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1、第四章 给水处理系统控制技术,4.1 混凝投药单元的控制技术,一、混凝与混凝控制,投加适量的混凝剂，保障混凝效果，是使处理水质合格的前提。另外，目前所用的混凝剂多为铝盐。研究表明，水中铝离子浓度过高会影响人的身体健康，并对水质及输水系统产生不良影响。另外，混凝剂投加量直接影响制水成本。,所谓混凝控制事实上主要就是混凝剂投加量的控制。,影响混凝剂需要量的因素,(1)混凝要达到的目标。水厂根据自身特点，确定一个最佳的沉淀水浊度目标值。,(2)处理构筑物的性能。沉淀水浊度目标值相同，但净水构筑物性能不同，混凝剂的需要量也有差别。混合、反应、沉淀以至过滤各个环节工艺特性的差别都会对混凝剂的需要量产生影
2、响。比如，平流式沉淀池的需药量明显的低于斜管沉淀池的需药量。,(3)原水的水质。浊质电位的高低直接决定其在水中的稳定性，电位越高(绝对值)，欲达到应有的混凝效果需混凝剂量就越多。在宏观上，电位则表现为各种水质参数的变化，包括浊度、PH值、碱度、电导率、各种离子浓度及各种有机物浓度等。水温对药耗也有较大的影响。,(4)混凝剂自身的特性。不同的混凝剂品种或同一种混凝剂厂家不同，混凝性能有差别，耗量也就不同。,二、混凝控制技术分类,要控制混凝剂投加量，需要解决两个基本问题：其一，要有适当的参数指标来反映水质、水量、药剂性能等因素的变化，可称之为输入参数；其二，混凝剂投量调整值称为输出参数，即需要确定
3、输出参数与输入参数的某种关联。,(1)按控制的方式可以分为：,脱机控制，如经验目测法、电位法等，根据试验或观测的结果，再对投药工况进行间歇式的人工干预调整；,在线控制，即各种自动控制方法，根据对控制参数在线连续检测的结果，控制系统对投药量进行连续自动调节：在线控制又可分为：简单反馈控制、前馈控制、复合控制(前馈反馈控制、串级控制)等多种控制方式。,(2)按被控参数的性质可分为：,模拟法，通过某种相似模拟关系来确定投药量，包括烧杯试验法、模拟滤池法、模拟沉淀池法等；,水质参数法，通过表观的水质参数建立经验模型，作为控制投药量的依据，如数学模型法等；,特性参数法，利用混凝过程中某种微观特性的变化来
4、作为投药量的确定依据，包括电位法、胶体滴定法、流动电流法等电荷控制方法，还包括荧光法、脉动参数法、比表面积法等；,效果评价法，以投药混凝后宏观观察到的实际效果为调整投药量的依据，包括经验目测法、浊度测定法等。,三、几种典型的混凝控制技术简介,1 经验目测法,方法：操作者通过观察原水浊度的变化、反应后矾花生成情况、沉淀后水的浊度高低来凭经验调节投药量。,缺点：可靠性较低。常采用过量投药的方法，但药量浪费大，水质保证率也不高。,2 烧杯试验法,烧杯试验法利用一台可变速的46联搅拌机，同时向46个烧杯中的检测水样加不同量的混凝剂，并进行搅拌，模拟生产中的混合与反应过程，然后静止沉淀以模拟实际沉淀过程
5、，取静沉后烧杯中的上清液测残余浊度，来评价投药量与混凝效果的关系，据以确定生产投药量。,缺点：生产反应池与试验的烧杯的几何相似性有待研究。另外，还存在结果的不连续性及滞后性问题。,优点：在评价混凝剂性能、混凝剂品种筛选、混凝条件选择等方面，烧杯试验是一种很有效的手段。,3 模拟滤池法,工作过程：将在生产净化系统中加药混合后的原水，引出一部分进入小模型滤池，根据该滤池出水浊度的情况来评价混凝剂投量是否适宜，由控制系统对投药量自动调节。这属于一种中间参数反馈控制系统。该方法的模拟性能也是取决于原型(生产系统)与模型(模拟滤池)的相似性。,优缺点：几何相似性问题和结果的滞后性问题。但是，该系统设备简
