（环境工程专业论文）建立经济实用的给水处理厂投药系统.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文在分析研究国内外有关给水处理厂的投药系统的现状的基础上，结合我 国的实际情况，提出了以数学模型为核心的给水处理厂的重力投药方式，成功的解 决了长期困惑给水处理厂的投药系统运行不可靠的难题，系统建设既经济又可靠， 适合于大、中、小型给水处理j 一，具有较强的应用空间。 本文通过对影响加药的诸多因素进行分析，对那些连续变化的且很难找出它 与投假量的函数关系的因素( 例如，温度) ，提出利用数学上的微分原理观点，将 这些变量划成若干个小的区间，当这些变量在一个较小的区间上变化时，对加药 量的影响很小，我们可以近似认为这些变量趋向某一定值。同时对那些常年在一 个很小范围内变化，在个别较短时间段内，变化幅度较大的影, i g d n 药量的因素( 例 如，碱度、p h 值) ，我们可以将这些因素在小范围内变化时，作为常量处理，当这 些变量在很短时间段内( 这些变量常年稳定) 有较大的变化时，我们可以加入试 剂，调整这些因素值的大小，使它们处于正常的范围内，这样也可以将它们作为 常量处理。通过这些处理方法，我们将影响加药量的诸多因素变成常量，只剩下 浊度一个变量，我们就不难找出它与投药量之间的关系。 本文通过对混凝剂计几种量方式的研究，尝试性的利用流体力学( 伯努利方 程) 和化学( 溶液浓度稀释) 的原理，制作一个定量投加装置，对混凝剂加量进 行计量，该装置结构简单，但是安全投靠，投资和运行费用低，具有提广价值， 这种计量方式已经申请专利。 有了投药的数学模型，就可以计算任何一种原水状态下的加药量，有了计量 装置就知道向絮凝池投加混凝剂量，从而使得混凝过程朝着预期的目标进行，保 证了水质的安全。这种以数学模型为核心的重力投药系统，在成都市自来水总公 司二厂投入运行以来，取得了良好的经济和社会效益。 关键词：混凝，投加，模型，计量，重力 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w ee s t a b l i s hag r a v i t a t i o n a lc o a g u l a n ta d d i t i o ns y s t e mw h i c hc o r ei se s t a b l i s h i n g m a t h e m a t i c a lm o d e lo nt h eb a s i so ft h ea c t u a l i t yo fw a t e rw o r k si nd i f f e r e n t c o u n t r y a n dw es u c c e s s f u l l yr e s o l v e d _ 【1 1 ep r o b l e mt h a tt h eo r d i n a r yc o a g u l a n ta d d i t i o n s y s t o mi sa l w a y si r r e l i a b l e t h eg r a v i t a t i o n a lc o a g u l a n ta d d i t i o ns y s t e mw h i c hc a nb e u s e di nd i f i e r e n tw a t e rw o r k si se c o n o m i c a la n dr e l i a b l e w ea n a l y z es e v e r a lf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et 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 a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gh o w t h ef a c t o r ( e x a m p l e ：w a t e rt e m o e m t u r e ) w h i c hc o n t i n u o u s l y c h a n g e si n f l u e n c et 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 ，w ef o u n dt h ea d d i t i o nq u a n t i t yd i d n o tc h a n g ei nan a l t o wr a n g eo ft h et e m p e r a t u r e ，s ov q eg i v ead a t ai ne v e r yr a n g eo ft h e t e m p e r a t u r e ，a n dw er e g a r di ta sac o n s t a n ti ne v e r yr a n g e a tt h es a m et i m e ，w ef o u n d t h ef a c t o r s ( e