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浅谈流动电流检测在自来水处理过程中的应用 ——张宪才
作者:唐山市自来水公司    发布于:2009-05-04 17:47:04   

       自来水处理过程中的一道关键的工序就是絮凝沉淀,絮凝剂的投加直接关系到絮凝沉淀效果。早期传统的絮凝剂投加控制主要是人工调节控制方式,它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;后来随着计算机控制技术的发展,出现了数学模型法、模拟斜管(沉淀池)法、胶体电荷法等絮凝剂投加控制方式。但是,数学模型法要求在线检测的参数很多,适应性和灵活性差;模拟斜管法有10~20分钟的系统滞后时间而难以适应水质急剧变化,而且因为其依据是模型与原型(实际生产系统)的相似性,然而保持其相似性是困难的,因此这种方式的准确性也较差;胶体电荷法因无法解决电位的在线检测而难以实现及时准确的投药控制。上世纪80年代,国际上出现了流动电流投药控制技术,通过在线检测与絮凝剂的投加以及沉淀效果密切相关的流动电流,实现对投药的控制。该技术自上世纪90年代引入国内后受到了给水行业的高度重视,1994年以来,已有愈百台流动电流检测仪(SCD)在国内各地水厂运行,一部分取得了良好效果,但相当一部分由于种种原因效果不理想,尤其在原水浊度流量变化幅度大、速度快的情况下。本文以温州西山水厂的 SC5200型SCD仪为例,分析论述流动电流及其检测原理、SCD仪自动控制絮凝剂投加的控制原理及模式、SCD仪安装及取样水的要求等,以资同行参考。
    一、流动电流产生及检测的原理
        自来水原水之所以都有一定的浊度是因为原水中长时间内保持有分散弥漫状态的泥沙胶体粒子和悬浮物,泥沙胶体粒子的表面带负电荷,而絮凝剂(铝盐或铁盐等)溶于水后生成的胶体粒子是带正电荷。向水中投加絮凝剂的主要作用就中和泥沙胶体粒子的负电荷,减少了水中的负电荷密度,失去电荷的泥沙胶体粒子就会失去稳定性(即脱稳),很快会聚结形成团块(俗称“矾花”),当团块大到一定程度,就会沉淀。
        一般认为胶体粒子的带电具有双电层结构,即胶粒吸附了电解质中的一种离子形成吸附层,异性离子分布在靠近胶粒表面的扩散层中,这样形成了胶体的双电层结构。在外机械力对水的“切割”(相对机械运动)作用下,如SCD仪的探头在带水的探头腔内的往复运动,水中泥沙胶体粒子双电层中扩散层的反电荷离子定向迁移而分布在相对静止探头腔的内表面,产生沿水流流动方向的电场,这种离子的定向迁移就称之为流动电流。SCD仪的探头腔内表面沿水流方向相隔一定距离安装两只电极,流动电流产生的电场经电极输出再通过SCD仪内部的电子线路连接形成闭合的电路后,经电场作用就产生回路电流,该电流经取样处理后就可以用于显示或控制絮凝剂投加设备。在其它外在条件相同的情况下,流动电流的大小与水的电负荷状况成正比例相关,而水的电负荷状况即净电荷密度取决于水中同性胶体粒子的密度。
        从上述分析及一系列的研究、实践证实,水中的流动电流值与絮凝剂投加量以及经絮凝沉淀处理后水的浊度相关,这为以流动电流为参数进行混凝控制提供了直接的依据。

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        二、SCD仪控制絮凝剂投加的控制原理及模式
        1、控制原理
 
        原水中投加能产生带正电荷胶体粒子的絮凝剂以中和带负电荷的泥沙胶体粒子,使原水中的负电荷密度减少,检测到的流动电流值(一般为负值)也相应减少,当絮凝剂投加量达到最佳值时,原水的沉淀效果最好,此时的实际流动电流值也基本等于SCD流动电流设定值(一般为接近零的负值)。当絮凝剂投加过量时,水中的电荷密度转为正值,流动电流也转变为正值(见图1)。SCD仪就是实时检测并比较投加絮凝剂后原水流动电流实际值与设定值的偏差,负反馈控制加药计量泵调整絮凝剂的投加量,以求达到最佳的沉淀效果。
 
        2、流动电流设定值的获得
 
        SCD仪检测原水中投加絮凝剂后的净电荷密度,但SCD仪不能直接确定该投加多少絮凝剂,絮凝剂投加的最佳量取决于水处理工艺流程、原水的状况(流量、浊度、PH值、温度、有机物性质及含量)、使用絮凝剂的性能及其它各种条件。对一个特定的系统,初始的最佳絮凝剂的投加量一般靠传统的化验室“需矾量”检测及操作人员经验手工调节获得,人工调节加药量使沉淀效果达到最佳,此时SCD实际检测到的流动电流值就可以作为设定值 。当然,设定值不是一成不变的,当原水状况变化较大,或者长时间内原水流量、浊度变化很大,原来的设定值难以达到理想的沉淀效果时,此时要根据实际情况适当调整设定值以达到最佳的沉淀效果。
 
