（环境工程专业论文）运用数学模型方法建立水厂投药的自动化控制.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 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，尝试运用数学模型法来实现水厂投药系统的自动化控制，成功地 解决了长期困扰水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、小型水厂，具有较强的应用空间。 。 本文通过对影响混凝剂投加量的诸多因素进行分析，对那些连续变化且很难 找出它与混凝剂投加量函数关系式的因素( 例如原水温度) 划分成若干的区间范 围，当其在一个较小的区间范围上变化时，对加药量的影响微小，我们就可以近 似认为这些变量为常量。同时对那些常年在一个很小范围内变化，只是在个别较 短时间段内变化幅度较大的影响加药量的因素( 例如原水碱度、原水p n 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有 较大的变化时，我们可以投加生产试剂，使它们处于正常的范围内，从而达到调 整这些因素对混凝剂投加量大小影响的目的，因此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，只有原水浊度 一个变量对混凝剂投加量有影响，我们就不难找出它与混凝剂投药量之间的关系。 通过对相关的水厂实际运行数据进行收集和整理，运用数学上的最小二乘法， 我们找出了主要影响因素原水浊度与混凝荆投加量的定量数学关系式，并验证了 该定量数学关系式，从而建立起了针对特定水厂的投药自动化数学模型，并将该 数学模型运用到实际的生产中，取得了良好的实际生产效果。实践证明，运用数 学模型法实现的水厂自动化投药系统具有运行稳定可靠的特点。这种以数学模型 法为核心的投药自动化系统，在成都市自来水总公司二二厂投入运行以来，保证了 水质的安全，取得了良好的经济和社会效益。 关键词：混凝，投加，数学模型，最小二乘法 熏庆大学工程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 ha na u t o m a t i cc 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 s ，a n dw es u c c e s s f u l l y r e s o l v e dt h 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 ns y s t e mi sa l w a y su n r e l i a b l e t h ea u t o m a t i cc o a g u l a n ta d d i t i o ns y s t e m ，w h i c hc a nb eu s e di nd i f f e r e n tw a t e rw i r k s ， i se c o n o m i c a la n dr e l i 曲l e w ea n a l y z es e v e r a lf a c t o r s ，w 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 m gh o wt h ef a c t o r ( e x a m p l e ，t e m p e r a t u r eo ft h er a ww a t e r ) w h i c h c o n t i n u o u s l yc 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 y o fc o a g u l a n t ，w cf o u n dt h e a d d i t i o nq u a n t i t yd i dn o tc h a n g ei nan a r r o wr a n g eo f t h et e m p e r a t u r e ，s ow eg i v ead a t a i ne v e r yr a n g eo f t h et 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 e s a m et i m e ，w ef o u n dt h ef a c t o r s ( e x a m p l e ，a l k a l i n i t yo ft h er a ww a t e r , p ho ft h er a w w a t e r ) c h a n g ea l w a y si nan a l t 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 e c 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 ，as 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 