x a m p l e ：a l k a l i n i t y , p ho ft h er a ww a t e r ) c h a n g ea l w a y si nan a r r o wr a n g ， a n dw er e g a r di ta sac o n s t a n tt o o f i n a l l y , w ec a ne s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e l ，a s i m p l yf 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 ya n d t h et u r b i d i t y , a n dt h e r ei so n l yav a r i a b l e i nt h ef u n c t i o n a c c o r d i n gt or e s e a r c h i n gs e v e r a lc o a g u l a n tm e t e r i n gw a y s ，w em a k eac o a g u l a m a d d i t i o nm e t e r i n gd e v i c ew h i c hi sb a s e do nf l u i dm e c h a n i c sa n dc h e m i s t r y t h ed e v i c e w h i c hf l a m ew o r ki ss i m p l ec a nb eu s e dr e l i a b l y ，a n dw eh a v eo b t a i n e dap a t e n tf o r t h ed e v i c el a s ty e a r t h em a t h e m a t i c a lm o d e li su s e dt oc a c u l a t et h ea d d i t i o nq u a n t i t yo fc o a g u l a n to f d i f f e r e n tr a ww a t e rq u a l i t y , a n dt h eg r a v i t a t i o n a lc o a g u l a n ta d d i t i o nd e v i c ee n s u r e a c c m a t ca d d i t i o nq u a n t i t y ，t h eg r a v i t a t i o n a lc o a g u l a n ta d d i t i o ns y s t e mh a sb e e nu s e di n n o 2w a t e rw o r k so fc h e n g d uw a t e rs u p p l yc o m p a n yf o r1 y e a r , a n di t h a sa c h i e v e d g o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：c o a g u l a n t ，a d d i t i o n ，m o d e l ，m o t e l g r a v i t a t i o n a l i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 问题的提出和研究的意义 自来水作为一种特殊的商品，有两个基本的特性：首先是自来水的不可替代 性。一方面，每一个人、每一天都需要它，而且它的质量好坏直接关系到人们的 身体健康，另一方面，企业的生产也离不开自来水，甚至自来水的质量决定其产 品的质量。其次是自来水生产过程的不可逆转性。是自来水生产过程属于流程性 材料的生产过程，上一个生产工艺环节的产品质量决定了后续工艺过程的质量， i i i 关系到人们的身体健康。政府把自来水行业作为一个基础的公共行业，为了确 保为老百姓不问断的提供优质的a 来水，自米水企业投入了大量的人、财、物资 源，引进了新技术、新工艺、新设备、新材料，自来水生产的安全可靠性有了大 幅度的提高。但是，我们也清楚的认识到，自来水行业内部发展不平衡，f l - j 。过 程中存在这样或那样的问题，尤其是混凝过程问题比较多，制约行业的发展。本 文将对自来水厂的投药系统进行研究，以便提高自来水厂生产的安全可靠性。 1 1 1 问题的提出 在给水处理工艺过程中，混凝是关键环节，及时、准确将混凝过程需要混凝 剂的送到絮凝池，直接关系到混凝效果的好坏，目前国内投药系统般是凭借制 水工人的经验进行混凝剂投加，很难满足这一要求，国内有一些自来水厂引进了 s c a d 和一些计量泵也没有有效的解决问题，笔者作过调查，9 5 以上的水质事故 是由于混凝效果不好引起的，也就是说投药系统不能及时准确的将混凝过程需要 混凝剂的送到絮凝池，是问题根源所在。因此研究投药系统有重要的意义。 1 1 2 研究投药系统的意义 第一、我们研究投药系统是给水处理工艺的需要。给水处理的主要任务是去 除水体中悬浮物和胶体颗粒。