（市政工程专业论文）净水厂混凝投药控制的研究.pdf

摘要 混凝控制事实上主要就是混凝剂投加量的控制，混凝投药是净水工艺中不可 缺少的和关键性的环节，准确投加所需要的混凝剂量是获得较好混凝效果及经济 效益的关键问题。目前国内众多水厂混凝投药控制的效果都不太理想，如何控制 适合水质变化的最佳混凝剂投加量，长期以来一直是给水行业普遍关心而又亟待 解决问题。 针对混凝过程影响因素众多，例如受原水水质、配水流量和混凝工艺等因素 的影响；机理研究复杂，并且混凝过程具有滞后性、非线性和对变性，因而控制 难度大，难以确定准确的数学模型。本文在总结传统经典控制方法的基础上，引 入神经网络的理论和思想，介绍了b p 和g r n n 神经网络的结构、建模原理、仿 真分析、预测和实现方案。 本文首先介绍了选题的背景和混凝投药控制的方法、方式的现状，进而论述 了国内外混凝投药控制概况。对适应于混凝过程建模的b p 神经网络的结构和算 法进行了分析，针对它的特点作了有效改进，引入了改进的算法一量化共轭梯度 法( s c g ) 。分析了g r n n 神经网络的结构和特点。 在分析混凝过程特性和投药控制方案的基础上，分别设计了以原水浊度、温 度、p h 、碱度、流量作为b p 和g r n n 神经网络模型输入神经元参数，投加量 为输出神经元。通过对相关水厂实际运行数据进行收集和整理，运用神经网络模 型进行了仿真分析，并验证了模型的泛化能力。为了比较模型的优劣，运用数值 分析上的最d x - - 乘法，建立了原水水质与投加量的多元数学模型，找出了主要影 响因素原水浊度与混凝剂投加量的定量数学表达式。从投药实际值与仿真值的对 比图、相关系数和均方根误差( o ) 等可以看出神经网络模型明显优于传统控制数 学模型。从模型的性能指标看，g r n n 模型的性能最好，它能够根据原水水质适 时有效预测混凝投药量。应用v i s u a lb a s i c6 0 开发出控制模型分析的应用界面， 便于使用。 最后，结合选定水厂投药控制的现状，通过对系统模型的整合和优化，提出 了前馈控制系统的实现方案。 关键词：混凝投药控制投加量神经网络b p 神经网络g r n n 数学模型 a b s t r a c t a c t u a l l y , c o a g u l a n t c o n t r o l m o s t l y i s c o a g u l a n td o s i n g a d d i t i o nc o n t r 0 1 c o a g u l a n td o s i n gi si n d i s p e n s a b i l i t ya n dak e yr o l ei nt h ep r o c e s so fd r i n k i n gw a t e r t r e a t m e n t ，i ti ss i x t y f o u r - d o l l a rq u e s t i o nt oi m p r o v ec o a g u l a n te f f e c ta n de c o n o m i c b e n e f i t s a tp r e s e n tt h ec o a g u l a n td o s i n gc o n t r o le f f e c to fd o m e s t i cm o s tw a t e rs u p p l y f a c t o r i e sa len o ts a t i s f y i n g i ti saa tl a r g ec a r ea n dd e s i d e r a t es o l v ep r o b l e mh o wt o c a l c u l a t et h ee f f i c i e n tc o a g u l a n td o s a g ea c c o r d i n gc u r r e n t l yla ww a t e rq u a l i t i e si n w a t e rt r e a t m e n ti n d u s t r y b a s e do nv a r i o u sf a c t o r si nt h e p r o c e s so fc o a g u l a t i o n ，s u c h a sm a n y c h a r a c t e r i s t i c so fr a ww a t e rq u a l i t y , c a p a c i t yo ft r e a t i n gw a t e r , c o a g u l a n tt e c h n i c sa n d s oo n ；c o m p l e xm e c h a n i s mi nr e s e a r c h ，a n dc o a g u l a n tp r o c e s si sab i gt i m e - d e l a y , n o n l i n e a ra n du n c e r t a i ns y s t e m ，s oi ti