yo f c 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 n dt h e r ei so n l yo n e v a r i a b l ei nt h ef u n c 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 ld 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 f l e a s ts q u a r e s ，w ef o u n daf 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 w w a t e rt u r b i d i t y , a n dt h e nw ev a l i d a t e dt h a tt h ef u n c t i o ni sv a l i da n da d a p t i v e a c c o r d i n g l yw ee s t a b l i s h a l la u t o m a t i cc 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 l ei s e s t a b l i s h i n gm 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 s ，i tp r o v e s t h a tt h ea u t o m a t i cc o a g u l a n ta d d i t i o ns y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e i np r a c t i c e t h e a u t o m a t i cc 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 nn o 2w a t e rw b r k so fc h e n g d u w a t e rs u p p l yc o m p a n yf o r2y e a r s ，a n di th a sa c h i e v e dg 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 i l ，m m 煳砒i c a lm o d e l l e a s ts q u a r e sm e t h o d i i 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出和研究的意义 随着社会经济的快速发展，自来水对人民生活与生产的影响日益加强，对供 水的质量与安全可靠性的要求不断提高。自来水作为一种不可取代的特殊商品， 每个人每一天都需要它，它的质量好坏赢接关系到人们的身体健康，同时，城市 的建设发展也离不开它。政府历来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地提供优质的自来水，供水企业投入了大量的人力、物力、 财力资源，引进了新工艺、新技术、新设备、新材料，水厂有了很大的发展和进 步。尤其是近十几年来，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发展最显著的特点之一。 我们应该认识到，自动化控制系统在水厂的应用不仅标志着水厂现代化水平的提 高，更重要的是能够为提高供水安全可靠性、提高供水水质、合理降低药耗电耗、 提高供水企业的管理和服务水平发挥着良好的作用。目前自动化控制系统在国内 大中型城市水厂已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。 但是，由于供水行业内部发展不平衡，生产过程中存在这样或那样的问题， 制约着自动化控制系统在水厂中作用的发挥。以投药系统为例，作为水厂生产的 关键环节，其自动化的实现也是受到很多因素的影响。本文将通过对水厂投药系 统及其自动化的实现进行研究，运用数学模型方法来实现水厂投药系统的自动化 控制，确保水厂自动化投药系统运行的稳定可靠性。 1 1 1 问题的提出 我们知道，采用地表水源的城市自来水厂，常规处理过程包括混凝、沉淀、 过滤、消毒等环节，这些环节互相关联，前一环节的处理效果直接影响并制约着 后续环节的处理效果。这是因为，水厂地表水源中的污染物包括：以泥砂为主的 憎水性颗粒物，包括胶体和粗分散物质；以腐殖质为主的水溶性天然高分子有机 物，包括病原菌和病毒在内的多种微生物。混凝处理的目的就是通过混凝剂的作 用，将上述污染物凝聚成高质量的矾花：沉淀的目的是使矾花在重力作用下从水 中分离出去：过滤的目的是使未沉淀的小矾花与滤料颗粒或早先附着在滤料颗粒 上的矾花相碰撞，并在絮凝作用下附着其上，并被截留在滤料层内。所以滤池的 作用实质一匕是混凝过程的继续，是一种特殊形式的絮凝作用，称为接触凝聚或接 触絮凝。