水体中大的悬浮物和胶体颗粒一般可以借助于重力 自行下沉，从水体中去除掉。而水体中粒径较小的悬浮物和胶体颗粒，在布朗运 动、静电排斥力和颗粒表面的水化作用下，使其在水体中具有一定的稳定性，因 此，必须投加一定量的混凝剂，破坏细小颗粒的稳定性，才能将其从水体中去除。 在给水处理厂中，投加一定量的混凝剂，是由投药系统来实现的，因此，给水处 理的主要任务决定了我们要建立一个经济适用的安全可靠给水处理厂投药系统。 第二、研究投药系统是提高服务质量和改善投资环境的需要。社会的需要是 提动技术革新的动力。随着经济发展人民生活水平的改善，人民对白米水的质量 要求一步一步提高，同时经济发展导致工业产业结构的调整，以电子、生物制药、 高分子材料为龙头高新技术产业正迅猛发展，这些产业对自来水产品的质量和服 重庆人学硕士学位论文 务质量有了新的要求，这种要求推动了我们给水处理技术的进步和变革，这些年 来，在广大给水处理科技工作者和自来水行业同志的努力下，水处理技术有了长 足的进步，但是我们也清醒认识到研究方向和力度的不平衡、地域的特殊性，致 使投药系统技术发展落后，大多数地方自来水产品质量和服务质量与社会的需要 不平衡，因此，我们应该加强投药系统，改革投药系统的现状有利于缩小供需矛 盾，为人民生活的质量提高和经济发展奠定坚实的基础。 第三、研究投药系统是控制给水处理厂建设投资的需要。通常给水处理厂主 要由以_ 卜i 几个部分组成：取水泵房、絮凝沉淀池、滤池、清水池、送水泵房、投 药系统、加氯系统等系统。以成都市自来水总公司二、五、六，为例，各部分投 资如表1 1 ： 表1 t a b l e l 】 1 成都市自来水二、五、 厂工艺部分造价单位：万元 t h et e c h n i c sc o s ti nt h en o 2 ，n o 5a n dn o 6w a t e rw o r k s o f c h e n g d uw a t e r - s u r p l yc o m p a n y u n i t ：t e nt h o u s a n dy u a n 取水沉淀池滤池清水池送水加氯投药 投药所r q - 比例 二厂 2 6 61 0 7 08 4 46 3 44 0 01 5 74 0 01 0 五厂3 3 05 3 43 5 43 5 23 0 01 6 02 3 01 0 六r 3 5 0 23 5 9 02 0 6 01 5 1 8 无1 6 11 0 9 l9 投药系统是给水处理厂中的一个很小的系统，但是，我们从上表可以看出， 投药系统的投资在给水处理厂所占的比例大，约为工艺部分投资的1 0 ，为付么 出现这种现象呢? 改革开放初期，为了缓解供水行业的供需矛盾，国内一些较大 的自来水公司，先后引进了一些技术和设备，其中以流动电位仪为核心的计量泵 投药系统较为突出，流动电位仪计量泵及配套的设备价格昂贵，使得投药系统建 设资金占整个水厂建设资金比例大幅度的上升。这种投药模式在国外运行很好， 但是不适合我国的国情，未能有效的解决传统投药系统的问题，造成投资的浪费。 这样从投资的角度上讲，研究适合中国国情的投药系统就显得十分的必要。 第四、研究投药系统是提高水厂的安全可靠性的需要。一个系统运行安全可 靠性，我们通常可以用系统的故障频率来衡量。以成都市自来水二厂2 0 0 2 年生产 系统的故障统计数据为例，投药系统的故障频率( 投药系统的故障次数占全厂故 障次数的百分比) 为p = 7 3 ，投药系统是我们水厂故障多发生的一个系统，我们 必须对这一现象引起高度重视。解决了这一部分故障率，自来水，生产的安全可 靠性就会有较大的提高。 综上所述，投药系统是给水处理j 重要的组成部分。而我们现在的投药系统 重庆大学硕士学位论文 还很不成熟，绝大多数给水处理厂沿袭着原始的手工操作，技术相当落后，少数 水厂引进的投药系统又不适合国情，都无法满足人民群众同益增长的水质要求。 因此我们应该重视投药系统研究，建立起经济、安全、适合我国国情投药系统。 1 2 本文研究的目的和内容 1 2 1 研究的目的 国内投药系统有三种类型；一是原始的手工操作方式，二是半自动化运行方 式，三是全自动化的运行方式。每一种方式都有各自的特点，但是国内现有的这 三种运行模式，都不能有效的保证混凝过程顺利进行。本文通过研究这三种投药 系统的特点和存在的问题，着重从系统运行的适宜性和有效性入手，探讨建立一 种新型的投药系统，这种系统能保证混凝过程能够全天候有效的进行，从而提高 自来水厂的经济效益和社会效益。 1 2 2 研究的内容 本文通过对影响加药的诸多因素进行分析，对那些连续变化的且很难找出它 与投假量的函数关系的因素l 例如，温度) ，提出利用数学上的微分原理观点，将 这些变量划成若干个小的区问，当这些变量在一个较小的区间上变化时，对加药 量的影响很小，我们可以近似认为这些变量趋向某一定值。同时对那些常年在一 个很小范围内变化，在个别较短时间段内，变化幅度较大的影响加药量的因素( 例 如，碱度、p h 值) ，我们可以将这些因素在小范围内变化时，作为常量处理，当 变量在很短时间段内( 这些变量常年稳定) 有较大的变化时，我们可以加入试剂， 调整这些因素值的大小，使它们处于正常的范围内，我们也可以将它们作为常量 处理。