流动电流仪原理及应用.doc

Sc5200有关原理说明：流动电流检测仪（SCD）是动电荷的在线分析装置，为混凝过程提供检测、记录、控制功能，是唯一直接测量混凝投加效果的最佳在线仪表。流动电流检测仪实时测定连续清水或废水水样中，两个电极间产生的电流。电极被吸附于检测室壁上的胶体颗粒水力剪切而电离的自由带电离子所充电。电机驱动柱塞在探头壳体中做往复运动，产生剪切作用，推动离子并带动离子通过电极，从而形成交替的流动电流，此电流与水中带电的状态成比例，带电状态，或净带电密度，依赖于混凝后水中多余的正负离子数。流动电流混凝控制技术在我国的应用自1994年起，流动电流技术逐渐在国内水厂大量应用，迄今已有愈百台国产设备在全国各地水厂运转，其范围覆盖了全国大部分省、市、自治区。国产设备是专门针对我国的水源水质、水处理工艺及应用条件进行研究设计的，因此绝大多数国产设备获得了良好的使用效果，取得了显著的社会效益和经济效益。1 对水质的适应性我国地域辽阔，水源水质复杂多变，原水水质条件较许多西方国家要恶劣得多，因而水处理混凝投药自动控制系统的应用具有更大的难度，对控制技术与设备的性能也提出了更高的要求。表1列出了对国产设备部分用户进行的调查结果，现就几种典型的水质条件分述如下。表1 部分国产设备用户原水水质调查表 用户的地理位置 用户的水源类型 使用期间的原水水质特征值 东北、华北地区 江水 浊度（NTU） 11.64500 pH 6.47.2 最大高锰酸盐指数（mg/L） 25.4 水库水 浊度（NTU） 4.01800 pH 6.78.5 最大高锰酸盐指数（mg/L） 11.6 华东、中南、西南地区 江水 浊度（NTU） 5.12300 pH 6.57.9 最大高锰酸盐指数（mg/L） 14.5 湖泊、水库水 浊度（NTU） 3.01700 pH 6.57.5 最大高锰酸盐指数（mg/L） 1.3108 1.1 原水浊度应用中涉及的原水浊度在3.04 500 NTU之间，其中有的水厂原水浊度不仅变化幅度大，而且变化快，如牡丹江四水厂在1 h之内的浊度(NTU)变化达上千。原水浊度高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，需采取适当的预处理措施，必须加强清洗维护，并且在流动电流检测器的构造上加以改进。实践证明，在上述原水浊度变幅内，国产设备可以满足使用要求。同时也注意到，在浊度变化幅度大的条件下，SC-4000型设备的效果更为理想。1.2 藻类研究表明，在水中含有大量藻类的情况下，流动电流仍随混凝剂量的变化有相应的响应，二者存在相关性。南方许多水源水中含藻问题普遍，如深圳沙湾水厂，原水取自深圳水库，最高浊度仅有60 NTU，含藻量最多却达1.3108个/L。这种低浊、高藻的原水水质给水处理及过程控制带来非常大的困难，而自从该厂使用国产流动电流自动投药设备后，不仅提高了水质保证率，而且可以节药28.6%。类似的还有深圳龙岗水厂、武汉东湖水厂、昆明三水厂等。1.3 有机污染物有机污染物会对流动电流系统造成干扰。主要表现在：有机物改变了水中胶体的表面特性，产生胶体保护现象；当有机物浓度较高时，电中和脱稳凝聚作用弱化，流动电流技术失去依据。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。对此专门进行的试验研究证明，在水中高锰酸盐指数1020 mg/L时，随有机物浓度的升高，虽然检测、控制的灵敏度下降，控制设定值有所升高，但仍能进行有效控制。通常给水水源中有机污染物浓度不超过上述数值，而且对一个特定的水厂，原水中的有机物浓度一般变幅不大，因此对仪器的灵敏度加以适当调整补偿，控制系统可以正常工作。1.4 其他物质应用中发现，水中干扰物质浓度不稳定造成的影响最大。如某水厂水源上游有工厂排放含石油类污染物质，排放是不连续的，以夜间排污为主，其时原水中含油量上升，导致该厂流动电流控制系统夜间灵敏度下降，控制失效，白天将探头清洗去除油污后工作正常。未发现水中的各种无机离子成分对流动电流控制系统有明显干扰。虽然这些物质的浓度变化较大时会改变流动电流设定值，但对于特定的原水而言，一般其浓度是较为稳定的，因此不会影响控制系统工作。2 对混凝剂的适应性从流动电流混凝投药控制的原理出发，凡属电解质类混凝剂，如硫酸铝、三氯化铁、聚合铝、聚合铁等，其混凝过程以胶体电中和脱稳凝聚为主，该技术完全适用。采用铁盐为混凝剂的水厂以河南新乡一水厂为典型，其水源是黄河水，经水库预沉后年最高浊度为300、最低为十几(NTU)，由于受造纸厂废水污染，氨氮经常超过5 mg/L。在应用中，对水样进行一定的前处理，解决了铁盐中铁质在检测器上沉积的问题，得到了较高的灵敏度，出厂水浊度合格率提高了近20%，节药率达到20%以上。流动电流检测器对混凝剂浓度有检出极限。据研究，该检出极限同水中浊度和混凝剂种类有关。在常规条件下，该检出极限所包含的有效检测范围覆盖了实际生产中可能的混凝剂投加量。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。近年，有些水厂应用了无机盐与有机高分子复合混凝剂。