新型透光率脉动混凝投药自动控制系统的研究

孙连鹏¹　　李圭白²
(1 同济大学 博土后流动站；2 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院)

　　摘　要： 透光率脉动检测技术以透过流动悬浮液的光强度的脉动状态反映悬浊液中盹颗粒聚集状态和变化情况，其检测值可以作为反应混凝效果的指标来控制混凝剂的投加，在水处理的混凝剂投加自动控制方面得到了一定的应用，但对于常规浊度水，现行的控制系统和引水式管型传感器仍存在着—些不完善的方面。对此，一种新型的淹没式传感器和反应器被引入到控制系统中，研究表明；新型的淹没式传感器具有良好的控制性能，可以替代引水式管型传感器，同时淹没式传感器与反应器相配合可以解决现行系统在常规浊度水应用中的问题，使透光率脉动检测技术更加完善。
　　关键词：混凝：自动控制：淹没式传感器：透光率脉动检测技术

Research on New Automatic Control System of Coagulate
Dosage of Fluctuation of Transmitted Light Detected
SUN Lianpeng　　LI Guibai

　　Abstract: The fluctuation of transmitted light can reflect the state of particle aggregation and chaning through the fluctuating state of the transmitted light intensity, and the detected value can be used as an controlling index of coagulate dosage. The technique has been widely used in the coagulate dosage in water treatment, but there are still some incomplete aspects in the general waters for the present control system and the tubal sensor. A new submersed sensor and different mode reactor are introduced to control system. The researches have showed that the new submersed sensor is of good control performance, and can instead of the tubal sensor. The new sensor and reactors can resolve the problem of the present system in general waters, and make the technique more perfect.
　　Key Words: coagulation；automatic conlxol；submersed seasor；fluctuation of transmitted light detected

0 前言

　　透光率脉动检测技术是由Gregory等人在1984年提出的一种新型的颗粒检测方法，它通过检测透过流动悬浊液的光强度的脉动状态，反映水样中形成的絮凝体的尺寸与生长情况，具有检测参数少、灵敏度高等特点^[1]。该项技术在80年代后期进入我国后，得到了广泛深入的研究，在许多领域中得到了应用，尤其在水处理混凝剂投加自动控制系统中更是取得了较大的成功。李圭白等人将其成功的应用到高浊度水的混凝剂投加系统中，并取得了较好的效果，可以说透光率脉动检测技术在高浊度水处理中的应用是该项技术最为成功的生产应用^[2,3]。而后该项技术在常规浊度水、矿井水、油田含油污水、超低浊度水以及水中病原微生物检测方面都取锝了一定的成果^[4～8]。

1 管式引水型传感器的局限性

　　尽管透光率脉动检测技术在高浊度水处理的应用中取得了较大的成功，但在常规浊度水等水质的应用中仍存在着许多不完善的方面，使其自动控制效果受到一定的影响，其主要表现在以下几个方面：
　　(1) 由于水样具有一定的沉积特性，长期运行后容易在取样管中发生堵塞或部分堵塞现象，致使取样流量不稳定，检测值波动大，影响了控制效果。
　　(2) 引水式管型传感器采用取样管取样，无论是采用重力式还是采用泵取样方式，都增加了水样中絮凝粒子破碎的可能性，影响了检测的准确性。
　　(3) 对于常规浊度水等水质需要几分钟甚至十几分钟的絮凝时间才可以形成相当尺寸的絮凝体，因此，系统表现出相对较大的统滞后时间。
　　(4) 在澄清池等水处理工艺中无法检测到具有一定尺寸的代表性的絮凝粒子颗粒，因此，该项技术无法应用于澄清池中。

