智慧水务—水厂智能加药

智慧水务—水厂智能加药

在水厂的日常生产运行中，药剂投加是保证出厂水质稳定达标的重要措施，同时药耗成本也是供水运行成本的重要组成部分。因此如何根据原水水质、水量变化和既定的出水水质目标要求，确定最优混凝剂投加量，是水厂生产管理中要考虑的重要内容。然而，传统依赖人工经验或实验室混凝搅拌试验确定投加量，存在显著弊端，如无法实时响应水质波动、人工调整滞后、人工强度大、药耗成本居高等。因此在这样的需求驱动下，智能化精准投加技术就产生了。

一、智能加药技术

行业内的各种智能加药设备从技术路线上来看，无非就是以下四种，或这四种方式的相互补充和组合。

1.基于大数据模型的数值模拟

数学模拟法是根据原水有关的水质参数，如浊度、水温、pH值、碱度、溶解氧、氨氮和原水流量等影响混凝效果的主要参数作为前馈值，以出水(沉淀后水)的浊度等参数作为后馈值，建立数学模式来自动调节加药量。

采用数学模拟法的关键是必须有大量可靠的生产数据，才能运用数理统计方法建立符合实际生产的数学模型。同时，由于各地各水源的条件不同以及所采用的混凝剂品种不同，因此，建立的数学模型也各不相同。

 

数值模拟技术线路可通过以下方式实现加药的自动化和智能化：

1)基于原水水质参数和原水流量共同建立数学模型，给出一个参数信号，来控制加注泵的转速或者冲程(一般为转速)，实现加注泵自动调节加注量。

2)基于原水水质参数建立数学模型给出一个参数，用原水流量给出另一个参数信号，分别来控制加注泵的冲程和转速，从而实现投加自动调节。

3)用原水流量作为前馈给出一个参数，用处理水水质(一般为沉淀后浊度)作为后馈给出另一个参数，分别控制加注泵的转速和冲程，实现自动调节。

4)用原水水质参数和流量建立数学模型给出一个参数，用处理水水质(一般为沉淀水浊度)给出另一个参数，分别控制加注泵的转速和冲程，实行自动调节。

二、基于现场小型装置的工艺模拟

现场小型装置模拟法是在车间现场安装一套与水厂工艺相同的小型装置模拟水厂工艺的生产条件，找出模拟装置出水与生产构筑物出水之间的水质和药量关系，从而得出最优混凝剂投加量。

 

现场小型装置模拟法包含模拟沉淀法和模拟滤池法两种：

①模拟沉淀法：

在水厂絮凝池后设一个模拟小型沉淀池(常采用小型斜板模拟池)。其优点是解决后馈信号迟滞时间过长的问题，通过这种方式迟滞时间可缩短至二十儿分钟，实用性较强。其缺点是模拟沉淀池与生产沉淀的处理条件有差别，仍存在一定的迟滞时间。

②拟滤池法：

模拟水厂混凝沉淀过滤全部净水工艺的一种方法。该方法的关键仍是模拟装置与实际水厂净水构筑物生产条件的相关程度。

三、流动电流检测法SCD

流动电流是原水胶体扩散层中反离子在外力作用下随液体流动(胶体固定不动)而产生的电流。当加药量、水中胶体颗粒浓度和水流量等变化时，胶体颗粒残余电荷也随之变化，因此，就可以用流动电流参数来控制调节混凝剂投加量。

具体在控制层面，通过SCD检测仪在线连续检测加药后水中流动电流，将测得电流值与基准值进行比较，给出调节信号，从而控制加注设备自动调节混凝剂投加量。在开始时需要进行电流基准值设定，即在相对稳定原水水质、水量条件下，先投加足够混凝剂，随后逐渐减少投加量，并监测沉淀池出水浊度，当出水达到既定目标值时，将此时的SCD值设定为基准值。在生产运行中，如原水水质流量等发生变化时，SCD监测值就偏离基准值，从而输出信号给加药控制器，以达到自动调节投加量目的。

采用SCD法需要注意的问题:

1)SCD对原水浊度有一定适应范围，不同水源适应范围也不相同。表面活性对流动电流有干扰，即使浓度很低SCD也无法应用;油类、农药对SCD测量精度有影响;水盐类、pH值瞬时变化大时，SCD值也有偏差。对混凝剂品种，SCD主要用于无机类混凝剂，若采用非离子型或阴离子型高分子絮凝剂时，投药量与流动电流相关性差，不适合采用SCD。另外，同一水源在不同季节使用SCD法检测的效果差别也很大。

