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淺談流動電流檢測在自來水處理過程中的應用 ——張憲才
作者:唐山市自來水公司    發布于:2009-05-04 17:47:04   

       自來水處理過程中的一道關鍵的工序就是絮凝沉淀,絮凝劑的投加直接關系到絮凝沉淀效果。早期傳統的絮凝劑投加控制主要是人工調節控制方式,它難以追隨水質水量等因素的變化對投藥量進行及時準確的調節;后來隨著計算機控制技術的發展,出現了數學模型法、模擬斜管(沉淀池)法、膠體電荷法等絮凝劑投加控制方式。但是,數學模型法要求在線檢測的參數很多,適應性和靈活性差;模擬斜管法有10~20分鐘的系統滯后時間而難以適應水質急劇變化,而且因為其依據是模型與原型(實際生產系統)的相似性,然而保持其相似性是困難的,因此這種方式的準確性也較差;膠體電荷法因無法解決電位的在線檢測而難以實現及時準確的投藥控制。上世紀80年代,國際上出現了流動電流投藥控制技術,通過在線檢測與絮凝劑的投加以及沉淀效果密切相關的流動電流,實現對投藥的控制。該技術自上世紀90年代引入國內后受到了給水行業的高度重視,1994年以來,已有愈百臺流動電流檢測儀(SCD)在國內各地水廠運行,一部分取得了良好效果,但相當一部分由于種種原因效果不理想,尤其在原水濁度流量變化幅度大、速度快的情況下。本文以溫州西山水廠的 SC5200型SCD儀為例,分析論述流動電流及其檢測原理、SCD儀自動控制絮凝劑投加的控制原理及模式、SCD儀安裝及取樣水的要求等,以資同行參考。
    一、流動電流產生及檢測的原理
        自來水原水之所以都有一定的濁度是因為原水中長時間內保持有分散彌漫狀態的泥沙膠體粒子和懸浮物,泥沙膠體粒子的表面帶負電荷,而絮凝劑(鋁鹽或鐵鹽等)溶于水后生成的膠體粒子是帶正電荷。向水中投加絮凝劑的主要作用就中和泥沙膠體粒子的負電荷,減少了水中的負電荷密度,失去電荷的泥沙膠體粒子就會失去穩定性(即脫穩),很快會聚結形成團塊(俗稱“礬花”),當團塊大到一定程度,就會沉淀。
        一般認為膠體粒子的帶電具有雙電層結構,即膠粒吸附了電解質中的一種離子形成吸附層,異性離子分布在靠近膠粒表面的擴散層中,這樣形成了膠體的雙電層結構。在外機械力對水的“切割”(相對機械運動)作用下,如SCD儀的探頭在帶水的探頭腔內的往復運動,水中泥沙膠體粒子雙電層中擴散層的反電荷離子定向遷移而分布在相對靜止探頭腔的內表面,產生沿水流流動方向的電場,這種離子的定向遷移就稱之為流動電流。SCD儀的探頭腔內表面沿水流方向相隔一定距離安裝兩只電極,流動電流產生的電場經電極輸出再通過SCD儀內部的電子線路連接形成閉合的電路后,經電場作用就產生回路電流,該電流經取樣處理后就可以用于顯示或控制絮凝劑投加設備。在其它外在條件相同的情況下,流動電流的大小與水的電負荷狀況成正比例相關,而水的電負荷狀況即凈電荷密度取決于水中同性膠體粒子的密度。
        從上述分析及一系列的研究、實踐證實,水中的流動電流值與絮凝劑投加量以及經絮凝沉淀處理后水的濁度相關,這為以流動電流為參數進行混凝控制提供了直接的依據。

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        二、SCD儀控制絮凝劑投加的控制原理及模式
        1、控制原理
 
        原水中投加能產生帶正電荷膠體粒子的絮凝劑以中和帶負電荷的泥沙膠體粒子,使原水中的負電荷密度減少,檢測到的流動電流值(一般為負值)也相應減少,當絮凝劑投加量達到最佳值時,原水的沉淀效果最好,此時的實際流動電流值也基本等于SCD流動電流設定值(一般為接近零的負值)。當絮凝劑投加過量時,水中的電荷密度轉為正值,流動電流也轉變為正值(見圖1)。SCD儀就是實時檢測并比較投加絮凝劑后原水流動電流實際值與設定值的偏差,負反饋控制加藥計量泵調整絮凝劑的投加量,以求達到最佳的沉淀效果。
 
        2、流動電流設定值的獲得
 
        SCD儀檢測原水中投加絮凝劑后的凈電荷密度,但SCD儀不能直接確定該投加多少絮凝劑,絮凝劑投加的最佳量取決于水處理工藝流程、原水的狀況(流量、濁度、PH值、溫度、有機物性質及含量)、使用絮凝劑的性能及其它各種條件。對一個特定的系統,初始的最佳絮凝劑的投加量一般靠傳統的化驗室“需礬量”檢測及操作人員經驗手工調節獲得,人工調節加藥量使沉淀效果達到最佳,此時SCD實際檢測到的流動電流值就可以作為設定值 。當然,設定值不是一成不變的,當原水狀況變化較大,或者長時間內原水流量、濁度變化很大,原來的設定值難以達到理想的沉淀效果時,此時要根據實際情況適當調整設定值以達到最佳的沉淀效果。
 
