自動水處理加藥裝置設(shè)計與應(yīng)用前景

一、概述
　　我國水資源總量28124億方立方米，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第4位。但人均水資源卻很少，僅為2220m3，占世界人均量的1/4,、占美國人均量的1/5、加拿大人均量的1/50，在世界上名列110位，被視為全球13個人均水資源最缺乏的國家之一。
我國雖然水資源短缺，但卻是工業(yè)耗水大國，工業(yè)用水中循環(huán)冷卻水的耗水量占了相當(dāng)大的比重，而我國冶金、發(fā)電、石油、化工等行業(yè)工業(yè)循環(huán)水年耗水量占到工業(yè)用水總量的50~80%。由此可見，提高工業(yè)用水的循環(huán)利用效率是目前解決我國工業(yè)用水緊缺、減少水污染物排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
從20世紀70年代到現(xiàn)在，經(jīng)過幾十年的不懈發(fā)展，中國企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)冷卻水處理的性能已經(jīng)有了極大的提高，在各個應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)打破了原本依靠進口的狀況呈現(xiàn)出百家爭鳴的格局。
　　但在冷卻水現(xiàn)場服務(wù)個管理中仍存在各種挑戰(zhàn)：各地水資源的緊缺，提高的壓力持續(xù)上升；補水來源和水質(zhì)日趨復(fù)雜，有受污染的地表水、有工業(yè)和市政的中水回用、有系統(tǒng)冷凝水回用等等；加上生產(chǎn)負荷波動大，工藝介質(zhì)泄漏等苛刻運行工況，原本已經(jīng)解決得不錯的冷卻水處理現(xiàn)場，卻頻繁發(fā)生結(jié)垢、腐蝕和微生物沉積等問題。究其原因，是多方面的系統(tǒng)擾動造成了水處理藥劑方案設(shè)計與實施出現(xiàn)了脫節(jié)，實際加藥量與需求量的脫節(jié)，系統(tǒng)難以得到足夠的保護，單靠經(jīng)驗進行人工加藥調(diào)節(jié)，出現(xiàn)各類問題就在所難免了。
二、自動加藥裝置的種類
　　對比國外情況，多數(shù)水處理現(xiàn)場監(jiān)測手段主要還是手工監(jiān)測。條件比較好的大型循環(huán)水冷卻水現(xiàn)場，通常一班一次的取樣進行常規(guī)分析，集中在水質(zhì)參數(shù)，如pH，電導(dǎo)，濁度，硬度，堿度，氯離子，余氯，總鐵等，也檢測磷酸鹽作為緩蝕劑濃度的檢測，一般都沒有對阻垢分散劑濃度的檢測。近年無磷配方的引入，使得緩蝕劑濃度的檢測都變得非常困難。
　　再看中小型系統(tǒng)，客戶往往沒有專職的水質(zhì)分析人員，依靠水處理服務(wù)企業(yè)每周或每月進行一次水質(zhì)檢測，加劇了藥劑調(diào)整的滯后性，服務(wù)時點之間發(fā)生的問題沒能及時發(fā)出，造成了不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)果。
　　隨著水處理行業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的循環(huán)水廠家選擇用自動加藥裝置來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工加藥方式，不僅節(jié)省了勞動力成本和人為操作的失誤，而且加藥更精確及時，降低了水質(zhì)波動對系統(tǒng)的影響。
　　國內(nèi)水處理廠家眾多，自動加藥裝置也各有特色，但循環(huán)水自動化系統(tǒng)主要以下四種模式：
1. 流量比例式加藥系統(tǒng)
　　根據(jù)循環(huán)冷卻水補充水量,按比例加緩蝕劑、阻垢劑,
W=M×C/1000   
W：加藥量Kg/h
M：補水量m3/h
C：藥劑濃度mg/L
　　該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，無法滿足大中型循環(huán)水的水質(zhì)控制要求，控制精度低、經(jīng)常出現(xiàn)藥劑欠加或超加現(xiàn)象，藥劑浪費嚴重。
2. 流量比例加濃縮倍數(shù)式加藥系統(tǒng)
W=M×C/K×1000   
M：補水量m3/h   
K：濃縮倍數(shù)   
C：藥劑濃度 mg/L
　　該系統(tǒng)根據(jù)補水電導(dǎo)率和循環(huán)水電導(dǎo)率之比,計算濃縮倍數(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝繁瑣、難于維護，其加藥調(diào)整為人為估算值，也會經(jīng)常出現(xiàn)藥劑欠加或超加現(xiàn)象，浪費藥劑。   