通过这些处理方法，我们将影响加药量的诸多因素变成常量，只有浊度一 个变量，我们就不难找出它与投药量之间的关系。 本文通过对混凝剂计几种量方式的研究，尝试性的利用流体力学( 伯努利方 程) 和化学( 溶液浓度稀释) 的原理，制作一个定量投加装置，对混凝剂加量进 行计量，该装置结构简单，但是安全投靠，资和运行费用低，具有提广价值，这 种计量方式已经申请专利。 重庆大学硕士学位论文 2i 昆凝机理 2 混凝机理 混凝是为了去除水中的胶体悬浮物，为了保证建立的混凝过程数学模型有效 性，首先我们要对胶体的性质及混凝机理进行了解和分析。 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。胶核的表面选择吸附了一层 带电荷的离子( 电位离子) ，胶核因为电位离子而带有电荷。胶核表面的电位离子 层通过静电引力，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，这样在胶核的周围介质的楣间区域 就形成了所谓的双电层，胶核固相的电位离予层为内层，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，它和电位离予一起构成胶体粒子 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，浓度分布由内向外逐渐减少，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起电 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( 电位，( 电位它 随温度，p h 值及溶液中反粒子浓度等外部条件变化而变化，是表征胶体稳定性强 弱重要参数，电位越高，带电量越大，胶粒就越稳定，不易沉降，若( 电位越低 或接近于零，胶粒很少带电或不带电，胶体就越不稳定，易于接触而沉降。 2 1 【4 1 综上所述胶体的结构式可以表示为： 胶核】 电乍丝堕曼王堕坚堕笪垦亭子) 仁! i 星耷子 坚堕星 扩散层 l 堕鳖 l 胶团 重庆大学硕士学位论文 2 混凝机理 胶体的性质： 光学性质胶体在水溶液中能引起光的散射。 力学性质胶体颗粒在水溶液中作不规则的布朗运动。 表面性能胶体颗粒微小，比表面积大，具有极大的表面自由能，从而具有 强烈的吸附能力和水化作用。 动电现象由于胶粒带电，在外界电场的作用下，胶粒将作定向运动。 2 2 水中胶体颗粒的稳定性 胶体杂质及微小悬浮物在水体中长时间内保持分散悬浮状态的现象，我们称之 为分散颗粒的稳定性。这些颗粒大小不一，粒径一般在l o n m 0 1 m m 。混凝目的 就是要破坏胶体杂质及微小悬浮物在水体中稳定性，使其变成较大的颗粒，借助于 重力从水体中去除。 布朗运动是微小颗粒在水中稳定的原因之。水分子每时每刻都在作无规则 的运动，大量的水分子从各个方向撞击水中的颗粒。如果颗粒粒径较大，颗粒在 每一时刻来自水分子撞击力在各个方向平衡，因此，颗粒在重力作用下将会发生 自然沉降。如果颗粒粒径较小，颗粒在每一时刻来自水分子撞击力在各个方向不 平衡，同时微小颗粒重力较小，颗粒在水分子撞击力作用下作无规则运动，如尤 外界力量干预，它们在水体中不会沉降，处于相对稳定状态。 水中的胶体大多带负电荷的特性是水中胶体稳定的另个原因。胶团内部滑 动面上存在( 电位，同种电荷的胶体颗粒在相互接近时，由于胶团内部滑动面上存 在( 电位，这样同种电荷胶体颗粒在相互接近时，发生排斥。胶体颗粒要接触，必 须要克服这种排斥力，胶体颗粒布朗运动动力小于这种排斥力，阻碍胶体颗粒凝 聚，从而使得它们保持分散状态，无法形成较大颗粒，借助于重力从水中去除。 胶体颗粒往往吸附带有极性基团的高分子物质，水分子是极性分子，这样水 分子非常容易和高分子物质发生水化作用，在高分子物质表面形成一层水化膜， 对胶体颗粒接触具有阻碍作用，因此胶体颗粒要接触发生凝聚作用，必须具备足 够的能量克服水化膜的作用。 2 3 水中胶体的不稳定性 胶体颗粒吸附了有机或无机分子，由于分子之间存在范德华作用力一吸引力， 因此胶体颗粒有相互接近的倾向。胶体颗粒能否相互结合取决于布朗运动的动力、 静电斥力和范德华引力的综合表现或者取决于上述三种力所产生的能量对比。布 朗运动的动能与温度有关，温度高，动能就大，在水温一定的情况下，胶体颗粒 布朗运动的动能基本是一定的。胶体颗粒之问的静电斥力与颗粒之间的距离有关， 重庆大学硕士学位论文2 混凝机理 当胶体的扩散层未发生重叠时，即胶体颗粒之间的距离大于两胶体的半径之和时， 两胶体的静电斥力不存在，当胶体的扩散层发生重叠时，即两胶体颗粒的半径之 和大于两胶体颗粒之间的距离时，胶体之间就会产生静电斥力，其静电排斥势能 与胶体之间的距离大体按指数关系成反比例变化。胶体颗粒之间的范德华作用力 与分子之间的范德华力本质上是相同，其吸引势能的大小与两胶体颗粒之间的距 离2 次方或3 次方成反比。胶体颗粒之问的排斥势能和吸引势能与颗粒间距的关 系如图2 1 所示。 由图可知当两胶体颗粒的距离为a c 时，胶体颗粒表现为排斥力，其中b 点 处的排斥势能最大e 。a x 。