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水工艺设备
混凝投药工艺的控制策略及其实现
摘要:
本文系统地回顾了我国混凝投药控制技术的发展,详细介绍了各种投药技术并进行分析,通过本文可以了解到,在2005年新的水质标准实行后,出厂水的浊度由原来的1NTU降为0.5NTU,因此在我国实现混凝投药工艺的自动化控制,提升水质指标,降低水厂成本是当务之急。
关键词:
凝投药控制流动电流法透光率脉动法
在水处理单元环节的自动控制方面,混凝投药是最困难的环节,因为它涉及的是一个复杂的物理化学过程,但由于混凝在水处理工艺中的重要地位,混凝投药也是最为人们关注的环节。
几十年来,我国的混凝投药控制技术十分落后,在相当长的一段时期内基本上采用原始的人工控制方式。
近二十年来,随着改革开放的深入,国外先进的自动控制理念逐步深入到净水厂这个传统行业。
1.投药控制技术
投药及控制方式按药剂投加形态分为干投与湿投。
干投是用干投机将固体药剂直接投入水中或投入溶解容器内,再投入水中,其计量与控制都是比较困难的,调节性能较差。
湿投又可以分为高位溶液池重力投加、泵前投加、水射器投加、水泵投加等多种形式[1]。
1.1重力式投药(图一所示)
药液自高架溶液池中流出,经过恒液位水箱依靠重力作用投入水中。
较早的一种投药控制调节方式是苗嘴调节。
根据对投药量的要求,更换恒液位水箱出口苗嘴的规格,由水力学可知流出流量会发生改变。
这是一种不能太频繁的间歇式调节方式,在90年代初期仍有个别水厂应用。
另一种常见的调节方式是对投药管路上的阀门进行调节,观察转子流量计的指示,改变投药量。
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图一高位溶液池重力投药
1—溶解池;2—水泵;3—溶液池;4—投药箱;5—漏斗;6—压水管
1.2泵前投加(图二所示)
图二泵前加药
1—吸水管;2—出水管;3—水泵;4—水封箱;5—浮球阀;6—溶液池;7—漏斗
药液投加在水泵吸水管或吸水管头部。
这种投加方式安全可靠,一般适用于取水泵房距水厂较近者。
图中水封箱是为防止空气进入而设的。
1.3水射器投加(图三所示)
利用高压水通过喷嘴和喉管之间真空抽吸作用将药液吸入,同时随水的余压注入原水管中。
水射器效率较低,易磨损,但设备简单,使用方便,溶液池高度不受太大的限制。
图三水射器投加
1—溶液池;2—阀门;3—投药箱;4—阀门;
5—漏斗;6—高压水管;7—水射器;8—原水管
1.4水泵投加
传统上最常见的方式是采用离心式投药泵,将药液送入水中。
调节方法是对投药管路的阀门调节、转子流量计指示。
后来在80年代后期,开始出现了计量泵投药的应用。
2.混凝剂投加控制技术
无论上述何种投加与调节方式,都涉及一个重要的问题:
如何决定当前最佳投药量应该是多少。
混凝剂最佳投加量是指达到既定水质目标的最小的混凝剂投加量[2]。
混凝剂投加量得确定主要有以下几种方式:
2.1经验目测法
操作人员根据工作经验、或者观察絮凝池矾花生成情况,决定投药量。
有的水厂根据试验或生产统计经验,制成浊度-矾耗对照表,作为决定投药量的依据。
事实上,这是以原水浊度为控制参数的一种控制方法。
2.2烧杯试验法
在70~80年代以后,越来越多的水厂采用烧杯试验作为确定投药量的参考方法。
烧杯试验每天或每周进行1次。
由于间隔时间长,而且许多水厂烧杯试验结果与水厂实际有一定的出入,因此多数水厂只是将烧杯试验结果作为参考。
这里存在的一个问题是,烧杯试验条件不应是千篇一律的,每个水厂应该研究与该厂水处理工艺有相似性的特定烧杯试验条件。
上述各种方法都属于人工控制方法,都难以追随水质水量等因素的变化,对投药量进行及时准确的调节。
