崔福義　　　李圭白

　　摘　要：本文對近10年來我國流動電流技術在水處理混凝投藥控制領域的研究與應用情況進行了簡要的回顧，并就應用中的一些技術要點進行了概括與總結。
　　關鍵詞：流動電流；混凝；控制

<>1. 概述

　　流動電流是膠體的電動現象之一，是指在機械力作用下，膠體雙電層中擴散層的反電荷離子定向遷移而產生電場的現象。流動電流可以描述水中膠體雜質的荷電特征，作為表征膠體穩定性的指標，因此將之應用于以電中和脫穩凝聚為主的水處理混凝過程控制是可能的。一系列的研究證實，投藥混凝后水中膠體的流動電流值確實與混凝劑投量以及經混凝沉淀處理后水的濁度相關^[1]，這為以流動電流為參數進行混凝控制提供了直接的依據。
　　國外在60年代中期制成了在線式流動電流檢測器，隨后經過一系列改進，于80年代初開始在水處理混凝控制領域實現生產應用。
　　我國自1989年發表第一篇有關論文起^[2]，對流動電流混凝控制技術的研究與應用也有近10年的歷史了。近10年來，我國在流動電流的基本理論、工藝技術研究、專用設備國產化開發、應用推廣等方面，都取得了十分顯著的進展，特別是在應用技術方面取得了豐碩的成果，使得該項技術的應用日益廣泛而普及。流動電流技術已被列入我國“城市供水行業2000年技術進步發展規劃”^[3]，成為水處理混凝控制的主導技術之一。
　　本文擬就我國近10年來在此領域的主要進展進行簡要回顧與總結。

2.基本發展歷程

2.1 起步階段——引進設備的首次應用
　　1989年，崔福義發表了國內第一篇流動電流用于水處理混凝控制方面的研究論文，介紹了他在國外進行的有關中試研究情況，從而開始了我國的流動電流投藥混凝控制技術研究。
　　最初的應用研究由哈爾濱建筑工程學院(哈爾濱建筑大學前身)分別同杭州自來水公司、大慶供水公司合作進行。流動電流檢測器由美國進口，控制部分以80286長城微機為主構成，采用流動電流單參數簡單反饋控制系統，基本上沿用了國外的控制方案(圖1)。控制模式為周期控制。經過近2年的研究與調試，這兩項應用成果于1991年先后通過技術鑒定，流動電流混凝控制技術在我國首次應用成功，我國成為應用該技術的第6個國家^[4-5]。

　　由于當時引進的檢測器屬初級產品，控制部分的普通微機連續運行也存在一些問題，因此這兩套設備運行幾年后已逐步被新型產品更換。但首次應用所取得的開創性成果，為后續研究奠定了基礎，意義是很大的。
2.2 國產設備的開發研制
　　在研究中越來越深地感受到，流動電流檢測器是該技術的核心設備，單純依賴進口問題較多，包括引進的設備在性能方面不能完全適應中國的水質、處理工藝特點；在維修、技術服務方面難以配套；價格較高等。這些因素都在一定程度上制約了流動電流技術的應用推廣。因此在引進設備進行生產應用研究的同時，國產設備的開發研制也列入了工作日程。哈爾濱建筑工程學院的研究人員經過3年的努力，終于解決了一系列難題，于1992年研制成功了國產第一臺流動電流檢測器，并在牡丹江四水廠試用成功^[6]，取得良好的效果，我國由此成為國際上制造該種儀器的第三個國家。
　　此外，在配套儀器設備的研制方面也取得了重要進展。研制成功了專用的測控儀，采用PID算法進行調節控制，調控效果好，儀器穩定可靠；研制成功了專用的變頻調速設備，可以根據控制系統的指令，調節投藥泵的轉速，改變投藥量。至此，全部國產化的混凝投藥控制系統已經配套形成，達到了國際上的先進水平。
2.3 設備的改進與發展
　　在應用中，對儀器的設計、加工也在不斷的改進完善，迄今已形成了流動電流混凝投藥控制設備產品系列，不僅可以進行簡單的生產過程監測（SC-2000型）或單參數的簡單控制(SC-3000型)，也可以適應某些水廠的特殊需要，增加濁度反饋部分，進行雙參數的復合控制，使系統的工作更加可靠(SC-4000型)^[7]。SC-4000型流動電流控制系統在國際上是一個首創，其控制系統見圖2。首臺SC-4000型控制系統已于1994年在沈陽第八水廠試用成功，隨后又在武漢、黃石、荊沙、昆明、成都等地獲得成功應用。
2.4 基礎理論研究及工藝技術體系的形成
　　與生產應用、設備開發同步，流動電流及其在混凝控制中應用的基本工藝理論和工藝技術研究也在持續地進行。這些研究為應用研究提供理論依據，并不斷解決應用研究中提出的新問題。這些研究包括：流動電流基本理論研究，流動電流檢測技術研究，流動電流與混凝過程的相關性及相關規律研究，流動電流混凝控制工藝研究，流動電流技術的適用性研究，流動電流系統的設計、配套、調試技術研究，等等。這些研究取得了一系列的成果，為大規模生產應用進行了技術準備。科研與生產相結合，逐漸形成了有中國特色的流動電流混凝控制工藝技術體系^[1]。

