自動水處理加藥裝置設計與應用前景

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，但卻是工業耗水大國，工業用水中循環冷卻水的耗水量占了相當大的比重，而我國冶金、發電、石油、化工等行業工業循環水年耗水量占到工業用水總量的50~80%。由此可見，提高工業用水的循環利用效率是目前解決我國工業用水緊缺、減少水污染物排放的關鍵環節。
從20世紀70年代到現在，經過幾十年的不懈發展，中國企業研發生產冷卻水處理的性能已經有了極大的提高，在各個應用領域內打破了原本依靠進口的狀況呈現出百家爭鳴的格局。
　　但在冷卻水現場服務個管理中仍存在各種挑戰：各地水資源的緊缺，提高的壓力持續上升；補水來源和水質日趨復雜，有受污染的地表水、有工業和市政的中水回用、有系統冷凝水回用等等；加上生產負荷波動大，工藝介質泄漏等苛刻運行工況，原本已經解決得不錯的冷卻水處理現場，卻頻繁發生結垢、腐蝕和微生物沉積等問題。究其原因，是多方面的系統擾動造成了水處理藥劑方案設計與實施出現了脫節，實際加藥量與需求量的脫節，系統難以得到足夠的保護，單靠經驗進行人工加藥調節，出現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，多數水處理現場監測手段主要還是手工監測。條件比較好的大型循環水冷卻水現場，通常一班一次的取樣進行常規分析，集中在水質參數，如pH，電導，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，客戶往往沒有專職的水質分析人員，依靠水處理服務企業每周或每月進行一次水質檢測，加劇了藥劑調整的滯后性，服務時點之間發生的問題沒能及時發出，造成了不可逆轉的結果。
　　隨著水處理行業的不斷發展，越來越多的循環水廠家選擇用自動加藥裝置來代替傳統的人工加藥方式，不僅節省了勞動力成本和人為操作的失誤，而且加藥更精確及時，降低了水質波動對系統的影響。
　　國內水處理廠家眾多，自動加藥裝置也各有特色，但循環水自動化系統主要以下四種模式：
1. 流量比例式加藥系統
　　根據循環冷卻水補充水量,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
　　該系統結構比較簡單，無法滿足大中型循環水的水質控制要求，控制精度低、經常出現藥劑欠加或超加現象，藥劑浪費嚴重。
2. 流量比例加濃縮倍數式加藥系統
W=M×C/K×1000   
M：補水量m3/h   
K：濃縮倍數   
C：藥劑濃度 mg/L
　　該系統根據補水電導率和循環水電導率之比,計算濃縮倍數，結構復雜、安裝繁瑣、難于維護，其加藥調整為人為估算值，也會經常出現藥劑欠加或超加現象，浪費藥劑。   
3. 示蹤劑加藥系統
　　該系統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,投入循環水系統,在用熒光檢測儀, 檢測循環水中熒光劑含量,推算出水處理藥劑含量，控制上下限來調整加藥量，達到自動加藥的目的。
4.總磷在線加藥系統
　　該系統直接通過在線總磷檢測儀表來檢測循環水中的藥劑含量，控制上下限來調整加藥量，達到自動加藥的目的。
三、國外自動加藥裝置的發展現狀
　　國外水處理劑在線監測分析儀器主要有兩種類型：一種是以分光光度法為基礎的總磷在線分析儀，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，將其中的有機磷轉化為正磷酸鹽，又在酸性條件下與鉬酸銨反應生成磷鉬雜多酸，經抗壞血酸還原后生成磷鉬藍，最后進行比色。GE公司的TrueSense系統是這一方案的一個進步，無需進行消解，不僅可以監測正磷，還可以監測聚合物
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，可真正實現按需加藥。此方案對無磷系統不適用，而且系統中要用試劑、標樣、清洗液4~5種，其使用量與測試頻率相關，基本按月訂購、更換，儀器結構較為復雜，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，國內的產品市場加也在10萬左右），考慮到這些特性，總磷分析儀在全球范圍內冷卻水處理行業內尚未得到廣泛的應用。
在線熒光監測儀配合熒光型水處理藥劑，通過高靈敏度光電系統檢測熒光信號，并克服系統中各種水質的干擾因素，將真實的藥劑濃度轉化為數字信號反饋給控制器。響應速度快，每3~6秒更新一次測量值，精度可達3%以內。系統沒有運動部件，穩定可靠，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系統是這一技術的代表，已經累計在全球安裝了超過20000套，享有良好的聲譽。但技術為其專有，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，會產生檢測誤差，另外水處理系統有冷卻塔，有填料會吸附熒光劑和水處理藥劑，也會產生測量誤差，從而難以真實反映循環水中真正的藥劑濃度，會出現藥劑欠加或超加現象，浪費藥劑。
四、HL-JY50ZY加藥裝置設計
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據傳輸系統的基礎上，以及我公司在10多年來從事工業循環水處理工作中不斷摸索，不斷改進和提高的基礎上自主研發的新一代循環水處理加藥裝置。
該裝置具有自動化程度高、操作簡單、控制安全可靠、節省人力、藥劑，保持循環水系統中藥劑及濃縮倍率穩定等優點。適用于各種規模的循環水系統，可以隨循環水的參數進行加藥、加酸和排污等控制，如PH值、電導率、ORP、濁度、總磷、熒光值等，也可以將各個參數信號輸出到遠程計算機系統，在計算機上顯示現場檢測數據、繪制趨勢圖、顯示各裝置的工作狀態，記錄各參數的歷史數據，方便日后查詢。同時也可實現遠程數據的輸出與查詢功能，使水處理技術服務人員不管在任何地方都能及時了解現場的水質情況，及時對現場的一場情況進行分析與處理。
4.2、自動加藥裝置方案設計原則
鑒于工藝設備運行經濟性、安全性、節能減排以及衛生防疫等各方面實際需求，又是不得或缺的必配設備。這種現狀決定了自動加藥設備應該具有如下特點：