2 反应器和淹没式传感器的设计

　　2.1反应器的设计
　　针对引水式管型传感器存在的无法应用于澄清池等问题，可以将宏观上混合均匀的水样直接引入到一个特殊的装置一反应器中，模拟水样在澄清池中的絮凝过程，为传感器的检测提供依据。由于水样中没有大颗粒的絮凝体存在，不会引起取样管的堵塞，同时可以根据需要改变反应器的反应强度等参数，加速混凝过程，缩短滞后时间。
　　由于水样在反应器中形成一定尺寸的絮凝粒子，具有一定的沉降性，为了保证系统的稳定性、可靠性，提高系统的自动化程度，需在反应器中设置相应的排泥装置。对此，设计了具有自动排泥设施的反应器，见图1所示。
　　从图中可以看出，反应器由两块环形挡板分为三个反应室，进水孔设在反应器最下端的反应室。水样经过第三反应室进入第二和第一反应室，由于机械搅拌的作用，水样在这里可以形成一定尺寸的絮凝体颗粒。然后从第一反应室侧壁的出水孔流过传感器进行检测。在反应器中还设置了一个机械排泥装置，该装置由一个低速电机带动一个螺旋杆件，螺旋杆件不断的将沉淀在积泥槽中的沉淀物提升至上端排出，从而实现了排泥的自动化。在大量的试验与生产试验中，该反应器都表现出了良好的性能，在反应器中形成的矾花，通过肉眼即可清晰的看到，而且经过长时间的运行，反应器的积泥槽中只有少量的积泥，大部分的沉淀泥渣都由掉泥装置排出。
　　2.2淹没式传感器的设计
　　为了解决引水式管型传感器存在的管路堵塞等问题，设计了一种不采用取样管取样，可以直接安装在反应池中进行检测的淹没式传感器，有望解决取样管堵塞和絮凝粒于破砰等问题。图2和图3为引水式管型传感器和新型淹没式传感器的构造示意图。淹没式传感器以检测孔替代了取样管，消除了取样管路的堵塞问题，同时，可以将传感器直接放入反应池中，在一定程度上减少了纯滞后时间，更加有利于自动控制。

3 生产应用

3.1 水厂简介
　　四川某水厂以长江水作为水源。该水厂有两组机械搅拌澄清池，日处理水量为9.6万m3，其中6.0万m3作为生产用水（要求处理浊度在20NTU以下），另外3.6万m3水经过过滤、消毒后作为生活用水（要求处理浊度在3NTU以下），混凝剂为聚合硫酸铁（为了增加混凝剂混凝效果，在每1kg混凝剂内投加0.010kg高分子化合物HCA（二甲基二烯丙基季胺盐阳离子高分子化合物）。
3.2 控制系统配置
　　为了保证出厂水的水质，降低药耗，该厂引进了FP—4000型透光率麦冬单因子混凝投药自动控制系统，其工艺流程见图4，系统具体配置如下：
　　1) 新型淹没式透光宰脉动传感器，该传感器直接安装在反应器的出水口处，以利连续在线检测。
　　2) 美国HACH公司生产的1720C型在线式清水浊度仪，量程范围为0～100NTU。
　　3) 北京精密单因子科技有限公司制造的FP 4000犁透光率脉动测控仪，其中包控制器和透光率脉动混凝控制器。
　　4) 美国米顿罗公司(MiltonRoy)的GB--60型隔膜计量泵，流量为0-810L／h，变频器调节频率来改变加药量。
　　5) 北京精密单因子科技有限公司生产的DYZ--6型多功能变频调速控制柜。
　　6) 采用图1所示的具有自动排泥功能的反应器。

3.3 系统的控制性能分析
　　(1)对水量变化的调节能力
　　水厂在正常工况条件下，每日的水量均有大幅度的改变，在原有的投药条件下，依靠工人的经验对混凝剂的投量手动做出改变，出水水质的可靠性较低，药耗较大。图5表明了水量变化时自动控制系统的调节能力。

　　从图中可以看出：当水量发生变化后，透光率脉动检测值亦会随之发生相应的改变，使得混凝剂投加量也随之改变，保证出水水质不会有大幅度的改变。虽然透光率脉动控制系统具有一定的纯滞后时间，但由于时间相对较短<本控制系统的滞后时间是5分钟)，同时，澄清池的泥渣层内有大量的活性泥渣存在，对冲击负荷具有一定的抗干扰能力，因此，水质不会出现瞬间的波动，沉后水浊度基本稳定，系统体现了良好的调节能力。
　　(2)人为改变混凝设定值
　　调试过程中人为改变混凝设定值(从54.5增加到56.5)以观测系统的调节能力(为了减小其它因素的影响，将浊度控制器设定为手动状态，以避免系统根据沉后水浊度对混凝设定值进行调节)，所得的结果见图6。
　　由图6中可知，人为增加混凝设定值后，计量泵的频率在瞬间增大，而后在系统的调节下逐渐变化以至达到一个稳定的运行值：透光率脉动检测值开始发生较大的改变，然后在控制系统的调节下，在两个调节周期后基本稳定在设定值附近；一个小时后沉后水浊度发生改变(源水在澄清池中的停留时间约为50分钟)，从15NTU逐渐稳定在12.5NTU附近。可见改变混凝设定值后系统可以快速的达到另一个稳定状态。
　　此外，该系统对浊度设定值的人工改变、药液浓度的人工改变等都可以很好的调节。
3.4 经济效益评价
　　为了评价系统的经济效益，我们在冬季与夏季对两组澄清池分别作了混凝剂药耗统计对比试验，结果见表1。从表中可以看出，自动控制系统较人工控制系统具有较好的经济效益。