投药的准确性不仅取决于操作人员的技术与经验,而且和操作人员的责任心有很大关系,工人的劳动强度也较大。
由于投药控制技术落后,严重影响了水处理的质量,也造成药剂的较大浪费。
2.3模拟滤池法[3]
60年代初,模拟滤池法在西方国家开始应用,我国无锡中桥水厂于1981年安装了一套模拟滤池系统控制投药。
该方法可对混凝剂量进行在线连续控制。
上作过程是:
将在生产净化系统中加药混合后的原水,引出一部分进入小模型滤池,根据该滤池出水浊度的情况来评价混凝剂投量是否适宜,由控制系统对投药量自动调节。
这属于一种中间参数反馈控制系统。
该方法的模拟性能也是取决于原型(生产系统)与模型(模拟滤池)的相似性。
模拟滤池法关于相似性的解释不仅未涉及几何相似的问题,而且忽略了实际生产系统中反应池、沉淀他的作用,仅仅考虑滤池同药耗的关系,对此还需要更深入的探讨。
另外,原水加药后直至经过模拟滤池而得到结果,一般需要10~15min,在原水水质变化较快的情况下该滞后时间也对控制的有效性提出疑问。
尽管如此,这种方法将一个复杂的混凝效果评价问题以简单的模拟滤池出水浊度作为指标判断,据此来调整混凝剂投量.系统设备简单,易于实现,是一种简易的投药自动控制方案,在生产上也得到了一定程度的应用。
2.4数学模型法
混凝剂的投加量与原水水质和水量有关,可根据水质、水量建立数学模型,写出程序叫计算机执行控制。
由此可见,数学模型法是以若干原水水质、水量参数为变量,建立其与投药量之间的相关函数,即数学模型。
计算机系统自动采集参数数据,并按此模型自动控制投药。
在水处理中最好采用前馈和后馈相结合的控制模型。
前馈数学模型应选择影响混凝效果的主要参数为变量,例如原水浊度、pH值、水温、溶解氧、碱度和水量等。
前馈控制确定一个给出量,然后以沉淀池的出水浊度作为后馈信号来调节前馈给出量。
由前馈给出量和后馈调节量就可获得最佳药剂量。
这种方法国外自70年代初开始有研究和应用,如美国依阿华水厂、前苏联莫斯科水厂、日本朝霞水厂等,我国也有上海石化总厂水厂等应用该方法控制混凝投药。
但是这种控制系统的缺点也是显而易见的。
控制系统仪表较多.并要求每台仪表都能准确可靠地工作,整个系统才能正常运转。
因此。
虽然许多水厂建立丁自己的数学模型,但都未能实现以数学模型法控制投药。
特别是有些模型中包含目前难以自动连续检测的参数(如氨氮等).自动控制系统的实现就更加困难了,故此法至今在生产上难以推广。
2.5流动电流法
2.5.1流动电流法的发展历程
80年代,国际上出现了流动电流投药控制技术,其关键是通过测量流动电流,实现了对水中胶体电荷的在线连续检测。
1989年,流动电流投药自动控制技术被首次介绍到了国内[4]。
1992年,首套国产流动电流混凝控制系统在牡丹江应用成功[5]。
与流动电流技术相配合,还将变频调速技术应用于包括计量泵和离心泵在内的投药泵的调节。
在应用中,流动电流技术得到了不断的改进,发展出了流动电流-浊度串级反馈控制系统、流量-流动电流前馈-反馈控制系统等[6]。
流动电流技术在我国许多水厂获得了较普遍的应用,已被列入我国“城市供水行业2000年技术进步发展规划”,成为水处理混凝控制的主导技术之一[7]。
2.5.2流动电流法的原理[8]
流动电流是固、液界面的重要电动现象之一,最早在毛细管模型的实验中发现。
当液体受一定压力通过1个毛细管或微孔塞时,在液体流动过程中可发生电荷迁移,电荷移动产生的电流称为流动电流;管两端产生的电位差称为流动电位。
根据胶体化学理论,固、液界面上由于固体表面物质的离解或对溶液中离子的吸附,会导致固体表面某种电荷的过剩,并使附近液相中形成反电荷离子的不均匀分布,从而构成固、液界面的双电层结构。
当有外力作用时,双电层结构受到扰动,在其反离子层中的吸附层与扩散层之间出现相对位移,在位移界面—滑动面上显现出的电位,即ζ电位。
