崔福義　李圭白
哈爾濱工業(yè)大學

　　在水處理單元環(huán)節(jié)的自動控制方面，混凝投藥是最困難的環(huán)節(jié)，因為它涉及的是一個復雜的物理化學過程，但由于混凝在水處理工藝中的重要地位，混凝投藥也是最為人們關注的環(huán)節(jié)。幾十年來，我國在混凝投藥控制技術方面，經歷了從無到有的發(fā)展歷程，本文將對此進行回顧。

　　一、傳統(tǒng)的人工投藥控制技術

　　幾十年來，我國的混凝投藥控制技術十分落后，在相當長的一段時期內基本上采用原始的人工控制方式。傳統(tǒng)的投藥及控制方式有：
　　1、 按藥劑投加形態(tài)分為干投與濕投。干投是用干投機將固體藥劑直接投入水中或投入溶解容器內，再投入水中，其計量與控制都是比較困難的，調節(jié)性能較差。濕投又可以分為重力式和壓力式兩種形式。
　　2、 重力式投藥。藥液自高架溶液池中流出，經過恒液位水箱依靠重力作用投入水中。較早的一種投藥控制調節(jié)方式是苗嘴調節(jié)。根據對投藥量的要求，更換恒液位水箱出口苗嘴的規(guī)格，由水力學可知流出流量會發(fā)生改變。這是一種不能太頻繁的間歇式調節(jié)方式，在90年代初期仍有個別水廠應用。另一種常見的調節(jié)方式是對投藥管路上的閥門進行調節(jié)，觀察轉子流量計的指示，改變投藥量。
　　3、 壓力式投加。傳統(tǒng)上最常見的方式是采用離心式投藥泵，將藥液送入水中。調節(jié)方法是對投藥管路的閥門調節(jié)、轉子流量計指示。后來在80年代后期，開始出現了計量泵投藥的應用。
　　無論上述何種投加與調節(jié)方式，都涉及一個重要的問題：如何決定當前投藥量應該是多少。傳統(tǒng)上采用的方法有：
　　1、 經驗法。操作人員根據工作經驗、或者觀察絮凝池礬花生成情況，決定投藥量。
　　2、 有的水廠根據試驗或生產統(tǒng)計經驗，制成濁度-礬耗對照表，作為決定投藥量的依據。事實上，這是以原水濁度為控制參數的一種控制方法。
　　3、 燒杯試驗法。在70-80年代以后，越來越多的水廠采用燒杯試驗作為確定投藥量的參考方法。燒杯試驗每天或每周進行一次。由于間隔時間長，而且許多水廠燒杯試驗結果與水廠實際有一定的出入，因此多數水廠只是將燒杯試驗結果作為參考。這里存在的一個問題是，燒杯試驗條件不應是千篇一律的，每個水廠應該研究與該廠水處理工藝有相似性的特定燒杯試驗條件。
　　上述各種方法都屬于人工控制方法，都難以追隨水質水量等因素的變化，對投藥量進行及時準確的調節(jié)。投藥的準確性不僅取決于操作人員的技術與經驗，而且和操作人員的責任心有很大關系，工人的勞動強度也較大。由于投藥控制技術落后，嚴重影響了水處理的質量，也造成藥劑的較大浪費。