sd i f f i c u l tt oc o n t r o la n da s c e r t a i nn i c e t y m a t h e m a t i c a lm o d e l g r o u n d e do nt h et l a d i t i o n a lc l a s s i c a ic o n t r o lm e t h o d t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h et h e o r ya n di d e ao fn e u r a ln e t w o r k ，a n di n t r o d u c e st h es t r u c t u r e ，t h e o r y o fm o d e l i n g , a n a l y s i so fs i m u l a t i o n ，f o r e c a s to fm o d e la n dr e a l i z a t i o no fb pa n d g r n nn e u r a ln e t w o r k i n t h i st h e s i s ，t h eb a c k g r o u n do ft h et h e s i sc h o i c ea n dt h ea c t u a l i t ya n d d e v e l o p m e n to fc o a g u l a n td o s i n gc o n t r o lm e t h o d sa n dm a n n e r sa lef i r s ti n t r o d u c e d t h et h e s i sa n a l y s e st h es t r u c t u r ea n dt h ec a l c u l a t i o no fb pt h a tp r o p e r l ya p p l yt os e t u pt h ec o a g u l a n tp r o c e s sm o d e l i n g ，a i m e da tt h ec h a r a c t e r so fb p , t h et h e s i sm a k e sa a v a i l a b i l i t yi m p r o v e m e n to ft h ec a l c u l a t i o no fb p , i n t r o d u c e sai m p r o v e m e n t c a l c u l a t i o no fb p - - s c gt h es t r u c t u r ea n dt r a i t so fg r n nw a sa n a l y z e d b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r so fc o a g u l a n tp r o c e s sa n dt h es c h e m e so fc o a g u l a n t d o s i n gc o n t r o l ，d e s i g n st h ela ww a t e rt u r b i d i t y , t e m p e r a t u r e ，p h ，b a s i c i t ya n df l u xa s t h ei m p o r tn e r v ec e l lp a r a m e t e r so fb pa n dg r n nn e u r a ln e t w o r km o d e l ，t h ee x p o r t n e r v ec e l lp a r a m e t e r si sc o a g u l a n td o s i n ga d d i t i o n a c c o r d i n gt oc o l l e c t i n go r i g i n a l d a t a ，f i l t e r i n gi n v a l i dd a t aa n du s i n gm e t h o do fn e u r a ln e t w o r km o d e l ，m a k e st h e a n a l y s i so fs i m u l a t i o n ，a n dw ev a li d a t e dt h ee x t e n s i o nc a p a c i t yo ft h em o d e l f o rt h e s a k eo fc o m p a r i n gt h es u p e r i o ra n di n f e r i o ro ft h em o d e l ，u s i n gm e t h o do fl e a s t s q u a r e s ，w es e tu pam u l t i p l e l i n e a rr e g r e s s