给水处理系统控制技术

第四章给水处理系统控制技术混凝投药单元的控制技术沉淀池运行控制技术4.14.3氯气的自动投加与控制技术4.4供水企业监视控制和数据采集系统4.54.2滤池的控制技术4.1混凝投药单元控制技术•4.1.1混凝与混凝控制•常规地表水处理工艺中，主要目标为除浊。•采用混凝、沉淀(或澄清)、过滤、消毒工艺。•混凝效果：使水中浑浊物质聚结形成具有一定粒度及表面特性絮凝体，为沉淀或过滤去除创造良好条件。•在一定工艺条件下，混凝效果由混凝剂投加情况决定。•投药混凝：水质净化最重要环节。准确投加混凝剂量是获得良好混凝效果及经济效益最关键问题。•混凝控制：主要是混凝剂投加量的控制。•混凝剂：多为铝盐。•（1）投加量：投加量过少，混凝效果不佳，水质不达标。投加量过多，铝离子浓度过高会影响人体健康，并对水质及输水系统产生不良影响，应防止混凝剂投加过量。•（2）费用：净水药剂费是制水成本的第二大要素，混凝剂投加量直接影响到制水成本和水价。•混凝剂用量影响因素：•①混凝的目标：以沉淀水浊度值为依据。•②处理构筑物性能。净水构筑物性能不同，混凝剂需要量也有差别。混合、反应、沉淀及过滤各工艺特性的差别都会对混凝剂需要量产生影响。•③原水水质。对药耗有显著影响。•④混凝剂自身的特性。•4.1.2混凝控制技术分类•混凝控制：及时调整混凝剂投量，以适应原水水质、水量、混凝剂效能等因素变化，保证沉后水浊度达到规定指标。•问题：•其一、对水质、水量、药剂性能等因素的监测评价，要有适当参数指标来反映这些因素变化，称之为输入参数；•其二、混凝剂投量调整值称为输出参数，已测得输入参数的某种变化，输出参数应如何调整，即需要确定输出参数与输入参数的某种关联。•①按控制方式分类：•脱机控制：如经验目测法、ζ电位法等，根据实验或观测的结果，再对投药工况进行间歇式的人工干预调整；•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按检测控制参数性质分类：•模拟法：通过某种相似模拟关系确定投药量，如烧杯试验法、模拟滤池法、模拟沉淀池法；•水质参数法：通过表观水质参数建立经验模型，做为控制投药量依据，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变化来作为投药量的确定依据，如ζ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。•4.1.3几种典型的混凝控制技术简介•4.1.3.1经验目测法•重要因素：操作人员的责任心和经验•4.1.3.2.烧杯试验法•基础：原型（生产净水系统）与模型（烧杯）的相似性。•4.1.3.3模拟滤池法•基础：原型（生产净水系统）与模型（烧杯）的相似性。•仅考虑了滤池与药耗的关系•4.1.3.4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。（1）数学模型的形式和建立（2）数学模型的改进（3）数学模型法混凝控制系统（如图）4.1.3.5胶体电荷控制法①ζ电位法。②胶体滴定法。③流动电流法。•4.1.4流动电流混凝控制技术•4.1.4.1流动电流原理•流动电流是表征水中胶体杂质表面电荷特性的一项重要参数。•固液表面会形成双电层结构，有外力作用时，双电层结构受到扰动，在吸附层与扩散层之间会出现相对位移，会出现ζ电位，产生一系列的电动现象。•流动电位（流）即指在外力作用下，液体相对于固体表面流动而产生电场的现象。•4.1.4.2流动电流检测器•流动电流检测器的设计原理•4.1.4.3流动电流与混凝工艺相关性流动电流与ζ电位的相关性流动电流与混凝剂投量的相关性•流动电流与混凝效果的相关性•4.1.4.4流动电流混凝控制工艺系统组成与特点•以流动电流为控制参数的反馈控制系统特点：•①单因子控制。