　　二、混凝投藥控制技術的活躍研究

　　長期以來，許多研究者對混凝投藥控制技術進行了廣泛的研究，嘗試了多種方法，較為典型的包括下述幾種。
　　1、數學模型法
　　一些研究者希望建立一個描述投藥量的數學模型，作為投藥控制的依據。1964年，蘇州胥江水廠就建立了我國最早的投藥量模型，其中包括原水濁度、溫度、耗氧量等幾個參數。后來，重慶高家花園水廠（1981年）等也陸續(xù)建立了投藥量模型，但是都一直未能實用。其中一個重要原因是受當時的自動化儀表水平限制，很少有幾個水質參數能實現可靠的在線連續(xù)檢測，更何況還涉及耗氧量等參數，至今未能解決在線檢測問題。
　　進入80年代，在線檢測儀表與控制技術發(fā)展較快，特別是計算機技術的進步為自動控制提供了關鍵性手段，數學模型法混凝控制也有了實現的可能。蘭州第一水廠于1983年在高濁度水的投藥控制上首先建立了數學模型，主要根據高濁度水的泥沙濃度，用計算機控制混凝劑的自動投加，取得了成效^[1]。此后，有研究者對高濁度水投藥控制數學模型進行了更深入的研究，提出了精度較高的比表面積模型，但未見應用報導^[2]。
　　早期的數學模型是前饋模型，難以實用。80年代后期，哈爾濱市第三水廠和上海石化水廠分別建立了前饋-反饋投藥量數學模型，利用前饋水質模型粗調、以沉淀水濁度反饋微調修正的方式，用計算機自動控制投藥，取得了一定的效果^[3、4]。
　　數學模型法未能獲得推廣，其原因包括：混凝的影響因素眾多，準確建模困難；建立數學模型，需要長期大量的準確數據統(tǒng)計；涉及儀器儀表多，投資大，維護要求高；模型靈活性差，難以適應混凝劑品種改變、控制目標調整等變化。
　　2、模擬濾池（沉淀池）法
　　這是研究較多的另一種方法。利用一個小的模型濾池或沉淀池，使水處理生產系統(tǒng)中得到初步絮凝的水流過該模型，計算機控制系統(tǒng)以該模型的出水濁度來評價投藥量是否合理，并作為調節(jié)投藥量的依據。1984年，無錫中橋水廠報導了這種技術的試驗研究^[5]，有一些水廠將之作為控制投藥量的輔助手段。
　　這種方法的控制過程有10-20min的時間滯后（水樣流經模型的時間），在原水水質變化急劇的水廠不能適用。方法的準確性也較差，因為其依據是模型與原型（生產系統(tǒng)）的相似性，然而保證其相似是困難的。例如在原水濁度較高時，僅以一個小濾池模擬水處理全系統(tǒng)工況是不全面的。這些不足也限制了該方法的普遍應用。
　　3、膠體電荷法
　　由混凝理論知道，常規(guī)混凝過程就是水中膠體雜質電荷特性改變的過程，通過測定膠體電荷來控制投藥量是混凝控制的根本性方法。最初，曾有研究試圖用控制ζ電位實現混凝控制，后來又有膠體滴定等研究，但都由于不能實現在線檢測而無法成為混凝自動控制技術。
　　此外，還有一些采用各種技術的嘗試。如沙市水廠在1978年試用了按電導率差值控制投藥的技術^[6]。
　　在80年代后期，由于混凝控制技術沒能取得突破，一些引進技術設備、具有較高自動化程度的水廠，在混凝環(huán)節(jié)仍采用了按流量比例控制等簡易的控制技術，不能隨水質變化對投藥量進行自動調節(jié)，成為水廠控制技術的“瓶頸”。