　　其一，低成本   即能滿足工藝要求，又盡量降低設備造價，屬于經濟適用型。
　　其二，占地面積少且靈活   由于工藝設備及其輔助裝置均已就位，所余空間和地面有限，自動加藥設備切忌臃腫，整機結構設計應簡潔、靈活，便于填裝藥劑、清洗、維護保養。
　　其三，整套設備具有獨立實現自動加藥的功能，可實現與機組控制系統的上位機通訊，為日后加藥裝置升級   。
　　其四，‘傻瓜式’操作、簡單易懂。
4.3、設計要求
4.3.1被控參數
　　根據設計要求選擇被控參數，是系統設計中的十分重要的內容。它對于水質質量的提高，以及改善勞動條件等方面都有重要意義。若被控參數選擇不當，則無論組成什么樣的控制系統，選用多么先進的過程檢測控制儀器，均不能達到預期的效果。
對于一個水質控制來說，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。所以必須根據工藝要求，深入分析工藝過程所以我們選擇循環水的藥劑濃度、ORP、PH、電導率進行控制。
4.3.2控制參數
<1> 緩釋阻垢劑要求設定藥劑濃度：總磷5mg/L ～8 mg/L；或熒光值100ppb
<2> 氧化性殺菌劑要求設定ORP：400～600mv
<3> PH調節劑要求設定PH：7.5-8.3。
<4> 自動排污系統要求設定電導率：1800-2000us/cm
　　注：用戶可根據要求自行調整控制參數
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
　　控制系統中可以將PH、電導、ORP、總磷、示蹤、流量等多參數引入同一控制柜內，根據需求可以接受循環水的反饋信號并對相應裝置進行輸出控制。
4.4.2、精準控制
　　我們所提供的檢測裝置的關鍵均采用國內外知名公司的產品，結合我們的技術與經驗使得我們的控制精度達到了國內領先水平, 通過設備、化學品、及相應服務，實現了冷卻水系統的實時管理，一系列的數學計算所得到的指數可以真實的反應系統的當前狀況，包括腐蝕、結垢、微生物的相關指數與pH、電導率、藥劑濃度、濁度等一系列的實時數據。
4.4.3、操作簡單、可靠，大大減少操作人員的勞動強度，節省勞動力成本和人為操作的失誤。
4.4.4、歷史數據的記錄與查詢
　　在控制界面上集中顯示加藥系統的各參數的及時數據與各設備的工作狀態，繪制歷史工作曲線，為技術人員的查詢與分析提供直觀可靠的依據。
4.4.5、具有多種用途的控制功能與通訊功能，根據用戶要求可以采用西門子、三菱、歐姆龍等公司的PLC控制系統以及與用戶的工業控制系統進行通訊。
4.5自動加藥裝置結構及原理
4.5.1主要結構
　　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：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，通過變頻器進行調節，從而改變變頻器的輸出頻率，控制加藥泵的啟動/停止狀態，從而改變單位時間的加藥量保持總磷/熒光值、ORP、PH值在設定范圍內；電導率采用在線電導率檢測表與設定的值進行比較，輸出變化的4-20mA模擬信號，通過變頻器進行調節，從而改變變頻器的輸出頻率，控制電磁閥的開啟/關閉狀態，從而保持電導率在設定范圍。
4.5.3自動加藥裝置系統的組成圖

4.5.4自動加藥控制設備技術參數
      ①檢測儀輸出信號：0～lOmA，4～20mA，DC。
      ②PID調節器
       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：用于快速調節過程。
       智能調節功能：用于快速或大滯后調節過程
      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。
      ④工作環境條件
       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。
五、自動加藥裝置的應用于發展
　　水處理現場管理主要任務就是如何最大限度的發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，連續控制，定時控制）已經越來越不能滿足用戶的要求。
隨著水處理行業的不斷發展以及廣大用戶對現場管理的要求越來越嚴格，具有實時要就濃度監測的全自動加藥裝置越來越受到眾多水處理廠家關注和青睞。
藥劑濃度的在線監測是整個自動加藥裝置的核心，藥劑濃度在線監測的準確性和穩定性決定了自動加藥裝置的成敗。目前國內外水處理劑在線監測分析儀有兩種：一種是總磷在線分析儀，另一種是熒光示蹤在線監測儀。近年來，國家越來越關注環境污染問題，環保壓力日益上升，低磷或無磷環保型水處理劑的研發與應用已經成為一種趨勢。
總磷在線分析儀不僅成本貴而且受到水處理劑的制約，在自動加藥系統中并未廣泛應用。熒光示蹤技術擁有不受條件約束，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，常規的熒光示蹤技術是將無色、量子效率高、穩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的藥劑濃度。這種方式本身就存在一個問題：熒光示蹤劑穩定不易分解，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水中的藥劑濃度，國內外已有水處理廠家已經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出聚合物的濃度。
　　水處理劑在工業水處理的各個方面都有著廣泛的應用，從環境保護的角度看，水處理劑的使用也會造成一些化學污染，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用可對處理后的水系統進行準確的評估，并實現水處理系統的自動監測和控制，具有良好的應用前景。相信隨著新的熒光化合物的出現及對阻垢機理認識的不斷加深會得到熒光效率更好、熒光性能更穩定、阻垢性能優良、制備工藝更為簡化的新型熒光標識水處理劑。