由于固、液两相分别带有电性相反的过剩电荷,在外力作用下会产生电动现象之一的流动电流,即在外力作用下液体相对于固体表面流动,使扩散层与吸附层之间产生位移,形成反电荷离子定向移动而产生电流。
流动电流的检测是通过流动电流检测仪来完成。
被测水样以一定的流速进入检测室,在检测室内有一活塞,作垂直往复运动。
活塞和检测室内壁之间的狭小缝隙构成环形毛细管空间。
当活塞在电机带动下做往复运动时,就象柱塞泵使水样在毛细管内做相应的往复运动。
水样中的微粒会附着于活塞与检测室内壁的表面,形成一个微粒“膜”,环形毛细管中的水流带动微粒“膜”的扩散层作反离子运动,从而产生流动电流。
流动电流经检测室两端的环形电极收集后,送给后继信号处理装置。
2.5.3单因子自动投药控制系统
由以上理论可知,只需检测并控制与胶体ζ电位正相关的流动电流这一反映混凝本质的单因子。
所谓单因子是指将影响混凝效果的几种主要因素,都反映在流动电流这一混凝本质参数上,只要测定和控制流动电流这一因子,就可实现准确控制混凝剂的投加量。
流动电流控制技术抓住了水中胶体的微观电特性,解决了影响水处理效果的主要矛盾。
控制效果比传统“多因子数学模型法”更准确、可靠。
其控制系统主要由远程传感器、微class="wordstyle">电脑测控仪和变频调速装置3部分组成。
由于全厂PLC联网,控制信号都进入PLC后,由其输出至就地设备。
传感器利用流动电流原理,在传感器的检测室内,水样连续通过2个电极之间的毛细管通路,胶体杂质会吸附于毛细管壁,其反离子层受到水力剪切发生移动产生流动电流,由电极检出。
它与水中胶体ζ电位正相关,准确反映胶体的脱稳程度,电子电路和微电脑利用该信号可准确控制混凝剂投量。
控制器对传感器产生的信号进行整流、滤波、放大,使之成为能反映水中微电荷特性的参数,该参数产生控制投药量的4~20mA信号至PLC。
变频调速控制系统根据PLC的输出信号,对投药泵实行变频调节,变频投药泵采用往复式计量泵调节转速,达到调节加药量的目的。
混凝过程中影响混凝效果的因素很多,存在许多干扰。
单因子自动投药控制系统具有克服各种干扰的调节能力,当工况波动时,流动电流值发生波动偏离给定值,干扰越大偏离越大。
因此,该系统以流动电流的实测值与控制目标值之差为控制参数。
加药混合后的水样经现场传感器检测,测出与水中胶体ζ电位正相关的流动电流,当设定沉淀池出水浊度目标值后,该系统能自动确定水中胶体电荷被中和的最佳值,仪器据此就可全自动地确定混凝剂投量。
该系统能迅速反映水质、水量、浓度等各项表观参数的综合影响,实现混凝剂的精确投加。
图四为单因子自动投药控制系统的组成。
图四单因子自动投药控制系统
2.5.4流动电流法的缺点
流动电流技术是基于胶体电中和脱稳为主的混凝控制技术,若混凝作用非以电中和脱稳为主而是以高分子(尤其是非离子型或阴离子型絮凝剂)以吸附架桥为主,则投药量与流动电流就很少相关。
例如黄河高浊度水和某些污染较严重的水质。
2.6透光率脉动法
透光率脉动法是利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化(包括颗粒尺寸和数量)从而达到在线连续控制的一种新技术。
絮凝脉动检测技术成功地解决了流动电流法不能解决的问题。
该技术测量水中杂质絮凝过程中尺寸的相对变化,检测过程不受水中杂质玷污的影响。
我国将国外尚处于实验室研究阶段的该项技术进行了应用开发,并于1992年首次成功地应用于黄河高浊度水的投药控制[9]。
3.展望
同任何技术一样,混凝投药控制技术也在不断地进步。
近年来,流动电流和絮凝脉动检测技术在日臻完善,已经形成了系列化产品,并在大中型水厂得到了广泛的应用。
最近,又有应用水下摄影和计算机处理技术进行投药控制的研究报导[10]。
随着水质在线检测仪表的发展、完善与普及,水厂自动化系统的进步,新一代数学模型、模糊控制等方式也将出现。