总之，沉淀和过滤的目的仅仅是将在混凝处理中形成的矾花充分和完全 地从所处理的水中分离出去而已。消毒处理的效果与混凝处理也有密切的关系， 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 原水中包括病原微生物在内的绝大部分微生物已随同矾花被截留在沉淀池和滤池 中，只有很少一部分随同过滤水和微凝絮体流出了滤池。为了将过滤水中包括病 毒在内的病原微生物用消毒剂全部杀死，过滤水浊度必须很低，而这也依赖于混 凝处理效果。由此可见，沉淀、过滤和消毒处理的效果与混凝处理密切相关，并 受到混凝处理效果的制约。据此推断，作为水厂水处理第一道工序的混凝处理环 节应该是水厂水处理过程中的关键环节。只有处理好了混凝环节，才有可能生产 出高质量的生活饮用水。如果忽视了对这一重要环节的处理和控制，水厂生产就 有可能出问题。 要搞好混凝处理环节，提高混凝处理的效果，其中涉及的重要问题是如何及 时而又准确地确定当前混凝剂投药量的大小，并将混凝过程中所需要的混凝剂投 加到絮凝池。对混凝剂投药量大小的确定和投加目前国内主要采用人工控制投药 和自动化控制投药两种方式。 人工控制投药方式主要是采用经验法或烧杯搅拌实验法实现。经验法就是操 作人员根据工作经验，观察絮凝池矾花生成情况和沉降效果或后续构筑物的运行 情况，确定和调整混凝剂投加量。烧杯搅拌实验法，则是根据原水水质，做不同 混凝剂投加量的对比实验，通过实验求得符合沉淀水浊度时的最佳投药量，然后 由人工控制投加混凝剂。由于这两种人工投药方式都不能满足连续运行的需要， 不能根据原水水质和水量的瞬对变化而及时改变和调整投药量，只能在原水水质 和水量变化很小的情况下才能保证水质，并且投药的准确性又取决于操作人员的 技术、经验和责任心，因此采用人工操作控制投药方式容易造成水质合格率低和 药耗过高。 目前国内已有不少的水厂逐步采用自动化控制投药方式取代传统的人工操作 控制投药方式，这对提高水质和降低药耗都起到了关键性作用。然而，由于自动 化控制投药方式在我国水厂的应用时间还不是很长，同时，影响混凝剂投加的因 素又很多，如原水浊度、水温、流量、碱度、氨氮、耗氧量和净水设施的负荷、 状态等。这就决定了建立稳定可靠的水厂自动化投药系统必须综合考虑各种因素。 因此，在水厂投药自动化控制系统的建立方丽，有许多问题值得我们去研究和解 决。本文将通过建立水厂投药系统的自动化控制数学模型，找到一种解决混凝剂 自动化投加的有效方法，从而实现了水厂投药的自动化控制。 1 i 2 研究水厂投药系统及其自动化的意义 第一、研究水厂投药系统及其自动化控制的实现，建立稳定可靠的自动化投 药系统是确保水厂安全可靠地运行的需要。据统计，在同等资源配备情况下，供 水不安全因素一半来自于人为因素的影响。作为水厂自动化控制系统的关键环节， 自动化投药控制系统能够实现对水质参数、构筑物及设备状态参数的实时巡检， 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 能够确保投药工艺过程和状态处于实时受控状态，及时发现操作人员不易发现的 问题先兆并立即采取处理措施，从而避免了人为因素对投药系统的影响，保证了 投药混凝生产过程的可靠安全运行。同时，对自动化投药系统所采集存储的生产 数据加以分析、统计和研究又能为改善和提高自动化投药系统的安全可靠性提供 有力的生产数据支持。另一方面，由于影响自动化投药系统运行好坏的因素较多， 造成了自动化投药系统与水厂其他控制系统相比，其系统运行的稳定可靠性相对 较低，系统的故障率相对较高。以成都市自来水二厂2 0 0 3 年生产系统的故障统计 数据为例，自动化投药系统的故障率( 自动化投药系统发生故障的次数占全厂发 生故障总次数的百分比) 为p = 6 2 。由此可见，自动化投药系统是水厂生产故障多 发生的一个系统，我们必须对这一现象引起足够重视并加以研究解决。从而，提 高水厂生产的安全可靠性。 第二、研究水厂投药系统及其自动化控制的实现，建立稳定可靠的投药自动 化系统是给水处理工艺提出的要求。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。在水厂中，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r 我 们要研究如何建立一个稳定可靠的水厂自动化投药系统。 第三、研究水厂投药系统及其自动化控制的实现，建立稳定可靠的投药自动 化系统是供水企业提高服务质量和管理水平的需要。随着经济发展，人民生活水 平的改善，人民对自来水的质量要求不断提高，同时经济发展导致工业产业结构 的调整，以电子、生物制药、高分子材料为龙头的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务质量有了新的要求，这种要求推动了水处理技 术的进步和发展。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r 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，致使投药系统和自动化投药技术发展相对落后，导致大多 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，我们应该加强对 投药系统和自动化投药技术的研究，促进自动化投药系统在水厂的应用，为人民 生活的质量提高和经济发展奠定坚实的基础。