        3、控制模式
        (1)SCD內部對流動電流信號的PID處理模式及參數設定
  
        SCD儀一般對檢測到的流動電流采用PID模式處理后輸出過程控制信號。SCD儀將檢測到的實際流動電流值與設定值比較,通過比例(P)-積分(I)-微分(D)處理后負反饋調節絮凝劑投加量,使實際的流動電流值基本等于設定值。以SC5200型SCD儀為例,PID控制電路已由生產產家預先內置于SCD儀中,其適用于大部分水廠的PID參數也預先設定,一般不需要再調整。比例(P)參數PB決定系統對偏差的響應強度,它等于系統增益倍數的倒數,當PB=200%,系統增益為1/2,當PB=100,增益為1,PB=50%,增益為2,一般地為保持系統的穩定,設定PB=200%;積分(I)是對實際流動電流偏離設定值的時間響應,一般設定為3分種;微分(D)是對實際流動電流值偏離設定值速度的響應,一般可設定為零,即不考慮控制系統的微分響應。
 
        (2)投藥計量泵控制系統引入原水“污泥負荷”參數的綜合控制模式
 
        雖然原水的流動電流值與絮凝劑的投加量密切相關,但這種相關是非線性的(見圖1),而且該相關曲線將隨著原水狀況各種因素和絮凝劑性質的變化而變化,所以,雖然SCD儀能檢測到實際流動電流對設定值的偏差,卻無法確定應該增加(或減少)多少絮凝劑以使實際流動電流回歸到設定值。對一特定的原水和絮凝劑,可以建立一個“流動電流~絮凝劑量”的數據庫或建立相關模擬方程式,但該數據庫或方程式的適用的廣泛性及精度都較差,在原水狀況變化較大時可能根本不適用。因此,如果將流動電流作為唯一因素即“單因子”控制投藥量,在原水狀況變化速度快、幅度大的情況下,往往使“單因子”控制系統處于響應嚴重滯后或類似的震蕩狀態,難以達到理想的控制效果和沉淀效果。國內多年的實踐也證明這一點。
 
        溫州西山水廠的SCD控制系統引入“污泥負荷”(sludge load)參數,即控制系統首先根據原水流量和原水濁度計算出原水進水的“污泥負荷”,并作為絮凝劑基礎投加量的比例控制信號前饋給加藥計量泵變頻調速控制系統;SCD的輸出控制信號作為“校準”基礎投加量的負反饋控制信號,起微調和最終決定作用,兩者“整合”后確定加藥計量泵的轉速(投加量)。這種控制模式(見圖2)的優點是充分利用“污泥負荷”能基本確定投藥量的特點,同時利用SCD的反饋信號檢驗這種投加的效果并糾正偏差,既彌補了“污泥負荷”參數開環控制投藥方式的精度不高而且可能使控制系統“發散”的缺點,也減小了SCD的偏差調節范圍,增加了系統控制的穩定性和控制精度。溫州西山水廠這種控制模式在1999年經歷3個多月原水24小時內濁度從500NTU到6500NTU 2個周期性變化(見圖3)的考驗,由于投藥控制系統的穩定而準確地快速反應,使絮凝劑投加達到了理想的沉淀效果,保證了水質。
 
 

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        4、輔助控制措施

        (1)提高控制執行機構對控制信號的響應精度

        投藥泵作為投藥自動控制系統的執行機構,要求選用高性能的計量泵,其精度高,易控制。而離心式加藥泵控制的精度和穩定性都不如計量泵。計量泵數量宜采用3臺(2用1備),既考慮到備用,又考慮到小流量、低濁度原水時使用1臺,大流量、高濁度自動使用2臺,增加投藥泵的調節精度。

        (2)保持絮凝劑性質的穩定

        SCD儀投藥控制系統是根據水中的膠體脫穩程度為標準,理論上無須控制絮凝劑性質及其有效成分含量(濃度),但出于減輕SCD調節任務使系統控制穩定精確的考慮,在一定時期內盡可能保持絮凝劑性質和稀釋后濃度的一貫性、穩定性。當原水濁度很高(大于6000NTU),在使用常規的絮凝劑的同時使用有機高分子助凝劑時,因有機高分子會降低流動電流檢測的靈敏度,所以助凝劑的投加點應設在SCD取樣點的下游,否則會干擾投藥控制系統。