可以预计,水处理投药控制技术将出现更加丰富、完善的局面,这将促进水处理系统自动化、现代化水平的提高,为生产安全饮用水提供可靠的技术保证。
【参考文献】
[1]张启海.城市给水工程.中国建筑工业出版社.2003。
[2]严煦世.给水工程(第四版).中国建筑工业出版社.1999。
[3].崔福义、彭永臻.给水排水工程仪表与控制.中国建筑工业出版社.1999。
[4]崔福义.混凝剂投加的优化自动控制—检测器法的试验研究.给水排水,No.3,1989。
[5]崔福义、曲久辉、李虹、李圭白.国产流动电流投药控制系统的基本性能与应用评价.给水排水,No.8,1994。
[6]崔福义、李圭白著.流动电流及其在混凝控制中的应用.黑龙江科技出版社,1995。
[7]汪光焘主编.城市供水行业2000年技术进步发展规划.中国建筑工业出版社,1993。
[8]周晓东、张阿卜.单因子自动投药控制系统在水净化站中的应用.电力建设.第25卷,第9期,2004。
[9]于水利、李圭白、孙景浩.高浊度水絮凝投药自控系统生产试验.中国给水排水,1996,12。
[10]杨凯人.显示式絮凝控制系统(FCD)在水厂的应用.中国给水排水,2000。
本文来自:
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4949494
水处理工艺中常用自动加药系统
摘要:
文中介绍了水处理工艺中常用的9种自动加药系统及其控制原理,重点介绍了污水处理中污泥调理用流量比例自动加药系统、污泥浓度计复合控制自动加药系统和游动电流仪复合控制自动加药系统的控制原理、方法及优缺点
关键词:
自动加药系统,复合控制,游动电流仪,流量比例,最佳混凝效果最佳投加药量
一、概述
水处理工程的大部分工艺是根据原水性质及处理对象投放各种药剂或菌类,经过化学、生化反应或物理(机械)作用去除有害物质,使出水质量达到国家相关标准或满足工艺要求。
因此,自动加药系统是水处理工程专用控制系统中最基本的组成环节,其中尤以酸碱中和过程pH控制、曝气过程溶解氧(DO)控制、电导率(μs/ms)控制、絮凝剂投入量控制、余氯控制以及锅炉或冷却循环水添加阻垢—缓蚀剂智能控制等最具典型意义。
一个性能优异的自动化系统决不是检测仪表与自动化工具的简单组合,而必须深谙工艺机理,掌握过程静、动态特性,方能缜合出简单可靠、高性能、低成本的自动化测控系统。
目前大量在用的水处理工程自动化系统,多采用可编程控制器(PLC),很多操作属于开关(on-off)控制,很少研究分析工艺过程的静态特性和动态特性,因此,研究水处理典型工艺过程的测控装置,有针对性地提高治理设施的效率,节省运行费用,是环保测控技术装备产业中极具发展前景的新型产品。
目前水处理加药装置及其自控装置专用测控系统分为两大类:
第一类根据不同的工艺流程特点选用下列常用控制模式的组合:
调频控制控制器输出脉冲频率与偏差成正比,常用于脉冲式计量泵的控制;
脉宽调制控制器输出脉冲宽度与偏差成正比,常用于电磁阀或泵类的控制;
反馈控制常规PID控制,执行机构多为调节阀、变频调速器以及由4—20mA外接信号控制的计量泵等;
扰动调节(或前馈控制)通常将前馈和反馈回路叠加构成复合控制系统,以期获得较高的动态品质。
其二,设计非标系统:
拟人控制模仿人工操作的思维方式,根据测量值与设定值之间的偏差及系统的动、静态特性设计控制规律,可以避免常规控制导致的超调现象。
适用于纯滞后过长的工艺对象。
增量试探法寻优控制适用于添加药剂昂贵、排放指标允许在小范围内波动的水处理工程,可望使工艺过程运行在经济技术指标最佳点附近。
二、水处理工艺常用自动加药系统
1、流量比例自动加药系统
流量比例自动加药系统是针对国内水处理工艺设备急需的配套技术而研发的简单实用、性能稳定的低成本自动加药系统,目前已大量用于水处理工程中。