2)取样点距投加点距离要适合。既要使混凝剂已与水体充分混合并初步凝聚，又不能间隔时间太长，一般在投药后2-5分钟内取样为最好;取样管长度越短越好;取样管流速应尽量稳定，不带有气泡。

3)原水流量瞬时变化幅度大(如在用原水泵增减)的情况下，SCD值回复到“基准值”的时间较长，此段时间内的水体出水浊度会超过目标值。所以，部分水厂采用了以原水流量为前馈值，SCD值为后馈值的复合环式。

4)SCD检测器对环境散热要求较高，一般需设在室内，同时温度不可太高，也不能有阳光直射。

四、显示式絮凝控制法（FCD）

显示式絮凝控制法，即通过在絮凝池后部水流较稳定处且与水流方向尽量垂直位置安装高分辨自清洗CCD摄像头，同时通过LED进行补光照明，采集絮凝池絮凝效果的矾花图像。并对图像数据进行预处理，排除噪声干扰以改善图像质量，基于视觉识别技术识别、测量和统计，所采集矾花图像中矾花的等效直径、密实程度等，来评估沉淀性能，最后将相关识别、测量数据与沉淀出水浊度进行对比，来确定矾花等效直径、密实程度等参数的目标值，通过设定的目标值来自动控制投加量。

 

1.使用案例及效果

（1）舟山市定海自来水厂

基本情况：

舟山市定海自来水厂设计制水规模14万m?/d，以大陆引调水和当地海岛水库水为水源，采用预氧化+混凝沉淀+前置砂滤+臭氧-活性炭吸附+后置砂滤+消毒等一系列处理工艺。

 

主要做法：

为应对混凝剂和消毒剂的投加问题，建设了絮凝剂投加控制、氯投加控制、预处理药剂投加控制三个智能投加系统。采用在线实验模拟平台+前馈+反馈的复合控制模型，并结合CCD工业相机连续采集絮凝池中矾花图像，实时智能分析评判絮凝反应效果，以取代原有人工经验控制加药的模式，实现药剂的精准投加控制从而实现水质稳定、节能低碳、管理便捷的目的。

 

取得效果：

通过智能投加系统的建设，在加矾、加氯、预处理高锰酸钾的投加方面均取得了非常好的效果。

在加矾方面：沉淀池出水浊度指标范围由原来的0.3~2.3NTU，缩小到控制目标值的±0.5NTU之间，近80%的浊度值控制在目标值的±0.3NTU之间。平均药耗由原来的40PPM，降低到30PPM，节省用药25%。

 

在加氯方面：供水余氯波动范围由原来的0.7~1.1mg/L，缩小至控制目标值的±0.1mg/L，近90%的余氯控制在目标值的±0.05mg/L范围内。有效药耗由原来的20PPM，降低至16PPM，节省用药20%。

预处理投加方面：高锰酸钾投加量由原来的0.2PPM，降低至0.18PPM，节省用药10%。

2.东莞松山湖水厂

 

基本情况：

东莞松山湖水厂是珠三角水资源配置工程的重要组成部分，以东江（江库联网工程）和西江（珠三角水资源配置工程）为水源。一期工程采用预处理+常规处理+臭氧活性炭+膜处理+安全消毒的全流程制水工艺，生产规模达到110万m?/d，被确认为"全亚洲一次性建成规模最大的单体水厂"。

 

主要做法：

通过分析进水水质参数与药剂投加量之间的关系，建立加药模型，根据各种进水水质参数如流量、浊度、温度、PH、余氯等自动计算出相应的药剂投加量。并通过校正自学习模块，以沉后浊度作为评估指标，分析本次投加是否需要校正以及作为新样本训练模型。进一步提高出水水质稳定性，减少药剂浪费。

 

取得效果：

基于“前馈+模型+反馈”多参数控制模式，结合多种水质参数建立数学模型，实时计算并动态调整混凝剂投加量。系统能够实时监测数据并自动调整加药量，具备智能学习功能，支持远程访问控制，突破传统加药模式，解决了加药精度差和水质波动大的难题，为水厂数字化转型提供了可复用技术框架。

 

通过以上的内容及案例可以看出，智能加药的不同技术路线各有优缺点，它们之间可以通过相互组合、相互补充，从而实现基于原水流量、浊度、水温、pH值、碱度、溶解氧、氨氮等前馈参数+沉淀池出水、絮凝影像等后馈参数的智能投加。从而解决药剂投加实时响应原水水质波动，改善人工调整滞后等问题，同时也降低了水处理生产过程中的人工成本和药耗成本。可以预见，智能加药一定是未来水厂智能化的必然发展方向，随着新技术的不断发展，也一定会有更多新的智能投加技术出现。