当两胶体颗粒的间距小于a 或大于c 时，颗粒之间的作用 力表现为吸引力，i 训距大于c 时，吸引势能很小，不足以将两胶体结合起来，胶 体通常不会发生凝聚，当两胶体颗粒之间的间距小于a 时，吸引势能将随着间距 的减少而急剧增大，胶体才发生凝聚。要使两胶体颗粒间距小于a ，则布朗运动的 动能e b 首先要克服胶体颗粒之间的最大的排斥势能e 。，即e b e 。，胶体颗粒才 接近，发生凝聚。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。 排斥势能 p 。 1 | r 。 v 广。 破引势能 间距 图2 1 胶体颗粒势能与距离关系图 f i g 21 t h ec o n n e c t i o nc h a r t b e t w e e n p o t e n t i a le n e r g yo f c o l l o i dg r a i nw i t hd i s t a n c e 2 4 混凝机理 我们了解了胶体的结构和性质后，再进一步研究混凝的机理，就有利于帮助 我们了解影响混凝过程的因素。 2 4 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 重庆大学硕十学位论文2 混凝机理 增加溶液中的反离子浓度来减少扩散层厚度的过程。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，把原有的反离子程度不同的压缩到吸附层 中，从而使扩散层减薄。由于扩散层厚度的减少，使得电位降低，胶粒问排斥 力也减少，彼此之间的引力增加，胶粒与胶粒之间接触时容易发生凝聚。 2 4 2 吸附电中和机理 吸附电中和机理是指胶粒表面对异号的离子、胶粒和链状离子、分子的带异 号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( 电位 降低，减少了胶粒之间的排斥力，胶体的脱稳和凝聚容易发生。但是，如果投加 量过多，胶粒吸附了过多的反离子，使得电位离子变号，排斥力增加，从而出现 再稳现象。 2 0 1 川【2 2 j 1 2 3 1 口4 j 2 4 3 吸附架桥机理 吸附架桥机理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，通过活性部位与胶体和细微悬浮物发生吸附，将微粒搭桥联 结为一个个絮凝体的过程。如果在溶液中加入三价的锱盐或铁盐混凝剂后，经水 解、缩聚反应，形成具有线性结构的高分子聚合物，其线形长度很大，当它的一 端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，从而在相距较远的两颗粒问进行吸 附加桥，使颗粒逐渐变大，形成粗大的絮凝体。胶粒无须脱稳和接触，( 电位不 起决定作用。 2 4 4 沉淀物网捕机理 当向水体中投入足量的高价铁、铝盐时它们迅速生成难溶性的氢氧化物，水 体中的胶粒和细小的悬浮物可被这些沉淀物在形成的时候作为晶核或吸附物质予 以捕获同时沉降下来。此过程不须脱稳，网捕的速度与金属凝聚剂和胶粒的浓度 有关。 在水处理过程中，以上四种混凝机理往往同时或交叉发挥作用，只是在一定 的情况下，其中的某一种机理起主导作用而已。例如，原水浊度低时吸附架桥作 用就不明显，当向水体中投入足量的高价铁、铝盐时，沉淀物的网捕作用就突出。 1 6 1 l7 1 1 8 1 1 9 1 2 5 影响混凝的因素 通过对混凝机理的了解，我们知道了影响混凝的因素，如果我们要建立混凝 过程的数学模型，我们还必须对这些因素进一步分析。 2 5 1 原水水质的影响 一、浊度原水浊度过高或过低，都不利于混凝，浊度不同，所须的混凝剂 的投加量也随之不同。 重庆大学硕士学位论文2 混凝机理 二、p h 值在混凝过程中，各种混凝剂都有其适宜的p h 值的存在。p h 值的 高低将不仅会影响水体中的杂质存在的形态和表面性质，还会影响混凝剂水解过 程和水解产物存在的形念、时间。 三、水温水温对混凝过程影响较大。混凝剂水解过程是吸热反应，水温低， 混凝剂水解就困难。同时，水温低时，水的粘度大，水中杂质的布朗运动速度减 弱，减少了彼此之间的接触机会，不利于脱稳体相互凝集。 四、杂质水中有些杂质的存在对混凝过程有着明显的影响。例如，无机金 属盐，均能压缩胶体粒子的扩散层的厚度，促进胶体凝聚。氯、螯合物、水溶性 高分子物质和表面活性物质都不利于混凝。 2 5 2 混凝剂的影响因素 一、混凝剂种类混凝剂的选择取决于胶体颗粒的性质、种类、浓度。如果 水中的污染物主要是细微悬浮物，可单独采用高分子絮凝剂，如果水中污染物主 要是胶体，且电位较高，先投加无机混凝剂，倘若絮体小，还需进一步投加高 分子絮凝剂。 = 、混凝剂加量混凝剂的加量不仅与水中微粒的种类、浓度、性质有关， 而且与混凝剂的品种、投加方式、介质条件有关。混凝剂投加量过大或过小对混 凝都不利，不同的混凝剂在不同的场合都有一个最佳的工作范围。 三、混凝剂的投加顺序当使用多种混凝剂时应先确定投加顺序。般情况 下无机混凝剂和有机混凝剂并用时，应先投加无机混凝剂，后投加有机混凝剂， 但是当处理的胶粒在5 0 b t m 以上时，先投加有机混凝剂吸附架桥，再投加无机混 凝剂压缩双电层使胶体脱稳。 