该系统可根据被处理水量的大小按一定比例自动投加药剂,是水处理工艺过程最基本的操作,絮凝过程采用流量比例式自动加药系统可以获得恰到好处的药剂投加量,以保障絮凝过程运行在经济技术指标比较合理的工况。
流量比例自动加药系统由以下仪器设备组成:
流量传感器或流量信号发生器、比例自动控制器和执行机构。
流量信号发生器的输出信号经比例自动控制器处理后,按照选定的控制模式及设定数值操作执行机构(计量泵或电磁阀),使得药剂的投料量与被处理水量相适应。
根据工程项目的具体要求选择不同类型的仪器设备:
对于总体水平要求较高的工程项目,流量测量选用过程仪表中的流量变送器和控制器(必要时配置记录仪表),执行机构选用进口计量泵;对于小型污水处理装置则选用廉价的流量信号发生器和简易型比例控制器,执行机构选用电磁阀,构成特殊设计的低成本自动加药系统。
当需要水质参数直接参与控制时,可以构成以单项水质为目标的复合控制系统。
例如,余氯控制系统即属于此类控制系统。
但该系统有如下不足:
1)不能适应水质性质和环境因素的变化(如污泥固体含量、PH值、环境温度等);2)对加药装置本体要求较高(如配药浓度、计量泵精度等)3)不能适应两种药品同时投加。
该系统强调的是加药条件,需要通过严格控制加药条件来达到加药效果。
2、酸碱中和过程pH控制系统
根据S.I.(饱和指数)来了解水质的腐蚀性倾向,再以酸或碱来控制偏向于微酸性或微碱性,并配合药品的特性、浓缩倍数,达到水质稳定的控制。
早期因药品对PH反应较为敏感,PH控制不稳定或PH起伏过大,将使药品的效果打折扣。
一般使用PH自动控制装置于冷却循环系统时,均以上下限为控制方法,或使用手动方式来添加。
设计PH控制器有一组以上的PH感应棒,并以直接比例式及上下限控制警示,根据所设定PH值比例控制酸碱添加量。
3、锅炉给水、冷却塔循环水电导率控制自动加药系统
(1)普及型锅炉给水、冷却塔循环水自动加药系统
(2)阻垢-缓蚀剂自动投加智能控制系统
控制原理:
以循环水体中含有的适量药剂浓度为控制目标,由专用分析仪实时测试,输出信号(4—20mA)直接接入主控机,按照测量值与设定值的偏差改变脉冲计量泵的动作频率;水池内药剂浓度以电导率为间接观测参数,最适宜值为补充水电导率的浓缩倍数(M),通过控制排污量和补充水来保持;超声波液位计用以保持水池水量在要求的范围内。
腐蚀程度测试仪用来观测、估计管路内壁锈蚀程度,浊度传感器用以监测循环水中由其他干扰因素引起SS增加,以便及时采取措施。
测控参数的各个数据可经企业内部局域网或公共通讯网(电话线)随时传输至远端监控中心的上位机。
4、氧化还原值(ORP)控制自动加药系统
该系统用来在冷却循环水系统、废水处理、加氯-除氯等工艺流程中控制氧化还原电位。
5、余氯自动控制系统
某水处理工程施加的药剂为次氯酸钠,要求出水余氯含量≯0.1mg/m3。
控制系统设计意图体现为:
投加次氯酸钠的脉冲计量泵的动作频率受来自两个方向的控制:
一是根据原水流量进行比例控制。
当原水流量变化时,流量变送器(或流量信号发生器)随即响应,控制器按照设定的加药比例自动改变脉冲频率,使得加药量始终跟踪原水流量的变化,从而保持余氯含量达标;二是根据在线式余氯分析仪实时监测的数值进行的反馈控制。
当原水的水质超出设计范围或出现不可预计干扰因素时,加药量与原水流量之间的比例关系已不复存在,须由余氯分析仪的输出信号实时修正脉冲计量泵的动作频率,最终仍能保持水体中的残留氯浓度不超过允许范围。
6、二氧化氯发生器自动加药系统
给水系统、冷却水系统的环境温度、湿度是最适合微生物或藻类的生长,若没有适当的控制则会增加腐蚀率,堵塞管道。
二氧化氯发生器自动加药系统控制装置,是直接检测氧化还原电位差及PH值,再根据所设定残余量,计算实际的二氧化氯添加量。