3. 示蹤劑加藥系統(tǒng)
　　該系統(tǒng)理論上通過在水處理藥劑里按一定比例加入熒光劑混合均勻,投入循環(huán)水系統(tǒng),在用熒光檢測儀, 檢測循環(huán)水中熒光劑含量,推算出水處理藥劑含量，控制上下限來調(diào)整加藥量，達到自動加藥的目的。
4.總磷在線加藥系統(tǒng)
　　該系統(tǒng)直接通過在線總磷檢測儀表來檢測循環(huán)水中的藥劑含量，控制上下限來調(diào)整加藥量，達到自動加藥的目的。
三、國外自動加藥裝置的發(fā)展現(xiàn)狀
　　國外水處理劑在線監(jiān)測分析儀器主要有兩種類型：一種是以分光光度法為基礎(chǔ)的總磷在線分析儀，另一種則是基于熒光示蹤原理的水處理在線熒光監(jiān)測儀。
總磷在線分析儀是在加熱和紫外條件下，采用酸性過硫酸鉀快速消解水樣，將其中的有機磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，又在酸性條件下與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬雜多酸，經(jīng)抗壞血酸還原后生成磷鉬藍，最后進行比色。GE公司的TrueSense系統(tǒng)是這一方案的一個進步，無需進行消解，不僅可以監(jiān)測正磷，還可以監(jiān)測聚合物
總磷在線分析儀測試原理與實驗室分析方法一樣，易于對比，檢測下線低，精度高，支持多通道檢測，可真正實現(xiàn)按需加藥。此方案對無磷系統(tǒng)不適用，而且系統(tǒng)中要用試劑、標樣、清洗液4~5種，其使用量與測試頻率相關(guān)，基本按月訂購、更換，儀器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運動部件多，再加上成本較高（如Hach的PHOSPHAXsigma總磷分析儀市場價就超過20萬，國內(nèi)的產(chǎn)品市場加也在10萬左右），考慮到這些特性，總磷分析儀在全球范圍內(nèi)冷卻水處理行業(yè)內(nèi)尚未得到廣泛的應(yīng)用。
在線熒光監(jiān)測儀配合熒光型水處理藥劑，通過高靈敏度光電系統(tǒng)檢測熒光信號，并克服系統(tǒng)中各種水質(zhì)的干擾因素，將真實的藥劑濃度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號反饋給控制器。響應(yīng)速度快，每3~6秒更新一次測量值，精度可達3%以內(nèi)。系統(tǒng)沒有運動部件，穩(wěn)定可靠，維護周期2~3個月，運行過程也沒有檢測試劑。納爾科推出的Trasar系統(tǒng)是這一技術(shù)的代表，已經(jīng)累計在全球安裝了超過20000套，享有良好的聲譽。但技術(shù)為其專有，并不向所有客戶開放，只能解決一部分市場需求。
此方案需向水處理藥劑按比例加入熒光劑，成本有所上升，但此方法的缺點是熒光示蹤劑和水處理藥劑的半衰期不一樣，會產(chǎn)生檢測誤差，另外水處理系統(tǒng)有冷卻塔，有填料會吸附熒光劑和水處理藥劑，也會產(chǎn)生測量誤差，從而難以真實反映循環(huán)水中真正的藥劑濃度，會出現(xiàn)藥劑欠加或超加現(xiàn)象，浪費藥劑。
四、HL-JY50ZY加藥裝置設(shè)計
4.1、概述
HL-JY50ZY系列水處理加藥裝置是我公司在全自動循環(huán)水處理裝置、全自動示蹤型水處理加藥裝置及全自動加藥裝置在線遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以及我公司在10多年來從事工業(yè)循環(huán)水處理工作中不斷摸索，不斷改進和提高的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的新一代循環(huán)水處理加藥裝置。
該裝置具有自動化程度高、操作簡單、控制安全可靠、節(jié)省人力、藥劑，保持循環(huán)水系統(tǒng)中藥劑及濃縮倍率穩(wěn)定等優(yōu)點。適用于各種規(guī)模的循環(huán)水系統(tǒng)，可以隨循環(huán)水的參數(shù)進行加藥、加酸和排污等控制，如PH值、電導(dǎo)率、ORP、濁度、總磷、熒光值等，也可以將各個參數(shù)信號輸出到遠程計算機系統(tǒng)，在計算機上顯示現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)、繪制趨勢圖、顯示各裝置的工作狀態(tài)，記錄各參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，方便日后查詢。同時也可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的輸出與查詢功能，使水處理技術(shù)服務(wù)人員不管在任何地方都能及時了解現(xiàn)場的水質(zhì)情況，及時對現(xiàn)場的一場情況進行分析與處理。
