我国水处理混凝投药控制技术的研究与发展

崔福义　李圭白
哈尔滨工业大学

　　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ζ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。

　　参考文献
　　1、兰州市自来水公司、洛阳有色金属加工设计研究院，“电子计算机自动控制100米直径辐射式沉淀池净化工艺”，城镇供水，N.4，1986年；
　　2、陈保平、金同轨，“高浊度水处理时聚丙烯酰胺与水中泥沙颗粒表面积关系的研究”，西安冶金建筑学院学报，N.2，1985年；
　　3、王大志、柳秉洁，“混凝剂投加量数学模型”，中国给水排水，V.4，N.4，1988年；
　　4、钟淳昌等，“数学模型加矾自动化技术”，中国给水排水，V54，N.5，1989年；
　　5、黄鸣崎等，“自动加矾前驱性装置——模拟滤池的试验研究”，中国给水排水，V.6，N.1，1990年；
　　6、国家建委武汉给水排水设计院、沙市自来水公司，“沙市水厂自动投药装置”，给水排水，N.2，1979年；
　　7、崔福义，“混凝剂投加的优化自动控制——检测器法的试验研究”，给水排水，N.3，1989年；
　　8、崔福义、洪觉民、李圭白、陈保华，“流动电流单因子凝聚投药自动控制生产性试验研究”，给水排水，N.5，1991年；
　　9、崔福义、曲久辉、李虹、李圭白，“国产流动电流投药控制系统的基本性能与应用评价”，给水排水，N.8，1994年；
　　10、 崔福义、李圭白著，《流动电流及其在混凝控制中的应用》，黑龙江科技出版社，1995年；
　　11、 汪光焘主编，《城市供水行业2000年技术进步发展规划》，中国建筑工业出版社，1993年；
　　12、 于水利、李圭白、孙景浩，“高浊度水絮凝投药自控系统生产试验”，中国给水排水，V.12，N.1，1996年；
　　13、 杨凯人，“显示式絮凝控制系统（FCD）在水厂的应用”，中国给水排水，V.16，N.3，2000年。