6、单，易于实现，是一种简易的投药自动控制方案。,4 数学模型法,数学模型法是以若干原水水质、水量参数为变量，建立其与投药量之间的相关函数，即数学模型；计算机系统自动采集参数数据，并按此模型自动控制投药。,常见的投药量数学模型的形式有多元线性模型、幂模式模型、浊度幂模式模型等，以第一种为多。,改进：上述模型都属于前馈模型，投药混凝结果并不能反馈回控制系统中。对此进行改进，推出了前馈给定与反馈微调相结合的前馈反馈复合控制模型。,5 胶体电荷控制法,（1）原理：混凝剂的首要作用是与水中胶体杂质发生电中和并通过增大水中离子浓度来压缩胶体的双电层，降低电位，从而使胶体杂质脱稳凝聚，进而絮凝，使胶体杂质脱稳
7、是有效混凝的基础。,一般，原水中粘土颗粒的电位在1030mV范围内，当电位降至510mV范围时，就可较好地脱稳。,一个稳定的工艺系统，必存在满足混凝澄清要求的最佳胶体电荷值，只要控制混凝剂的投量，使胶体的电位降低至与该值相符，就可以达到要求的混凝效果。,（2）典型方法,电位法：直接测量胶体的电位，作为确定投药量的依据。,胶体滴定法：基本原理是：对于带电荷的胶体分散系，可用加入相反电荷的等量胶体来中和，若能找到一个合适的指示剂，胶体滴定就可以象酸碱滴定那样进行，通过胶体滴定可测定原水的肢体电荷并以经验公式确定混凝剂的投量：,流动电流法：以反映胶体荷电特性的另一参数流动电流为因子，控制投药。,四、
8、流动电流混凝控制技术,1 流动电流原理,吸附层,扩散层,粒子表面,吸附层,切面,流体流动,图4.1 双电层结构及反电荷离子分布示意图,流动电流从侧面代表了电位的性质，反映了固液界面双电层的基本特性。,2 流动电流检测器,图4.2 流动电流检测器原理示意图,电极,进水,出水,检测室,活塞,运算放大器,同步整流器,放大及灵敏度调整,输出,电机,3 流动电流与混凝工艺的相关性,相关性主要体现在三个方面：,图4.3 流动电流与电位的相关性,（1）流动电流（SC）与电位的相关性,（2）流动电流与混凝剂投量的相关性。,图4.4，向水中加入不同量的硫酸铝，测定水的流动电流。在硫酸铝投量较少时，流动电流略有上
9、升，变化不大；随着投药量进一步增大，流动电流值迅速上升；随后流动电流的增大趋势逐渐变缓。,图4.4 流动电流与投药量的相关性,(3)流动电流与混凝效果的相关性。,实验表明，随投药量的增加，浊度的变化呈典型的先迅速下降，随后逐渐稳定的趋势，同时流动电流则随投药量的增加持续上升。,图4.5 余浊与流动电流的相关性,图4.5流动电流浊度图中，当SC值较低时，随SC的增加，浊度迅速下降，至一定值后(在此例中SC4)浊度变化变缓，甚至有再升高的趋势。,2,1,4 流动电流混凝控制工艺系统的组成与特点,该系统主要由检测、控制、执行三大部分组成。,混合,后续处理工艺,混凝剂投加装置,流动电流检测器,控制中心
10、（微机）,记录仪,图4.6 流动电流混凝控制系统图,原水,出水,水样排放,检测,控制,执行,特点：,(1)单因子控制流动电流参数。,(2)小滞后系统。投药到取样的时间差一般只有几十秒，至多12min。,(3)中间参数控制。决定混凝剂投量的最终指标是水处理效果，一般以沉淀水浊度为代表。流动电流设定值是通过相关关系间接反映了浊度要求，流动电流因子也就成为一个中间控制参数。,5 流动电流混凝控制技术对混凝剂种类的适用性,就混凝剂的品种而言，流动电流混凝投药控制技术对电解质类混凝剂是普遍适用的。生产中最常使用的铝盐和铁盐混凝剂就属于这一情况。当采用以吸附架桥作用为主的非电解质类高分子混凝剂时，流动电流
11、会产生无规则波动，该技术不适用。,就电解质类混凝剂的投加量而言，存在一个有效的检测范围。实验研究表明不同的混凝剂品种和原水浊度，检测极限是不同的。在同样的原水浊度下，硫酸铝同三氯化铁相比，有效检测范围较小。当原水浊度升高时混凝剂的有效检测范围缩小。在生产实际中，一般混凝剂的投加范围在数个“mgL”至数百“mgL”之间，处于上述有效检测范围之内。,五、透光率脉动混凝投药控制技术,检测原理：用透过流动悬浮液的透过光强度的波动状态计算出形成的絮凝体粒径的变化。,利用透光率絮凝检测仪对絮凝过程进行监测，其检测值R可灵敏地反映出水中颗粒粒径的变化情况，根据R值来反馈控制混凝剂的投加量。,水柱,图4.7