        3、控制模式
        (1)SCD内部对流动电流信号的PID处理模式及参数设定
  
        SCD仪一般对检测到的流动电流采用PID模式处理后输出过程控制信号。SCD仪将检测到的实际流动电流值与设定值比较,通过比例(P)-积分(I)-微分(D)处理后负反馈调节絮凝剂投加量,使实际的流动电流值基本等于设定值。以SC5200型SCD仪为例,PID控制电路已由生产产家预先内置于SCD仪中,其适用于大部分水厂的PID参数也预先设定,一般不需要再调整。比例(P)参数PB决定系统对偏差的响应强度,它等于系统增益倍数的倒数,当PB=200%,系统增益为1/2,当PB=100,增益为1,PB=50%,增益为2,一般地为保持系统的稳定,设定PB=200%;积分(I)是对实际流动电流偏离设定值的时间响应,一般设定为3分种;微分(D)是对实际流动电流值偏离设定值速度的响应,一般可设定为零,即不考虑控制系统的微分响应。
 
        (2)投药计量泵控制系统引入原水“污泥负荷”参数的综合控制模式
 
        虽然原水的流动电流值与絮凝剂的投加量密切相关,但这种相关是非线性的(见图1),而且该相关曲线将随着原水状况各种因素和絮凝剂性质的变化而变化,所以,虽然SCD仪能检测到实际流动电流对设定值的偏差,却无法确定应该增加(或减少)多少絮凝剂以使实际流动电流回归到设定值。对一特定的原水和絮凝剂,可以建立一个“流动电流~絮凝剂量”的数据库或建立相关模拟方程式,但该数据库或方程式的适用的广泛性及精度都较差,在原水状况变化较大时可能根本不适用。因此,如果将流动电流作为唯一因素即“单因子”控制投药量,在原水状况变化速度快、幅度大的情况下,往往使“单因子”控制系统处于响应严重滞后或类似的震荡状态,难以达到理想的控制效果和沉淀效果。国内多年的实践也证明这一点。
 
        温州西山水厂的SCD控制系统引入“污泥负荷”(sludge load)参数,即控制系统首先根据原水流量和原水浊度计算出原水进水的“污泥负荷”,并作为絮凝剂基础投加量的比例控制信号前馈给加药计量泵变频调速控制系统;SCD的输出控制信号作为“校准”基础投加量的负反馈控制信号,起微调和最终决定作用,两者“整合”后确定加药计量泵的转速(投加量)。这种控制模式(见图2)的优点是充分利用“污泥负荷”能基本确定投药量的特点,同时利用SCD的反馈信号检验这种投加的效果并纠正偏差,既弥补了“污泥负荷”参数开环控制投药方式的精度不高而且可能使控制系统“发散”的缺点,也减小了SCD的偏差调节范围,增加了系统控制的稳定性和控制精度。温州西山水厂这种控制模式在1999年经历3个多月原水24小时内浊度从500NTU到6500NTU 2个周期性变化(见图3)的考验,由于投药控制系统的稳定而准确地快速反应,使絮凝剂投加达到了理想的沉淀效果,保证了水质。
 
 

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        4、辅助控制措施

        (1)提高控制执行机构对控制信号的响应精度

        投药泵作为投药自动控制系统的执行机构,要求选用高性能的计量泵,其精度高,易控制。而离心式加药泵控制的精度和稳定性都不如计量泵。计量泵数量宜采用3台(2用1备),既考虑到备用,又考虑到小流量、低浊度原水时使用1台,大流量、高浊度自动使用2台,增加投药泵的调节精度。

        (2)保持絮凝剂性质的稳定

        SCD仪投药控制系统是根据水中的胶体脱稳程度为标准,理论上无须控制絮凝剂性质及其有效成分含量(浓度),但出于减轻SCD调节任务使系统控制稳定精确的考虑,在一定时期内尽可能保持絮凝剂性质和稀释后浓度的一贯性、稳定性。当原水浊度很高(大于6000NTU),在使用常规的絮凝剂的同时使用有机高分子助凝剂时,因有机高分子会降低流动电流检测的灵敏度,所以助凝剂的投加点应设在SCD取样点的下游,否则会干扰投药控制系统。

