-时 间： 2011/10/24 11:02:52
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（作者单位：上海水王测控科技有限公司）
摘要：文中介绍了水处理工艺中常用的9种自动加药系统及其控制原理，重点介绍了污水处理中污泥调理用流量比例自动加药系统、污泥浓度计复合控制自动加药系统和游动电流仪复合控制自动加药系统的控制原理、方法及优缺点
关键词：自动加药系统，复合控制，游动电流仪，流量比例，最佳混凝效果最佳投加药量
一、概述
水处理工程的大部分工艺是根据原水性质及处理对象投放各种药剂或菌类，经过化学、生化反应或物理（机械）作用去除有害物质，使出水质量达到国家相关标准或满足工艺要求。因此，自动加药系统是水处理工程专用控制系统中最基本的组成环节，其中尤以酸碱中和过程pH控制、曝气过程溶解氧（DO）控制、电导率（μs/ms）控制、絮凝剂投入量控制、余氯控制以及锅炉或冷却循环水添加阻垢—缓蚀剂智能控制等最具典型意义。
一个性能优异的自动化系统决不是检测仪表与自动化工具的简单组合，而必须深谙工艺机理，掌握过程静、动态特性，方能缜合出简单可靠、高性能、低成本的自动化测控系统。目前大量在用的水处理工程自动化系统，多采用可编程控制器（PLC），很多操作属于开关（on-off）控制，很少研究分析工艺过程的静态特性和动态特性，因此，研究水处理典型工艺过程的测控装置，有针对性地提高治理设施的效率，节省运行费用，是环保测控技术装备产业中极具发展前景的新型产品。
目前水处理加药装置及其自控装置专用测控系统分为两大类：
第一类 根据不同的工艺流程特点选用下列常用控制模式的组合：
调频控制 控制器输出脉冲频率与偏差成正比，常用于脉冲式计量泵的控制；
脉宽调制 控制器输出脉冲宽度与偏差成正比，常用于电磁阀或泵类的控制；
反馈控制 常规PID控制，执行机构多为调节阀、变频调速器以及由4—20mA外接信号控制的计量泵等；
扰动调节 （或前馈控制）通常将前馈和反馈回路叠加构成复合控制系统，以期获得较高的动态品质。
其二，设计非标系统：
拟人控制 模仿人工操作的思维方式，根据测量值与设定值之间的偏差及系统的动、静态特性设计控制规律，可以避免常规控制导致的超调现象。适用于纯滞后过长的工艺对象。
增量试探法寻优控制 适用于添加药剂昂贵、排放指标允许在小范围内波动的水处理工程，可望使工艺过程运行在经济技术指标最佳点附近。
二、水处理工艺常用自动加药系统
1、流量比例自动加药系统
流量比例自动加药系统是针对国内水处理工艺设备急需的配套技术而研发的简单实用、性能稳定的低成本自动加药系统，目前已大量用于水处理工程中。
该系统可根据被处理水量的大小按一定比例自动投加药剂，是水处理工艺过程最基本的操作，絮凝过程采用流量比例式自动加药系统可以获得恰到好处的药剂投加量，以保障絮凝过程运行在经济技术指标比较合理的工况。
流量比例自动加药系统由以下仪器设备组成：流量传感器或流量信号发生器、比例自动控制器和执行机构。流量信号发生器的输出信号经比例自动控制器处理后，按照选定的控制模式及设定数值操作执行机构（计量泵或电磁阀），使得药剂的投料量与被处理水量相适应。根据工程项目的具体要求选择不同类型的仪器设备：对于总体水平要求较高的工程项目，流量测量选用过程仪表中的流量变送器和控制器（必要时配置记录仪表），执行机构选用进口计量泵；对于小型污水处理装置则选用廉价的流量信号发生器和简易型比例控制器，执行机构选用电磁阀，构成特殊设计的低成本自动加药系统。