4.2、自動加藥裝置方案設(shè)計原則
鑒于工藝設(shè)備運行經(jīng)濟性、安全性、節(jié)能減排以及衛(wèi)生防疫等各方面實際需求，又是不得或缺的必配設(shè)備。這種現(xiàn)狀決定了自動加藥設(shè)備應(yīng)該具有如下特點：
　　其一，低成本   即能滿足工藝要求，又盡量降低設(shè)備造價，屬于經(jīng)濟適用型。
　　其二，占地面積少且靈活   由于工藝設(shè)備及其輔助裝置均已就位，所余空間和地面有限，自動加藥設(shè)備切忌臃腫，整機結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)簡潔、靈活，便于填裝藥劑、清洗、維護保養(yǎng)。
　　其三，整套設(shè)備具有獨立實現(xiàn)自動加藥的功能，可實現(xiàn)與機組控制系統(tǒng)的上位機通訊，為日后加藥裝置升級   。
　　其四，‘傻瓜式’操作、簡單易懂。
4.3、設(shè)計要求
4.3.1被控參數(shù)
　　根據(jù)設(shè)計要求選擇被控參數(shù)，是系統(tǒng)設(shè)計中的十分重要的內(nèi)容。它對于水質(zhì)質(zhì)量的提高，以及改善勞動條件等方面都有重要意義。若被控參數(shù)選擇不當(dāng)，則無論組成什么樣的控制系統(tǒng)，選用多么先進的過程檢測控制儀器，均不能達到預(yù)期的效果。
對于一個水質(zhì)控制來說，影響正常操作的因素是很多的，但是，并非對所有的影響因素均加以控制。所以必須根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過程所以我們選擇循環(huán)水的藥劑濃度、ORP、PH、電導(dǎo)率進行控制。
4.3.2控制參數(shù)
<1> 緩釋阻垢劑要求設(shè)定藥劑濃度：總磷5mg/L ～8 mg/L；或熒光值100ppb
<2> 氧化性殺菌劑要求設(shè)定ORP：400～600mv
<3> PH調(diào)節(jié)劑要求設(shè)定PH：7.5-8.3。
<4> 自動排污系統(tǒng)要求設(shè)定電導(dǎo)率：1800-2000us/cm
　　注：用戶可根據(jù)要求自行調(diào)整控制參數(shù)
4.3.3控制方案

4.4、自動加藥裝置特點
4.4.1、高度的集成化控制系統(tǒng)
　　控制系統(tǒng)中可以將PH、電導(dǎo)、ORP、總磷、示蹤、流量等多參數(shù)引入同一控制柜內(nèi)，根據(jù)需求可以接受循環(huán)水的反饋信號并對相應(yīng)裝置進行輸出控制。
4.4.2、精準控制
　　我們所提供的檢測裝置的關(guān)鍵均采用國內(nèi)外知名公司的產(chǎn)品，結(jié)合我們的技術(shù)與經(jīng)驗使得我們的控制精度達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平, 通過設(shè)備、化學(xué)品、及相應(yīng)服務(wù)，實現(xiàn)了冷卻水系統(tǒng)的實時管理，一系列的數(shù)學(xué)計算所得到的指數(shù)可以真實的反應(yīng)系統(tǒng)的當(dāng)前狀況，包括腐蝕、結(jié)垢、微生物的相關(guān)指數(shù)與pH、電導(dǎo)率、藥劑濃度、濁度等一系列的實時數(shù)據(jù)。
4.4.3、操作簡單、可靠，大大減少操作人員的勞動強度，節(jié)省勞動力成本和人為操作的失誤。
4.4.4、歷史數(shù)據(jù)的記錄與查詢
　　在控制界面上集中顯示加藥系統(tǒng)的各參數(shù)的及時數(shù)據(jù)與各設(shè)備的工作狀態(tài)，繪制歷史工作曲線，為技術(shù)人員的查詢與分析提供直觀可靠的依據(jù)。
4.4.5、具有多種用途的控制功能與通訊功能，根據(jù)用戶要求可以采用西門子、三菱、歐姆龍等公司的PLC控制系統(tǒng)以及與用戶的工業(yè)控制系統(tǒng)進行通訊。
4.5自動加藥裝置結(jié)構(gòu)及原理
4.5.1主要結(jié)構(gòu)
　　機架：由方鋼焊接而成，起到支撐其他部件的作用；
　　計量泵：電磁隔膜計量泵，輸送液體用；
　　控制系統(tǒng)：PLC中央控制器、電器元件一套，控制計量泵啟動/停止；
　　流通池：DN32PVC管閥件一套，采集水樣。



4.5.2控制原理