除流动电流参数外，不再要求测定任何其他参数，各种水质、水量、混凝剂特性等变化都反映在流动电流因子的变化上。•②小滞后系统。检测流动电流的水样取自加药混合之后、进入絮凝设备之前。从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（沉后水浊度）。流动电流设定值是通过相关关系间接反映了浊度要求，流动电流因子是一个中间控制参数。•4.1.4.5流动电流混凝控制技术对混凝剂种类的适用性•流动电流与混凝工艺的相关性。混凝剂的特性是影响适用性的主要因素。•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，该技术是不适用的。4.1.4.6应用实例（p221）4.1.5透光率脉动混凝投药控制技术•4.1.5.1透光率脉动检测原理•透光率脉动检测器是一种在线光学检测装置。该仪器用透过流动悬浮液的透过光强度的波动状态计算出絮凝体粒径变化，灵敏度高、响应迅速。•无论使用何种混凝剂靠何种机理发生混凝，絮凝体粒径的相对大小只要有所改变，该检测器都可以准确、灵敏地连续响应。•其采用比值算法，排除了沾污和电子漂移对检测精度的影响，使仪器可以免维护。（1）透光脉动理论1）浓度的脉动!/)exp()(nvvnPn体积内的平均颗粒数为v，则在该体积内测到n个颗粒的概率2）脉动的检测取样体积越大，脉动万分越小，越不容易检测。DCVRr/通过如下的装置可以使检测在实际中得以实施。在一个流过悬浮液的管形器皿两侧，分别放置光源和光接收器，如图4．11所示，使光源的光线透射过悬浮液，照射到接收器上。如光路在悬浮液中的长度为L，光束的有效截面积为A，则检测到的水样体积为AL，光束内平均颗粒数为：v＝NAL(4．16)式中N——单位体积中的颗粒数光电检测器的输出信号由直流DC与非常小的脉动AC(Vr)组成。分离出的脉动信号Vr与DC的比值R是透光脉动检测的输出值。作为相对量可排除检测室沾污或电子漂移等因素的影响，是一项重要的特征参数。（2）絮凝检测仪基本组成和构造•絮凝检测仪有几种形式，一般的基本组成主要有两个部分：传感器和信号处理器。其中传感器主要由光源、光电接收器和取样管等组成；信号处理器主要由信号处理电路、信号显示和输出组成。（3）检测值R与水中絮粒粒径的相关性•4.1.5.2透光率脉动混凝投药控制技术在高浊度水处理中应用•(1)高浊度水的混凝特性•一般浊度水：絮凝体形成过程较慢，滞后时间长。•高浊度水：絮凝过程迅速，只需数秒或数十秒时间即可完成。•透光脉动絮凝检测装置检测絮凝情况并控制投药量，可做为高浊度水絮凝控制方法。•(2)确定高浊度水絮凝剂投加量的方法•泥沙颗粒比表面积法•数学模型法1）絮凝剂投加量和透光脉动值的关系(3)高浊度水絮凝过程与透光脉动值的相关性•2）浑液面沉速与透光脉动值的关系•3）出水余浊和透光脉动值的关系•(4)高浊水透光脉动投药控制系统•工作过程P231•控制方式自动控制、手动控制•4.1.6絮体影像混凝投药控制技术•絮体影像混凝投药控制技术：絮体大小、形状可反映在絮体图像上，分析絮体图像可得到与沉淀水浊度相关性，来控制混凝剂投加量。•4.1.6.1视觉检测技术•(1)常用检测系统的构成如上图所示。•(2)絮体分割完备分割•(3)絮凝图像噪声的去除图像处理技术•4.1.6.2絮体沉降参数的确定•絮体强度、等效直径、等效密度、沉降速度•4.1.6.3絮凝剂投加量控制•以沉降速度方程计算所得实时值与设定最佳值之差，通过PID递推运算为絮凝剂投加量。•4.1.6.4控制系统的硬件与软件•4.1.7混凝投药智能复合控制技术•加药过程控制最终目标：对原水水质、水量参数分析，在线改变投药量，使出水满足各项水质指标。•通过不同控制方法或控制算法，建立起原水参数与投药量之间关系。•絮凝过程是一个复杂的物理、化学过程，其有多方面的复杂性，目前很难通过对其化学反应机理研究，准确建立过程数学模型。