2 5 3 水力条件的影晌 在絮凝过程中水力条件对混凝效果有重要影响。混凝过程的两个阶段( 混合、 反应) 对水力条件的要求个不相同。在混合阶段，要求混凝剂与水快速均匀混合， 为此要求搅拌强度大，时间短，速度梯度g 在5 0 0 1 0 0 0 s ，搅拌时间为l o 一3 0 s 。 在反应阶段，不仅要为微絮凝体的接触提供必要的紊流条件和絮凝体成长所需的 足够时间，还要防止已生成小絮凝体被打碎，因此搅拌强度要小，时间要长，相 应g 和t 值分别为2 0 一7 0 。s 和1 5 - 3 0 m i n 。1 1 0 1 1 1 【1 2 】【1 3 】 2 6 小结 ( 1 ) 根据原水的水质条件和混凝机理我们选择适宜的混凝剂种类、投加的顺序 和加量，从而实现最佳的混凝效果。 ( 2 ) 根据混凝过程对水力条件的要求，我们应当及时调整水处理构筑物的运行 参数( g 和t 值) ，从而实现为混凝过程创造最佳的水力条件。 重庆大学硕士学位论文 2 混凝机理 ( 3 ) 在建成的给水处理厂原水的p h 值、胶体颗粒的性质、正常运行的水力条 件，投加混凝剂种类一定的情况下，影响混凝效果的因素有原水浊度、温度、混 凝剂的加量。而要达到一定的混凝效果，温度、浊度对混凝过程的影响通过对混 凝剂的加量影响表现出来。因此，我们在研究给水处理厂混凝过程时，要重点研 究温度、浊度和混凝剂加量的关系。 重庆大学硕士学位论文3 国内外投药系统的现状 3 国内外投药系统的现状 我国由于地域辽阔，自然气候差异很大，南北、东西经济发展不平衡，自来 水公司作为公共企业单位，与当地的经济发展有着紧密的联系，经济发达的地区 对自来水水质要求较高，对自来水投入也较大，因此该地区自来水公司的技术水 平较其它地区的自来水公司要高，投药系统作为自来水厂重要、技术含量高的一 个系统，在我国发展水平理所当然参差不齐。下面是我国自来水厂投药系统的现 状。 3 1 国内投加方式的现状 目前幽内投药系统大致可以分为两类：原始的重力投加方式和机械投加方式 3 1 1 原始的重力投加方式 原始的重力投加系统目前在全国尤其是在地级市以下应用比较广泛，其工作 原理是： 人工( 机械) 取原料( 固体或液体) ，加水稀释，人工搅拌( 机械搅拌) ，配 兑成一定浓度液体，利用投加池位置比投加点位置高的特点，通过重力方式，液 体自流到絮凝池入口。如图3 1 所示。 提升泵 图3 1重力投加流程图 f i g 3 1 t h ef l o wc h a r to f g r a v i t a t i o n c o a g u l a n ta d d i t i o ns y s t e m 重庆人学硕士学位论文3 国内外投药系统的现状 这种投药系统的特点： a 、系统简单、运行故障低。系统设备少，只有提升泵，没有计量和控制设备， 因而系统故障率低。 b 、系统对人的依赖性很强。当原水发生变化时，系统本身不能调节加药量， 制水工人必须根据原水的变化情况，根据经验判断加量( 不准确) ，并及时调整加 量( 由于没有计量设备，加量只能是粗略) 。因而水质的安全性很低。 c 、投资少、运行费用低。由于系统比较简单，系统建成投资较少，以5 x 1 0 3 d 为例，系统建成投资为5 万元。系统设备少，动力费用、维护维修费用较低， 5 1 0 4 m 3 d 的系统运行费用为0 6 万元年。 d 、在运行过程中，当原水流量、水质发生变化时，应及时调整混凝剂加量， 基于水质的安全性，不可避免造成混凝剂的浪费。 系统的应用范围：经济落后、对水质要求不高的地区。但是随着经济发展， 人民生活水平的改善，对水质要求提高，这种投药系统显然满足不了要求。 3 1 2 机械投加方式 工作原理：人工( 机械) 取原料( 固体或液体) ，加水稀释，人工搅拌( 机械 搅拌) ，配兑成定浓度液体，利用计量泵将液体送到絮凝池入口。如图3 一2 所示。 这种投药系统的特点： a 、系统组成较复杂。为了将液体送到投加点，系统增加投加泵( 一般为计量 泵) 及计量泵的控制设备( p l c 控制系统) 。系统故障率较高，维护维修的工作量 火。 自来水plc 提升泵 计量泵 图3 2 机械投加流程蚓 f i g 3 2 t h ef l o wc h a r to f e n g i n ea d d i t i o n 重庆大学硕士学位论文3 国内外投药系统的现状 b 、系统对人的依赖性仍然很强。当原水发生变化时，系统本身不能调节加药 量，制水工人必须根据原水的变化情况，根据经验判断加量( 不准确) ，并及时调 整加量( 必须事先找出计量泵的频率、冲程与流量的函数关系) 。因而水质的安全 性不是很高。与原始的重力投加系统相比，它可以远程人工调节混凝剂加量。 c 、投资大、运行费用高。由于系统比较复杂，系统建成投资较大，以5 x 1 0 4 m 3 d 为例，系统建成投资约6 0 万元。系统动力费用、维护维修费用较低，5 1 0 4 m 3 d 的系统运行费用约5 力- 元年 d 、在运行过程中，当原水流量、水质发生变化时，由于重视水质，不可避免 造成混凝剂的浪费。 e 、由于可以远程调节加量，因而可以减少制水工人的劳动强度。 应用范围：这种系统在国内大中城市及经济发达的小城市被采用，虽然系统 还对人依赖性很强，但是为今后投药系统发展奠定了皋础。 