2.5 大規模推廣應用
　　隨著國產設備的開發成功與不斷完善、流動電流投藥混凝控制工藝技術的日臻成熟，自1994年起，流動電流技術逐漸在國內水廠進入大規模的應用階段。迄今已有愈百臺國產設備在全國各地水廠應用，其范圍覆蓋了全國大部分省市自治區。同時，還有一些水廠從國外進口了相當數量的同類設備。對于這樣一種國內許多人尚不熟悉的高新技術產品，應用中所能提供的技術支持、技術服務等十分重要。采用國產設備在這方面具有明顯的優勢。而且國產設備是專門針對我國的水源水質、水處理工藝及應用條件進行研究設計的，因此絕大多數國產設備都獲得了良好的使用效果，取得顯著的社會效益和經濟效益。
　　大規模的生產應用也在不斷豐富完善著流動電流技術體系，取得的成果不斷擴大，應用技術達到了規范化，在運行技術方面積累了豐富的經驗，在效益分析方面也取得了大量的數據。

3.對水質的適應性

　　我國地域遼闊，水源水質復雜多變。特別是有些地表水流域地區存在地表覆蓋不好、水土流失嚴重、環境污染等問題，水質狀況不好，受環境因素(如風、雨等氣候條件)影響很大，水質常有大而急劇的波動。原水水質條件較許多西方國家要惡劣得多，因而使水處理混凝投藥自動控制系統的應用具有更大的難度，對控制技術與設備的性能也提出了更高的要求。國產設備成功地迎接了挑戰，表1、2列出了在1996年對國產設備部分用戶進行的調查結果。現就幾種典型的水質條件分述如下。
3.1 水源種類
　　已應用的水源種類包括江、河、水庫、湖泊等多類地表水源。從統計結果上看，在各類水源水質中的應用都是成功的(個別特殊水質例外，后面還將提及)。
3.2 原水濁度
　　應用中涉及的原水濁度在3.0～4500度之間。其中有的水廠原水濁度不僅變幅大，而且變化快。如牡丹江四水廠，在一小時之內的濁度變幅達上千度。原水濁度高時，給應用帶來一定的困難，主要是易于對取樣、檢測系統造成堵塞、干擾等，需采取適當的預處理措施，必須加強清洗維護，并且在流動電流檢測器的構造上加以改進。實踐證明，在上述原水濁度變幅內，國產設備可以滿足使用要求。同時也注意到，在濁度變化幅度大的條件下，以SC-4000型的效果更為理想。