同时，合理有效地利用自动化控制 技术，实现对投药过程的有效监测、控制和管理，不但确保了水厂生产过程的连 续安全运行，而且能够极大地减少管理者、技术人员和现场操作人员的重复工作 量，可以将人力资源转移到企业其它需要关注的问题上来。 第四、研究水厂投药系统及其自动化控制的实现是控制水厂建设成本的需要。 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 通常水厂主要由以下几个部分组成：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。投药系统虽然只是水厂投资的一个很小系统， 但是，从统计资料上可以看出，自动化投药系统的投资在给水处理厂所占的比例 还是比较大，约为工艺部分投资的1 0 ，出现这种情况主要原因是：改革开放以 来，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弓l 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引进较多。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，但是并不十分适合我国的国情， 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和自动化投药技术就显得十分的必要。 第五、研究水厂投药系统及其自动化控制的实现是控制水厂运行成本的需要。 在水厂投药系统中，混凝效果的好坏直接影响到水处理的全过程，而混凝效果的 好坏又与很多因素有关，如处理工艺、进水浊度、p h 值、温度、处理水量、配水 方式、混凝剂种类、加药地点、混合方式、混凝剂浓度、加药量等。现场一般通 过调节加药量来调整混凝效果，控制絮凝池出水质量。混凝剂加药量有一个最佳 值，太少则混凝效果不好，水中胶体未完全脱稳，水质得不到保证：太多则发生 再稳现象，不仅出水效果变差，而且浪费混凝剂。因此，探索混凝剂加药量的最 佳值在水厂投药自动化控制系统中有着非常重要的意义。 综上所述，自动化投药系统是水厂重要的组成部分。而我们现在的投药系统 还很不成熟，绝大多数水厂仍然沿用原始的手工操作投药方式，技术相当落后， 少数水厂引进的投药系统又不适合国情，在运行中出现这样那样的问题，无法满 足供水要求。因此我们应该重视对投药系统和自动化投药技术的研究，探索建立 稳定、可靠、适合我国国情的自动化投药系统。 1 2 本文研究的目的和内容 1 2 1 研究的目的 混凝是地表水常规处理工艺中的关键环节。在工艺条件一定的情况下，混凝 剂投加量的多少直接影响到水处理的结果，即处理后的水质，并在制水成本中占 有较大比重。如何用最佳投药最实现混凝过程，在符合水质要求的同时又节约混 凝剂的消耗，是广大给水处理科技工作者和自来水行业同志努力研究和实现的目 标。目前国内投药系统有三种控制类型：一是人工操作控制投药方式，二是半自 动化控制投药方式，三是全自动化控制投药方式。每一种方式都有各自的特点， 但是从国内现有的这三种控制运行模式来看，都不能完全确保混凝药剂的有效投 加。本文将对几种自动化投药系统的特点和存在的问题进行研究，通过对比其自 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 动化投药控制方式的优缺点，从系统运行的适应性和有效性着手，寻求建立一种 较为稳定可靠的自动化投药系统，从而提高水厂自动化投药系统运行的稳定可靠 性。 1 2 2 研究的内容 传统上，最佳混凝剂投加量是以烧杯试验法确定，通常数天以至数周进行一 次。事实上，原水水质是随时问连续变化的，以原水瞬时水质为依据的烧杯试验 难以保证混凝剂投加量始终为最佳量。因而投药系统引进计算机自动化控制技术， 实现投药自动化，已成为水厂发展的必然趋势。目前国内自动化投药系统通常采 用的实现方式有：模拟滤池( 沉淀池) 法、数学模型法、胶体电荷法等。混凝优 化控制方法主要有：采用处理后水质反馈法和采用原水水质水量前馈法。这些方 法有各自的优缺点。 本文尝试运用数学模型法来实现水厂投药系统的自动化控制。我们通过对影 响混凝剂投加量的诸多因素进行分析，对那些连续变化且很难找出它与混凝剂投 加量函数关系式的因素( 例如原水温度) 划分成若干的区间范围，当其在一个较 小的区间范围上变化时，对加药量的影响很小，我们就可以近似认为这些变量为 常量。同时对那些常年在一个很小范围内变化，只是在个别较短时问段内变化幅 度较大的影响加药量的因素( 例如原水碱度、原水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有较大的变化时，我 们可以投加生产试剂，使它们处于正常的范围内，从而达到调整这些因素值对混 凝剂投加量大小影响的目的，因此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，只有原水浊度一个变量对混凝 剂投加量有影响，我们就不难找出它与混凝剂投药量之间的关系。 