3 2 国内确定混凝剂加量的方法 目前国内确定混凝# j ) j h 量的方法通常有：通过人：r ：经验确定加量的人工经验 法、以烧杯搅拌实验或模型池运行数据为基础的实验法、以流动电流仪等设备为 基础的仪器仪表法。 3 2 1 人工观察法 目前我困在混凝剂加注自动化应用方面还不是那么广泛，大部分给水处理厂 仍然是由人工操作投加设备和装置，还不能根据水质和水量的变化及时准确的调 整加量。 所谓人工观察法是指制水人员根据絮凝池出口的矾花形成情况和沉降效果或 后续构筑物的运行情况及时调整混凝剂加量，从而使出厂水符合要求。我国很多 给水处理厂仍在使用这种方法，这种方法具有以下特点： a 、对制水人员的责任心要求太高。原水的水质和水量及净水构筑物运行工况， 随时都有可能改变，这就要求我们应及时对混凝剂的投加量进行调整，水厂运行 人员必须频繁的巡查构筑物运行情况和原水的变化情况，及时调整混凝剂的加量， 才能保证出厂+ 水水质。 b 、制水工人的劳动强度大。原水的水质和水量及构筑物工况变化比较频繁， 每一个因素、每一次变化，制水工人都必须到现场及时调整投药量，而且对调整 结果进行观察，有时可能须进行多次调整和观察，才能满足水质要求。 c 、净水效果不好。由于这种方法的劳动强度大，同时对工人的技术和责任心 要求比较高，因而出厂水的水质稳定性差。 重庆大学硕士学位论文3 国内外投药系统的现状 3 2 2 烧杯搅拌试验法 所谓的烧杯搅拌试验是指在实验室，模拟混合、絮凝、沉淀三个工艺过程， 来确定实际生产过程的混凝剂最佳加量的方法。我国多数给水处理厂在日常生产 管理中采用此方法，但是烧杯搅拌试验获得的最佳加量往往与生产实际不符合， 有时相差甚远，没有起到指导生产的作用。但是只要我们进步完善试验条件， 模拟结果会与生产实际更加接近。这种方法具有以下特点： a 、烧杯搅拌试验对实际生产具有一定的指导意义。一方面我们要完善传统的 杯搅拌试验设备和操作手段( 形烧杯改为带有固定取样口的方形烧杯) ，另一方面 我们要不断精确烧杯搅拌试验条件( 通过对不同的水量实际构筑物的g 和t 值、 沉降时间测算，计算烧杯搅拌试验搅拌转速、搅拌时间、静沉时| 日j ，然后进行实 验，将实验结果与生产实际结果相比，修正实验条件，在修正条件后进行的实验 结果可以指导生产) 。通过以上两个方面的努力，烧杯搅拌试验结果对实际生产具 有一定的指导意义。 b 、烧杯搅拌试验指导实际生产的及时性差。烧杯搅拌试验实是在混凝过程参 数发生变化后进行的，显然烧杯搅拌试验结果滞后。 c 、可以为自动投药积累大量的试验数据。随着时间的推移，我们将积累大量 的实验数据，这些数据( 曾经有效的指导过生产) 是在不同的条件( 水量、原水 水质) 下获得的，表面上看杂乱无章，但是经过整理我们不难发现，当多数参数 不变，只选择一个变量时( 例如只有浊度变化) ，混凝剂的加量与变量存在个近 似的函数关系，这个关系式不仅可以用来指导人工投药，而且还为自动投药奠定 了基础。 d 、可以适当地降低工人的劳动强度和提高水质合格率。烧杯搅拌试验条件不 够精确，它的结果虽然不是最佳投药量，但可以作为我们投药的参考数，结合人 工观察法，可以减少人工调节的次数，因而可以降低工人的劳动强度。 这种方法由于生产单位没有重视模拟条件，实验结果与生产实际相差太大， 各个单位现在很少使用这个方法，现在此方法只用来检测混凝剂质量或在制水过 程中遇到较大的困难时用它的结果作为参考值。 3 2 3 流动电位仪控制法 将水样流经一个特殊的圆筒内，该圆筒的底部和顶部都装有敏感电极，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( 往复运动产牛交流) 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( 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 2 0 m a 信号来控制投药设备。由于这种方法只从胶体( 电位大小这 重庆大学硕士学位论文3 国内外投药系统的现状 一个因素来判断混凝剂加量是否恰当，因而我们称之为单因子控制法。这种方法 具有以下特点： a 、将影响混凝效果的诸多因素归结到电位，由于电位与流动电流存在一 定的关系，且电位不容易检测，通过检测流动电流来判断混凝效果，从而使得确 定投药量大小变得简单化。 b 、理论依据不够充分。混凝有多种作用机理，其中压缩双电层、电中和作用 机理直接影响到电位，而吸附架桥、沉淀网扑作用机理对电位影响较小，因此 某些情况的原水本方法是不适宜的。 c 、抗水量冲击能力小。流量的变化即处理系统负荷的变化，即使在混凝剂单 耗( 相应的流动电流值) 不变的情况下，沉淀后水的浊度也会变化，这就要求调整混 凝剂单耗，也就是流动电流设定值人工作相应的调整。混凝剂的加量与水量呈非 线形关系。 d 、对原水水质要求高。例如，原水有机物含量高时，有机物对流动电流的检 测造成干扰，它可能改变检测器探头的表面特性，对探头造成污染，使测定值发 生偏差。原水浊度高也给应用带来一定的困难，主要是易于对取样、检测系统造 成堵塞、干扰等。 e 、系统稳定性差、调校时间长。