此种混凝剂中的有机高分子添加量虽不多，但它的存在降低了流动电流检测器的灵敏度，在此情况下不宜采用该技术。3 对水处理工艺的适用性大量的应用实例证明，流动电流技术完全适合于传统的混合-反应-沉淀-过滤工艺。此外，流动电流控制技术在混合澄清过滤工艺中也得到成功应用。在一些特殊水质条件下(例如含藻水或低浊水)，有的水厂采用混凝-气浮-过滤工艺，应用流动电流技术控制投药也取得了良好效果，昆明五水厂即是一例。在直接过滤工艺中，目前国内尚无流动电流技术应用实例。从直接过滤原理来看，其过滤效能更加依赖于水中胶体杂质的表面电荷特性，因此改变胶体的表面特性是该处理工艺投药混凝的基本目的，这一工艺原理恰好与流动电流混凝控制原理相符合。在实践方面，国外有些水厂就是在直接过滤工艺中以流动电流技术控制混凝投药，皆获得成功。在国内，还需对该类应用的效能进一步加以探讨。3.1 对混合设施的要求通常，流动电流检测器的取样点设于投药混合之后。为了保证控制的有效性，要求充分混合而时间又不应过长，宜采取快速混合形式。3.2 对投药设备与调节形式的要求常规的投药设备有重力式投加和水泵投加两类。重力式投加系统采用阀门调节方式，由于阀门规格、质量等问题，至今尚无成功的先例。采用水泵变速调节能取得满意的效果。对离心泵采用变频调速调节时，需掌握好离心泵的工作条件，否则将使调节精度大为降低。采用离心泵，系统的投资较小，但控制的精度、稳定性等都不如计量泵，计量泵应是投药的首选设备。对计量泵还可采用变频调速与调行程的双调节方式，但这种方式投资较大。?br 3.3 对水量变化的适应性水量的变化会反映到控制系统中，表现为流动电流值的变化。一般当流量的瞬时变化不很大时，凭流动电流单一因子就可有效地进行投药量调节，对此已有许多应用实例，有的流量变幅达48%仍实现了有效的控制。当然，有条件时在控制系统中增加流量参数，应能取得更为稳定迅速的控制效果。还应注意到，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，有时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应有相应的调整，对此单纯靠增加流量检测是不够的。在流量变化较大的情况下，若对出水稳定性要求较高，宜采用SC4000型设备。如镇江金山水厂水量变化最大可达50%66.7%，采用SC4000型设备，其沉后水浊度波动仅为1.0 NTU左右，药量调节及时，水质合格率达100%。4 控制系统设计与运行管理4.1 取样系统的设计正确取样是进行正常控制的前提。对水样的基本要求是：对整体有良好的代表性，取样前混凝剂与原水已经充分混合，取样口应位于水流横断面的合理位置上；不应含有对测定造成干扰的物质(如大量粗大的泥砂、漂浮性杂质、气体等)，不应形成大的絮凝体；水样流量应稳定，不中断。与此相应，在取样系统的设计上应注意：取样位置适当，取样口形状设计合理；尽量减少取样系统的滞后时间，取样管路不应太长，管径不应过大；防止取样系统堵塞；对水样预处理；尽量用重力式自流取样，只在确有必要时才采用取样泵；取样系统应有冲洗装置。4.2 水样的预处理水样预处理装置应能去除测定干扰物质，并能连续工作，保证检测器不中断工作，一般要求有除砂、排气、拦截漂浮物等功能。良好的预处理装置可以对检测器起到保护作用，延长其使用寿命，减少维护工作。4.3 运行中的维护管理流动电流是一个相对值。流动电流设定值一般根据对沉淀水浊度的要求确定，其正确与否关系到控制的结果。在运行中，流动电流设定值是可能发生变化的，其原因有如下两类：水质、水处理工况等发生大的变化会使工艺系统的处理能力变化，需要通过调整设定值来加强混凝或减弱混凝(加大或减少混凝剂单耗)；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。针对设定值变化的前一种原因，应在使用中加强观察，必要时人工更改设定值或采用SC4000型设备。对后一种原因，应考虑加强维护工作，如坚持对检测器探头定期清洗、强化水样预处理、必要时更换检测器探头。5 技术经济分析在保证水质方面，沉淀水浊度合格率平均提高了9.5个百分点；在节药方面，平均节约26.1%。由于成套控制设备的投资与相应水处理系统的规模关系不大，所以水处理系统规模越大、控制设备的投资效益越好，投资回收期越短。例如，按上述平均数据测算，一套10104 t/d的水处理系统年节省药费18.55万元，采用国产设备(SC-3000型)相应的投资约12万元，即投资回收期约0.65年我国水处理混凝投药控制技术的研究与发展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，因为它涉及的是一个复杂的物理化学过程，但由于混凝在水处理工艺中的重要地位，混凝投药也是最为人们关注的环节。几十年来，我国在混凝投药控制技术方面，经历了从无到有的发展历程，本文将对此进行回顾。 一、传统的人工投药控制技术几十年来，我国的混凝投药控制技术十分落后，在相当长的一段时期内基本上采用原始的人工控制方式。传统的投药及控制方式有：1、 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，调节性能较差。