流动电流混凝控制技术的研究与应用

流动电流混凝控制技术的研究与应用

摘要：本文论述总结了以流动电流为参数进行水处理混凝控制的工艺原理与技术特性，并对其应用情况进行了评价。

1 前言

水是生命之源。水与国民经济和人民生活息息相关。为了满足生产和生活对水质的要求，必须进行水处理。保证处理质量、降低处理费用是水处理技术研究的核心内容。

在常规地表水处理工艺中，最重要的环节是投药混凝，即向待处理原水中投加化学药剂（混凝剂），使之与水中的胶体杂质相互作用，形成絮凝体以被后续工艺去除。在此环节中，准确投加所需要的药量是取得较好混凝效果的最关键问题。此外，混凝剂投量还是影响水处理成本的重要因素。在水厂实际运行过程中，水质水量不断波动，达到准确投药非常困难。国内外对混凝投药的控制技术进行了大量的研究，但一直未有有效的方法。直到80年代有了突破性进展，产生了流动电流混凝投药控制技术。我国在80年代后期也由笔者率先开展了对该项技术从工艺、设备到应用的全面研究[1]，取得了具有国际领先水平的成果，并已在生产上大面积应用推广。本文拟对此进行概括性论述和介绍。

2 流动电流的原理与检测

2.1 流动电流原理

根据胶体化学理论，水中胶体表面带有电荷，并影响到其附近的离子分布，构成胶体的双电层结构。当双电层受到外力扰动时，产生一系列电学现象，从不同侧面反映胶体荷电的同一特性，统称为电动现象。流动电流（位）就是电动现象之一。

所谓流动电流(位)是指在外力作用下，液体相对于静止的固体表面流动而产生电场的现象，即电渗的反过程。当水流过毛细管时，就可观察到流动电流现象：毛细管表面由于电离或吸附作用而带电，形成双电层。当水在压力差作用下通过毛细管流动时，双电层平衡结构受到扰动，在液相的吸附层与扩散层之间产生相对运动。伴随扩散层随水发生的移动，其中的反电荷离子亦相应的定向运动而形成电流，即为流动电流；在毛细管两端产生的电位差则为流动电位。若配以适当的装置，将该电流收集并检测，就可得到该条件下毛细管表面的流动电流值。

在水处理工艺理论中，常用ζ电位来描述胶体表面（即固液界面）的荷电特性。根据流动电流原理，可以得到ζ电位与流动电流之间的数学关系[2]：

I=πεpγ2ζl(η·l)(1)

式中I为流动电流，p为毛细管两端压力差，r为毛细管半径，ζ为ζ电位，ε为水的介电常数，η为水的粘度，l为毛细管长度。

式(1)揭示了ζ电位同流动电流之间的内在关系，说明二者是对固液界面电动现象从不同侧面的描述，流动电流同ζ电位之间存在线性关系。

2.2 流动电流的生产检测技术

生产上用于过程控制的流动电流检测装置必须能连续检测，实验室用的毛细管装置是难以胜任的。当今用于生产的流动电流检测器原理如图1[3]。

传感器是流动电流检测器的核心部分。被测水样以一定的流量进入检测室。在圆型检测室内有一活塞，作垂直往复运动。活塞和检测室内壁之间的缝隙构成一个环形空间，类似于毛细管。当活塞作往复运动时，就象一个柱塞泵，促使水样在环形空间中作相应的往复运动。水样中的微粒会附着于活塞与检测室内壁的表面，形成一个微粒“膜”。环形水流的运动，带动微粒“膜”扩散层中反离子的运动，从而在环状“毛细管”的表面产生电流。在检测室的两端各设一环形电极，将产生的电流收集并送给信号处理部分进行处理，获得该仪器的输出信号。这种装置通过活塞的往复运动而生成交变信号，克服了电极的极化问题；采用高灵敏度的信号放大处理器，使微弱交变信号被放大整流为连续直流信号，克服了噪声信号的干扰，成功地实现了胶体电荷的连续检测。

3 流动电流混凝控制工艺

3.1 流动电流与混凝工艺的相关性

常规的地表水处理工艺，皆以除浊澄清作为主要目标之一，即采用混凝、沉淀（或澄清）、过滤这样一种基本工艺。能否使水中的浑浊杂质（主要为胶体物质）聚结形成具有一定粒度及表面特性的絮凝体，为后续的沉淀或过滤去除创造良好条件，关键就在于混凝效果如何。在工艺一定的条件下，混凝效果主要由混凝剂的投加量所决定。通常所用的混凝剂都属于电解质物质，在水中与胶体杂质发生电中和，压缩胶体的双电层，降低ζ电位，使之脱稳凝聚。若混凝剂投量偏少，胶体杂质达不到应有的脱稳程度，自然混凝效果不好；相反若投量过多，使胶体表面吸附过量的反电荷，改变电性而使ζ电位重新变大，胶体发生再稳定而不能聚结，同样达不到混凝的目的。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。传统上都是以ζ电位作为衡量胶体杂质脱稳程度以及混凝效果的指标。一般情况下，当ζ电位在0～-5mV范围内时即可获得良好混凝效果。由式（1）已知，流动电流与ζ电位在理论上存在对应关系，因此流动电流与混凝效果必然也是相关的。大量的实验结果证实了这一点。图2是一组典型的实验曲线[4]，随混凝剂投加量的增加，流动电流代数值增大。更进一步，生产上常以沉淀池出水浊度作为评价混凝效果的指标。大量的实验证实该出水浊度确与流动电流有相关性，典型结果如图3。表明随着混凝后水的流动电流代数值升高，出水浊度降低。二者的关系可以如下的经验方程描述：

y=a·e b/（10+x）（2）

式中y为沉淀水浊度，x为流动电流，a、b为经验系数。对于不同的原水，经验系数是不同的，ａ、ｂ值反映了水质及处理工艺特性，而且与流动电流数值的相对性有关，不同仪器的测定值是不能直接比较的。范围广泛的实验包括了国内外、南北方、江河水库等多种原水及处理工艺，一些有代表性的统计数据列于表1。证明在α=1%的置信水平下，混凝效果与流动电流之间存在显著的相关性，而且这种相关性是普遍存在的，流

动电流是影响混凝的主要因素，其它各种因素对混凝的影响是次要的。这一结论为以流动电流为因子控制混凝投药提供了决定性的依据。

b/（10+x）

3.2 流动电流混凝控制系统的组成

以流动电流技术构成的混凝控制系统典型流程如图4，它主要由流动电流检测器、微电脑控制器和混凝剂投加装置所组成。

向原水中投入混凝剂后，首先进行充分混合。然后一部分水作为检测水样，经过预处理后通过取样管进入流动电流检测器。检测后得到的检测值，代表水中胶体在加药混合后的表面荷电情况、亦即胶体的脱稳程度。由前述可知，生产工艺条件参数一定时，沉淀池的出水浊度与混合后的胶体脱稳程度相对应。按工艺要求选择一个出水浊度标准，就相应有一个特定的检测值，可将此检测值作为控制目标的期望值，即控制系统的给定值。控制系统的工作就是调整混凝剂的投量，以改变水中胶体的脱稳程度，使流动电流检测值围绕给定值在一个允许的误差范围内波动，达到混凝控制的目的。

在图4的系统中，只需要检测流动电流一项参数就可完成控制，不再需要测量任何其它参数，这是该技术有别于现行其它混凝控制技术的一个主要特点。这一特点大大简化了控制系统，为生产应用创造了良好条件。