本文通过对水厂大量原始生产数据的收集和处理，运用数学上的最小二乘法， 找出了原水浊度对混凝剂投加量的数学关系式，并验证了这个数学关系式，从而 得到了有关混凝剂投加景的数学模型，并将该数学模型运用到实际的生产中，取 得了良好的实际生产效果。实际生产实践证明，运用数学模型法实现的水厂自动 化投药系统具有运行稳定可靠的特点。 重庆大学工程碗士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 我国地域辽阔，自然气候条件差异很大，东西南北经济发展很不平衡。自来 水行业作为公荚服务单位，与当地的经济发展水平有着紧密的关系，经济发达地 区对自来水水质要求较高，对自来水行业的投入也较大，经济落后地区对自来水 水质的要求相对较低。投药系统作为水厂的重要系统，在我国的发展水平也参差 不齐。下面是我国水厂投药系统和投药自动化的现状。 2 1 国内投加方式的现状 目前国内投药系统的投加方式大致可以分为两类：重力投加方式和压力投加 方式。 2 11 重力投加混凝剂方式 重力投加混凝剂方式目前在我国尤其是中小型水厂应用比较多，其大致的工 作原理是：人工或机械取固体或液体混凝剂原料到配液池，通过人工搅拌或机械 搅拌，加水稀释到一定浓度的液体，利用投加池位置比投加点位置高的特点，通 过重力方式，依靠药液重力作用投加到絮凝池入口处。如图2 1 所示。 过重力方式，依靠药液重力作用投加到絮凝池入口处。如图2 1 所示。 自来水 码航l 糍剂护j ，山山 一 i 鼠：免提升泵 絮凝池 彳 图21 重力投加混凝弃流程图 f i g21 t h ef l o wc b 耐o f g r a v l t a t t o nc o a g u l m i ta d c h l ：i o ns y s t e m 重庆大学工程硕士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 我国地域辽阔，自然气候条件差异很大，东西南北经济发展很不平衡。自来 水行业作为公共服务单位，与当地的经济发展水平有着紧密的关系，经济发达地 区对自来水水质要求较高，对自来水行业的投入也较大，经济落后地区对自来水 水质的要求相对较低。投药系统作为水厂的重要系统，在我国的发展水平也参差 不齐。下面是我国水厂投药系统和投药自动化的现状。 2 1 国内投加方式的现状 目前国内投药系统的投加方式大致可以分为两类：重力投加方式和压力投加 方式。 2 1 1 重力投加混凝剂方式 重力投加混凝剂方式目前在我国尤其是中小型水厂应用比较多，其大致的工 作原理是：人工或机械取固体或液体混凝剂原料到配液池，通过人工搅拌或机械 搅拌，加水稀释到一定浓度的液体，利用投加池位置比投加点位置高的特点，通 过重力方式，依靠药液重力作用投加到絮凝池入口处。如图2 1 所示。 山 授加池 t b 一 自来水 调节阀 重力流 删护j ， 投加点、， l 山山 l 孑 i i 屠kn 提升泵 絮凝池 彳 图2 1重力投加混凝剂流程图 f i g2 1 t h ef l o wc h a r to f g r a v i t a t i o nc o a g u l a e i ta d d i t i o ns y s t e m 6 重庆大学工程硕士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 投加池的容积v 1 可以按照公式2 - 1 计算，配液池的容积v 2 可以按照公式2 - 2 计算j 。 v l = 坠m 3 ( 2 - 1 ) 唾1 f b n v 2 = ( 0 2 0 3 ) 舻 ( 2 2 ) 其中：q 一处理的水量m 3 h a 一混凝剂最大投加量m 鲈 b - 溶液浓度，一般取1 0 2 0 n 一每日调制次数 重力投加混凝剂方式有以下的优点： a 、投资少、运行费用低。由于系统结构简单，系统建成所需要的投资费用 较少，其运行时的动力费用和维护维修费也相应较低。 b 、系统运行时的故障发生次数较低。由于系统结构简单，系统设备少，只 有提升泵，而没有计量设备，因而发生系统故障的情况较少，日常只需要对配液 和投加管道进行必要的维护和保养。 c 、系统的应用范围广，适用于中小型水厂和经济相对落后的地区。 重力投加混凝剂方式有以下的缺点： a 、系统对人的依赖性很强，人员劳动强度较大。当原水水质和水量发生变 化时，系统本身不能调节加药量的大小，现场必须通过人工根据原水的变化情况， 依据经验判断，及时调整混凝剂的投加量。当投加池中混凝剂使用完后，也需要 人工及时配液，以确保投加过程的连续性。 b 、由于没有必要的混凝剂计量设备，这就造成对投加量计量不准确，只能 在一个较粗略的范围内保证混凝荆投加量的准确，因而水质的安全性很难得到保 证。 c 、在运行过程中，当原水流量、水质发生变化时，需要通过人工及时调整 混凝剂加量，而人工控制混凝剂加量的方式不可避免地会造成混凝剂的浪费，这 会增加水厂的运行成本。 d 、在对水质要求较高的地区，这种投药方式显然满足不了要求。 