善管理措施，强化现有水处理工艺和控制的研究，充 分发挥已有资源、设备的潜力，节能降耗，保证并提高水质。因此，进行混凝投药工艺 控制技术的研究具有重大的意义。 1 3 本文的技术路线与主要研究内容 1 3 1 本文技术路线 1 ) 调查研究 通过调研，收集资料，了解当前国内外水处理的现状，提出本文研究的主要内容。 2 ) 理论探索 在调查研究的同时，对于在论文撰写过程中发现的一些难以把握的理论性问题，通 过查阅相关理论文献、著作，进行深入的研究探索。 3 ) 问题分析 通过对当前水处理的方法的调查研究，本文将数学模型法应用到水处理技术中来 实现对混凝投药的控制，随着神经网络的发展和应用，提出了把b p 神经网络控制应用 于水处理技术，为混凝投药控制技术开辟了新的控制方法，并对这种方法结合实际进行 分析，得到了很好的成果。 1 3 2 本文主要研究内容 1 ) 对当前国内外的混凝投药控制技术进行总结； 2 西华大学硕士学位论文 2 ) 对混凝机理和影响混凝的因素进行阐述和分析，找出影响混凝的主要因素，为 我们研究混凝控制打下基础； 3 ) 通过对水厂影响混凝投药因素具体数据的分析，找出影响混凝投药的主要因素， 建立混凝投药过程的数学模型。并通过分析找出所建立的数学模型在准确度存在的哪些 不足； 4 ) 针对数学模型方面存在的不足，并且随着神经网络控制的发展，我们将神经网 络中的b p 网络控制引入到混凝投药过程中，为准确对混凝投药量的控制开辟了新的途 径； 5 ) 对研究的成果进行分析和总结，并对水处理技术进行展望。 1 4 投药控制技术综述 投药及控制方式按药剂投加形态分为干投与湿投。干投是用干投机将固体药剂直接 投入水中或投入溶解容器内，再投入水中，其计量与控制都是比较困难的，调节性能较 一差。湿投又可以分为高位溶液池重力投加、泵前投加、水射器投加、水泵投加等多种形 式f 6 】。 1 4 1 重力式投药 药液自高位溶液池中流出，经过恒液位水箱依靠重力作用投入水中。较早的一种投 药控制调节方式是苗嘴调节。根据对投药量的要求，更换恒液位水箱出口苗嘴的规格， 由水力学可知流出流量会发生改变。这是一种不能太频繁的间歇式调节方式，在9 0 年 代初期仍有个别水厂应用。另一种常见的调节方式是对投药管路上的阀门进行调节，观 察转子流量计的指示，改变投药量。这种投加方式适用于取水泵房距离水厂较远者，安 全可靠，但溶液池位置较高。 3 图1 1 高位溶液池重力投药 f i 9 1 1t h eg r a v i t yd o s i n go f h i g hs o l u t i o np o o l l 一溶解池； 一溶液池；3 一提升泵：4 一水封箱； 5 一浮球阀；p 一流量计；7 一调节阀：8 一压力水 1 4 2 泵前投加 药液投加在水泵吸水管或吸水管头部。这种投加方式安全可靠，一般适用于取水泵 房距水厂较近者。图中水封箱是为防止空气进入而设的。 8 图1 2泵前加药 f i g1 2 n ed o s i n gb e f o r ep u m p 1 一溶解池；2 一提升泵：3 溶液池；4 恒位箱：5 一浮球阀； 6 投药苗嘴；7 一水封箱：8 一吸水管；9 一水泵；l o 一压水管 4 西华大学硕士学位论文 1 4 3 水射器投加 利用高压水通过喷嘴和喉管之间真空抽吸作用将药液吸入，同时随水的余压注入原 水管中。水射器效率较低，易磨损，但设备简单，使用方便，溶液池高度不受太大的限 制。 图1 3 水射器投加 f i g1 3 t h ed o s i n go fw a t e ri n j e 圮t o r 1 一溶液池；2 一投药箱：3 漏斗； 4 一水射器；5 一压水管；6 一高压水管 1 4 4 水泵投加 传统上最常见的方式是采用离心式投药泵，将药液送入水中。调节方法是对投药管 路的阀门调节、转子流量计指示。后来在8 0 年代后期，开始出现了计量泵投药的应用。 计量泵投加如图1 4 所示。这种投加方式不必另设计量设备，适合混凝剂自动控制系统， 有利于药剂与水的混合。 