　　三、投藥控制技術的突破與發(fā)展

　　80年代，國際上出現了流動電流投藥控制技術，其關鍵是通過測量流動電流，實現了對水中膠體電荷的在線連續(xù)檢測。
　　1989年，流動電流投藥自動控制技術被首次介紹到了國內^[7]，隨后國內對該項技術開展了全方位、系統(tǒng)化的研究，包括了基礎理論、檢測技術、工藝技術、設備開發(fā)、產業(yè)化應用等各個方面，解決了檢測器制造等一系列技術難點，并采用微電腦控制器進行控制，開發(fā)出適合中國國情特點的流動電流混凝投藥自動控制系統(tǒng)。1991年，國內首套引進流動電流檢測設備建立的投藥控制系統(tǒng)投入使用^[8]。由于當時引進的檢測器屬初級產品，控制部分是286普通微機也不適應連續(xù)運行，因此這套設備運行幾年后已被新型產品替換。但首次應用所取得的開創(chuàng)性成果，為后續(xù)研究奠定了基礎。1992年，首套國產流動電流混凝控制系統(tǒng)在牡丹江應用成功^[9]。與流動電流技術相配合，還將變頻調速技術應用于包括計量泵和離心泵在內的投藥泵的調節(jié)。在應用中，流動電流技術得到了不斷的改進，發(fā)展出了流動電流-濁度串級反饋控制系統(tǒng)、流量-流動電流前饋-反饋控制系統(tǒng)等^[10]。
　　流動電流技術在我國許多水廠獲得了較普遍的應用，已被列入我國“城市供水行業(yè)2000年技術進步發(fā)展規(guī)劃”，成為水處理混凝控制的主導技術之一^[11]。
　　流動電流技術是基于電荷的控制技術，不適合一些特殊水質情況，例如黃河高濁度水和某些污染較嚴重的水質。絮凝脈動檢測技術成功地解決了這一問題。該技術測量水中雜質絮凝過程中尺寸的相對變化，檢測過程不受水中雜質玷污的影響。我國將國外尚處于實驗室研究階段的該項技術進行了應用開發(fā)，并于1992年首次成功地應用于黃河高濁度水的投藥控制^[12]。
　　流動電流和絮凝脈動檢測技術的應用成功，解決了從常規(guī)濁度水到高濁度水的全濁度系列、從較清潔水到污染嚴重水的全水質的投藥控制問題，開創(chuàng)了混凝投藥控制的新局面。
　　與投藥控制技術的發(fā)展相對應，自80年代后期起，投藥設備的發(fā)展也較快，計量投藥泵得到了較多的應用，而且較為普遍地采用變頻調速技術對計量泵的工況進行調節(jié)。這一設施上的進步，也為混凝投藥自動控制技術的應用創(chuàng)造了基礎條件。

　　四、展望

技術進步是無止境的。同任何技術一樣，混凝投藥控制技術也在不斷地進步。近年來，流動電流和絮凝脈動檢測技術在日臻完善，已經形成了系列化產品。最近，又有應用水下攝影和計算機處理技術進行投藥控制的研究報導^[13]。隨著水質在線檢測儀表的發(fā)展、完善與普及，水廠自動化系統(tǒng)的進步，新一代數學模型、模糊控制等方式也將出現。可以預計，水處理投藥控制技術將出現更加豐富、完善的局面，這將促進水處理系統(tǒng)自動化、現代化水平的提高，為生產安全飲用水提供可靠的技術保證。

　　參考文獻
　　1、蘭州市自來水公司、洛陽有色金屬加工設計研究院，“電子計算機自動控制100米直徑輻射式沉淀池凈化工藝”，城鎮(zhèn)供水，N.4，1986年；
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　　3、王大志、柳秉潔，“混凝劑投加量數學模型”，中國給水排水，V.4，N.4，1988年；
　　4、鐘淳昌等，“數學模型加礬自動化技術”，中國給水排水，V54，N.5，1989年；
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　　7、崔福義，“混凝劑投加的優(yōu)化自動控制——檢測器法的試驗研究”，給水排水，N.3，1989年；
　　8、崔福義、洪覺民、李圭白、陳保華，“流動電流單因子凝聚投藥自動控制生產性試驗研究”，給水排水，N.5，1991年；
　　9、崔福義、曲久輝、李虹、李圭白，“國產流動電流投藥控制系統(tǒng)的基本性能與應用評價”，給水排水，N.8，1994年；
　　10、 崔福義、李圭白著，《流動電流及其在混凝控制中的應用》，黑龍江科技出版社，1995年；
　　11、 汪光燾主編，《城市供水行業(yè)2000年技術進步發(fā)展規(guī)劃》，中國建筑工業(yè)出版社，1993年；
　　12、 于水利、李圭白、孫景浩，“高濁度水絮凝投藥自控系統(tǒng)生產試驗”，中國給水排水，V.12，N.1，1996年；
　　13、 楊凱人，“顯示式絮凝控制系統(tǒng)（FCD）在水廠的應用”，中國給水排水，V.16，N.3，2000年。