自动水处理加药装置设计与应用前景

一、概述
　　我国水资源总量28124亿方立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第4位。但人均水资源却很少，仅为2220m3，占世界人均量的1/4,、占美国人均量的1/5、加拿大人均量的1/50，在世界上名列110位，被视为全球13个人均水资源最缺乏的国家之一。
我国虽然水资源短缺，但却是工业耗水大国，工业用水中循环冷却水的耗水量占了相当大的比重，而我国冶金、发电、石油、化工等行业工业循环水年耗水量占到工业用水总量的50~80%。由此可见，提高工业用水的循环利用效率是目前解决我国工业用水紧缺、减少水污染物排放的关键环节。
从20世纪70年代到现在，经过几十年的不懈发展，中国企业研发生产冷却水处理的性能已经有了极大的提高，在各个应用领域内打破了原本依靠进口的状况呈现出百家争鸣的格局。
　　但在冷却水现场服务个管理中仍存在各种挑战：各地水资源的紧缺，提高的压力持续上升；补水来源和水质日趋复杂，有受污染的地表水、有工业和市政的中水回用、有系统冷凝水回用等等；加上生产负荷波动大，工艺介质泄漏等苛刻运行工况，原本已经解决得不错的冷却水处理现场，却频繁发生结垢、腐蚀和微生物沉积等问题。究其原因，是多方面的系统扰动造成了水处理药剂方案设计与实施出现了脱节，实际加药量与需求量的脱节，系统难以得到足够的保护，单靠经验进行人工加药调节，出现各类问题就在所难免了。
二、自动加药装置的种类
　　对比国外情况，多数水处理现场监测手段主要还是手工监测。条件比较好的大型循环水冷却水现场，通常一班一次的取样进行常规分析，集中在水质参数，如pH，电导，浊度，硬度，碱度，氯离子，余氯，总铁等，也检测磷酸盐作为缓蚀剂浓度的检测，一般都没有对阻垢分散剂浓度的检测。近年无磷配方的引入，使得缓蚀剂浓度的检测都变得非常困难。
　　再看中小型系统，客户往往没有专职的水质分析人员，依靠水处理服务企业每周或每月进行一次水质检测，加剧了药剂调整的滞后性，服务时点之间发生的问题没能及时发出，造成了不可逆转的结果。
　　随着水处理行业的不断发展，越来越多的循环水厂家选择用自动加药装置来代替传统的人工加药方式，不仅节省了劳动力成本和人为操作的失误，而且加药更精确及时，降低了水质波动对系统的影响。
　　国内水处理厂家众多，自动加药装置也各有特色，但循环水自动化系统主要以下四种模式：
1. 流量比例式加药系统
　　根据循环冷却水补充水量,按比例加缓蚀剂、阻垢剂,
W=M×C/1000   
W：加药量Kg/h
M：补水量m3/h
C：药剂浓度mg/L
　　该系统结构比较简单，无法满足大中型循环水的水质控制要求，控制精度低、经常出现药剂欠加或超加现象，药剂浪费严重。
2. 流量比例加浓缩倍数式加药系统
W=M×C/K×1000   
M：补水量m3/h   
K：浓缩倍数   
C：药剂浓度 mg/L
　　该系统根据补水电导率和循环水电导率之比,计算浓缩倍数，结构复杂、安装繁琐、难于维护，其加药调整为人为估算值，也会经常出现药剂欠加或超加现象，浪费药剂。   
3. 示踪剂加药系统
　　该系统理论上通过在水处理药剂里按一定比例加入荧光剂混合均匀,投入循环水系统,在用荧光检测仪, 检测循环水中荧光剂含量,推算出水处理药剂含量，控制上下限来调整加药量，达到自动加药的目的。
4.总磷在线加药系统
　　该系统直接通过在线总磷检测仪表来检测循环水中的药剂含量，控制上下限来调整加药量，达到自动加药的目的。
三、国外自动加药装置的发展现状
　　国外水处理剂在线监测分析仪器主要有两种类型：一种是以分光光度法为基础的总磷在线分析仪，另一种则是基于荧光示踪原理的水处理在线荧光监测仪。
总磷在线分析仪是在加热和紫外条件下，采用酸性过硫酸钾快速消解水样，将其中的有机磷转化为正磷酸盐，又在酸性条件下与钼酸铵反应生成磷钼杂多酸，经抗坏血酸还原后生成磷钼蓝，最后进行比色。GE公司的TrueSense系统是这一方案的一个进步，无需进行消解，不仅可以监测正磷，还可以监测聚合物
总磷在线分析仪测试原理与实验室分析方法一样，易于对比，检测下线低，精度高，支持多通道检测，可真正实现按需加药。此方案对无磷系统不适用，而且系统中要用试剂、标样、清洗液4~5种，其使用量与测试频率相关，基本按月订购、更换，仪器结构较为复杂，运动部件多，再加上成本较高（如Hach的PHOSPHAXsigma总磷分析仪市场价就超过20万，国内的产品市场加也在10万左右），考虑到这些特性，总磷分析仪在全球范围内冷却水处理行业内尚未得到广泛的应用。
