孫連鵬¹　　李圭白²
(1 同濟(jì)大學(xué) 博土后流動(dòng)站；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院)

　　摘　要： 透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)以透過流動(dòng)懸浮液的光強(qiáng)度的脈動(dòng)狀態(tài)反映懸濁液中盹顆粒聚集狀態(tài)和變化情況，其檢測值可以作為反應(yīng)混凝效果的指標(biāo)來控制混凝劑的投加，在水處理的混凝劑投加自動(dòng)控制方面得到了一定的應(yīng)用，但對于常規(guī)濁度水，現(xiàn)行的控制系統(tǒng)和引水式管型傳感器仍存在著—些不完善的方面。對此，一種新型的淹沒式傳感器和反應(yīng)器被引入到控制系統(tǒng)中，研究表明；新型的淹沒式傳感器具有良好的控制性能，可以替代引水式管型傳感器，同時(shí)淹沒式傳感器與反應(yīng)器相配合可以解決現(xiàn)行系統(tǒng)在常規(guī)濁度水應(yīng)用中的問題，使透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)更加完善。
　　關(guān)鍵詞：混凝：自動(dòng)控制：淹沒式傳感器：透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)

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

　　透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)是由Gregory等人在1984年提出的一種新型的顆粒檢測方法，它通過檢測透過流動(dòng)懸濁液的光強(qiáng)度的脈動(dòng)狀態(tài)，反映水樣中形成的絮凝體的尺寸與生長情況，具有檢測參數(shù)少、靈敏度高等特點(diǎn)^[1]。該項(xiàng)技術(shù)在80年代后期進(jìn)入我國后，得到了廣泛深入的研究，在許多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，尤其在水處理混凝劑投加自動(dòng)控制系統(tǒng)中更是取得了較大的成功。李圭白等人將其成功的應(yīng)用到高濁度水的混凝劑投加系統(tǒng)中，并取得了較好的效果，可以說透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)在高濁度水處理中的應(yīng)用是該項(xiàng)技術(shù)最為成功的生產(chǎn)應(yīng)用^[2,3]。而后該項(xiàng)技術(shù)在常規(guī)濁度水、礦井水、油田含油污水、超低濁度水以及水中病原微生物檢測方面都取锝了一定的成果^[4～8]。

1 管式引水型傳感器的局限性

　　盡管透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)在高濁度水處理的應(yīng)用中取得了較大的成功，但在常規(guī)濁度水等水質(zhì)的應(yīng)用中仍存在著許多不完善的方面，使其自動(dòng)控制效果受到一定的影響，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　(1) 由于水樣具有一定的沉積特性，長期運(yùn)行后容易在取樣管中發(fā)生堵塞或部分堵塞現(xiàn)象，致使取樣流量不穩(wěn)定，檢測值波動(dòng)大，影響了控制效果。
　　(2) 引水式管型傳感器采用取樣管取樣，無論是采用重力式還是采用泵取樣方式，都增加了水樣中絮凝粒子破碎的可能性，影響了檢測的準(zhǔn)確性。
　　(3) 對于常規(guī)濁度水等水質(zhì)需要幾分鐘甚至十幾分鐘的絮凝時(shí)間才可以形成相當(dāng)尺寸的絮凝體，因此，系統(tǒng)表現(xiàn)出相對較大的統(tǒng)滯后時(shí)間。
　　(4) 在澄清池等水處理工藝中無法檢測到具有一定尺寸的代表性的絮凝粒子顆粒，因此，該項(xiàng)技術(shù)無法應(yīng)用于澄清池中。

2 反應(yīng)器和淹沒式傳感器的設(shè)計(jì)

　　2.1反應(yīng)器的設(shè)計(jì)
　　針對引水式管型傳感器存在的無法應(yīng)用于澄清池等問題，可以將宏觀上混合均勻的水樣直接引入到一個(gè)特殊的裝置一反應(yīng)器中，模擬水樣在澄清池中的絮凝過程，為傳感器的檢測提供依據(jù)。由于水樣中沒有大顆粒的絮凝體存在，不會(huì)引起取樣管的堵塞，同時(shí)可以根據(jù)需要改變反應(yīng)器的反應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)，加速混凝過程，縮短滯后時(shí)間。
　　由于水樣在反應(yīng)器中形成一定尺寸的絮凝粒子，具有一定的沉降性，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，需在反應(yīng)器中設(shè)置相應(yīng)的排泥裝置。對此，設(shè)計(jì)了具有自動(dòng)排泥設(shè)施的反應(yīng)器，見圖1所示。
　　從圖中可以看出，反應(yīng)器由兩塊環(huán)形擋板分為三個(gè)反應(yīng)室，進(jìn)水孔設(shè)在反應(yīng)器最下端的反應(yīng)室。水樣經(jīng)過第三反應(yīng)室進(jìn)入第二和第一反應(yīng)室，由于機(jī)械攪拌的作用，水樣在這里可以形成一定尺寸的絮凝體顆粒。然后從第一反應(yīng)室側(cè)壁的出水孔流過傳感器進(jìn)行檢測。在反應(yīng)器中還設(shè)置了一個(gè)機(jī)械排泥裝置，該裝置由一個(gè)低速電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)螺旋桿件，螺旋桿件不斷的將沉淀在積泥槽中的沉淀物提升至上端排出，從而實(shí)現(xiàn)了排泥的自動(dòng)化。在大量的試驗(yàn)與生產(chǎn)試驗(yàn)中，該反應(yīng)器都表現(xiàn)出了良好的性能，在反應(yīng)器中形成的礬花，通過肉眼即可清晰的看到，而且經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，反應(yīng)器的積泥槽中只有少量的積泥，大部分的沉淀泥渣都由掉泥裝置排出。
　　2.2淹沒式傳感器的設(shè)計(jì)
　　為了解決引水式管型傳感器存在的管路堵塞等問題，設(shè)計(jì)了一種不采用取樣管取樣，可以直接安裝在反應(yīng)池中進(jìn)行檢測的淹沒式傳感器，有望解決取樣管堵塞和絮凝粒于破砰等問題。圖2和圖3為引水式管型傳感器和新型淹沒式傳感器的構(gòu)造示意圖。淹沒式傳感器以檢測孔替代了取樣管，消除了取樣管路的堵塞問題，同時(shí)，可以將傳感器直接放入反應(yīng)池中，在一定程度上減少了純滯后時(shí)間，更加有利于自動(dòng)控制。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