2 1 2 压力投加混凝剂方式 压力投加混凝剂方式的主要是工作原理是：人工或自动取固体或液体混凝剂 原料到配液池，通过人工搅拌或自动机械搅拌，加水稀释到一定浓度的液体，利 用计量泵或水射器( 水射器方式由于需要安装计量装置并且水射器喷嘴容易被药 剂堵塞，目前已较少采用) 将药液投加到絮凝池入口处。如图2 2 所示。 压力投加混凝剂方式有以下的优点： 7 重庆大学工程硕士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 a 、能够将混凝剂投加到距离较远、标高较高的絮凝池上，受投加池和絮凝池 的标高限制较小。 投加点、 ， i 原矗嚼辩自来i 水l 能系统l 压 上土 謇 z 絮凝池 一 i i 彦 涟配掖池咫 图22 计量泵投加混凝剂流程图 f i g 2 2t h e f l o w c h a r t o f e n g i n e p u m p c o a g u l a n ta d d i t i o ns y s t e m b 、由于采用了计量装置和自动化投加控制设备，因此减少了人员的劳动强 度。 c 、由于配备了必要的混凝剂计量设备和自动化投加控制设备，对投加量计 量比较准确，能够在一个比较精确的范围内保证混凝剂投加量的准确，因而水质 的安全性得到了一定的保证。 d 、在运行过程中，当原水流量、水质发生变化时，能够通过自控系统及时 调整混凝剂加量，因而能够保证混凝剂加量的同时避免造成混凝剂的浪费，降低 了水厂的运行成本。 e 、系统的应用范围广，适用于大中小型水厂和各种类型的水厂。 压力投加混凝剂方式有以下的缺点： a 、投加系统的组成较复杂。为了将混凝剂液体输送到投加点，系统增加了 计量泵和计量泵的自动化控制设备。系统维护维修的工作量较大。 b 、系统对人仍然有一定的依赖性。当原水水质发生变化时，如果自动化系 统建立效果不好、适应性不强的话，还是需要人工根据原水的变化情况，辅助调 节混凝剂加量，因而水质的安全性仍然不高。但与原始的重力投加系统相比其稳 定可靠性还是有明显的提高。 重庆大学工程硕士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 c 、系统投资大、运行费用较高。由于系统比较复杂，系统建成投资较大， 对维护维修的要求较高。 2 2 国内确定混凝剂加量的方法 目前国内确定混凝剂加量的方法通常有：通过人工观察矾花形成情况来确定 混凝剂加鬣的人工经验法、以烧杯搅拌实验为基础的实验法、以模拟装置运行数 据为基础的模型池法、以流动电流检测仪和透光率脉动检测仪等设备为基础的仪 器仪表法、以研究影响混凝效果的各种原水因素( 如浊度、温度、碱度等) ，从而 找出它们与混凝剂投加量对应数学关系式的数学模型法。 2 2 1 人工经验法 日前我国在投药系统的混凝剂自动化加注方面的应用还不是很广泛，很多水 厂仍然采用的是人工操作混凝剂的投加，还不能及时根据水质和水量的变化准确 调整混凝剂的加量。人工经验法就是指操作人员根据絮凝池出口的矾花形成情况 和沉降效果以及后续构筑物的运行情况人工调整混凝剂加量，以满足制水要求。 我国很多水厂仍在使用这种方法。这种方法具有以下的特点： a 、制水工人的劳动强度大。原水的水质和水量变化比较频繁时，每一次变 化，现场操作工人都必须到现场及时调整投药量，而且需要对调整的结果进行实 时的观察，有时可能需要进行多次观察和调整，才能满足制水要求。因而现场的 操作人员的工作强度相当大 b 、对操作人员的责任心和技术水平要求很高。原水的水质和水量及净水构 筑物运行情况随时都有可能发生改变，这就要求操作人员能够及时对混凝剂的投 加量进行调整，水厂操作人员必须频繁地巡视和观察构筑物运行情况，查看矾花 的形成情况和原水的变化情况，及时调整混凝剂的加量，才能保证沉淀池出口水 水质。 c 、净水效果不好。由于这种方法的劳动强度大，同时对操作人员的技术和 责任心要求比较高，因而容易造成沉淀池出口水的水质波动，水质稳定性较差。 2 2 2 烧杯搅拌试验法 烧杯搅拌实验法是指在实验室中根据原水水质情况，做不同混凝剂投加量的 对比烧杯实验，通过实验求得符合沉淀水浊度时的最佳投药量，然后由人工参考 该最佳投药量来实际投加混凝剂的方法。这种方法具有以下的特点： a 、烧杯搅拌试验对实际生产具有一定的指导意义，但其实际指导性不是很 强。这是因为：通常烧杯搅拌试验法所确定的实验条件和生产实际工艺条件不是 很符合，有时甚至相差较远，造成实验求得的最佳投药量不准确。 b 、烧杯搅拌试验通常每天或每周进行一次，由于间隔时间长，其指导实际 重庆大学工程硕士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 生产的及时性较差。它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 、可以适当地降低操作人员的劳动强度。虽然烧杯搅拌试验条件和实验结 果都不够准确，它求得的投药量和实际生产的最佳投药量有一定的差距，但结合 人工经验法，可以适当地减少人工对投加量的调节次数，因而可以降低操作人员 的劳动强度。 d 、由于实验结果与生产实际相差较大，现在使用这个方法的水厂已经很少。 