　　藥劑濃度、ORP、PH值變化是通過加藥泵的啟動/停止來控制，電導(dǎo)率是通過電磁閥自動排污來控制。藥劑濃度、ORP、PH值變化采用在線檢測總磷表/在線示蹤劑儀、ORP表、PH表與設(shè)定總磷/熒光值、ORP、PH值進行比較，輸出變化的4-20mA模擬信號，通過變頻器進行調(diào)節(jié)，從而改變變頻器的輸出頻率，控制加藥泵的啟動/停止狀態(tài)，從而改變單位時間的加藥量保持總磷/熒光值、ORP、PH值在設(shè)定范圍內(nèi)；電導(dǎo)率采用在線電導(dǎo)率檢測表與設(shè)定的值進行比較，輸出變化的4-20mA模擬信號，通過變頻器進行調(diào)節(jié)，從而改變變頻器的輸出頻率，控制電磁閥的開啟/關(guān)閉狀態(tài)，從而保持電導(dǎo)率在設(shè)定范圍。
4.5.3自動加藥裝置系統(tǒng)的組成圖

4.5.4自動加藥控制設(shè)備技術(shù)參數(shù)
      ①檢測儀輸出信號：0～lOmA，4～20mA，DC。
      ②PID調(diào)節(jié)器
       輸入信號：0～10mA，4～20mA，DC。
       輸出信號：0～10mA，0～10V，4～20mA。
       控制精度：±5％。
       PI功能：用于快速調(diào)節(jié)過程。
       智能調(diào)節(jié)功能：用于快速或大滯后調(diào)節(jié)過程
      ③控制柜
       電源：三相380±10％V和單相220±10％V，
       電源頻率：50或60HZ
       電源功率：與工作電機功率有關(guān)。
      ④工作環(huán)境條件
       溫度<40℃
       相對濕度≤85％
       振動頻率≤25HZ
       振動幅度≤0．1mm
       周圍空氣不含灰粉和腐蝕性氣體
注：檢測儀若對工作條件有特殊要求，還需另加考慮
      ⑤控制柜重量：與變頻器功率有關(guān)。
五、自動加藥裝置的應(yīng)用于發(fā)展
　　水處理現(xiàn)場管理主要任務(wù)就是如何最大限度的發(fā)揮水處理藥劑的性能，保證水處理效果，降低運行成本，所謂“三分藥劑，七分管理”。簡單的投加方式（手動控制，連續(xù)控制，定時控制）已經(jīng)越來越不能滿足用戶的要求。
隨著水處理行業(yè)的不斷發(fā)展以及廣大用戶對現(xiàn)場管理的要求越來越嚴格，具有實時要就濃度監(jiān)測的全自動加藥裝置越來越受到眾多水處理廠家關(guān)注和青睞。
藥劑濃度的在線監(jiān)測是整個自動加藥裝置的核心，藥劑濃度在線監(jiān)測的準確性和穩(wěn)定性決定了自動加藥裝置的成敗。目前國內(nèi)外水處理劑在線監(jiān)測分析儀有兩種：一種是總磷在線分析儀，另一種是熒光示蹤在線監(jiān)測儀。近年來，國家越來越關(guān)注環(huán)境污染問題，環(huán)保壓力日益上升，低磷或無磷環(huán)保型水處理劑的研發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢。
總磷在線分析儀不僅成本貴而且受到水處理劑的制約，在自動加藥系統(tǒng)中并未廣泛應(yīng)用。熒光示蹤技術(shù)擁有不受條件約束，而且成本相對較低，熒光劑用量少，簡單易得，儀器安裝方便，成為自動加藥系統(tǒng)中藥劑濃度控制的趨勢。
熒光示蹤劑本身是沒有水處理藥劑功能的，常規(guī)的熒光示蹤技術(shù)是將無色、量子效率高、穩(wěn)定性好的熒光示蹤劑按比例混入水處理藥劑中，然后在通過儀器檢測熒光值得到相應(yīng)的藥劑濃度。這種方式本身就存在一個問題：熒光示蹤劑穩(wěn)定不易分解，而水處理藥劑是長期被消耗的，這就勢必會造成在熒光值穩(wěn)定不變的情況，實際的藥劑濃度越來越低。為了讓熒光示蹤劑能準確的反應(yīng)水中的藥劑濃度，國內(nèi)外已有水處理廠家已經(jīng)成功的解決了這一難題——制備熒光標記聚合物，將熒光基團與聚合物單體反應(yīng)且不影響水處理劑的緩釋阻垢效果，例如Nalco公司的3DTrasar自動加藥裝置，就是檢測聚合物中的熒光官能團來直接反應(yīng)出聚合物的濃度。
　　水處理劑在工業(yè)水處理的各個方面都有著廣泛的應(yīng)用，從環(huán)境保護的角度看，水處理劑的使用也會造成一些化學(xué)污染，因而也非常有必要對其殘留量進行控制。熒光標識水處理劑的應(yīng)用可對處理后的水系統(tǒng)進行準確的評估，并實現(xiàn)水處理系統(tǒng)的自動監(jiān)測和控制，具有良好的應(yīng)用前景。相信隨著新的熒光化合物的出現(xiàn)及對阻垢機理認識的不斷加深會得到熒光效率更好、熒光性能更穩(wěn)定、阻垢性能優(yōu)良、制備工藝更為簡化的新型熒光標識水處理劑。