图1 4 计量泵投加 f i g1 4 t h ed o s i n go fm e t e r i n gp u m p l 一溶液池；2 一计量泵；3 一压水管 工艺控制技术研究 1 5国内9 1 i e 凝投药控制工艺研究的现状 在水处理单元环节的自动控制方面，混凝投药是最困难的环节，因为混凝过程是一 复杂的物理、化学过程，目前还很难通过对其化学反应机理的研究，准确地建立反应过 程的数学模型。并且影响投药以后混凝效果的因素很多，如原水浊度、流量、水温、p h 值等，同时，从混凝剂的投加，到混凝、沉淀、过滤，大约要经过两个小时左右的时间， 对于这样一个非线性、大滞后的系统，采用传统的控制方式很难对原水水质参数的变化 做出迅速反应，也就限制了其控制效果，使得目前水厂广泛采用的固定程序化自动控制 系统，很难在水厂运行过程中实现混凝剂投加量的优化控制。但同时由于混凝在水处理 工艺中的重要地位，混凝投药也是人们最为关注的环节。 长期以来，工艺和控制方面的工程技术人员、专家以及研究人员在混凝投药控制技 术方面，做了大量的努力，取得了很大的进展。为了实现混凝投药量的最佳投加，主要 经历了以下几个控制方法： 1 5 1经验目测法 这是最简单原始的人工方法，又称为“e y e b a l l ”。此种方法是操作人员通过观察原 水浊度的变化、凝聚后矾花生成情况、沉淀后水的浊度高低来凭经验决定投药量。有的 水厂根据试验或生产统计经验，制成浊度一矾耗对照表，再辅以目测观察，作为决定投 药量的依据7 1 。这是一种人工间歇式投药量调节方法。由于原水浊度不是影响药耗的唯 一因素，且计量药耗的准确也至关重要，特别在人工的间歇期，很难跟踪原水水质的迅 速变化，因此这种方法的可靠性较低。应用这种方法来对投药量进行控制，既浪费人力， 也很难保证供水安全，而且药量浪费大，水质保证率也很低l z j 。 1 5 2 烧杯实验法 这也是一种人工间歇式投药量调节方法 刀。在7 0 - 8 0 年代以后，越来越多的水 厂采用烧杯试验作为确定投药量的参考方法。烧杯试验每天或每周进行1 次。由于 间隔时间长，而且许多水厂烧杯试验结果与水厂实际有一定的出入，因此多数水厂 只是将烧杯试验结果作为参考。这里存在的一个问题是，烧杯试验条件不应是千篇 一律的，每个水厂应该研究与该厂水处理工艺有相似性的特定烧杯试验条件。这种 方法还存在结果的不连续性及滞后性的问题。用此应用的效果不是很理想，但此种 方法在评价混凝剂性能、混凝剂品种筛选、品种条件选择等方面，还是一种很有效 的手段。 6 西华大学硕士学位论文 1 5 3 烧杯实验法模拟滤池( 沉淀池法) 模拟滤池法是利用一个小的模型滤池或沉淀池，使水处理生产系统中得到初步混凝 的水流过该模型，计算机控制系统以该模型的出水浊度的情况来评价投药量是否适宜， 并作为调节投药量的依据，实现对投药量的自动控制【7 1 。这是一种中间参数反馈控制系 统。西方国家在上世纪6 0 年代初开始使用，我国无锡中桥水厂于1 9 8 4 年安装了一套模 拟滤池系统控制投药。目前仍有一些水厂将之作为控制投药量的辅助手段。 这种方法的控制过程有1 0 - - - , 2 0m i n 的时间滞后( 水样流经模型的时间) ，在原水 水质变化急剧的水厂不能适用。该方法的准确性也较差，因为其依据是模型( 模拟滤池) 与原型( 生产系统) 的相似性，然而保证其相似是困难的。例如在原水浊度较高时，仅 以一个小滤池模拟水处理全系统工况是不全面的。这些不足也限制了该方法的普遍应 用。 1 5 4 数学模型法 数学模型法是投药控制技术上的一个重要进展，它以若干原水水质、水量参数为变 量，建立其与投药量之间的相关函数，即数学模型；计算机系统自动采集参数数据，并 按此模型自动控制投药。这种方法国外自上世纪7 0 年代初开始有研究和应用，如美国 依阿华水厂、前苏联莫斯科水厂、日本朝霞水厂等都提出了适合本厂特定的数学模型。 1 9 6 4 年，苏州胥江水厂就建立了我国最早的投药量模型，其中包括原水浊度、温度、耗 氧量等几个参数。