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        三、SCD儀安裝注意事項

        SCD儀檢測的是微弱的流動電流信號,安裝方式和地點要盡可能地保證儀表免受電氣及其它環境因素的干擾同時要滿足檢測的要求,以保證檢測的穩定性和準確性。

        1、安裝位置要求接近絮凝劑的投加點,這主要出于取樣水的滯后時間的考慮,安裝位置距離投加點太遠,無法滿足取樣水滯后時間的要求。
        2、安裝地點要求使SCD儀避開污泥、雨雪的影響,避免陽光直接照射,環境溫度在0℃~40℃。
        3、電源要求有防浪涌措施,避免雷電、開關操作等引起的浪涌電壓的沖擊;儀表箱底端的接地端子要可靠接地。
        4、對于SC5200型SCD儀,在TB3上有兩對端子(8~9和5~6)都是隔離的4~20mA模擬輸出,但注意8~9端子的模擬輸出代表流動電流值(4mA=-100,12 mA =0,20 mA=100),只用于流動電流值的儀表顯示或記錄打??;5~6端子的模擬輸出是比較瞬間的流動電流實測值與設定值的偏差并經SCD內置的PID處理后輸出的過程控制信號,它參與加藥計量泵絮凝劑投加的控制。
        5、SCD儀的取樣水的進水和排水管道是連接到探頭腔的,所以要用絕緣柔性的聚乙烯或PVC管道,硬質管道可能會破壞儀表;禁止金屬取樣水管道直接與SCD連接以免嚴重影響準確檢測探頭腔內微弱的流動電流。為了取樣水流量的穩定,其排放管道長度一般不超過1米,過長的排放管道因阻力增大會使流量減少,不要在排放管道上裝設任何節流閥門或其它設施。

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        四、SCD儀取樣水的要求

        為了保證SCD儀穩定可靠準確反應原水中的流動電流,必須要有高質量的取樣水。獲得符合要求的取樣水是SCD成功控制投藥最重要的一個因素之一,而這一點往往被使用者所忽視,取樣水不符合要求是SCD儀不能成功使用的主要原因之一。取樣水必須滿足下列要求:

        1、取樣水必須是與絮凝劑充分混合的原水,而且使原水自絮凝劑投加點經取樣點再到達SCD儀的時間即“系統滯后時間”控制在SCD儀要求的時間范圍。這一般要求有一個快速混合裝置,如使用管道式靜態混合器,取樣水管道的進口要深入到混合器下游原水管道橫斷面的中央位置點取水,不能在接近原水管道內壁處取水。對于SC5200型SCD儀,“系統滯后時間”一般在2~3分鐘。取樣點太靠近投加點,系統滯后時間太短,沒法保證取樣水與絮凝劑的均勻充分混合;取樣點離絮凝劑投加點太遠,會使滯后時間太長,控制系統的實時性靈敏度降低,在原水濁度快速反復變化時會引起控制系統的震蕩失控,同時取樣水中會有凝聚的大顆粒的“礬花”,不利于SCD儀的檢測,而且太長的系統滯后時間也不能與SCD儀內置PID的積分時間匹配。至于取樣水自取樣點到SCD儀的時間(屬于系統滯后時間的一部分)的控制,可結合下述第(3)款的要求,在取樣水管道上裝設流量和揚程適當的取樣泵,在取樣泵之后進SCD儀之前的取樣水管道上裝設調節閥門,并在調節閥門旁邊(上游)開三通,三通出口處也裝設調節閥門,通過調節兩只閥門來滿足SCD儀對取樣水流量和“系統滯后時間”的要求。

        2、取樣水中無雜物以免破壞SCD儀的探頭,或覆蓋SCD儀的探頭和裝設有電極的探頭腔表面使之靈敏度降低,這要求在取樣水進入SCD儀前裝設水利分離過濾器并作好過濾器平時清污工作。當然,原水中細小的污泥等進入SCD儀是難以避免的,尤其是高濁度原水,SCD儀經過長時間運行后其探頭及探頭腔表面或多或少要被污泥覆蓋而降低靈敏度,所以為SCD安裝一個配套的手動或自動的沖洗裝置是必要的。

        3、取樣水水流必須是穩定而連續的。取樣水流量不穩定會使流動電流檢測不準,在SCD儀處于自動控制投藥泵運行時,取樣水流量不穩定會影響投藥泵的運行甚至會使投藥失控;如取樣水斷流,不僅使投藥系統失控,而且會使SCD儀探頭在探頭腔內往復運動的干摩擦而損壞。對于SC5200型SCD儀,推薦的單位時間內的取樣水流量在2~4L/min的范圍,原水濁度高時可取高值,濁度低時可取低值。為了保證取樣水流量的穩定,配置一臺穩定運行的取樣泵是必要的。

        五、結束語

        自來水處理過程中流動電流檢測技術自動控制絮凝劑投加是目前較先進的投藥方式,在實際應用中,因為原水狀況及絮凝劑性質是復雜而多變,必須全面地考慮SCD儀的安裝方式、符合要求的取樣水、性質穩定的絮凝劑、完善而實用的控制模式、準確的執行機構等因素,才能使控制系統穩定、準確,保證理想的絮凝沉淀效果。

 

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