表1 部分國產設備用戶原水水質調查表

用戶的地理位置

用戶的水源類型

使用期間的原水水質特征值

東北、華北地區

江 水

濁度/度 11.0～4500.0

pH值

6.4～7.2

高錳酸鹽指數(最大)/mg/L

25.4

水庫水

濁度/度

4.0～1800

pH值

6.7～8.5

高錳酸鹽指數(最大)/mg/L

11.6

華東、中南、西南地區

江 水

濁度/度

5.1～2300

pH值

6.5～7.9

高錳酸鹽指數(最大)/mg/L

14.5

湖泊、水庫水

濁度/度

3.0～1700

pH值

6.5～7.5

藻類含量(最大)/個/L

1.3億

3.3 藻類
　　研究表明，在水中含有大量藻類的情況下，流動電流仍隨混凝劑量的變化有相應的響應，二者存在相關性。
　　許多南方水源水中含藻問題普遍，如深圳沙灣水廠，原水取自深圳水庫，最高濁度僅有60度，含藻量最多可達1.3億個/升。這種低濁、高藻的原水水質，給水處理及過程控制帶來非常大的困難。而自從該廠使用國產流動電流自動投藥設備后，不僅提高了水質保證率，而且可以節藥28.6%。類似的還有深圳龍崗水廠、武漢東湖水廠、昆明三水廠等，都是典型的高含藻水，應用國產流動電流設備都取得了良好效益。

表2 部分國產設備用戶設備使用情況調查表

指標

評價

優秀

良好

好

差

操作易掌握情況

16

2

取樣系統可靠性

12

6

檢測系統可靠性

14

4

控制效果

14

4

易于維護情況

11

5

2

　　　　　說明：表中的數字為相應評價的水廠數；收到回函總數為18家水廠。

3.4 有機污染物
　　有機污染物會對流動電流系統造成干擾。主要表現在：(1)有機物改變了水中膠體的表面特性，產生膠體保護現象；當有機物濃度較高時，電中和脫穩凝聚作用弱化，流動電流技術失去依據；(2)有機物對流動電流的檢測造成干擾，它可能改變檢測器探頭的表面特性，對探頭造成污染，使測定值發生偏差。對此專門進行的實驗研究證明，在水中高錳酸鹽指數不超過10～20mg/L時，隨有機物濃度的升高，雖然檢測、控制的靈敏度下降，控制設定值有所升高，但仍能進行有效控制。通常給水水源中有機污染物濃度超過上述數值的情況很少，況且對一個特定的水廠，原水中的有機物濃度一般變幅不大，因此對儀器的靈敏度加以適當調整補償，控制系統可以正常工作。實際應用也證實了這一點。
3.5 其他物質
　　應用水廠的原水pH值在6.4～8.5的范圍內，控制系統工作正常。雖然pH值的變化會對系統設定值產生影響，但對于一個特定的水源，其pH值是很少變化的，因此等于pH值事實上對控制系統工作無影響。
　　油類物質對流動電流檢測可造成干擾，主要是能沾污檢測器的探頭，妨礙正常測定、導致檢測靈敏度下降；油類物質還同有機物一樣，改變膠體雜質的混凝特性。實驗室研究表明，在含油量不超過5～20mg/L情況下，流動電流技術可以應用，對此還需在實踐中進一步進行驗證。各種表面活性劑都會對流動電流的檢測造成干擾，硫化氫的存在也對檢測有干擾。
　　應用中發現，水中干擾物質濃度不穩定造成的影響最大。如某水廠水源上游有工廠排放含油類污染物質，排放是不連續的，以夜間排污為主，其時原水中含油量上升，導致該廠流動電流控制系統夜間靈敏度下降，控制失效，白天將探頭清洗去除油污后，工作正常。
　　未發現水中的各種無機離子成分對流動電流控制系統有明顯干擾。雖然這些物質的濃度變化較大時會改變流動電流設定值，但對于特定的原水而言，一般其濃度是較為穩定的，因此不會影響控制系統工作。