i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lw i t ht h e p a r a m e t e r so fl a ww a t e rq u a l i t i e sa n dt h ea d d i t i o nq u a n t i t yo fc o a g u l a n t ，f o u n da f u n c t i o nw i t ht h ea d d i t i o nq u a n t i t yo fc o a g u l a n ta n dt h er a ww a t e rt u r b i d i t y a c c o r d i n gt ot h ec h a r to fc o n t r a s t ，c o r r e l a t i o n ，m e a n - r o o t s q u a r ee r r o r ( o ) a n ds oo n ， t h en e u r a ln e t w o r km o d e li sd i s t i n c ts u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l w ee m p o l d e raa p p l i e di n t e r f a c eo ft h ec o n t r o lm o d e la n a l y s i sb yu s i n gv i s u a lb a s i c 6 0i nt h ei n t e r e s to fu s i n gc o n v e n i e n c e a tl a s t ，w ec o m b i n et h ec o n t r o la c t u a l i t yo ft h ew a t e rs u p p l yf a c t o r y , b y c o o r d i n a t i n ga n do p t i m i z i n go f t h es y s t e mm o d e l ，t h es c h e m eo ff e e d f o r w a r dc o n t r o l o fc o a g u l a n td o s a g eh o wt op r a c t i c ei ne n g i n e e r i n gi sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：c o a g u l a n td o s i n gc o n t r o l ，a d d i t i o nq u a n t i t yo fc o a g u l a n t ， n e u r a ln e t w o r k ，b pn e u r a ln e t w o r k ，g r n n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：讳荨源 签字日期： 砷年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫童盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：痒枣滑 签字日期：卅年f 月i j 日 导师签名： 签字日期：旯i s 日 彳嘭 班年 镪7 第一章绪论 第一章绪论 给水处理系统担负着保证用户用水水质的重要任务。在运行过程中，处理系 统接受的原水来自江河、湖泊和水库等，受自然条件等因素的影响，原水水质是 不断变化的，有时变化幅度还是很大的，如来自同一条河流的原水浊度可能在几 十n t u 至几千n t u 之间变化；水量也可能受用水情况影响而有较大的变化。受这 些原水水质、水量、以及各种工作条件参数变化的影响，水处理各环节的工况也 会发生波动，即给水处理系统的运行条件属于非稳定状况。因此需对之及时调节 控制，才能保证处理过程高效、经济地运行。另外，加强水处理工艺过程监控和 参数统计，也是强化生产过程管理的需要。采用科学的管理手段，以控制整个给 水处理系统，以最低的制水成本，使系统达到最优的运行状态来满足人们的用水 需要。尤其是近几十年来，伴随着计算机技术、自动化控制技术和仪器仪表技术 的发展，自动化控制系统在水厂的建立和应用已成为水厂的最显著的特点之一。 目前自动化控制系统在国内大中型城市水厂已经有了较好的应用环境和应用基 础，逐渐成为水厂建设和改造投入时必须考虑的内容。水处理系统监控技术与设 施的水平，是水厂现代化程度的重要标志p - 3 1 。 目前，我国自来水产水系统的处理工艺与国外大致相当，但净水的自动化水 平和管理水平与国外相比差距较大。国外一些发达国家的城市给水系统的自动化 程度相当高，广泛采用计算机控制生产过程，很多过程实现无人操作，信息通讯 系统有效可靠，生产运行记录数据系统完整1 4 j ；而我国制水工艺过程控制多数仍 然采用人工凭经验操作，从而无法把现有工艺的净水能力充分发挥出来，制水的 成本尚有较大的挖潜余地，特别是在混凝加药方面，大多数水厂还是采用烧杯实 验方法确定投药量，存在严重的不连续性和滞后性，即使采用了一些方法来实现 水厂投药系统的自动化控制，但在生产过程中存在抗干扰性和鲁棒性较差，所以 有必要研究具有自适应、自学习能力的智能化混凝剂投加控制方法，加速我国水 厂自动化的进度。 