第四章给水处理系统控制技术

一般，原水中粘土颗粒的ξ电位在－10~－30mV范围内， 当ξ电位降至＋5~－10mV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ξ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
ξ电位法：直接测量胶体的ξ电位，作为确定投药量的依据。
(3)原水的水质。浊质ζ电位的高低直接决定其在水中的稳定 性， ζ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， ζ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。
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“mg／L”至数百“mg／L”之间，处于上述有效 检测范围之内。
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： （1）流动电流（SC）与ξ电位的相关性
图4.3 流动电流与ξ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。
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ξ 电位，从而使胶体杂质脱稳凝聚，进而絮凝，使胶体杂质 脱稳是有效混凝的基础。
(2)小滞后系统。投药到取样的时间差一般只有几十秒，至多 1—2min。
(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，流动电流会产生无规则波动， 该技术不适用。
1 流动电流原理
粒子表面 吸附层 切面
流体流动
流动电流从侧面 代表了ξ电位的性 质，反映了固液 界面双电层的基 本特性。
吸附层 扩散层
图4.1 双电层结构及反电荷离子分布示意图
2 流动电流检测器
电机
进水 检测室
活塞
出水 电极
输出
运算放大器
同步整流器
放大及灵 敏度调整
图4.2 流动电流检测器原理示意图
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。
t
图4.9 排泥水浊度变化曲线
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。
(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：
灯 箱
絮凝沉降槽
CCD
计算机 显示器
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。
(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”介绍
各滤池正常运行
有冲洗请求否？
N
Y 排队
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
对应滤池发出反冲洗信号 大虹吸计时
报警
号，由控制装置控制 执行机构完成此格滤 池反冲洗过程。即：
大虹吸形成否？
N
Y 反冲洗时间计时
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。
进水
A/D 采集卡
计算机 处理系统
打印机
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。
二、虹吸滤池的远行控制实例
反冲洗时 过滤时
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；
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SC＝－4)浊度变化变 缓，甚至有再升高的趋 势。
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作为
投药量的确定依据，包括ξ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。
五、透光率脉动混凝投药控制技术
检测原理：用透过流动
水柱
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
光源
检测器
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。 图4.7 透光率脉动检测原理图
六、絮体影像混凝投药控制技术
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。
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；
(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。
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4~6联搅拌机，同时向4~6 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，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。
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、流动电流混凝控制技术
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。
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。
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、 ζ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；
1)破坏小虹吸； 2)形成大虹吸； 3)反冲洗计时； 4)破坏大虹吸；
本格反冲洗结束
5)形成小虹吸；
图4.11 虹吸滤池自动控制反冲洗流程 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8m／h)以下 时．进水量大于出水量，滤池水位上升，水位上升到达最 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。
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。
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图4.5 余浊与流动电流的相关性
4 流动电流混凝控制工艺系统的wk.baidu.com成与特点
该系统主要由检测、控制、执行三大部分组成。
原水
混合
后续处理工艺
出水
混凝剂 执行 投加装置
检测 流动电流检测器
水样排放
控制中心 （微机）
记录仪 控制
图4.6 流动电流混凝控制系统图
特点：
(1)单因子控制——流动电流参数。
(2)约5—8min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。