该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才用它的实验结 果作为制水参考。 2 2 _ 3 模型池法 模型池法就是利用一个小的模型滤池或沉淀池，使水处理生产过程中得到初 步絮凝的水流过该模型，操作人员或计算机控制系统以该模型的出水浊度来评价 投药量是否合理，并作为调节投药量的依据和控制投药量的辅助手段1 2 j 。这种方 法具有以下的特点：， a 、这种方法的控制过程有1 0 - 2 0 分钟的时间滞后( 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。在取水距离长的水厂，能够对生产起到了 一定的指导作用。 b 、方法的准确性也较差，因为其实现依据是模型与原型( 生产系统) 的相似 性，然而，通常保证其相似是困难的。例如在原水浊度较高时，仅以一个小沉淀 池模拟水处理全系统的工作状况是不全面的。这点不足也限制了该方法的普遍应 用。 c 、可以减少操作人员的劳动强度。因为同一时间原水的水质相同，因此制水 工人在生产过程可以将更多的注意力集中在模型池上。借助于模型池的运行结果 和实际生产构筑物的水质对应关系，来控制实际生产过程。对于规模较大的水厂， 减少工人的劳动强度是很明显的。 2 2 4 流动电流检测仪控制法 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，该圆筒的底部和顶部都装有敏感电极，其内部有一个可 上f 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 胶粒带有电衙，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 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 l o 重庆大学工程硕士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 剂加量的大小，因而我们又称之为单因子控制法。这种混凝剂投加控制方法具有 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 、对配液系统和混凝荆的要求不高。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。应用中曾发现有的水厂因故连续向配液浊或 投加池内放水，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，从而保持了流动电流检测值 的稳定，沉淀后水的浊度也相应保持稳定。 c 、对原水水质要求高。当原水有机物含最高时，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。原水浊度高时也给应用带来一定的困难，主要是易对取样、检测系统造成 堵塞、干扰等。 d 、系统对取样点的位嚣选择要求较高且抗水量冲击能力小。流动电流检测 仪的取样水必须有代表性，要求是充分混合后的水样，但是短时间混合后的水样 中胶体刚刚脱稳，絮凝作用很强，非常容易粘附在取样管壁及探头的表面，因而 取样位援不能太靠前。如果水厂进水加药点后为高强度的静态混合器混合，混合 时间短、效果好，取样点就可靠前，系统滞后时间仪为一分钟左右，相对水处理 工艺较长的处理时间，可认为没有滞后问题：而当进水加药仅为短距离管道混合， 混合效果较差，则必须在反应池中取样，或设置混合池时在末端取样，其滞后时 间会显著增加，可达三至十分钟。当进水流量的变化时间短而幅度大时，对这种 相对较大滞后时间的混凝投药控制系统冲击较为剧烈。通常当处理系统的流量变 化时( 即处理系统的负荷变化时) ，即使在混凝剂单耗( 相应的流动电流值) 不变的 情况下，沉淀池出口水的浊度也会变化。这就要求调整混凝剂单耗以适应水流量 的变化，也就是流动电流设定值需要作相应的变化。混凝剂的加量与水量呈非线 形关系。 e 、理论依据不够充分，其适用范围不够广泛。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e 电位影响较小，因此这些情况下的混凝，本方法是不适用的。 f 、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 重庆大学工程硕士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 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校时需 要的时间较长。 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检测仪和一 套与之相配的投加设备。而流动电流检测仪的价格相对较高，对其进行维护的成 本也较高。 2 2 5 数学模型法 数学模型法是指通过研究影响混凝的各种原水因素( 如浊度、温度、碱度等) ， 找出它们与混凝剂投加量的定量数学关系式，来指导实际生产运行，从而满足沉 淀池出口水水质要求的方法。这种方法具有以下的特点： a 、系统的安全可靠性高。