流动电流单因子凝聚投药自动控制生产

1、 注：原刊于给水排水1991年，第5期。流动电流单因子凝聚投药自动控制生产性试验研究崔福义(教授) 洪觉民(教授) 李圭白（院士） 陈宝华(教授)（哈尔滨工业大学市政环境工程学院） 摘要： 本文简要介绍了将流动电流单因子凝聚投药自动控制技术应用于生产性试验研究的情况。文中对其控制原理和主要设备进行了介绍，并对系统的调节作用及其对水质的保证率等进行了分析和评价。试验结果表明，采用该技术不仅滤前水质合格率高于人工方法，而且达到降低药耗20.7%24%的效果。 流动电流法是国际上八十年代出现的凝聚投药自动控制新技术。利用凝聚的微观特性胶体电荷的变化，仅控制流动电流一个因子，就可实现投药的连续控制，是

2、凝聚投药技术领域的一项重要突破。由哈尔滨建筑工程学院与杭州自来水公司合作在我国首次以流动电流技术进行凝聚投药控制的生产性试验，历时一年半，已经取得了成功，现将研究概况介绍如下。流动电流单因子投药自动控制原理 根据胶体化学理论，在固液相界面上由于固体物质的离解或对溶液中离子的吸附，会导致固体表面某种电荷的过剩，并使附近液相中形成负电荷离子的不均匀分布，从而构成固液界面的双电层结构。流动电位（流）即指在外力作用下，液体相对于静止的固体表面流动而产生电场的现象。流动电流和电位是对固液双电层特性的不同描述，理论与实践证明二者呈线性关系。 流动电流的测定是利用流动电流检测器（SCD）完成的。SCD有一个

3、传感器和一个信号处理器。传感器又可称为测头，是SCD的心脏。其内部构造如图1所示。 电机 活塞导套 水样入口 水样出口 检测室 活 塞 交流电源图1 传感器构造示意图 被测水样以一定流速进入检测室。在圆形检测室内有一活塞，作垂直往复运动。活塞和检测室内壁之间的狭小缝隙构成一个环形毛细管空间。当活塞在电机带动下作往复运动时，促使水样在毛细管内作相应的往复运动。水样中的微粒会附着于活塞与检测室内壁的表面，形成一个微粒“膜”。环形毛细管中的水流带动微粒“膜”的扩散层中反离子运动，从而产生流动电流，经检测室两端的环形电极收集送给后续信号处理装置。该仪器为实现凝聚投药的连续控制提供了关键性的技术手段。

4、水中浑浊物质主要由带电的胶体物质组成。在一定的工艺条件下，凝聚过程中胶体的电荷变化即脱稳程度与凝聚效果一一对应。以流动电流为控制因子的凝聚投药自动控制系统基本流程如图2所示。记录仪计算机控制中心SCD后续处理工艺混合 原水 出水 凝聚剂投药泵 下水道图2 SCD系统流程图 上述系统中，认为在一定范围内，加入凝聚剂后水的流动电流值同滤前水浊度一一对应。即存在一个特定的流动电流值，只要调整凝聚剂投量，使加药后水的流动电流维持在该值上，就可恰好获得要求的滤前水质。该特定流动电流值可称为控制系统的给定值。由于给定值抓住了影响凝聚的主要因素，各种水质、水量及药剂浓度等因素的变化都可体现在流动电流单一因子

5、的变化上。流动电流发生变化偏离给定值说明当前凝聚状况不佳，要通过调整凝聚剂投量去补偿，从而实现了凝聚剂投量的单因子自动调节。2. 试验系统的设计与调试2.1 试验水厂及原水水质概况 试验在杭州南星水厂进行。该厂分为新、老两套净化系统。试验控制范围是新工艺系统，设计净水能力为3.0万吨/日，高峰供水时实际达到5.06.0万吨/日。新系统流程示于图3。 投药管道混合絮凝池沉淀池二泵房清水池双阀滤池 原水 加C12 用户 图3 试验系统工艺流程图 凝聚剂（液体聚合铝）投于800的原水管道中，经过约60米长的管道混合，在絮凝池入口处，分成两根600的管道，分别进入两组絮凝沉淀池。两组沉淀池的出水汇集于

6、一个公共渠道中，分配给后续的滤池。 南星水厂以钱塘江水为水源。原水浊度变化较大。据近十年统计，最高浊度达5000度，最低为3.2度；水温最高达38度，最低为2.0度。该厂位于钱塘江下游，受海潮影响较严重。潮水到来时，原水浊度可在数分钟内由几十度猛增到上千度。浊度的急剧变化，使人工投药很难控制，对试验系统是一个严峻的考验。该厂具有严格的经济责任制，工人投药操作十分认真，人工投药的准确程度较好，节约挖潜的余地较小，对试验成果来说就更有意义。2.2 试验系统的流程及主要设备 试验系统保留原有净化工艺不变，新设若干投药及控制设施。 流动电流检测器（SCD）检测混合后水的胶体电荷，以420毫安的信号送给