其数学模型为： y = 一0 1 7 4 x ! + 0 3 3 8 6 x 2 + 5 1 6 0 7 x 3 + 1 4 5 2 1 9 式中：y 一投药量；x l 一原水水温；x 2 一原水浊度；五一原水耗氧量。 但由于原始资料、检测与控制投加设备方面等原因，未能实际应用。 后来，重庆高家花园水厂( 1 9 8 1 年) 等也陆续建立了投药量模型，但是都一直未能 实用。其中一个重要原因是受当时的自动化仪表水平限制，很少有几个水质参数能实现 可靠的在线连续检测，更何况还涉及耗氧量等参数，至今未能解决在线检测问题。 进入8 0 年代，在线检测仪表与控制技术发展较快，特别是计算机技术的进步为自 动控制提供了关键性手段，数学模型法混凝控制也有了实现的可能。兰州第一水厂于 1 9 8 3 年在高浊度水的投药控制上首先建立了数学模型，主要根据高浊度水的泥沙浓度， 用计算机控制混凝剂的自动投加，取得了成效。此后，有研究者对高浊度水投药控制数 学模型进行了更深入的研究，提出了精度较高的比表面积模型，但未见应用报导。 早期的数学模型是前馈模型，只能用于开环控制，即按原水水质等参数的变化进行 投药，而投药混凝结果并不能反馈会控制系统中。这就要求前馈模型应该十分精确可靠， 混凝投药工艺控制技术研究 才能达到预期的控制效果，这在实践中是困难的，因此难以实用。国内外的研究对此做 出改进，又推出了前馈给定与反馈微调相结合的前馈一反馈复合控制模型。用计算机自 动控制投药，取得了一定的效果。例如上海石化总厂水厂的数学模型： 前馈数学模型为： k = 2 9 1 5 - i - 0 2 2 1 7 x l + 9 9 6 8 8 x z + 3 7 9 3 7 5 x 3 + o 5 8 8 6 x 4 2 6 4 8 9 10 - 4 e ( x 2 2 一1 5 38 8 10 3x 1 2 1 2 5 2 0 x ：x 3 反馈数学模型为： k = 0 0 8 3 ( 5 一工) 3 0 7 5 ( 5 一z ) 2 0 3 3 3 ( 5 一石) - 0 0 3 ( x 一5 ) 3 0 4 3 2 ( x 一5 ) 2 + 1 2 5 8 ( x - 5 ) 2 0 5 ) ( 5 1 2 ) 式中：k 一前馈药量；a k 一反馈微调药量；五一原水浊度；恐一原水温度； 五一原水p h 值；x 4 一沉淀池进水量；工一沉淀池出水浊度。 此方法实现了开环与闭环相结合的复合控制属于优化控制范畴，是国内外比较先 进的控制方法，也是我们今后研究的主方向。采用此种控制方式可达到提高水质，并能 降低药耗。但由于模型的形式相对复杂化了，给建模和控制带来很大的困难。 数学模型法未能获得推广，其原因包括：混凝的影响因素众多，准确建模困难：建 立数学模型，需要长期大量的准确数据统计；涉及仪器仪表多，投资大，维护要求高； 模型灵活性差，难以适应混凝剂品种改变、控制目标调整等变化。但这不失为一种较先 进的方法。今后随着监测和及数据自动采集的逐步实现，以及供水行业资金的逐步雄厚， 数学模型法会得到进一步的发展。 1 5 5 胶体电荷控制法 由混凝理论知道，常规混凝过程就是水中胶体杂质电荷特性改变的过程，通过测定 胶体电荷来控制投药量是混凝控制的根本性方法。最初，曾有研究试图用控制电位实 现混凝控制，后来又有胶体滴定等研究，但都由于不能实现在线检测而无法成为混凝自 动控制技术。 1 5 6 流动电流法 8 0 年代，国际上出现了流动电流投药控制技术，其关键是通过测量流动电流，实现 了对水中胶体电荷的在线连续检测。1 9 8 9 年，流动电流投药自动控制技术被首次介绍到 了国内。1 9 9 2 年，首套国产流动电流混凝控制系统在牡丹江应用成功【8 】。与流动电流技 术相配合，还将变频调速技术应用于包括计量泵和离心泵在内的投药泵的调节。在应用 8 西华大学硕士学位论文 中，流动电流技术得到了不断的改进，发展出了流动电流一浊度串级反馈控制系统、流 量一流动电流前馈一反馈控制系统等1 9 】。流动电流技术在我国许多水厂获得了较普遍的应 用，已被列入我国“城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划”，成为水处理混凝控制 的主导技术之一【1 0 】。 