1 1 选题的背景 百多年以来，饮用水净化工艺的任务就是对来自自然界的原水进行加工， 通过物理化学等方法去除水中的杂质和病原体等有害物质，使水质符合生活或工 业用水的各种要求。水处理足由多种工艺过程组合成的一个系统化设施f 5 1 。 第一章绪论 我们知道，自来水可能的水源有江河、湖泊、水库、地下水等，原水中通常 含有大量的粘土类杂质和腐殖质类杂质等。水中杂质颗粒大小基本处于 1 0 0 0 m 1 0 - 2 m 范围内，而水分子的尺寸是4 a ( 1a = 1 0 q o ) 。实际上水处理的对 象是从1 0 - 9 m 到1 0 击m 范围内的杂质。1 0 - 6 m 以上和1 0 母m 以下这类不同尺寸 杂质，有直接分离的净化工艺。但1 0 母m 1 0 。6 m 之间的杂质不能直接处理，要 把胶体的颗粒体积增大到固液分离的程度后，再净化处理，把它称作胶体凝聚或 矾花形成处理。水中的杂质，胶体成份所占比例是相当大的，而这部分胶体杂质 必须通过混凝处理环节才可以被去除。 在常规给水处理水厂中，混凝工艺已经被采用了1 0 0 多年，到目前为止大都 被保留下来，并仍在应用之中。在工业化高度发展的今天，世界各国的水源均受 到不同程度污染，人们不得不开展各种净水新工艺的研究，来处理水中各种有毒 有害物质和微量有机物。但是，混凝仍然是净水工艺中不可缺少的和关键性的环 节。在当今水厂中，混凝仍是不可取代的主题工艺，提高混凝的效能是水厂生产 运行管理的主要课题【6 j 。能否使水中的浑浊物质聚结形成具有一定粒度及表面特 性的絮凝体，为沉淀或过滤去除创造良好的条件，关键是混凝效果如何。在工艺 一定的情况下，混凝效果由混凝剂的投加量情况决定。通常所用的混凝剂都属于 电解质物质，在水中与胶体杂质发生电中和，压缩胶体的双电层，降低( 电位， 使之脱稳凝聚。若混凝剂投量偏少，胶体杂质达不到应有的脱稳程度，自然混凝 效果不好；相反若投量过多，使胶体表面吸附过量的反电荷，改变电性而使 电 位重新升高，胶体发生再稳而不能凝结，同样达不到混凝的目的。加适量的混凝 剂，保障混凝效果，是使处理水质合格的前提。另外，目前，使用的混凝剂多为 铝盐。研究表明，水中铝离子的浓度过高会影响人的身体健康，并对水质及输水 系统产生不良的影响；另一方面，净水的药剂费仅次于电费而构成制水成本的第 二大要素，混凝剂的投加量直接影响到制水成本。一座中等城市年净水的药剂费 用可达几百万元，全国的年药剂费可达数亿元。在保证处理效果的前提下，节约 混凝的消耗，是降低净水成本的重要措施，经济意义十分重大。因此，投药混凝 是水质净化最重要环节之一。 目前，国内水厂在药剂自动投加方面，大部分水厂正处于起步阶段，很多时 候还是通过过量投药和人工手动投药满足到出水水质要求，这种较为落后的状况 与现代产、供水要求及饮水品质要求差距较大，还存在药耗高、经济效益差、水 质不稳定、工人劳动强度大等一系列问题。因此，准确投加所需要的混凝剂量则 是获得较好混凝效果及经济效益的关键问题，所谓混凝控制事实上主要就是混凝 剂投加量的控制，但如何准确的控制混凝剂的投加量，使其在保证出水水质合格 的前提下药耗最小，长期以来一直是给水行业普遍关心而又亟待解决问题。 2 第一章绪论 由于影响混凝投加量的因素很多，从生产运行的角度，可以概括出以下几个 方面：混凝要达到的目标、处理构筑物的性能、原水水质和混凝剂自身的特性等。 加之整个混凝沉淀过程时间长以及许多参数不能实现在线连续监测，这给预测混 凝剂投加量和实现自动化控制投加带来很大问题，致使国内外目前在使用方法上 尚不完善【7 】。由于诸方面众多因素的影响，使混凝剂投量的确定与控制十分复杂 与困难。目前还没有一个完整的理论计算模式，只能按经验或试验确定混凝剂量。 特别是在国内，许多水厂还是使用烧杯实验来确定混凝剂投加量。另外，在模型 的应用方面尚没有统一的模型，对于具体的水厂，要根据自身的特点来确定适合 自己控制模型。因此，对于某个具体水厂，需要建立自己的控制模型，并且有必 要通过模型间的相互比较，寻找一种具有自适应、自学习能力而又可以实现在线 连续预测混凝投药量自动控制方法，使目前的水处理系统的自动化水平从现有的 固定程序设定向具有自学习、自适应能力的智能型系统发展，在保证水厂运行稳 定、可靠、出水水质优良的前提下，最大限度的降低电耗、药耗，减轻工人的劳 动强度，扩大自控系统的适应范围，这将成为水厂今后自动化的发展方向。 随着水厂检测手段和自动化程度的不断提高，逐步形成了许多实用的混凝控 制方法，相应的也提出众多的自动投药方案。由于水处理工程中凝聚作用本身有 多种理论，决定加药量多少的水质特性因素在理论上还不够完善，使得各种控制 方法、控制方案各有利弊，各种模型应用在实际运行时存在问题。特别是由于我 国水源污染严重，例如，广州市区河段的水质已劣于五类标准，松花江水中汞严 重超标等j 。这就影响了国外的自动检测设备与自动成套设备在我国的使用，使 一些设备的自然寿命降低。