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        三、SCD仪安装注意事项

        SCD仪检测的是微弱的流动电流信号,安装方式和地点要尽可能地保证仪表免受电气及其它环境因素的干扰同时要满足检测的要求,以保证检测的稳定性和准确性。

        1、安装位置要求接近絮凝剂的投加点,这主要出于取样水的滞后时间的考虑,安装位置距离投加点太远,无法满足取样水滞后时间的要求。
        2、安装地点要求使SCD仪避开污泥、雨雪的影响,避免阳光直接照射,环境温度在0℃~40℃。
        3、电源要求有防浪涌措施,避免雷电、开关操作等引起的浪涌电压的冲击;仪表箱底端的接地端子要可靠接地。
        4、对于SC5200型SCD仪,在TB3上有两对端子(8~9和5~6)都是隔离的4~20mA模拟输出,但注意8~9端子的模拟输出代表流动电流值(4mA=-100,12 mA =0,20 mA=100),只用于流动电流值的仪表显示或记录打印;5~6端子的模拟输出是比较瞬间的流动电流实测值与设定值的偏差并经SCD内置的PID处理后输出的过程控制信号,它参与加药计量泵絮凝剂投加的控制。
        5、SCD仪的取样水的进水和排水管道是连接到探头腔的,所以要用绝缘柔性的聚乙烯或PVC管道,硬质管道可能会破坏仪表;禁止金属取样水管道直接与SCD连接以免严重影响准确检测探头腔内微弱的流动电流。为了取样水流量的稳定,其排放管道长度一般不超过1米,过长的排放管道因阻力增大会使流量减少,不要在排放管道上装设任何节流阀门或其它设施。

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        四、SCD仪取样水的要求

        为了保证SCD仪稳定可靠准确反应原水中的流动电流,必须要有高质量的取样水。获得符合要求的取样水是SCD成功控制投药最重要的一个因素之一,而这一点往往被使用者所忽视,取样水不符合要求是SCD仪不能成功使用的主要原因之一。取样水必须满足下列要求:

        1、取样水必须是与絮凝剂充分混合的原水,而且使原水自絮凝剂投加点经取样点再到达SCD仪的时间即“系统滞后时间”控制在SCD仪要求的时间范围。这一般要求有一个快速混合装置,如使用管道式静态混合器,取样水管道的进口要深入到混合器下游原水管道横断面的中央位置点取水,不能在接近原水管道内壁处取水。对于SC5200型SCD仪,“系统滞后时间”一般在2~3分钟。取样点太靠近投加点,系统滞后时间太短,没法保证取样水与絮凝剂的均匀充分混合;取样点离絮凝剂投加点太远,会使滞后时间太长,控制系统的实时性灵敏度降低,在原水浊度快速反复变化时会引起控制系统的震荡失控,同时取样水中会有凝聚的大颗粒的“矾花”,不利于SCD仪的检测,而且太长的系统滞后时间也不能与SCD仪内置PID的积分时间匹配。至于取样水自取样点到SCD仪的时间(属于系统滞后时间的一部分)的控制,可结合下述第(3)款的要求,在取样水管道上装设流量和扬程适当的取样泵,在取样泵之后进SCD仪之前的取样水管道上装设调节阀门,并在调节阀门旁边(上游)开三通,三通出口处也装设调节阀门,通过调节两只阀门来满足SCD仪对取样水流量和“系统滞后时间”的要求。

        2、取样水中无杂物以免破坏SCD仪的探头,或覆盖SCD仪的探头和装设有电极的探头腔表面使之灵敏度降低,这要求在取样水进入SCD仪前装设水利分离过滤器并作好过滤器平时清污工作。当然,原水中细小的污泥等进入SCD仪是难以避免的,尤其是高浊度原水,SCD仪经过长时间运行后其探头及探头腔表面或多或少要被污泥覆盖而降低灵敏度,所以为SCD安装一个配套的手动或自动的冲洗装置是必要的。

        3、取样水水流必须是稳定而连续的。取样水流量不稳定会使流动电流检测不准,在SCD仪处于自动控制投药泵运行时,取样水流量不稳定会影响投药泵的运行甚至会使投药失控;如取样水断流,不仅使投药系统失控,而且会使SCD仪探头在探头腔内往复运动的干摩擦而损坏。对于SC5200型SCD仪,推荐的单位时间内的取样水流量在2~4L/min的范围,原水浊度高时可取高值,浊度低时可取低值。为了保证取样水流量的稳定,配置一台稳定运行的取样泵是必要的。

        五、结束语

        自来水处理过程中流动电流检测技术自动控制絮凝剂投加是目前较先进的投药方式,在实际应用中,因为原水状况及絮凝剂性质是复杂而多变,必须全面地考虑SCD仪的安装方式、符合要求的取样水、性质稳定的絮凝剂、完善而实用的控制模式、准确的执行机构等因素,才能使控制系统稳定、准确,保证理想的絮凝沉淀效果。

 

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