•人工智能逻辑推理、启发式知识、专家系统等可有效解决难以建立精确数学模型的控制问题。•应用于非线性混凝投药控制系统的动态建模和辨识可不受非线性模型类型限制。•在原有单因子流动电流混凝投药控制系统基础上，采用人工智能方法，发展并应用了新型混凝投药智能复合控制技术，如图4.22所示。4.2沉淀池运行控制技术•4.2.1技术概况与分类•沉淀池运行控制：沉淀池排泥的控制。•排泥周期过短或者排泥历时过长，会造成浪费(排泥水耗量加大)。•基本内容：根据池内积泥量，决定排泥周期、排泥历时等。•技术关键：确定池内积泥量及合理排泥历时。•积泥量可用污泥界面(积泥积聚程度)计测量、或按进出水浊度计算确定(建立数学模型)、或按经验确定。•按监控方法，沉淀池排泥控制技术分为下面几种。•(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。•(2)按沉淀池进水浊度、出水浊度，建立积泥量数学模型。•(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。•上面几种方法可以单独使用，也可以组合起来使用。4.3滤池控制技术•4.3.1滤池控制基本内容与基本方式•滤池自动控制：过滤、反冲洗，以反冲洗为主。•技术方面，主要有水力控制与机电控制两类。•滤池反冲洗控制有多种方式。控制方案要解决如何判断反冲洗开始和反冲洗结束。•反冲洗判断方式：•滤后水浊度监控。连续检测滤池出水的浊度，当滤后水浊度达到设定值时开始反冲洗。•滤池水头损失监控。连续检测滤池的水头损失，当水头损失达到设定值时开始反冲洗。•定时控制。根据经验设定滤池工作周期，当达到周期规定的时间后开始反冲洗。•反冲洗结束判断方式：•反冲洗水浊度监控。连续检测滤池反洗水浊度，浊度降到设定值时结束反洗，使滤池投入过滤。•定时控制。按经验设定滤池反冲洗历时，当达到规定的反洗时间后结束反洗，滤池投入过滤。•交叉组合应用，几种方式共同应用。•人工指令强制反冲洗。•反冲洗方式：各滤池连续顺序进行；各滤池分别按各自条件控制、独立进行。•不允许多座滤池同时反冲洗，在控制系统上应当采取相应措施。•4.3.2虹吸滤池的运行控制实例（自学）•4.3.3V型滤池监控系统（自学）4.4氯气自动投加与控制技术•加氯是确保水质不可缺少重要环节。•氯气投加：前加氯（不建议采用），后加氯。•前加氯：在原水管路上投加；•目的：杀死原水中微生物或氧化分解有机物；•后加氯：在滤后水管路上投加；•目的：消毒杀灭微生物。•为提高加氯系统安全可靠性，提高水质的余氯合格率，应采用先进的氯投加设备与控制技术。•4.4.1氯投加系统与设备（※）•在水处理过程中，用液态氯作为消毒剂。•氯气投加方式：正压投加和真空投加。•正压投加：投加管线都处于正压状态，一旦发生故障或者管线破裂，容易出现氯气泄漏事故，安全可靠性低、设备维护量大。•真空投加：投加管线都处于真空状态，即使管道出现破裂，也不会出现泄氯现象，具有很好的安全可靠性。(负压)•常规氯气投加主要依靠经验，精度不高，难以保证水质标准和余氯合格率。•加氯系统见图4.33。真空加氯机加氯系统由气液分离器、真空调节器、加氯机、取样泵、余氯分析仪、水射器、漏氯检测仪等组成。•(1)真空加氯机•主要是对氯气投加流量大小进行调节和控制，氯气流量调节一般采用差动调节方式，容易实现，可以进行非常准确的控制。•(2)真空调节器•是一种由弹簧驱动装置。其内部的真空节流阀调节进气阀，将氯气转换到负压，被安全输送到投加点，减少供气管路中氯气液化可能性。•(3)自动切换装置•由一个控制器、两个隔膜压力切换开关及两个电动球阀组成，对气源进行自动切换，保持气源连续供给，确保加氯机连续运行。•(4)水射器•水射器用于为真空加氯机形成高真空，它们通过ABS工程塑料管和止回阀与加氯机相接。•(5)余