湿投又可以分为重力式和压力式两种形式。2、 重力式投药。药液自高架溶液池中流出，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90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。3、 压力式投加。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80年代后期，开始出现了计量泵投药的应用。无论上述何种投加与调节方式，都涉及一个重要的问题：如何决定当前投药量应该是多少。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-矾耗对照表，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。在70-80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一次。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。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。二、混凝投药控制技术的活跃研究长期以来，许多研究者对混凝投药控制技术进行了广泛的研究，尝试了多种方法，较为典型的包括下述几种。1、数学模型法一些研究者希望建立一个描述投药量的数学模型，作为投药控制的依据。1964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。后来，重庆高家花园水厂（1981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80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1983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1。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2。早期的数学模型是前馈模型，难以实用。80年代后期，哈尔滨市第三水厂和上海石化水厂分别建立了前馈-反馈投药量数学模型，利用前馈水质模型粗调、以沉淀水浊度反馈微调修正的方式，用计算机自动控制投药，取得了一定的效果3、4。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。2、模拟滤池（沉淀池）法这是研究较多的另一种方法。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絮凝的水流过该模型，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。1984年，无锡中桥水厂报导了这种技术的试验研究5，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10-20min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。方法的准确性也较差，因为其依据是模型与原型（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。3、胶体电荷法由混凝理论知道，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。此外，还有一些采用各种技术的尝试。如沙市水厂在1978年试用了按电导率差值控制投药的技术6。在80年代后期，由于混凝控制技术没能取得突破，一些引进技术设备、具有较高自动化程度的水厂，在混凝环节仍采用了按流量比例控制等简易的控制技术，不能随水质变化对投药量进行自动调节，成为水厂控制技术的“瓶颈”。三、投药控制技术的突破与发展80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。1989年，流动电流投药自动控制技术被首次介绍到了国内7，随后国内对该项技术开展了全方位、系统化的研究，包括了基础理论、检测技术、工艺技术、设备开发、产业化应用等各个方面，解决了检测器制造等一系列技术难点，并采用微电脑控制器进行控制，开发出适合中国国情特点的流动电流混凝投药自动控制系统。1991年，国内首套引进流动电流检测设备建立的投药控制系统投入使用8。由于当时引进的检测器属初级产品，控制部分是286普通微机也不适应连续运行，因此这套设备运行几年后已被新型产品替换。但首次应用所取得的开创性成果，为后续研究奠定了基础。1992年，首套国产流动电流混凝控制系统在牡丹江应用成功9。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。在应用中，流动电流技术得到了不断的改进，发展出了流动电流-浊度串级反馈控制系统、流量-流动电流前馈-反馈控制系统等10。