12、透光率脉动检测原理图,光源,检测器,六、絮体影像混凝投药控制技术,原理：沉淀池浊度与原水混凝后形成的絮体特征和沉淀情况有关，絮体形成得越好，沉淀越充分，沉淀水浊度越低。絮体的大小、形状可反映在絮体图像上，通过分析絮体的图像，可以得到一个与沉淀水浊度相关性很好的参量，用它作为目标值来控制混凝剂投加量可缩短滞后时间。,灯箱,A/D采集卡,计算机处理系统,计算机显示器,打印机,进水,CCD,絮凝沉降槽,图4.8 视觉在线检测系统硬件组成原理图,4.2 沉淀池运行控制技术,一、技术概况与分类,沉淀池的运行控制，主要是沉淀池排泥的控制。,排泥控制的基本内容就是根据池内积泥量的多少，来决定排泥周期、排泥历
13、时等等。,沉淀池排泥控制的技术关键是如何确定池内的积泥量，以及如何确定合理的排泥历时。,图4.9 排泥水浊度变化曲线,t,积泥量可以用污泥界面计测量池内泥位确定，或者按进出水浊度计算确定、或者按经验确定。,按采用的监控方法不同，沉淀池排泥控制技术分下面几种：,(1)按池底积泥积聚程度控制。采用污泥界面计进行在线监测，池底积泥达到规定的高度后，启动排泥机排泥；积泥降至某一规定的高度后，停止排泥。采用较少。,(2)按沉淀池的进水浊度、出水浊度，建立积泥量数学模型，计算积泥量达到一定程度后自动排泥，并决定排泥历时。,(3)根据生产运行经验，确定合理的排泥周期、排泥历时，进行定时排泥。,应用实例2,四
14、组沉淀池，每组装有刮泥机12台。一组12只排泥阀，由一个控制单元控制。排泥历时和排泥周期由控制单元面板上6只旋钮设定。上面3只整定排泥历时，可到秒；下面3只整定排泥周期，可到分。,图4.10 沉淀池排泥控制,4.3 滤池的控制技术,一、滤池控制的基本内容与基本方式,滤池的自动控制基本上包括过滤、反冲洗两个方面，其中以反冲洗为主。,滤池的反冲洗的控制方案要解决如何判断反冲洗开始和反冲洗结束。,反冲洗结束有下列方式判断：,(1)反冲洗水浊度监控。(2)定时控制。,反冲洗开始有下列方式判断；,(1)滤后水浊度监控。(2)滤池水头损失监控。(3)定时控制。,二、虹吸滤池的远行控制实例,过滤时,反冲洗时
15、,自动控制方式以水力控制为主时，存在以下不足之处：,(1)滤池在反冲洗前的待滤水(池内水深约1.5m)要被排水虹吸排掉；,(2)反冲洗时，要等滤池水位下降至进水虹吸的破坏管露出水面，进水虹吸才能被破坏，这段时间内的进水也要被排掉；,(3)经常会出现两格或两格以上的滤池同时进行冲洗，造成反冲洗水量不足使冲洗强度不够，不但浪费待滤水，而且容易使滤料结板，缩短滤池使用周期；,(4)冲洗时间不好调节，时间控制精度也不够，容易造成过冲洗或欠冲洗。,采用机电自动控制系统，根据不同的工艺条件、可以按下列3种方式控制虹吸滤池的运行：(1)自动控制方式：(2)定时控制方式：(3)手动控制方式：,“自动控制方式”
16、介绍,各滤池正常运行,有冲洗请求否？,排队,对应滤池发出反冲洗信号,大虹吸计时,大虹吸形成否？,反冲洗时间计时,本格反冲洗结束,报警,N,N,Y,Y,当滤池水位上升到反冲洗水位时，液位检测装置发出反冲洗信号，由控制装置控制执行机构完成此格滤池反冲洗过程。即：,图4.11 虹吸滤池自动控制反冲洗流程,1)破坏小虹吸；2)形成大虹吸；3)反冲洗计时；4)破坏大虹吸；5)形成小虹吸；6)反冲洗完毕。,水位检测装置采用干簧浮球液位控制器，如图。,图4.12 水位检测装置,上面介绍的装置还存在不足，进行如下改进：,(1)当滤池滤速下降至设计时规定的滤速(如8mh)以下时进水量大于出水量，滤池水位上升，水