据资料表明恻，进e l 设备中的仪器如碱度计引进后从 未投产或因故障较多而被拆除的占2 3 ，流动电流检测仪由于堵塞、信号漂移、 不稳定、错乱而引起加药系统不能实现的情况时有发生。另外，在投药的品种和 数量上也存在差距。欧、美、日净水厂通常在原水中先投加臭氧，以氧化水中的 有机物，并且混凝剂投加率偏大。而我国的水厂在原水中加氯作氧化剂，加硫酸 铝、三氯化铁或碱铝作混凝剂，投加率既考虑水质达标更考虑经济节约。这就使 在加药控制系统中，不能照搬国外先进的控制方案，要在“经济浊度范围”内， 使处理水达标，投药量又较少的出水浊度，实施投药量自动控制。再者，我国多 数水厂目前在设备管理、维护、操作人员对设备性能和操作方法了解程度上、检 测仪表技术的掌握上，同国外都存在一定的差距。由于操作工人不能完全掌握仪 表设备的使用，缺乏仪表的调校、保养的专门知识，不重视仪表的日常清洁与维 护，而使检测仪表精度降低，甚至不能工作，影响加药自动化的实施。 因此，在水厂的自动化尤其是实现投药控制自动化的过程中，我们应该致力 于研究适合具体水质状况的自动化控制模型，加速我同水厂的自动化进程。 第一章绪论 1 2 混凝投药控制方法的现状 准确地控制混凝投药既可保证良好的混凝效果，又可节约药剂消耗，降低制 水成本。因此，混凝控制技术成为各国水处理界研究的热门课题，使混凝投药控 制技术在近几十年内得到了很大发展。下面就国内外混凝投药控制的现状进行分 析。 1 2 1 混凝控制方法分类 对一个特定的水处理工艺系统，净水构筑物的形式与性能已定。混凝控制是 指及时调整混凝剂的投量，以适应原水水质、水量、混凝剂自身效能等因素的变 化，保证沉淀水浊度达到规定的指标。要达到这样一个目的，需要解决两个基本 问题。其一，对水质、水量、药剂性能等因素的监测评价，要有适当的参数指标 来反映这些因素的变化，可称之为输入参数；其二，混凝剂投量调整值称为输出 参数，已测得输入参数的某种变化，输出参数应如何调整，即需要确定输出参数 与输入参数的某种关联。这两个问题的解决，都具有一定的困难。影响混凝剂投 量的因素很多又复杂，而目前只能定性的分析，达不到定量化。选择不同的因素 作为输入参数，并通过不同的方法确定输出参数，就构成了混凝投药控制的各种 不同的技术方法。对这些方法可以从不同的角度进行分类，主要的分类方法有如 下两种。 ( 1 ) 按控制的方式可以分为：如经验目测法、( 电位法等，根据实验和观 测结果，对投药量工况进行间歇式的人工干预调整；在线控制，即各种自动控制 方法，根据被控参数在线连续检测的结果，控制系统对投药量进行连续自动调节。 在线控制可分为：简单反馈控制、前馈控制、复合控制( 前馈一反馈控制、串级 空置) 等多种控制方式。 ( 2 ) 按被控参数性质可分为：模拟法，试验模拟法是通过一定的试验手段 或者试验装置来近似地模拟水处理工艺的生产过程，对试验的结果进行分析后得 出混凝剂投加量和原水水质之间的关系，例如烧杯搅拌试验法、斜管沉淀模拟法 和模拟试验过滤器法等：水质参数法，通过表观的水质参数建立经验模型，作为 控制投药量的依据，如数学模型法。特性参数法，这种方法皆利用混凝过程中某 种微观特性的变化来作为投药量的确定依据，水处理中所使用的混凝剂通常属于 电解质类物质，它们可以和胶体颗粒表面的电荷发生电中和作用，并通过增大水 中反离子的浓度来压缩胶体的双电层，从而使胶体颗粒脱稳发生凝聚。胶体颗粒 的脱稳程度可以通过诸如( 电位、胶体表面电荷的数量、流动电流等特性参数反 映出来。采取批量试验或者连续检测方法，通过改变混凝剂的投加量，可以建立 4 第一章绪论 起特性参数和混凝剂投加量之间的相关关系。根据相关性便可以通过检测特性参 数来确定和控制混凝剂的投加蹙，如典型的胶体电荷法可以分为c ；电位法、胶体 滴定法、流动电流法，还包括荧光法、脉动参数法、比表面积法等；效果评价法， 以投药混凝后观察到的实际效果作为调整投药量的依据，包括经验目测法、浊度 测定法等 1 l , 1 2 】。 1 2 2 几种常用的投药控制方法 经验目测法：这是最简单原始的人工方法，有人称之为眼球法( e y eb a l i ) 。 在我国相当多的水厂，尤其是中小水厂仍广泛采用。操作者通过观察原水浊度变 化情况、反应后矾花生成情况、沉淀水的情况，凭经验确定混凝程度，调节投药 量。在这种方法的实现过程中，有经验的操作工起到了决定性的作用，而且在许 多自动化水厂中，当自控系统运行不佳时，往往采用有经验的操作共来控制以保 证出水水质。有的水厂按经验制订出原水的浊度一矾耗量，再辅以目视观察结果， 作为改进 1 3 】。这是一种基于人工智能的控制方法，可为实现自学习、自适应控制 系统提供必须的专家经验、控制规则。但主要依靠操作人员的经验和责任心，控 制效果因人而异，具有较大的随意性，控制效果无法得到保证。 烧杯试验法：传统的烧杯实验法( j a rt e s t ) ，也是一种人工间歇式投药调节 方法。从原理上讲属于模拟控制法。在设备和操作很简单条件下，能够反映出混 凝过程中许多因素间的错综复杂关系。利用多联搅拌机，向多个加入检测水样的 烧杯中投加不同剂量的药剂，并进行搅拌，模拟生产中的混合与反应过程，确定 投药量。