在线荧光监测仪配合荧光型水处理药剂，通过高灵敏度光电系统检测荧光信号，并克服系统中各种水质的干扰因素，将真实的药剂浓度转化为数字信号反馈给控制器。响应速度快，每3~6秒更新一次测量值，精度可达3%以内。系统没有运动部件，稳定可靠，维护周期2~3个月，运行过程也没有检测试剂。纳尔科推出的Trasar系统是这一技术的代表，已经累计在全球安装了超过20000套，享有良好的声誉。但技术为其专有，并不向所有客户开放，只能解决一部分市场需求。
此方案需向水处理药剂按比例加入荧光剂，成本有所上升，但此方法的缺点是荧光示踪剂和水处理药剂的半衰期不一样，会产生检测误差，另外水处理系统有冷却塔，有填料会吸附荧光剂和水处理药剂，也会产生测量误差，从而难以真实反映循环水中真正的药剂浓度，会出现药剂欠加或超加现象，浪费药剂。
四、HL-JY50ZY加药装置设计
4.1、概述
HL-JY50ZY系列水处理加药装置是我公司在全自动循环水处理装置、全自动示踪型水处理加药装置及全自动加药装置在线远程数据传输系统的基础上，以及我公司在10多年来从事工业循环水处理工作中不断摸索，不断改进和提高的基础上自主研发的新一代循环水处理加药装置。
该装置具有自动化程度高、操作简单、控制安全可靠、节省人力、药剂，保持循环水系统中药剂及浓缩倍率稳定等优点。适用于各种规模的循环水系统，可以随循环水的参数进行加药、加酸和排污等控制，如PH值、电导率、ORP、浊度、总磷、荧光值等，也可以将各个参数信号输出到远程计算机系统，在计算机上显示现场检测数据、绘制趋势图、显示各装置的工作状态，记录各参数的历史数据，方便日后查询。同时也可实现远程数据的输出与查询功能，使水处理技术服务人员不管在任何地方都能及时了解现场的水质情况，及时对现场的一场情况进行分析与处理。
4.2、自动加药装置方案设计原则
鉴于工艺设备运行经济性、安全性、节能减排以及卫生防疫等各方面实际需求，又是不得或缺的必配设备。这种现状决定了自动加药设备应该具有如下特点：
　　其一，低成本   即能满足工艺要求，又尽量降低设备造价，属于经济适用型。
　　其二，占地面积少且灵活   由于工艺设备及其辅助装置均已就位，所余空间和地面有限，自动加药设备切忌臃肿，整机结构设计应简洁、灵活，便于填装药剂、清洗、维护保养。
　　其三，整套设备具有独立实现自动加药的功能，可实现与机组控制系统的上位机通讯，为日后加药装置升级   。
　　其四，‘傻瓜式’操作、简单易懂。
4.3、设计要求
4.3.1被控参数
　　根据设计要求选择被控参数，是系统设计中的十分重要的内容。它对于水质质量的提高，以及改善劳动条件等方面都有重要意义。若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选用多么先进的过程检测控制仪器，均不能达到预期的效果。
对于一个水质控制来说，影响正常操作的因素是很多的，但是，并非对所有的影响因素均加以控制。所以必须根据工艺要求，深入分析工艺过程所以我们选择循环水的药剂浓度、ORP、PH、电导率进行控制。
4.3.2控制参数
<1> 缓释阻垢剂要求设定药剂浓度：总磷5mg/L ～8 mg/L；或荧光值100ppb
<2> 氧化性杀菌剂要求设定ORP：400～600mv
<3> PH调节剂要求设定PH：7.5-8.3。
<4> 自动排污系统要求设定电导率：1800-2000us/cm
　　注：用户可根据要求自行调整控制参数
4.3.3控制方案

4.4、自动加药装置特点
4.4.1、高度的集成化控制系统
　　控制系统中可以将PH、电导、ORP、总磷、示踪、流量等多参数引入同一控制柜内，根据需求可以接受循环水的反馈信号并对相应装置进行输出控制。
4.4.2、精准控制
　　我们所提供的检测装置的关键均采用国内外知名公司的产品，结合我们的技术与经验使得我们的控制精度达到了国内领先水平, 通过设备、化学品、及相应服务，实现了冷却水系统的实时管理，一系列的数学计算所得到的指数可以真实的反应系统的当前状况，包括腐蚀、结垢、微生物的相关指数与pH、电导率、药剂浓度、浊度等一系列的实时数据。
4.4.3、操作简单、可靠，大大减少操作人员的劳动强度，节省劳动力成本和人为操作的失误。
4.4.4、历史数据的记录与查询
　　在控制界面上集中显示加药系统的各参数的及时数据与各设备的工作状态，绘制历史工作曲线，为技术人员的查询与分析提供直观可靠的依据。