当需要水质参数直接参与控制时，可以构成以单项水质为目标的复合控制系统。例如，余氯控制系统即属于此类控制系统。
但该系统有如下不足：1）不能适应水质性质和环境因素的变化（如污泥固体含量、PH值、环境温度等）；2）对加药装置本体要求较高（如配药浓度、计量泵精度等）3）不能适应两种药品同时投加。
该系统强调的是加药条件，需要通过严格控制加药条件来达到加药效果。
2、酸碱中和过程pH控制系统
根据S.I.（饱和指数）来了解水质的腐蚀性倾向，再以酸或碱来控制偏向于微酸性或微碱性，并配合药品的特性、浓缩倍数，达到水质稳定的控制。早期因药品对PH反应较为敏感，PH控制不稳定或PH起伏过大，将使药品的效果打折扣。一般使用PH自动控制装置于冷却循环系统时，均以上下限为控制方法，或使用手动方式来添加。设计PH控制器有一组以上的PH感应棒，并以直接比例式及上下限控制警示，根据所设定PH值比例控制酸碱添加量。
3、锅炉给水、冷却塔循环水电导率控制自动加药系统
（1）普及型锅炉给水、冷却塔循环水自动加药系统
（2）阻垢-缓蚀剂自动投加智能控制系统
控制原理：以循环水体中含有的适量药剂浓度为控制目标，由专用分析仪实时测试，输出信号（4—20mA）直接接入主控机，按照测量值与设定值的偏差改变脉冲计量泵的动作频率；水池内药剂浓度以电导率为间接观测参数，最适宜值为补充水电导率的浓缩倍数（M），通过控制排污量和补充水来保持；超声波液位计用以保持水池水量在要求的范围内。腐蚀程度测试仪用来观测、估计管路内壁锈蚀程度，浊度传感器用以监测循环水中由其他干扰因素引起SS增加，以便及时采取措施。
测控参数的各个数据可经企业内部局域网或公共通讯网（电话线）随时传输至远端监控中心的上位机。
4、氧化还原值（ORP）控制自动加药系统
该系统用来在冷却循环水系统、废水处理、加氯-除氯等工艺流程中控制氧化还原电位。
5、余氯自动控制系统
某水处理工程施加的药剂为次氯酸钠，要求出水余氯含量≯0.1mg/m3。控制系统设计意图体现为：投加次氯酸钠的脉冲计量泵的动作频率受来自两个方向的控制：一是根据原水流量进行比例控制。当原水流量变化时，流量变送器（或流量信号发生器）随即响应，控制器按照设定的加药比例自动改变脉冲频率，使得加药量始终跟踪原水流量的变化，从而保持余氯含量达标；二是根据在线式余氯分析仪实时监测的数值进行的反馈控制。当原水的水质超出设计范围或出现不可预计干扰因素时，加药量与原水流量之间的比例关系已不复存在，须由余氯分析仪的输出信号实时修正脉冲计量泵的动作频率，最终仍能保持水体中的残留氯浓度不超过允许范围。
6、二氧化氯发生器自动加药系统
给水系统、冷却水系统的环境温度、湿度是最适合微生物或藻类的生长，若没有适当的控制则会增加腐蚀率，堵塞管道。
二氧化氯发生器自动加药系统控制装置，是直接检测氧化还原电位差及PH值，再根据所设定残余量，计算实际的二氧化氯添加量。控制方法为直接比例式调整添加量，无论是连续添加或断续添加均可控制残余量在±0.1ppm，并且有多项保护及警示功能。
7、增量试探法寻优加药系统
这是一种能克服水处理工艺过程非线性和纯滞后对水质控制指标影响的寻优控制系统，该系统可预测被控水质参数的变化趋势，避免运行点越过设定值（极值点或拐点）走向反面，从而保证了工艺过程运行在期望值附近。
8、污泥浓度计复合控制自动加药系统
