浅析流动电流混凝控制技术的机理及发展和应用
2008-10-23 15:15阅读：
浅析流动电流混凝控制技术的机理及发展和应用
摘要：本文对水处理混凝投药控制领域的流动电流技术的工作机理以及在我国的发展应用情况进行了简要的论述，并就其中的一些技术要点进行了概括与总结。
关键词：流动电流混凝控制技术
水处理工艺
混凝投药
流动电流法是国际上八十年代出现的混凝投药自动控制新技术。利用凝聚的微观特性——胶体电荷的变化，仅控制流动电流一个因子，就可以实现投药的连续控制，是混凝投药技术领域的一项重要突破。在我国自1989年发表第一篇有关论文起，对流动电流混凝控制技术的研究与应用也有10多年的历史了。近10年，我国在流动电流的基本理论、工艺技术研究、专用设备开发、应用推广等方面，都取得了十分显著的进展。本文就其所取得的一系列进展做一简要介绍。
1．流动电流检测器的检测机理
流动电流检测器（SCD）的检测机理可以归纳为：
SCD探头中的筒和活塞表面带电
电荷分离
流动电流产生
电极响应及信号输出。
一般固体表面带电可以被认为是由于电离、吸附离子、离子溶解、晶格取代、摩擦等作用引起。对于SCD探头中的筒和活塞，由于其自身性质决定，它们的表面可以对水中的正负离子进行不等量吸附而获得电荷，使其表面带电。由于离子的水化能力不同往往水化能力强的离子被留在溶液中而弱的离子容易被吸附到固体表面，从而使固体表面带负电的可能性较大，同时与固体表面具有相同组成的离子最容易被吸附。因此，天然水中SCD探头的筒及活塞表面一般均带负电。由于筒及活塞表面带有负电荷，在其和液体的界面上就会有选择的吸附水中的正离子。附着于固体表面的负电荷层和水中与之相距甚微而扩散着的正离子的电荷层就构成了所谓的双电层，以致界面上电荷产生了不均匀的分布。由于活塞的运动而产生的空吸和压缩，液体在筒和活塞之间的狭小环形空间流动，使溶液中扩散层的电荷与固定层的电荷发生分离并随水产生定向运动，由此产生流动电流。在探头中产生的流动电流被两端电极检出，然后经过放大、同步整流后被输出。输出后的电流信号被转化为可识别的数字信号供操作人员参考，以此来进行混凝剂投药量的控制。
2．流动电流与混凝机理的关系
在天然水体中存在着的大量的悬浮物质是构成水体浊度的主要因素，而混凝沉淀的目的就是为了使其得到有效的去除。水体中的悬浮物质基本上是以胶体粒子的状态存在的，表面带有负电荷的胶体粒子所形成的双电层使其彼此之间相互排斥而得以在水体中稳定存在。根据双电层模型理论可知，胶体的双电层厚度是影响其稳定性的主要因素也是流动电流大小的决定因素。所以，对于天然水中粘土等胶体粒子，由于其表面负电荷，当投入铁、铝等无机混凝剂时，所提供的大量正离子将扩散进入胶体扩散层乃至吸附层，结果将使双电层厚度变薄，流动电流值亦将减小。当大量正离子涌入吸附层以致扩散层完全消失时，双电层厚度为零，流动电流值也为零，则胶体完全脱稳聚沉。如继续增加混凝剂投加量，更多涌入吸附层的正离子将使胶粒表面电性变正，双电层厚度反而增加，流动电流将呈上升趋势。因而，仅对水中胶体粒子而言，在等电点为零时将是理论上的混凝剂的最佳投量。但在实际的工艺运行中，往往通过试验确定一个最佳的流动电流范围，在这个范围内通过对混凝剂自动投药的控制实现水厂的优化运行。
3．流动电流自动控制系统的设计原则
混凝投药自动控制系统一般由SCD传感器（SCS）、控制器（SCC）和变频调速系统（FCS）组成。其控制系统模式图如下图:
该系统主要由检测、控制、执行三大部分组成，流动电流传感器对加药后的水中胶体电荷进行检测，并经信号处理后将该流动电流信号送至控制器；控制器对该检测值与事先设定的设定值进行比较，并按一定的控制策略对投药量输出进行调整；该药量的调整通过变频调速控制设备对投药泵的转速调节来实现。该系统具有：单因子控制、小滞后系统、中间参数控制的特点。
4．国产设备的开发研制
1992年在哈尔滨建筑大学研制成功了国产第一台流动电流检测器，并在牡丹江四水厂试用成功，取得了良好的效果，我国由此成为国际上制造该种仪器的第三个国家。此外，在配套仪器设备的研制方面也取得了重要进展。研制成功了专用的测控仪，采用PID算法进行调节控制，调控效果好，仪器稳定可靠；研制成功了专用的变频调速设备，可以根据控制系统指令，调节投药泵的转速，改变投药量。
在应用中，对仪器的设计、加工也在不断的改进完善，迄今已形成了流动电流投药控制设备产品系列，不仅可以进行简单的生产过程监测（SC-2000型）或单参数的简单控制（SC-3000型），也可以适应某些水厂的特殊需要，增加浊度反馈部分，进行双参数的复合控制，使系统的工作更加可靠（SC-4000型）。SC-4000型流动电流控制系统在国际上是一个首创。首台SC-4000型控制系统已于1994年在沈阳第八水厂试验成功，随后又在武汉、黄石、荆沙、昆明、成都等地成功应用。
5．流动电流技术的推广应用情况
随着国产设备的开发成功与不断完善、流动电流投药混凝控制工艺技术的日益成熟，自1994年起，流动电流技术逐渐在国内水厂进入大规模的应用阶段。迄今已有近百台国产设备在全国各地水厂应用，其范围覆盖了全国大部分省市自治区。大规模的生产应用也在不断丰富完善着流动电流技术体系，取得的成果不断扩大，应用技术达到了规范化，在运行技术方面积累了丰富的经验，在经济分析方面也取得了大量的数据。
我国地域辽阔，水源水质复杂多变。特别是水质经常的大而急剧的波动使水处理混凝投药自动控制系统的应用受到了极大的挑战。从对国产设备用户的使用情况来看，国产流动电流自动投药设备较好的适应了各种水质的变化。已应用的水源种类包括江、河、水库、湖泊等多类地表水水源。
应用中涉及的原水浊度在3.0-4500NTU之间变化，有的水厂原水浊度不仅变化幅度大，而且变化快。如牡丹江第四水厂，在1小时之内的浊度变幅可达上千度。实践证明，在上述原水浊度变幅内，国产设备很好的满足了使用要求。在南方低浊、高藻的原水处理中（有的水厂最高浊度仅60NTU，含藻量最多可达1.3亿个/L），自从使用国产流动电流自动投药设备后，不仅提高了水质保证率，而且可以节约28％的混凝剂费用。
随着水处理技术的提高和处理工艺的改进，流动电流自动投药技术正得到日益广泛的应用和普及，它已被列入我国“城市供水行业2000年技术进步发展规划”中，成为水处理领域混凝控制的主导技术之一，对水处理技术产生着深远的影响。
参 考 文 献
[1]
崔福义，彭永臻著，《给水排水工程仪表与控制》，中国建筑工业出版社，第一版，1999年。
[2]
曲久辉，李圭白，崔福义等.
流动电流检测器的检测机理及其数学模式—SCD混凝投药控制系统相关因素研究（Ⅰ）. 《哈尔滨建筑工程学院学报》，26（5），61－67，1993年。
[3]
流动电流的基本特性—SCD混凝投药控制系统相关因素研究（Ⅱ）.《哈尔滨建筑工程学院学报》27（2），50－55，1994年。
[4]
崔福义，李圭白.
流动电流混凝控制技术在我国的应用与发展十年回顾，《中国给水排水》，15（7），43—48，1999年。
作者电话：0633-3909005
13793433318
E-mail：xuhoukun@sina.com