流动电流检测仪控制法是利用凝聚的微观特性即胶体电荷的变化，检测流动电流一 项因子来实现混凝工艺中投药的连续自动化控制。其控制原理是：将水样流经一个特殊 的圆筒内，该圆筒的底部和项部都装有敏感电极，其内部有一个可上下运动的活塞，当 水流经圆筒内部时，由于活塞上下运动推动水运动，水中的胶粒带有电荷，电荷运动产 生电流，电流的大小与胶粒电位成正比，在混凝过程中，胶粒的电位又与混凝剂的 投加量相关，最佳的絮凝效果理论上是电位为零。流动电流检测仪通过检测加药后的 水流动电流的大小，输出4 一- - 2 0 m a 信号来控制计量泵变频器。由于这种方法只从胶体 电位大小这一个因素来判断混凝剂加量的大小，因而我们又称之为单因子控制法【1 1 】。 混凝过程中影响混凝效果的因素很多，存在许多干扰。单因子自动投药控制系统具 有克服各种干扰的调节能力，当工况波动时，流动电流值发生波动偏离给定值，干扰越大 偏离越大。因此，该系统以流动电流的实测值与控制目标值之差为控制参数。加药混合 后的水样经现场传感器检测，测出与水中胶体电位正相关的流动电流，当设定沉淀池 出水浊度目标值后，该系统能自动确定水中胶体电荷被中和的最佳值，仪器据此就可全 自动地确定混凝剂投量。该系统能迅速反映水质、水量、浓度等各项表观参数的综合影 响，实现混凝剂的精确投加。 流动电流技术是基于胶体电中和脱稳为主的混凝控制技术，若混凝作用不以电中和 脱稳为主而是以高分子( 尤其是非离子型或阴离子型絮凝剂) 以吸附架桥为主，则投药 量与流动电流就很少相关。例如黄河高浊度水和某些污染较严重的水质。 1 5 7 透光率脉动法 透光率脉动法是利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化( 包括颗粒尺寸和数量) 从而 达到在线连续控制的一种新技术。 透光率脉动检测器是一种在线光学检测装置，但跟其他各种以光阻塞或光散射为基 础的检测器有本质性区别。该仪器用透光流动悬浮液的透光强度的波动状态计算出形成 的絮凝体粒径的变化，因而灵敏度高、响应迅速。无论使用何种混凝剂靠何种机理发生 混凝，混合絮凝后絮凝体粒径的相对大小只要有所改变，该透光率脉动检测器都可以准 确、灵敏地连续响应。其独特的自校准电路结合先进的函数算法，完全排除了检测室沾 污和电子漂移对检测精度的影响，使仪器的完全免维护成为现实。 9 混凝投药工艺控制技术研究 絮凝脉动检测技术成功地解决了流动电流法不能解决的问题。该技术测量水中杂质 絮凝过程中尺寸的相对变化，检测过程不受水中杂质玷污的影响。我国将国外尚处于实 验室研究阶段的该项技术进行了应用开发，并于1 9 9 2 年首次成功地应用于黄河高浊度 水的投药控制【1 2 】。但此技术目前还未成熟，存在着滞后时间长、原水浊度变化对系统设 定值影响较大、与工艺相似性差、系统不易稳定等缺点。 1 5 8 基于人工智能的复合控制技术 随着计算机迅速发展，计算和信息处理能力的不断提高，人工智能逐渐成为了一门 学科，并在实际应用中显示出很强的生命力。人工智能的逻辑推理、启发式知识、专家 系统等正是解决这些难以建立精确数学模型的控制问题的为有力的工具，将其应用于非 线性混凝投药控制系统的动态建模和辨识可不受非线性模型类型的限制。 于是越来越多的学者提出将智能控制方法与先进的混凝控制技术结合起来，从而有 效提高混凝投药控制系统的智能化程度。目前主要的智能控制方法有：( 1 ) 人工神经网 络控制方法【1 3 】，该方法有着较传统控制方法更明显的优势，并在理论上讨论了可行性。 ( 2 ) 基于神经网络的混凝投药系统预测模型【1 4 】，利用该模型实现混凝剂投加量的在线预 测控制，为实现混凝剂的最优投加提供了一条有效途径。( 3 ) 对基于多项水质参数的混 凝投药系统【1 5 】，提出利用人工神经网络方法实现混凝剂的优化投加控制。( 4 ) 对于基于 透光率脉动检测值的单因子混凝控制系统【l5 1 ，提出利用模糊逻辑推理实现不同水质条件 下的透光率脉动混凝投药系统设定值的在线自修正。 