它是根据影响水处理效果的有关水质参数建立的 混凝剂投加率的数学关系式，混凝剂投加量大小与影响其大小的各种参数构成了 定量关系式，当原水的参数值已知，就可以立即计算出混凝剂投加量的大小，即 使是原水参数连续变化，系统也能适应，因而系统安全可靠性较高。 b 、系统的可操作性和自动化程度比较高，但对仪器仪表的依赖性强。水厂 的原水各参数都有在线水质仪表，这些仪表检测的数据通过数学模型就可以立即 求得混凝剂的加量，然后通过控制系统实现对混凝剂的自动化加注。系统一旦建 立，系统对人工的依赖程度很小。但为了确保系统的稳定运行，需要对相关的仪 器仪表和投加设备进行定期维护和效验， 加设备的稳定运行。 c 、建立和维护数学模型比较困难。 从而保证仪器仪表采集数据的准确和投 数学模型中参数的选取往往依赖大量的 验前知识，通过运用数学统计方法检验出具有可测性的主要影响因素。同时确定 模型中各项系数时，需要由多年的运行资料进行统计分析来确定。对于影响混凝 剂加景的因素有浊度、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，要找出这些因索影响混凝剂加量的综合数学关系式是很困难的，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。同时在使用数学模型的过程中也需要对数学模型的相应参数进行修正 和完善。 d 、系统投资成本相对较少。由于系统只须检测原水水质水量参数，而原水 水质参数数据在水厂各处理系统中可以共用，而流动电流检测仪法需要在每一组 工艺池上配备台价格昂贵的流动电流检测仪，因而数学模型法具有投资相对较 少的特点。 2 3 国外水厂自动化投药系统的现状和发展趋势 良好的水源是生产优质饮用水的前提。在美国和欧洲，对水源的选择和保护 重庆大学工程硕士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 都非常重视和不惜代价。不管是河水还是水库水，水质都比较好，达到了各国相 应的地面水原水标准。由于水资源保护工作成效显著，原水水质条件比较好，因 此，其自来水生产过程中对投药的控制难度比较小，再加上技术和资金的优势， 使得其水厂自动化投药系统的稳定可靠性明显优于我国。 2 3 1 国外混凝剂投加方式 国外主要是借助于计量泵将混凝剂输送到絮凝池。 2 f 3 2 国外确定混凝剂加量的方法 a 、烧杯搅拌实验法 国外发达国家如美国和日本一些自来水厂仍然继续沿用常规和改进的烧杯搅 拌实验来确定混凝剂的加量，而且把烧杯搅拌实验作为衡量水厂有效处理程度的 方法。这主要是因为国外森林覆盖率高，水土保持比较好，再加上对水源的选择 和保护都非常重视，因此在较长的时间范围内原水水质变化不明显，这样，在原 水水质变化较小的情况下，水厂工作人员就有足够时间来做烧杯搅拌实验，改变 混凝剂的投加量。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 、数学模型法 目前美国、欧洲、日本一些国家多数城市采用这种方法，它们一般是根据原 水的流量、浊度、水温、p h 值、碱度、氨氮、耗氧量等参数建立数学模型。借助 于这些参数的在线检测仪表，将这些参数值传送到自动化控制系统，自动化控制 系统根据投药数学模型进行计算得出混凝剂投加量，输出信号给计量泵的变频器， 从而改变混凝剂的加量。这种方法可以及时的根据水质与水量的变化，准确地改 变混凝剂的加量，能够确保水质。在国外是一种运行得比较成功和比较先进的控 制方法之一。 c 、流动电流检测仪法 8 0 年代国际上出现了流动电流投药控制技术，其关键是通过检测流动电流， 实现了对水中胶体电荷的在线连续检测。从某种意义上讲，这种方法解决了投药 控制信号滞后时间长的问题，是一种有效的控制方法，但其只适用于混凝机理是 压缩双电层、电中和作用机理的混凝过程。 2 4 小结 a 、随着计算机技术、仪器仪表技术的发展，国内不少的水厂正逐步采用自 动化控制投药方式取代传统的人工操作控制投药方式，这是水厂发展的必然趋势， 对提高水质和降低药耗都起到了关键性作用。 b 、从投资和运行费用角度讲，重力投加方式要优越于压力投加方式，但其 控制的准确度和可靠性不高。 重庆大学工程硕士学位论文2 国内外水厂投药系统及其自动化的现状 c 、混凝剂投加量的确定方法很多，都有各自的优缺点。随着计算机技术、 仪器仪表技术的发展，数学模型法是一种控制混凝剂加量的重要方法。 1 4 重庆大学工程硕士学位论文3 混凝机理 3 混凝机理 混凝是为了去除水中的悬浮物和胶体杂质，它是水质净化工艺中十1 分重要的 一个环节，为了保证建立的混凝过程投药数学模型有效，我们要对胶体的性质及 混凝机理进行了解和分析。 3 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3 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相问区 域就形成了所谓的双电层，胶核固相的电位离子层为内层，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