4.對混凝劑的適應性

　　從流動電流混凝投藥控制的原理出發，凡屬電解質類混凝劑，如硫酸鋁、三氯化鐵、聚合鋁、聚合鐵等，其混凝過程以膠體電中和脫穩凝聚為主，該技術即是適用的。在實踐中，混凝劑多屬此類。以鋁鹽為混凝劑的水廠較多，國產設備應用的效果普遍良好。采用鐵鹽為混凝劑的水廠以河南新鄉一水廠為典型，其水源是黃河水，經水庫預沉后年最高濁度為300多度，最低10幾度，由于受造紙廠廢水污染，氨氮經常超過5mg/L。在應用中，對水樣進行一定的前處理，解決了鐵鹽中的鐵質在檢測器上沉積的問題，得到了較高的靈敏度，出廠水濁度合格率提高了近20個百分點，節藥率達到20%以上。
　　流動電流檢測器對混凝劑濃度有檢出極限。據研究，該檢出極限同水中濁度有關，還與混凝劑種類有關。在常規條件下，該檢出極限所包含的有效檢測范圍在幾個至幾百毫克/升之間(商品重量，后同)。這一范圍覆蓋了實際生產中可能的混凝劑投加量。
　　有些水廠使用的混凝劑質量不穩定，有效成分濃度或聚合度常有變化。在常規投藥控制方式下，這一現象會產生問題。但流動電流技術是以水中膠體脫穩程度為標準，而無須控制混凝劑總量或有效成分含量，這是該技術的一個重要優點。應用中還發現，有的水廠因故連續向溶液池內放水。這實際上相當于混凝劑濃度不斷降低的變濃度投藥過程，這時常規投藥是難以使混凝工況穩定的，而流動電流技術卻很好地發揮了作用，隨著混凝劑濃度的下降，控制系統不斷地增加混凝劑體積流量，從而保持流動電流檢測值的穩定，相應地沉淀后水的濁度也保持穩定。因此，也正是流動電流這一控制技術解決了上述的生產實際問題，實現了準確控制投藥。
　　近年，有些水廠應用了無機鹽與有機高分子復合混凝劑。此種混凝劑中的有機高分子添加量雖不多，但它的存在降低了流動電流檢測器的靈敏度，在此情況下不宜采用該技術。

5.對水處理工藝的適用性

5.1 對水處理工藝系統的適應性
　　型的水處理工藝由混合、反應、沉淀、過濾等環節組成。流動電流技術主要都是應用于該工藝條件下，以保證沉淀水濁度穩定于某一目標值為目的。大量的應用實例證明，流動電流技術完全適合于這種工藝條件。此外，流動電流控制技術在混合-澄清池-過濾池工藝中也得到成功應用。
　　在一些特殊水質條件下，例如處理含藻水或低濁水，有的水廠采用混凝-氣浮-過濾工藝，應用流動電流技術控制投藥，也取得了良好效果。昆明五水廠即是一例。
　　在直接過濾工藝中，目前國內尚無流動電流技術應用實例。從直接過濾原理來看，其過濾效能更加依賴于水中膠體雜質的表面荷電特性，因此改變膠體的表面特性是該處理工藝投藥混凝的基本目的。這一工藝原理恰好與流動電流混凝控制原理相符合。在實踐方面，國外的有些水廠就是在直接過濾工藝中以流動電流技術控制混凝投藥，皆獲得成功。在國內，還需對該類應用的效能進一步加以探討。
5.2 對混合設施的要求
　　通常，流動電流檢測器的取樣點設于投藥混合之后。為了保證控制的有效性，要求充分混合而時間又不應過長，宜采取快速混合形式。
5.3 對投藥設備與調節形式的要求
　　常規的投藥設備有重力式投加和水泵投加兩類。
　　重力式投加系統采用閥門調節方式，由于閥門規格、質量等問題，至今尚無成功的先例。
　　采用水泵變速調節能取得滿意的效果。對離心泵采用變頻調速調節時，需掌握好離心泵的工作條件，否則將使調節精度大為降低。采用離心泵，系統的投資較小，但控制的精度、穩定性等都不如計量泵。計量泵應是投藥的首選設備。對計量泵還可采用變頻調速與調行程的雙調節方式，但這種方式投資較大。
5.4 對水量及其水量變化的適應性
　　在國產設備的應用實踐中，應用水廠規模由幾千m³/d到上百萬m³/d不等，表明該技術對各種規模的水廠都是適用的。
　　水量的變化會反映到控制系統中，表現為流動電流值的變化。一般當流量的瞬時變化不很大時，憑流動電流單一因子就可有效地進行投藥量調節，對此已有許多應用實例。有的流量變幅達48%，仍實現了有效的控制^[1]。當然，在有條件時，在控制系統中增加流量參數應能取得更為穩定迅速的控制效果。
　　還應注意到，流量的變化即處理系統負荷的變化，即使在混凝劑單耗（相應地流動電流值）不變的情況下，有時沉淀后水的濁度也會變化，這就要求調整混凝劑單耗，也就是流動電流設定值應有相應的調整。對此單純靠增加流量檢測是不易解決的。在流量變化較大的情況下，若對出水穩定性要求較高，宜采用SC-4000型設備。。如鎮江金山水廠，水量變化最大可達50%～66.7%，采用SC-4000型設備，其沉后水濁度波動僅為1.0NTU左右，藥量調節及時，水質合格率達100%。