近几年来混凝剂投加的智能化控制一直是水处理工作者的关注重点，并且越来越倾 向于各种智能方法的综合应用，以便实现混凝剂投加的最优控制。 1 6 小结 本章首先讲述了混凝投药工艺控制的背景和意义，并结合当前国内外的研究状况提 出了本文研究的主要内容。 i 0 西华大学硕士学位论文 2 混凝机理和影响混凝效果的因素分析 混凝是水中胶体粒子以及微小悬浮物质的聚集过程。它是水质净化工艺中十分重要 的一个环节。而影响混凝的因素众多，为了保证建立的混凝投药数学模型能够准确的对 混凝剂的投加进行控制，我们要对胶体的性质、混凝机理、影响混凝效果的因素及混凝 动力学进行了解和分析。 2 1 胶体结构及性质 胶体由胶核、吸附层和扩散层三部分组成，如图2 1 所示。胶核是胶体粒子的核心， 它由很多不溶于水的分散相固体物分子组成。由于胶核具有较大的表面积，它的表面具 有选择吸附一层带电荷的离子( 电位离子) 的能力，胶核因为电位离子而带有电荷。胶核 表面的电位形成离子在静电引力的作用下，在其周围吸附了大量的异号离子( 反离子 层) ，反离子的电荷总量和电位离子的电荷总量相等，但符号相反，这样在胶核与周围 介质的界面区域内就形成了一个双电层结构，胶核的电位决定离子层为内层，液相中的 反离子层为外层。反离子中紧靠电位离子部分被电位离子牢固的吸引着，并随着胶核一 起运动，称为反离子吸附层。吸附层的厚度为几个纳米，它和电位离子一起构成胶体粒 子的固定层。固定层外围的反离子由于距胶核较远，受电位离子的引力较弱，受热运动 和水合作用影响较大，因而不随胶核一起运动，并有向溶液主体扩散的趋势，称为反离 子扩散层，扩散层中，浓度分布由内i 彬 l - 逐渐减少，直至与溶液中的平均浓度相等。 固定层和扩散层之间的交界面为滑动面，当胶核与溶液发生相对运动时，胶体粒子 就沿滑动面一分为二，滑动面以内的部分是一个作整体运动的动力单元，称之为胶粒， 胶粒和扩散层一起称之为胶团，由于胶粒内的反离子电荷数比电位离子的电荷数少，因 此胶粒总是带电的，其带电数为电位离子的电荷与吸附层的反离子的电荷数之差，其电 性与电位离子相同。 胶粒与溶液主体间由于剩余电荷的存在所产生的电位称之为 k ，胶体颗粒才接近，发生聚集。通常情况 下布朗运动的动能远远小于胶体之间的排斥势能，因而水体中的胶体呈现出稳定状态。 这就是d l v o 理论【5 1 。 1 4 西华大学硕士学位论文 胶体微粒的聚集稳定性也不全是由于静电斥力引起的，胶体表面的水化作用也是重 要的因素。 2 3 混凝机理 水处理中的混凝现象比较复杂。不同的水质条件及采用不同种类的混凝剂时，混凝 剂作用机理也有所不同。水处理专家经过长期以来的研究，目前的混凝机理，可分为压 缩双电层、电性中和、吸附架桥和网捕( 卷扫) 4 种【5 】。 2 3 1压缩双电层机理 压缩双电层是指在胶体分散系中投加能产生高价反离子的活性电解质，通过增加溶 液中的反离子浓度来减少扩散层厚度，从而使电位降低的过程。该过程的实质就是 新增的反离子与扩散层内原有的反离子之间由于静电斥力的作用，把原有的反离子不同 程度的压缩到吸附层中，从而使扩散层变薄。由于扩散层厚度的减少，使得f 电位降低， 胶粒间排斥力也减少。另一方面由于扩散层厚度变薄，它们相撞时的距离也减小，因此 彼此之间的引力变大。从而其排斥力与吸引力的合力由斥力为主变成以引力为主( 排斥 势能消失) ，胶粒与胶粒之间接触时容易发生凝聚。 2 3 2 电性中和机理 电性中和机理是指胶粒表面对异号的离子、异号的胶粒和链状离子、分子带异号电 荷的部位具有强烈的吸附作用，从而中和了电位离子所带的部分电荷，使得f 电位降低， 减少了胶粒之间的排斥力，使胶体的脱稳和凝聚容易发生。此时静电引力常是这些作用 的主要方面。但是，如果投加混凝剂量过多，凝聚效果反而下降。这是因为胶粒吸附了 过多的反离子，使得原来的电位离子变号，排斥力变大，从而出现再稳现象【5 】【1 7 】。 2 3 2 吸附架桥机理 吸附架桥作用主要是指投加的水溶性的高分子聚合物在静电引力、范德华引力和氢 键力作用下