这种方法试验条件灵活、简便，但结果受人为因素较大。同时，这种方 法建立在相似准则的基础上，系统实际运行中所受的干扰将会影响其控制精度， 试验结果具有不连续及滞后性问题，因而不适应于生产过程的在线控制。但烧杯 试验操作简单，不需要过多的试验设备，常常可以作为确定混凝剂投加量的辅助 手段，与经验法、目测法配合使用。在混凝剂性能评价、混凝剂品种的筛选、混 凝条件的选择、混凝效果确定等方面，烧杯试验仍然是一种很有效的手段。 斜管沉淀模拟法：在絮凝池末端放一组斜管装置，用斜管的沉淀情况来模拟 沉淀池。根据斜管出水浊度与浊度目标值对比，自动调整混凝剂加注率。因为测 定的是实际生产絮凝池工艺中的出水，故水质模拟关系很好，具有一定上升流速 的斜管可以模拟一定停留时间的生产平流沉淀池。该方法的滞后时间为絮凝池停 留时间加上斜管停留时间。对平流沉淀池而言滞后时间减少很多，对斜管沉淀也 能有所缩短。但存在系统原模型与模型相似性问题以及寻找出水浊度与模拟浊度 确切相关函数问趔j 。 模拟试验过滤器法：在生产系统中，从加药混合后的原水中引出一部分水样 第一章绪论 n d , 模型的滤池中，根据该模型滤池的出水浊度的变化情况来评价混凝效果。这 种方法主要有两个优点：一是能连续在线测定，水样可以不断通过模拟滤池，经 浊度仪测定可立即判断混凝剂量是否最佳；另一个是测定时间缩短，一般可在原 水进厂后】0 15 r a i n 完成。所以模拟滤池法是一种确定混凝剂最佳投放剂量的方 法。但这种方法仅适应水质稳定的情况，当原水浊度较高，则控制精度较差，同 样存在生产系统原型与模型的相似性程度问题1 2 儿1 4 j 。 数学模型法：影响混凝剂投加量的因素很多，在深入研究混凝剂投加量规律 与生产净化工艺的基础上，建立起以原水水质、水量等参数和投药量之间的相关 函数，由此可得到混凝剂最优投加量的自动控制数学模型i l4 】。数学模型的建立包 括两方面的内容，一是模型参数的选取，这需要综合多年的生产经验以及参数的 可测定性等加以确定；二是模型中各参数的系数值的确定，这需根据多年的运行 数据作统计分析初步确定，然后在生产上加以修正。如重庆高家花园水厂的模型 就是经数百次烧杯混凝试验得到的1 1 2 j 。 数学模型都有精确的表达式，用数学函数来描述混凝剂投加量如何随影响混 凝过程的原水浊度、水量、水温、p h 值、碱度等因素的变化而变化【l 5 j ： y ，= ：( 材l ，u 2 ，甜f ，“。) ( i = - i ，2 ，m ) ( 1 - 1 ) 式中：y 广输出值，即水厂最佳投药量； u 广直接或间接影响投药量的各种因素的检测值。 通过对大量的生产历史数据或烧杯实验数据的分析，以一元线性回归或多元 线性回归的方法，建立起系统模型。基于数学模型的计算机自动投药控制系统具 有显著的技术优势，这种方法依靠计算机实现系统建模与在线控制，提高了自动 化程度，并且无疑提高了水厂运行的可靠性和管理水平。根据已经编制好的程序， 在新参考数据输入之后，计算机自己求解和修改模型参数，所以数学模型有一定 的自适应性。但从控制性能的角度出发，这种方法的抗干扰性和鲁棒性较差，但 对于水质相对稳定的水源和经济技术较好的大中型水厂，应用数学模型方法可以 控制混凝剂最佳投药量。 胶体电荷控制方法：混凝剂通常属于电解质类物质。其首要作用是水中胶体 杂质发生电中和并通过增大水中离子浓度来压缩胶体的双电层，降低电位，从 而使胶体杂质脱稳凝聚，进而絮凝，使胶体杂质脱稳是有效混凝的基础。当然， 混凝效果如何还与采用的混凝设备及其工作参数有关，最终的净水水质与后续处 理工艺的诸多因素有关。但对于一个特定的净水系统，这些因素都为常数，则胶 体杂质的荷电特性，即 电位的高低，就成为影响其混凝效果的决定性因素。一 个稳定的工艺系统，必存在满足混凝澄清要求的最佳胶体电荷值，只要控制混凝 6 第一章绪论 剂的投量，使胶体的( 电位降至与该值相符，就可以达到要求的混凝效果。因此 以胶体电荷为中间参数控制混凝，是混凝投药控制的本质方法。 胶体电荷的测定技术，是该类投药控制方法的关键性问题，不同的测定技术 就构成了不同的控制方法。典型的有： ( 1 ) 电位法。直接测量胶体的电位，作为确定投药量的依据。国外早于 1 9 3 8 年就开始应用微电泳技术测量胶体的( 电位来研究水的混凝机理，至上世纪 6 0 年代开始把 电位法用于水厂投药控制。一般用显微镜观察电场中运动的可见 离子来测定 电位。胶体颗粒的 电位可以用式( 1 - 2 ) 来计算i 】4 】： f - - lc r a , a r 1 丁 ( 1 2 ) 式中：r 水的动力黏度，p a s ； 棚体电泳迁移率，t u n ( s v c m ) ； 抒一电位梯度，v c m ； r 水的介质常数。 由于电位与胶体颗粒的电泳值成正比，而且黏度与介电质常数会发生微小而 难以确定的变化，所以一般采用胶体颗粒的电泳值来表示( 值。但该方法仅能用 于电中和是主要脱稳机理的情况。对于水解混凝剂如铝盐和铁盐，电位和加药 量的关系很复杂，另外利用( 电位来控制混凝剂投加量与批次试验一样，都存在 着同样的缺点，那就是当原水情况突然发生变化时，不易被及时察觉，只有等到 出水水质恶化时才能被发觉。 ( 2 ) 胶体电荷法。日本、美国等上世纪6 0 年代末开始研究该方法。基本原 理是：对于带电荷的胶体分散系，可用加入相反电荷的等量胶体来中和，若能找 到一个合适的指示剂，胶体滴定就可以像酸碱滴定那样进行。通过胶体滴定可测 定原水的胶体电荷，并以经验公式确定混凝剂的投量【3 】1 1 6 1 ： d = k j a + k 2 c ” ( 1 3 ) 式中：d 一混凝剂投量，m g l ； 么一总碱度，m g l ，以c a c 0 3 计； p 胶体电荷，m e g l 1 0 4 ； 而，赶，r 经验系数。 研究发现，胶体滴定法与( 电位法一样灵敏。但该方法与电位法一样，还 只能在实验室进行间歇测定，而不能在线连续检测并构成自动控制系统。 ( 3 ) 流动电流法( s t r e a m i n gc u r r e n td e t e c t o r ) 。流动电流投药控制系统是围 第一章绪论 际上2 0 世纪八十年代开始应用的一项新技术，它是传统技术上的一个重要发展 【1 4 】。自1 9 9 6 年g e r d e s 发明“流动电流检验器 以来，针对s c d 的研究出现一个 高潮。该方法的传感器由一个圆柱形的检测室及往复运动的活塞组成，水样中的 胶体颗粒吸附于它们的避面，形成代表胶体性质的表面电荷。液体和擘面的相对 运动可形成流动电流，通过对其采样、放大，可得到有效的检测信号1 1 刚。混凝剂 的加入可使该值减少，且过量投加由于使颗粒带相反的电荷而使流动电流增加， 因而有可能使检测保持在接近零或某一特定值，从而使混凝控制在最佳状态，以 确定最佳投药量。这种方法通过单一因子一流动电流，有效的表征了由于原水浊 度、p h 值、流量、混凝剂浓度等多项因素对混凝过程的影响，可使控制系统由 多变量简化成单变量，易于实现自动控制，目前这种方法已广泛用于生产实际与 实验室研究中【l 7 1 。经过多年的深入研究和生产应用，发现流动电流也存在不足之 处。流动电流是建立在经典的双电层理论的基础上的，只能反映絮凝颗粒子的部 分电化学特性；由于水中存在的某些离子和表面活性剂对s c d 的检测具有较强的 干扰作用，如水中的s 二含量超过1 0 m g l 时，流动电流检测值将发生剧烈波动： 原水温度的变化会影响胶体的吸附能力；在单因子控制系统中，与最佳投药量相 对应的s c d 设定值的大小，受原水浊度、p h 值、流量、温度等因素影响而变化， 直接影响控制系统的稳定性与控制精度；流动电流检测仪自身存在零漂等仪器误 差，由此产生的仪器测量误差无法补偿，并且仪器检测腔缝隙小、易堵塞，而使 这项检测技术的应用存在一定的困难，但近年来在该领域已经取得一些研究成果 和进展【1 7 2 2 】。流动电流检测器中的传感器探头和水样是直接接触的，当水中杂质 过多或者运行时间较长之后，传感器的检测灵敏度下降，需要对探头进行清洗和 维护。所以，流动电流投药控制系统较适应于原水水质相对较好、混凝剂为电解 质的投药控制过程中。 显微影像法：通过对混凝过程中形成的絮凝体颗粒进行频闪或者连续摄影， 采用计算机软件对絮凝体的粒径及其分布进行分析的一种絮凝体颗粒特征参数 检测方法。显微摄影技术是光电检测及制造技术和计算机技术发展的综合产物， 这是种先进的絮凝过程在线检测方法，采用不同的图像采集和分析技术可构成 不同的显微摄影技术。根据原水水质情况自动调节混凝剂投加量，其控制原理为： 在反应池的末端或者沉淀池的进口安装一个高分辨率c c d 摄像头，以一定频率 摄取水中絮凝体变化图像，图像信号放大后输入计算机，进行粒径计算和统计运 算，得到絮凝体的大小和数目等参数，并确定与沉淀出水浊度相关参数，通过一 定的计算后计算机输出一个控制信号到变频调速装置，通过计量泵调节混凝剂投 加量，实现混凝剂投加量的自动控制。但是该系统还存在诸多需要解决的问题。 首先，信号检测部分存在一些问题；其次，系统控制存在问题，c c d 检测的图 第一章绪论 像信息以视频信号的方式传送，信号在传输过程中衰减较大，而且容易受外界干 扰，因此其有效传输距离小，信号质量差，故显示式絮凝投药控制系统的远程控 制性能差。因此其在生产中的应用还很少。 颗粒计数检测法：主要有基于电场效应的c o u l t e r 计数法和基于光阻塞原理 的h i a c 计数法。为了避免检测的重叠效应，一般是取少量的水样，进行多倍的 稀释，这样使得采样变得比较麻烦，检测时间很长。絮凝体在检测过程中容易受 到外力作用而破碎，这样得出的数据就不能真实地反映絮凝体的尺寸和粒径分布 情况。但可为实验室研究和生产实际提供有价值的数据，目前在美国已经出现颗 粒计数的在线检测。 激光分析法：这是j a n t s c h i k 于19 9 2 年提出的【2 3 】，用于常规快速分析颗粒粒 径分布。这种方法基于时间转移原理，即有一激光束对悬浮液进行扫描，在扫描 颗粒时，激光束被遮挡，颗粒的大小对应于激光被阻塞的时间。这种方法的检测 时间约1 5 分钟，可在实验室通过重复实验得到精确结果，但目前尚无法用于在 线连续检测p j 。 双波长颗粒分析法：这项技术是f l j m a t u i 和t a m b o 于1 9 9 3 年提出的 2 q 。