流动电流检测器在使用过程中的磨损、脏污 等会使检测信号发生漂移、波动或灵敏度降低，同时系统每一次重新调零时需要 的时间长。 f 、对配液系统和混凝剂的要求不高。有些水厂使用的混凝剂质量不稳定，有 效成分浓度或聚合度常有变化，在常规投药控制方式下，这一现象会产生问题。 但流动电流技术是以水中胶体脱稳程度为标准，无须控制混凝剂总量或有效成分 含量，这是该技术的一个重要优点。应用中还发现有的水厂因故连续向溶液池内 放水，这实际上相当于混凝剂浓度不断降低的变浓度投药过程，这时常规投药是 难以使混凝工况稳定的，而流动电流技术却很好地发挥了作用，随着混凝剂浓度 的下降，控制系统不断地增加混凝剂流量，从而保持流动电流检测值的稳定，沉 淀后水的浊度也相应保持稳定。 g 、系统投资和维护成本高。一个制水单元就需要一台流动电流仪和。套与之 相配的投加设备。以5 1 0 4 m 3 d 为例，系统建成投资为3 0 万元，5 1 0 4 m 3 d 的系统 运行费用为3 万元年 这种方法在过去的几年早，在大中型城市的自来水公司的水厂试用过，由于 个方面的原因，现在基本没有使用。 3 2 4 模型池法 该方法是在水处理构筑物前或并列处设鬣一个构筑物或个水处理单元的构 重庆大学硕士学位论文 3 国内外投药系统的现状 筑物模型，使模型池的水质与对应生产构筑的水质相等或者具有一定的对应关系， 通过控制模型池中的水浊度，来实现生产构筑物的水浊度到达要求，解决了控制 生产构筑物的滞后问题，这种方法称为模型池法。这种方法具有以下特点： a 、以前控后、以少控多。因为模型池一般设在生产构筑物的前端，当原水发 生变化时能够起预警作用。由于模型池子水量小，生产构筑物是根据模型池子运 行的结果进行控制的，起了以少控多的目的。 b 、减少劳动强度。因为同一时间原水的水质相同，因此制水： 人在生产过程 可以将更多的注意力集中在模型池上。借助于+ 个或一组模型池子的运行结果和 它与生产构筑物的水质对应关系，来控制生产构筑物，对于规模较大水厂，减少 工人的劳动强度是很明显的。， c 、误差大、安全性小。模型池子与生产实际构筑物的对应关系一般是建立在 一个特定的生产水量基础之上，瓶生产过程中实际产水量有时要发生变化，模拟 的条件发生了变化，原来建立的水质对应关系就不再适合用来指导生产，如果继 续使用势必造成乍产：结果与预期的要求不一致，产生误差。模型池予的运行效果 是由人工控制的，当原水水质发生变化时，水质可靠性是不高的。 这种方法在华东一带的大公司由于取水距离长，应用比较广泛( 例如：上海 自来水公司，杭州自来水公司) ，对生产起到了一定的指导作用。 3 2 5 数学模型法 所谓的数学模型法是指通过研究影响混凝因素，找出它们与混凝剂投加量的 定量的数学关系式，来指导实际生产运行，从而使得沉淀水的水质达到某一要求。 这种方法具有以下特点： a 、安全可靠性高。数学模型是投药量与影响其大小的各种参数的定量关系式， 当原水的参数值己知，就可以立即计算出混凝剂投加量的大小，即使是原水连续 的变化，系统也能适应，因而系统安全可靠性较高。 b 、可操作性强。随着水工业技术的发展和进步，使得给水处理厂的原水各参 数都有在线水质仪表，这些仪表测试的数据都可以立即用来计算混凝剂的加量。 系统一旦建立，系统对人的依赖程度减少。 c 、建立数学模型比较困难。影响混凝剂加量因素有浊度、温度、碱度、水量、 p h 值等，每一个因素对加量的影响程度不一样，要找出这些因素影响混凝剂加 量综合关系式是很困难的，必须要做大量的生产实验，积累和处理大量的实验数 据，才能找出它们相互作用的数学关系式，在使用过程巾需要修正和完善。 d 、系统投资省。由于系统只须检测原水参数，水厂。各处理系统可以共用，而 单因子控制法每组都需要一台价格昂贵的流动电流检测仪，因而数学模型法具有 投资少的特点。 重庆火学硕士学位论文 3 国内外投药系统的现状 数学模型法早在上个世纪六十年代我国就开始了这方面的研究，t 9 6 4 年苏州 自来水公司建立我国第一个投药数学模型，其后重庆建筑工程学院、兰州自来水 公司、哈尔宾自来水公司、上海石化给水处理厂等建立了数学模型，由于检测和 投加设备等方面的原因，未能充分应用生产实际，近年来成都自来水公司在这方 面做了大量的工作，结合自己的水处理构筑物运行的特点建立了岷江水系的投药 模型，取得良好的运行效果。 3 3 国外投药系统的现状和发展趋势 发达国家由于水资源保护工作成效显著，原水水质条件比较好，自来水生产 过程控制难度很小，再加上技术和资金的优势，使得自来水水质的稳定性明显优 丁我们的自来水水质。 3 3 i 国外混凝剂投加方式 困外主要是借助于计量泵将混凝剂送到絮凝池。 3 3 2 国外确定混凝剂投加方法 a 、烧杯实验美国和同本一些自来水厂继续沿用常规和改进的烧杯实验确定 混凝荆加量，而且把烧杯实验用作衡量自来水厂有效处理程度的方法。国外森林 覆盖率高，水土保持比较好，再加上水厂有自身的原水储蓄池，因此每次暴雨过 后，原水浊度不会有明显的变化，这样，在原水浊度有较小的变化时，制水人员 就有足够时问来做烧杯实验，改变混凝剂加量。这种方法在较好的原水条件下， 是一种简单而有效的办法。 b 、数学模型目前美国、欧洲、日本一些国家多数城市采用这种方法，它 们