17、位上升到达最高点时，要强制破坏进水虹吸、即打开电磁阀，使进水虹吸因进气面被破坏停止进水。使滤池在无进水情况下，池内水靠重力继续过滤。滤池水位开始下降。,(2)约58min后，水位下降至某一规定值时，启动排水虹吸，滤池内的水通过排水虹吸管排出池外。后续过程与前面介绍的相同。,虹吸滤池控制装置具有以下的特点：,(1)采用了可编程序控制器，功能丰富，工作可靠，维修方便，使用简单；(2)可塑性强，在生产过程中可根据工艺需要，调整运行状态及各控制参数；(3)能对12格以下(含12格)的虹吸滤池组进行控制；(4)为了保证冲洗强度，每次仅冲洗一格滤池；,(5)可根据各格滤池发出的反冲洗信号的先后次序进行排队
18、，依先到先冲的原则，依次对各格滤池进行反冲洗；(6)反冲洗时间可在57min范围内没定；(7)有报警系统，能判断运行中出现的一些事故，如滤池水位到达溢流水位、大虹吸未形成等，并发出相应的声、光信号：(8)以手动控制方式运行时，在手动输入反冲洗信号后，对应信号灯闪光，以便操作人员观察；在达到一定反冲洗强度后发出音响信号，以提醒操作人员停止反冲洗。,三、V型滤池监控系统,V型滤池反冲洗流程,4.4 氯气的自动投加与控制技术,水处理的氯气投加分为前加氯和后加氯。,一、氯投加系统与设备,在水处理过程中，一般都用液态氯作为消毒剂，氯气的投加方式主要可分为两种形式：即正压投加和负压投加。,图4.13 加氯
19、系统示意图,真空加氯机加氯系统由气液分离器、真空调节器、加氯机、取样泵、余氯分析仪、水射器、漏氯检测仪等组成。,(1)真空加氯饥 加氯机主要是对氯气投加的流量大小进行调节和控制。一般采用差动调节方式。其原理是只要通过测量孔的压降不变，通过测量孔的气体流量只是孔面积的函数。,(2)真空调节器 真空调节器是一种由弹簧驱动的装置。其内部的真空节流阀调节进气阀，将气源送出的氯气进行由正压到负压的转换，使氯气在负压状态下被安全输送到投加点，并减少供气管路中氯气液化的可能性。真空调节器应尽量靠近气源。,(3)自动切换装置 其主要作用是对气源进行自动切换，保持气源的连续供给，确保加氯机的连续运行。当一组气源
20、用完时，氯气压力达到某一设定值，自动切换装置动作两组气源自动切换，使用备用气源为加氯机提供氯气。,(4)水射器 水射器用于为真空加氯机形成高真空。,(5)余氯分析仪 用来连续测量水中的余氯含量，为控制器提供余氯信号。,(6)气液分离器 主要用来分离从气源中带出的未蒸发的液态氯和水，并过滤其中所含有的杂质，确保进入真空调节器的都是气体氯,二、氯气投加的自动控制,氯气的自动投加控制，按控制系统的形式划分，有以下几种：,(1)流量比例前馈控制：即控制投加量与水流量成一定比例。(2)余氯反馈控制：按照投加以后水中的余氯进行反馈控制。(3)复合环控制：即按照水流量和余氯进行的复合控制。(4)其它控制方式
21、：如以PH值和氧化还原电势为参数进行控制等。,1 前加氯系统,以原水流量进行比例投加，投加量按下式确定：,对投加量准确性要求不高，采用流量比例前馈控制。,图4.14 前加氯比例投加控制系统囤,2 后加氯系统,采用投氯后水余氯简单反馈控制、复合环控制等方式。,图4.15 后加氯前馈反馈复合控制系统图,串级复合环控制,串级复合环控制是在简单反馈控制系统中，再增加一个中间余氯检测点，该点设于投氯点后不远处，氯与水已充分混合并进行了一定程度的反应，滞后则较小。根据运行经验，由出厂水余氯设定值的要求，可以找到中间余氯检测点的设定值(该值一般高于出厂水的余氯设定值)，控制器根据此点的检测值与设定值的偏差进行投氯量调节。,优点：减小了系统的滞后，可以较好地适应水质的变化，对水中余氯进行有效的控制，,三、应用中的一些问题,1 投加点和取样点的选择：对于饮用水系统，取样点与加氯注入点之间的距离应十倍于管道的直径。,2 余氯检测的精确可靠性。,3 整个系统的安全性。,