控制方法为直接比例式调整添加量,无论是连续添加或断续添加均可控制残余量在±0.1ppm,并且有多项保护及警示功能。
7、增量试探法寻优加药系统
这是一种能克服水处理工艺过程非线性和纯滞后对水质控制指标影响的寻优控制系统,该系统可预测被控水质参数的变化趋势,避免运行点越过设定值(极值点或拐点)走向反面,从而保证了工艺过程运行在期望值附近。
8、污泥浓度计复合控制自动加药系统
大量的试验表明:
每一个污泥浓度化学调节都有一个最佳投药量,在这个投药量下,所对应的污泥泥饼的含水率最低,即污泥的脱水率最高,污泥脱水性能最好,化学调节(絮凝)的效果最好。
不同的污泥浓度对应的最佳加药量不同,在低浓度范围内(固体含量大约<4%),污泥浓度的变化对最佳加药量的影响尤为显著,而这个浓度范围也正是绝大多数污水处理中的实际污泥浓度变化范围。
目前,一般的污泥脱水系统中加药量的计算基本上是由实验用药量加上一定的保险系数来确定一个固定的加药量,这个加药量一般都能保证在脱水过程中基本不跑泥,但这样实际上浪费了不必要的絮凝剂,此外,在超过实际需要的药量较多时,还会对滤饼从滤带上剥离造成一定的困难。
经过深入的试验研究得出最佳加药量与污泥浓度和污泥流量存在着一定的关系,这也就是控制系统的数学模型。
控制系统的流程如下:
电磁流量计检测污泥流量并通过4-20mA电流信号传送给加药控制器,污泥浓度计检测污泥浓度也通过4-20mA电流信号传送给加药控制器,加药控制器根据设定控制模型计算出加药流量以4-20mA电流信号传送给变频调速器控制加药定量泵的转速来调节加药量到最佳值。
但不同种类的污泥化学性能不同,其化学调节所需的加药量可能不同,所以,对于不同的应用工程,还需要根据工艺性能调整加药控制器的设定以控制最佳加药量。
实验和工程调试和运转的数据表明,采用污泥浓度计复合控制自动加药系统可以节约加药量约15%。
9、游动电流仪复合控制自动加药系统
城市污水处理中的污泥调理的药剂消耗量与污泥性质、消化程度、固体浓度、环境温度等因素有很大的关系,不同性质的污泥和采用不同的脱水方法以及采用不同的调理药剂品种等与所需调理药剂的用量有很大差异,目前国内外确定污泥调理剂种类及投加量,多数是在现场或通过实验室直接试验确定的,但不能适应污泥性质及环境因素的变化,往往是采用增量试探法寻优加药的加药方法。
但混凝过程要求药品投加量尽可能的恰到好处,过多或过少对混凝效果均为不利。
并且污泥处理的运行费用主要集中在药剂耗量上(占90%以上费用),因此,正确选用药品种类、精确确定药品的投加量来达到最佳的调理效果和经济的处理费用就显得非常重要。
从过程控制的观点出发,要求由直接检测絮凝效果的传感器及相应的仪表构成闭环控制系统,目前主要应用游动电流仪完成检测任务,其输出控制信号与流量比例投料系统组成复合控制系统。
系统的副环为水流量变送器或流量计的输出信号经调节单元按照设定的比例自动控制絮凝剂的投料量,流动电流输出控制信号作为流量调节单元的外设定值,抑或改变加料泵的冲程。
目前工程中应用游动电流仪污泥加药自动控制装置通过下种方式进行自动控制:
通过流动电流仪确定一个流动电流值作为设定值,控制系统根据测出的流动电流与设定的流动电流范围值作为控制参数来控制调理药剂的投加量或不同药剂最佳比例组合来取得最佳的混凝效果,并且通过在线流动电流仪发出的4~20mA信号反馈给加药泵来控制投药量(并可配备记录仪,记录当天的加药量)。
确定的流动电流设定值是通过试验得出的最佳值,最佳投药量的确定及系统地对流动电流仪进行技术调试,采用逐步趋近法,找出最小投加量时最佳混凝效果。
方法是通过人工控制计量泵的投加量,记录相应的参数,给出曲线,找出最佳投加量时的测量值作为设定值I,然后再通过人工控制调节和记录,
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