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2000年技术进步发展规划”，成为水处理混凝控制的主导技术之一11。流动电流技术是基于电荷的控制技术，不适合一些特殊水质情况，例如黄河高浊度水和某些污染较严重的水质。絮凝脉动检测技术成功地解决了这一问题。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1992年首次成功地应用于黄河高浊度水的投药控制12。流动电流和絮凝脉动检测技术的应用成功，解决了从常规浊度水到高浊度水的全浊度系列、从较清洁水到污染严重水的全水质的投药控制问题，开创了混凝投药控制的新局面。与投药控制技术的发展相对应，自80年代后期起，投药设备的发展也较快，计量投药泵得到了较多的应用，而且较为普遍地采用变频调速技术对计量泵的工况进行调节。这一设施上的进步，也为混凝投药自动控制技术的应用创造了基础条件。四、展望技术进步是无止境的。同任何技术一样，混凝投药控制技术也在不断地进步。近年来，流动电流和絮凝脉动检测技术在日臻完善，已经形成了系列化产品。最近，又有应用水下摄影和计算机处理技术进行投药控制的研究报导13。随着水质在线检测仪表的发展、完善与普及，水厂自动化系统的进步，新一代数学模型、模糊控制等方式也将出现。可以预计，水处理投药控制技术将出现更加丰富、完善的局面，这将促进水处理系统自动化、现代化水平的提高，为生产安全饮用水提供可靠的技术保证混凝变频加药实现混凝处理的最佳工况摘要：混凝是净水工艺中最重要的环节，混凝剂的加人使原水中胶体电位降低，根据流动电流值测试生水混凝效果，由PID调节变频器控制加药泵电机，调整混凝剂的加药量，实现混凝剂的变频调节自动控制，从而实现混凝处理的最佳工况。实践证明，澄清池出水质量明显提高，混凝剂加药量大幅减少，而且减轻了后续除盐系统的负担，酸碱耗明显降低，具有良好的经济效益和环保效益。关键词：混凝加药自动控制流动电流1引言混凝是净水工艺中最重要的环节，混凝效果的好坏直接影响到水处理的全过程。长期以来，生水预处理混凝加药由于要求不高，一直是人工调节控制。加药量全凭运行人员根据出水水质、入水水质和经验决定，很难保证混凝效果和出水质量。为了达到混凝处理的最佳工况进一步提高现场设备运行的自动化水平。保证预处理出水质量，目前现场都开始逐步对混凝剂人工加药系统进行改造，用变频控制技术实现加药量的自动控制。由PID调节变频器控制加药泵电视，从而调整混凝剂加药量，实现预处理混凝效果的变频自动控制，这套自动控制系统己非常成熟。在预处理混凝过程中应用的关键就是PID调节器的输入信号。混凝效果的好坏与好多因素有关，如处理工艺、进水浊度、PH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。现场一般调节加药量来调整混凝澄清效果，控制澄清池出水质量。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；太多则发生再稳现象，不仅出水效果变差，而且浪费混凝剂。胶体在水中的稳定性是由它的动电电位决定，越大，胶体越稳定；越小到越不稳定，互相碰撞就可聚集成大颗粒而沉降。天然水中胶体多带负电荷，向水中加入带相反电荷的混凝剂，就可使水中胶体降低，直至发生聚沉。降为0是最理想的状态，此时水中胶体完全脱稳，混凝剂加药量最佳，没有剩余。因此，电位是反映胶体状态的理想参数。目前尚无法直接测定电位。但可测定电位正相关的流动电流这一混凝本质因子，从而反映电位的大小。研究表明，影响混凝效果的几种主要因素在一定程度上都反映在流动电流这一项混凝本质参数上。所以只需测定和控制这单独一个参数，就可实现混凝剂加药量的准确控制，再不用监测任何原水水质参数和水量参数。利用流动电流这一参数作为调节器的输入信号就可实现混凝剂加药的自动控制，保证混凝处理的最佳工况。特别适用于水处理工艺电解质混凝剂的加药控制。2自控加药系统有效的混凝处理加药控制方法，可以在实际最佳加药量的意义上控制混凝剂投加，从而达到以最少的药剂获得最理想的出水水质效果。以水中胶体混凝后电位产生的流动电流为信号，由PID调节变频器控制加药泵电机，调整混凝剂加药量，实现预处理混凝剂的变频自动控制，从而实现混凝处理的最佳工况。自动控制系统是利用流动电流原理，由微电脑控制的在线胶体电荷测控系统，系统由检测传感器、控制仪、变频控制系统、加药泵组成，如图1所示。在传感器的检测室内，水样连续通过两个电极之间的毛细管通路时，胶体杂质会吸附于毛细管壁上，其反离子层受到水力剪切产生移动，从而产生流动电流，经由电极检出，输出代表当前水中胶体电荷状态的流动电流即SC值，并通过信号线传送给控制仪。控制仪在所设定的工况下，经与设定值对比、判断后，输出一个420mA标准信号，由PID调节控制变频器对电机调速，使计量泵处于对应的工作状态之下，从而可以向水中投加定量的混凝剂。然后，投加药剂的水样又流入传感器进行检测，并进行投药量的再调节。如此循环往复，连续运作，实现连续自动调节加药量，保证混凝处理维持在最优工况。系统中流动电流仪采用北京精密单因子科技有限公司生产的SC-3000A型单因子混凝投药自控仪（由SC-