表１ 项目 时间 冬季 夏季 人工控制药耗(rog／L) 8.5 13.2 自动控制药耗(rog／L) 7.6 12.1 节药率(％) 10.6 8.3

4 淹没式透光率脉动检测技术的发展

4.1 控制系统的局限性
　　大量的研究表明对于不同原水浊度的水样透光率脉动检测值与沉后水浊度之间并不存在一一对应的关系”^[9]。因此，在控制系统中，当原水浊度发生大幅度改变后，系统的设定值必须随之发生相应的变化，否则在一定的时间之后，沉后水浊度会发生不利的变化。四川某地的自控系统中也表现了这一现象：在夏季的洪水期，当原水浊度发生大幅度变化时，有时需进行人工干预，对设定值进行人工调节，以防止控制系统不能及时的对药量作出调节，影响出水水质。
4.2 控制系统的改进方案
　　从大量的试验中发现，对于相同的沉后水浊度，一定的反应时间下的检测值与原水检测值的差与原水检测值的二分之三次方的比值，在不同原水浊度下相差较小。定义该比值为β值，则以β值替代R值作为控制系统的控制参数可以消除原水浊度大幅度变化对系统设定值的影响，这已经在许多实验中得到了验证[9]。对此设计了图7所示的以β值为控制参数的透光率脉动混凝投药前馈一串级控制系统

　　从图7中可以看出，新的控制系统以淹没式传感器替代引水式管型传感器，解决了取样流量不稳定等现象，同时以β值替代R值作为控制参数，解决了原水浊度对系统设定值的不利影响，因此，新系统具有更广泛的适用性，可更好的应用于各种水质的混凝剂投加控制中。
4.3 淹没式透光率脉动检测技术在其他领域的应用
　　由于透光率脉动检测技术具有的免清洗、灵敏度高等特点，以及淹没式传感器具有的不需取样管，直接检测等优点，使新型的透光率脉动混凝投药控制系统可以在以下几个方面得到应用：
　　(1) 在污泥调理研究中的应用。实验研究表明，透光率脉动检测值与污泥脱水特性有良好的相关性，可以灵敏的反映出污泥调理和脱水过程中，污泥絮凝体颗粒粒径的变化情况，可以作为反映污泥调理和脱水性能的一个快速、筒单的连续在线检测方法。
　　(2) 在直接过滤中的应用。新型的透光率脉动检测技术可以应用于直接过滤工艺中，检测微小絮凝体的生长情况，控制絮凝剂的投加量。
　　新型透光率脉动检测技术独有的特点使其具有更大的应用潜力，随着应用与研究的进一步深入，该项技术有望在更多的领域内得到广泛的应用，

参考文献
　　[1]J.Gregory,D.W.Nelson.A New Optical Method for Flocculation Monitoring[R]. In Soild-Liquid Separation. Horwood. Chichester.1984：172-18Z
　　[2]李圭白.高浊度水透光率脉动单因子絮凝投药控制方法研究[J].给水排水.1992,18(6)：4～7.
　　[3]于水利，李圭白.高浊度水絮凝投药自控系统模型试验研究[J].给水排水.1994,20(7)：11～15.
　　[4]李孟，南军，熊云．透光串脉动检测技术在长江水中的应用[J]．哈尔滨建筑大学学报，1999,32(2)：43--46．
　　[5]常忠海．透光率脉动检测技术在矿井水处理中的应用研究[D]．哈尔滨：哈尔滨建筑大学，1999.
　　[6]孙连鹏，李星，张永吉．透光率脉动检测技术在含油污水处理中的应用研究．2001全国工业用水与废水处理技术交流会论文
集[C]．西安：工业用水与废水编辑部，2001．40～5．
　　[7]杨艳玲．透光脉动检测技术在低浊度水中的应用研究[D]．哈尔滨：哈尔滨建筑大学,1997．
　　[8]李盂，李圭白.透光率脉动法检测水中病原檄生物数量的研究[J]．环境科学与技术。1999,(3)：41～43．
　　[9]孙连鹏．透光率脉动混凝投药控制系统的应用研究及系统优化[D]．哈尔滨工业大学，2001．

---

作者简介：
　　孙连鹏 (1973-)，同济大学博士后，e-mail：sunlianpeng@sina.com