4.4.5、具有多种用途的控制功能与通讯功能，根据用户要求可以采用西门子、三菱、欧姆龙等公司的PLC控制系统以及与用户的工业控制系统进行通讯。
4.5自动加药装置结构及原理
4.5.1主要结构
　　机架：由方钢焊接而成，起到支撑其他部件的作用；
　　计量泵：电磁隔膜计量泵，输送液体用；
　　控制系统：PLC中央控制器、电器元件一套，控制计量泵启动/停止；
　　流通池：DN32PVC管阀件一套，采集水样。



4.5.2控制原理
　　药剂浓度、ORP、PH值变化是通过加药泵的启动/停止来控制，电导率是通过电磁阀自动排污来控制。药剂浓度、ORP、PH值变化采用在线检测总磷表/在线示踪剂仪、ORP表、PH表与设定总磷/荧光值、ORP、PH值进行比较，输出变化的4-20mA模拟信号，通过变频器进行调节，从而改变变频器的输出频率，控制加药泵的启动/停止状态，从而改变单位时间的加药量保持总磷/荧光值、ORP、PH值在设定范围内；电导率采用在线电导率检测表与设定的值进行比较，输出变化的4-20mA模拟信号，通过变频器进行调节，从而改变变频器的输出频率，控制电磁阀的开启/关闭状态，从而保持电导率在设定范围。
4.5.3自动加药装置系统的组成图

4.5.4自动加药控制设备技术参数
      ①检测仪输出信号：0～lOmA，4～20mA，DC。
      ②PID调节器
       输入信号：0～10mA，4～20mA，DC。
       输出信号：0～10mA，0～10V，4～20mA。
       控制精度：±5％。
       PI功能：用于快速调节过程。
       智能调节功能：用于快速或大滞后调节过程
      ③控制柜
       电源：三相380±10％V和单相220±10％V，
       电源频率：50或60HZ
       电源功率：与工作电机功率有关。
      ④工作环境条件
       温度<40℃
       相对湿度≤85％
       振动频率≤25HZ
       振动幅度≤0．1mm
       周围空气不含灰粉和腐蚀性气体
注：检测仪若对工作条件有特殊要求，还需另加考虑
      ⑤控制柜重量：与变频器功率有关。
五、自动加药装置的应用于发展
　　水处理现场管理主要任务就是如何最大限度的发挥水处理药剂的性能，保证水处理效果，降低运行成本，所谓“三分药剂，七分管理”。简单的投加方式（手动控制，连续控制，定时控制）已经越来越不能满足用户的要求。
随着水处理行业的不断发展以及广大用户对现场管理的要求越来越严格，具有实时要就浓度监测的全自动加药装置越来越受到众多水处理厂家关注和青睐。
药剂浓度的在线监测是整个自动加药装置的核心，药剂浓度在线监测的准确性和稳定性决定了自动加药装置的成败。目前国内外水处理剂在线监测分析仪有两种：一种是总磷在线分析仪，另一种是荧光示踪在线监测仪。近年来，国家越来越关注环境污染问题，环保压力日益上升，低磷或无磷环保型水处理剂的研发与应用已经成为一种趋势。
总磷在线分析仪不仅成本贵而且受到水处理剂的制约，在自动加药系统中并未广泛应用。荧光示踪技术拥有不受条件约束，而且成本相对较低，荧光剂用量少，简单易得，仪器安装方便，成为自动加药系统中药剂浓度控制的趋势。
荧光示踪剂本身是没有水处理药剂功能的，常规的荧光示踪技术是将无色、量子效率高、稳定性好的荧光示踪剂按比例混入水处理药剂中，然后在通过仪器检测荧光值得到相应的药剂浓度。这种方式本身就存在一个问题：荧光示踪剂稳定不易分解，而水处理药剂是长期被消耗的，这就势必会造成在荧光值稳定不变的情况，实际的药剂浓度越来越低。为了让荧光示踪剂能准确的反应水中的药剂浓度，国内外已有水处理厂家已经成功的解决了这一难题——制备荧光标记聚合物，将荧光基团与聚合物单体反应且不影响水处理剂的缓释阻垢效果，例如Nalco公司的3DTrasar自动加药装置，就是检测聚合物中的荧光官能团来直接反应出聚合物的浓度。
　　水处理剂在工业水处理的各个方面都有着广泛的应用，从环境保护的角度看，水处理剂的使用也会造成一些化学污染，因而也非常有必要对其残留量进行控制。荧光标识水处理剂的应用可对处理后的水系统进行准确的评估，并实现水处理系统的自动监测和控制，具有良好的应用前景。相信随着新的荧光化合物的出现及对阻垢机理认识的不断加深会得到荧光效率更好、荧光性能更稳定、阻垢性能优良、制备工艺更为简化的新型荧光标识水处理剂。