它是 以一种双波长光学散射分析仪作为絮凝传感器。具有如下特性：在同一取样点， 红外光与紫外光两种不同波长的光束产生不同的透射光强度，比较这两种光强便 可利用公式计算矾花的粒径、数量浓度以及水中可溶成分对紫外光的吸收量等参 数。这种技术虽然在实验研究中已获得了许多有效数据，但仍然有许多的工作需 要做，才能应用到生产工艺中的混凝剂投药自动控制系统。 透光率脉动检测法( p h o t o m e t r i cd i s p e r s i o na n a l y z e r ) ：在上世纪八十年代中 期国际上出现了一种全新的光电检测方法一透光率脉动检测技术。它是由英国的 g r e g o r y 和n e l s o n 研发的一种全新的简单检测方法。当含有颗粒的悬浮液流过一 透明管，并用一束狭窄的光束照射时，照射到的微小体积中的颗粒数目的随机变 化将形成透射光强度的相应脉动。通过光电管将透射光及其脉动值转换成电信 号，并将脉动成分分离、放大、转换成均方根值，该值与平均透射光的比值r ， 可灵敏的反映出悬浮液颗粒的混凝程度【2 5 ，2 6 】。这种方法更全面、准确的描述絮体 的特征、状态，可实现在线连续检测控制，适用的原水浊度范围广，具有广阔的 应用前景。虽然这种方法与流动电流有相似之处，但采用比值r 描述絮体状态， 可消除由仪器误差而带来的测量误差；虽然也存在r 设定值随原水参数变化而变 化的问题，但这种变化呈单值函数形式，易于总结规律。目前，该项技术在我国 也得到了较广泛得应用，并在一般浊度水、油田污水、黄河高浊度污水的处理中 得到应用i z 理5 1 。 9 第一章绪论 1 3 混凝投药控制方式的现状 由于混凝投药控制技术一直都比较落后，在相当长的一段时间内采用的都是 原始的人工控制方式。近年来，随着计算机技术的发展，特别是检测技术、控制 理论应用化和智能技术的发展，混凝剂量控制的发展经历手动、自动控制，目前 正迈向智能控制阶段。 手动操作阶段完全是依赖操作员的经验，经过实验判断加药量，进行人工加 药。自动控制阶段主要采用计算机和可编程逻辑器件，辅以人工调节，进行自动 投药控制。智能控制阶段采用人工智能技术，根据水质变化自适应地控制加药过 程1 2 9 】。 1 3 1 手动控制阶段 对当前投药量的多少确定，传统上采用的方法有；( 1 ) 经验法。操作人员根 据工作经验、或者观察絮凝池矾花生成情况，决定投药量；( 2 ) 有的水厂根据试 验或生产统计经验，制成浊度一药耗对照表，作为决定投药量的依据。事实上， 这是以原水浊度为控制参数的一种控制方法；( 3 ) 烧杯试验法。用烧杯作混凝沉 淀试验，确定投药量。我国在上世纪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。优缺点前面已经介绍。 上述各种方法都属于人工控制方法，都难以追随水质水量等因素的变化，对 投药量进行及时准确的调节。投药的准确性不仅取决于操作人员的技术与经验， 而且和操作人员的责任心有很大关系，工人的劳动强度也较大。由于投药控制技 术落后，严重影响了水处理的质量，也造成药剂的较大浪费。 1 3 2 自动控制阶段 国外从2 0 世纪7 0 年代中期，我国从8 0 年代后期开始逐步采用自动投药 控制，先后改进使用了多种控制方式，但还没有一种固定的模式，这些不同的投 药控制方法各有优缺点，还没有哪一种方法可以彻底取代其他方法，在众多的水 厂还可以看到这些方法的使用。按实现混凝投药自动控制方式不同，可将目前广 泛采用的控制系统分为前馈控制、反馈控制以及复合控制等唧，3 。 ( 1 ) 前馈投药控制系统 由于处理水量的容积很大，所以当原水水质发生突变时，反馈控制根本来不 及。这种控制方式可根据干扰量的变化对系统的投药量进行相应补偿，它通过对 原水水质参数的测量，并根据其参数变化的特性来预报投药量。 l o 第一章绪论 随着自动化仪表技术进步，先后研究与应用过数学模型前馈投药控制，即以 原水特性参数( 如浊度、p h 或碱度、水温等) 及配水量为变量建立其与投药量 之间的线性回归数学模型，或以单一水质参数( 如原水浊度) 为变量的线性回归 数学模型。 如根据对象历史数据采用多元线性回归模型法建立的投药量同归方程p 引，如 公式( 1 4 ) 所示： d o s e = a i + a 2 幸t u r b i d i t y + a 3 宰c o l o u r + a 4 幸c o n d u c t a n c e + a 5 牛p h + a 6 幸f l o w ( 1 - 4 ) 如果根据对象历史数据，并确定数据收集的原则，采用最小二乘法原理或采 用曲线拟合的方法，建立单一原水浊度为参数变量的1 1 阶模型方程，设想运用最 t 、- - 乘法建立投药量与原水浊度的关系如公式( 1 5 ) 所示： d o s e = b 0 + b i 奉t u r b i d i t y + + b n * ( t u r b i d i t y ) “( n = 1 ，2 ，m ) ( 1 - 5 ) 从理论上讲，这种方法可以完全消除各种因素的变化对混凝效果的影响。因 为当原水流量、水质等因素发生变化时，整个水处理系统由于惯性和纯滞后性， 被控量尚未发