7、控制中心，运算后输出一个控制信号给执行机构投药泵，控制投药工况。原有投药系统作为备用装置，与试验系统并联设置，可随时切换。 主要设备： 流动电流检测器（SCD），引进美国产品，检测水样流量13升/分，输出信号420毫安。 控制中心，选用国产长城286EX微型计算机及配套设备构成。 双笔式记录仪，选用上海大华仪表厂产品。其中，1*笔记录流动电流信号，2*笔记录执行机构信号。以此记录仪可直接观察控制状况和投药量的变动情况。 执行机构，即计量泵及变频调速器。计量泵采用德国产品MAKRO-TZ型隔膜计量泵。额定最大流量为1000升/小时。流量可由调冲程和转速两种方式调节。 微机全部采用汉字显示，操作均

8、有汉字提示。系统的工作参数可在运行过程中随时调整，由键盘输入，可有二种控制工作状态。 一是自动控制。这是控制系统工作的基本状态。在此状态下，投药系统按要求自动控制运行。 二是手动控制。在此状态下，计算机提供一个凝聚剂流量参考值供选用，而实际投加量由操作者键盘控制，可随时输入任意选用的值。在由键盘输入新的流量值之前，系统将始终维持原有值不变。 此外，该系统还可完全脱离计算机的控制，改由水泵变频控制器上的旋钮手动调节，此时计算机可作为监测系统使用。3. 试验系统的运行及评价 试验系统经过安装调试后，于90年5月91年4月进行了系统运行试验。试验工作以保证一定的滤前水浊度指标为目标进行，并依此目标确

9、定SCD给定值。 试验采取对人工控制投药进行监测及自动控制二种工况，自动控制试验又分为间断运行（8小时）和长期连续运行两种情况。 试验期间经历了各种水质的考验，包括水质变化最大的秋季潮水期及稳定的冬季。试验期间原水浊度范围为5.02500度，水温为7.023.5度，Cl-为6250毫克/升，试验系统的出水量为15004000米3/时，上述主要参数的变化概括了南星水厂水质和运行条件的基本情况，获得的结果是有代表性的。3.1 试验系统的调节性能 （1）对原水水质变化的适应性 水质变化的典型情况是每年秋季的大潮水季节，原水浊度可在几分钟之内从正常的几十度突升至上千度，人工控制投药极其困难。以往采用的

10、典型措施是，在预报潮水到达前的几十分钟，提前按经验投药量加大到足够程度，这就不可避免地造成药剂的浪费。 投药自动控制系统可随原水浊度的升高，迅速地增加投加量，保证处理水质。这时如果投药量不变，则水中单位浊质的药剂占有量下降，脱稳程度随之降低，立即表现为SCD检测值偏离给定值，从而使系统迅速作出反应，增加投药量。在表1中还同时给出了与之条件相近的人工控制投药的情况。 可以明显看到，自动控制具有良好的应付浊度变化的性能。可以在保证水质的同时，节省药耗。 潮水期对比试验 表1日期(11 月)2 日3 日19 日17 日23 日24 日总 平 均工 况自 控人 工自 控人 工自 控人 工自 控人 工原

11、水平均浊度68267564126736.8140.5453361滤前水平均浊度3.53.75.44.43.44.04.3水质合格率(%)10090.977.71008097.078.9产水量(m3)2180020700245702714027070263407344074190药耗(kg)8551184.4991.2989.1587.6749.72433.72923.2平均单耗(mg/l)39.257.240.336.421.728.533.139.4平均节药率(%)31.1-10.723816.0实际节药率(%)24.0 （2）对水量变化的适应性 水量变化时，净化系统的总需药量发生相应的变化

12、，表现为控制因子即SCD检测值的变化，从而使控制系统作出反应，调节投药量，以此维持出水水质的稳定性。图4是一次典型的自动调节情况，无论水量增大或减少，系统都能很快使投药量随之变化。图4 （3）SCD值的稳定性及自动控制调节速度 若以SCD值的稳定时期（的大小）来评价投药系统的调节特性，则表2的对比数据给出了较为定量的评价。无论何种情况，均以自控时SCD值更为稳定（SCD方差较小），这是人工控制难以达到的。 调节速度统计 表2参 数变化幅度控制因子波动幅度（mA）恢复稳定时间（min）均 值方 差均 值方 差水 量848%0.260.1116.56.3原水浊度一般浊度波动0.1250.04312