大量的试验表明：每一个污泥浓度化学调节都有一个最佳投药量，在这个投药量下，所对应的污泥泥饼的含水率最低，即污泥的脱水率最高，污泥脱水性能最好，化学调节（絮凝）的效果最好。不同的污泥浓度对应的最佳加药量不同，在低浓度范围内（固体含量大约<4%），污泥浓度的变化对最佳加药量的影响尤为显著，而这个浓度范围也正是绝大多数污水处理中的实际污泥浓度变化范围。目前，一般的污泥脱水系统中加药量的计算基本上是由实验用药量加上一定的保险系数来确定一个固定的加药量，这个加药量一般都能保证在脱水过程中基本不跑泥，但这样实际上浪费了不必要的絮凝剂，此外，在超过实际需要的药量较多时，还会对滤饼从滤带上剥离造成一定的困难。经过深入的试验研究得出最佳加药量与污泥浓度和污泥流量存在着一定的关系，这也就是控制系统的数学模型。控制系统的流程如下：电磁流量计检测污泥流量并通过4-20mA电流信号传送给加药控制器，污泥浓度计检测污泥浓度也通过4-20mA电流信号传送给加药控制器，加药控制器根据设定控制模型计算出加药流量以4-20mA电流信号传送给变频调速器控制加药定量泵的转速来调节加药量到最佳值。但不同种类的污泥化学性能不同，其化学调节所需的加药量可能不同，所以，对于不同的应用工程，还需要根据工艺性能调整加药控制器的设定以控制最佳加药量。
实验和工程调试和运转的数据表明，采用污泥浓度计复合控制自动加药系统可以节约加药量约15%。
9、游动电流仪复合控制自动加药系统
城市污水处理中的污泥调理的药剂消耗量与污泥性质、消化程度、固体浓度、环境温度等因素有很大的关系，不同性质的污泥和采用不同的脱水方法以及采用不同的调理药剂品种等与所需调理药剂的用量有很大差异，目前国内外确定污泥调理剂种类及投加量，多数是在现场或通过实验室直接试验确定的，但不能适应污泥性质及环境因素的变化，往往是采用增量试探法寻优加药的加药方法。但混凝过程要求药品投加量尽可能的恰到好处，过多或过少对混凝效果均为不利。并且污泥处理的运行费用主要集中在药剂耗量上（占90%以上费用），因此，正确选用药品种类、精确确定药品的投加量来达到最佳的调理效果和经济的处理费用就显得非常重要。
从过程控制的观点出发，要求由直接检测絮凝效果的传感器及相应的仪表构成闭环控制系统，目前主要应用游动电流仪完成检测任务，其输出控制信号与流量比例投料系统组成复合控制系统。系统的副环为水流量变送器或流量计的输出信号经调节单元按照设定的比例自动控制絮凝剂的投料量，流动电流输出控制信号作为流量调节单元的外设定值，抑或改变加料泵的冲程。
目前工程中应用游动电流仪污泥加药自动控制装置通过下种方式进行自动控制：通过流动电流仪确定一个流动电流值作为设定值，控制系统根据测出的流动电流与设定的流动电流范围值作为控制参数来控制调理药剂的投加量或不同药剂最佳比例组合来取得最佳的混凝效果，并且通过在线流动电流仪发出的4～20mA信号反馈给加药泵来控制投药量（并可配备记录仪，记录当天的加药量）。
确定的流动电流设定值是通过试验得出的最佳值，最佳投药量的确定及系统地对流动电流仪进行技术调试，采用逐步趋近法，找出最小投加量时最佳混凝效果。方法是通过人工控制计量泵的投加量，记录相应的参数，给出曲线，找出最佳投加量时的测量值作为设定值I，然后再通过人工控制调节和记录，计算出自动反馈周期，将以上确定的参数输入流动电流的软件程序，启动自动控制程序，使投加系统进入自动控制状态。通过流动电流仪表观最佳混凝效果，使药品投加量真正达到恰到好处。
游动电流仪自动控制装置可适应污泥的特性、药品品种及环境因素等变化，并且还可以实现两种药品（有机药品和无机药品）配套投加，使污泥调理达到最佳的效果和经济的处理费用，节省处理费用20～40%以上。
游动电流仪自动控制装置已广泛用于给水厂的加药混凝沉淀、城市污水处理中的污泥调理和废水处理汽浮装置中的混凝沉淀的自动控制及其他需加药混凝的场合。