6.控制系統設計與運行管理中的若干問題

　　 流動電流混凝投藥控制系統能否正常工作，不僅取決于設備本身的質量，還依賴于全系統的正確設計與正確使用維護。
6.1 取樣系統的設計
　　正確取樣是進行正常控制的前提。對水樣的基本要求是：（1）對整體有良好的代表性。取樣前，混凝劑與原水已經充分混合；取樣口應位于水流橫斷面的合理位置上。（2）不應含有對測定造成干擾的物質，如大量粗大的泥沙、漂浮性雜質、氣體等；不應形成大的絮凝體。（3）水樣流量應穩定，不中斷。相應地，在取樣系統的設計上，應注意：（1）取樣位置適當，取樣口形狀設計合理。（2）盡量減少取樣系統的時間滯后，取樣管路不應太長，管徑不應過大。（3）防止取樣系統堵塞。（4）對水樣預處理。（5）盡量用重力式自流取樣，只在確有必要時才采用取樣泵。（6）取樣系統應有沖洗裝置。
　　遵循上述原則，就可保證取樣系統正常工作，這已在大量的應用實踐中得到證明。
6.2 水樣的預處理
　　水樣預處理裝置應能去除測定干擾物質，并能連續工作，保證檢測器不中斷工作。一般要求有除沙、排氣、攔截漂浮物等功能。良好的預處理裝置可以對檢測器起到保護作用，延長其使用壽命、減少維護工作。哈爾濱建筑大學開發研制的預處理裝置已定型化，使用效果良好。
6.3 控制系統設計、安裝與調試
　　流動電流混凝控制系統的設計、安裝與調試是應用技術中最主要的內容之一，是穩定正常運行的基礎。系統的設計應統籌考慮，既要保證系統的可靠性、靈敏性，又要照顧到維護、管理的方便性，各水廠的實際情況不同，其設計形式也各有千秋。控制系統能否及時跟蹤水質、水量等因素的變化、保證水處理工況穩定，在很大程度上取決于工作參數是否合適。有些用戶發現流動電流測量值不穩定、控制系統反應遲鈍或波動較大等現象，相當一部分都是由于設計、安裝或調試問題造成的。此方面成功與失敗的實例都很多。
6.4 運行中的維護管理
6.4.1 設定值的變化
　　流動電流是一個相對值。流動電流設定值一般根據對沉淀水濁度的要求確定，其正確與否關系到控制的結果。在運行中，流動電流設定值是可能發生變化的。其原因有如下兩類：（1）水質、水處理工況等發生大的變化，如流量的很大變化、水溫大的變化等，都會使工藝系統的處理能力變化，需要通過調整設定值來加強混凝或減弱混凝（加大或減少混凝劑單耗）；（2）流動電流檢測器在使用過程中的磨損、臟污等，會使檢測信號發生漂移、波動或靈敏度降低。
6.4.2 設定值的調整與檢測器維護
　　針對設定值變化的前一種原因，應在使用中加強觀察，必要時人工更改設定值或采用SC-4000型設備。對后一種原因，應考慮加強維護工作，如堅持對檢測器探頭定期清洗、強化水樣預處理、必要時更換檢測器探頭。對探頭的清洗，一般可以用清水，嚴重污染時用生產廠家指定的洗液。不可亂用洗液，否則將損壞探頭。

7.技術經濟分析

　　據對用戶的調查，使用流動電流技術進行投藥混凝控制，除了具有投資小、設備少、使用方便靈活等特點外，在保證處理水質、減少混凝劑消耗方面的效益也是明顯的。仍以前述18個國產設備用戶的調查統計結果為例。
　　在保證水質方面，沉淀水濁度合格率平均提高了9.5個百分點。在節藥方面，平均節藥26.1%。由于成套控制設備的投資與相應水處理系統的規模關系不大，所以水處理系統規模越大、控制設備的投資效益越好，投資回收期越短。例如，按上述平均數據測算，一套10萬噸/日的水處理系統，年節藥費18.55萬元，采用國產設備（SC-3000型）相應的投資約12萬元，即投資回收期約0.65年。

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