13、.85.89一般潮水0.150.0812.55.6大潮水16.0 作为自动控制系统，评价其调节特性的一个重要参数就是调节速度。 表2代表了水量、水质变动的典型情况。在所有的变化情况下，出水水质始终得到保证。尤其是大潮水期，尽管恢复稳定时间较长（因为该期间原水变化就很剧烈，难以稳定）滤前水质则始终符合要求，甚至较平时为好。3.2 试验系统对水质的保证作用 如上所述，试验系统对原水水质、水量等因素的变化都很敏感，响应迅速，使保证滤前水水质具备了技术条件。在潮水期间，原水水质大幅度变化，人工控制往往难以适应，有时难免出现了水质超标（滤前水浊度6度）。由于自动控制响应迅速，对水质构成了可靠的保证，即使

14、在大潮水期间，也未出现水质恶化，最高出水浊度为5.5度。 表3和表4是在原水水质较稳定和不稳定两种条件下，对人工及自动两种工况下滤前水浊度进行的比较。 表中的方差值可用以描述参数的波动情况。对原水而言，方差大就代表原水水质的变化程度大；对滤前水而言，方差小则代表出水水质稳定、工况良好。表3说明，原水水质不稳定时，人工控制的水质保证率低，稳定性也差；在自动控制条件下，则显示出较大的优点，仍能保证滤前水浊度的合格率，且水质明显稳定。在原水水质稳定条件下，自动控制工况仍显示出其特点：尽管同人工控制相比，平均滤前水浊度相等，但显然稳定性更好（方差较小）。原因在于原水水质总难免有一定的波动，对此人工控制

15、很难进行精确及时的调节。3.3 试验系统的节药水平 试验药耗比较是以采用人工投药与自控投药交替进行的方法进行比较的。由于南星水厂的新旧两套系统产水量难以单独计算，只有两套系统的总产水量，这样只能得到包括旧系统在内的全厂平均清水药耗。显然采用该清水药耗评价自控系统的节药率，结果是偏低的，因为旧系统并不属于SCD系统的控制范围。为了减少误差，根据水厂长期运转经验，新系统的产水量及药耗约占全厂的三分之二，以此修正节药率，求得试验系统的实际节药率。 原水水质不稳定阶段水质对比 表3对 比 组 号12345运 行 条 件自控人工自控人工自控人工自控人工自控人工日 期90.102290.102190.12

16、3191.1190.112390.112490.11CAPut!90.111790.11290.111原 水 浊 度平均值 700 80731822236.8140641267682160最大值 15002680150114最小值 92 755.1 6.0方差57.7 972 46.5 33.8滤 前 水 浊 度平均值 3.8 4.53.0 1.94.43.43.75.24.14.4最大值 5.5 7.03.7 3.15.57.0 10 12 6.0 10最小值 2.5 2.0 1.5 1.04.01.81.82.31.72.1方差0.79 1.900.7560.55合格率(%)100 83.

17、3100 100100 80 90.9 77.7 100 86 说明：1. 第二组滤前水要求浊度4度，其余组次要求浊度6度。 2. 第四组自控滤前水浊度超标是加药泵流量达到最大值，药量无法增加造成的。 后面介绍的药耗评价结果均按上述两种方法计算。 （1）水质稳定时期的药耗评价 在水质较为稳定的条件下，一般人工投药控制也可达到较为满意的效果，但这同值班工人的业务素质、工作责任心等有较大关系，有时也难免出现问题。自动控制则可避免上述情况。 原水水质稳定阶段水质对比 表4项 目原 水 指 标滤 前 水 浊 度浊 度水温()Cl-(mg/l)平均值最大值最小值方差平均值最大值最小值方差合格率(%)工

18、况自控9.630.05.04.328.19.03.95.21.80.519100人工8.920.55.01.968.08.93.96.51.11.0197 说明：1. 试验时间：91年1月226日，自动控制与人工控制投药交错进行，各自10天。 2. 控制目标：滤前水浊度小于6度。 表5为原水水质相对稳定时期药耗的对比。这段时间内原水水质的平均状况基本相同，处理效果即滤前水浊度也基本相同，只是从方差分析上可发现自动控制时期原水浊度的变化幅度较大，而滤前水浊度的稳定性却较好，并且滤前水浊度合格率较高。因此对比期间以自控投药有更好的水质保证。 水质稳定时期药耗对比 表5工 况自 动 控 制人 工 控 制用药量(kg)3147.43616.2产水量(m3)240320237880平均药耗(mg/l)13.115.2平均节药率(%)13.8实际节药率(%)20.7 表5的统计结果表明，以自动控制投药的药耗较低。即使在原水水质相对稳定的条件下，仍能取得全厂平均节药13.8%，新系统实际节药率20.7%的结果。 （2）水质变动时期的药耗评价 在原水水质有较大波动时期，正是自动投药系统发挥作用的时期。在表1中对一组较大潮水期的对比试验进行统