3.1 水廠簡介
　　四川某水廠以長江水作為水源。該水廠有兩組機(jī)械攪拌澄清池，日處理水量為9.6萬m3，其中6.0萬m3作為生產(chǎn)用水（要求處理濁度在20NTU以下），另外3.6萬m3水經(jīng)過過濾、消毒后作為生活用水（要求處理濁度在3NTU以下），混凝劑為聚合硫酸鐵（為了增加混凝劑混凝效果，在每1kg混凝劑內(nèi)投加0.010kg高分子化合物HCA（二甲基二烯丙基季胺鹽陽離子高分子化合物）。
3.2 控制系統(tǒng)配置
　　為了保證出廠水的水質(zhì)，降低藥耗，該廠引進(jìn)了FP—4000型透光率麥冬單因子混凝投藥自動(dòng)控制系統(tǒng)，其工藝流程見圖4，系統(tǒng)具體配置如下：
　　1) 新型淹沒式透光宰脈動(dòng)傳感器，該傳感器直接安裝在反應(yīng)器的出水口處，以利連續(xù)在線檢測。
　　2) 美國HACH公司生產(chǎn)的1720C型在線式清水濁度儀，量程范圍為0～100NTU。
　　3) 北京精密單因子科技有限公司制造的FP 4000犁透光率脈動(dòng)測控儀，其中包控制器和透光率脈動(dòng)混凝控制器。
　　4) 美國米頓羅公司(MiltonRoy)的GB--60型隔膜計(jì)量泵，流量為0-810L／h，變頻器調(diào)節(jié)頻率來改變加藥量。
　　5) 北京精密單因子科技有限公司生產(chǎn)的DYZ--6型多功能變頻調(diào)速控制柜。
　　6) 采用圖1所示的具有自動(dòng)排泥功能的反應(yīng)器。

3.3 系統(tǒng)的控制性能分析
　　(1)對水量變化的調(diào)節(jié)能力
　　水廠在正常工況條件下，每日的水量均有大幅度的改變，在原有的投藥條件下，依靠工人的經(jīng)驗(yàn)對混凝劑的投量手動(dòng)做出改變，出水水質(zhì)的可靠性較低，藥耗較大。圖5表明了水量變化時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。

　　從圖中可以看出：當(dāng)水量發(fā)生變化后，透光率脈動(dòng)檢測值亦會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的改變，使得混凝劑投加量也隨之改變，保證出水水質(zhì)不會(huì)有大幅度的改變。雖然透光率脈動(dòng)控制系統(tǒng)具有一定的純滯后時(shí)間，但由于時(shí)間相對較短<本控制系統(tǒng)的滯后時(shí)間是5分鐘)，同時(shí)，澄清池的泥渣層內(nèi)有大量的活性泥渣存在，對沖擊負(fù)荷具有一定的抗干擾能力，因此，水質(zhì)不會(huì)出現(xiàn)瞬間的波動(dòng)，沉后水濁度基本穩(wěn)定，系統(tǒng)體現(xiàn)了良好的調(diào)節(jié)能力。
　　(2)人為改變混凝設(shè)定值
　　調(diào)試過程中人為改變混凝設(shè)定值(從54.5增加到56.5)以觀測系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力(為了減小其它因素的影響，將濁度控制器設(shè)定為手動(dòng)狀態(tài)，以避免系統(tǒng)根據(jù)沉后水濁度對混凝設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié))，所得的結(jié)果見圖6。
　　由圖6中可知，人為增加混凝設(shè)定值后，計(jì)量泵的頻率在瞬間增大，而后在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下逐漸變化以至達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行值：透光率脈動(dòng)檢測值開始發(fā)生較大的改變，然后在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，在兩個(gè)調(diào)節(jié)周期后基本穩(wěn)定在設(shè)定值附近；一個(gè)小時(shí)后沉后水濁度發(fā)生改變(源水在澄清池中的停留時(shí)間約為50分鐘)，從15NTU逐漸穩(wěn)定在12.5NTU附近?？梢姼淖兓炷O(shè)定值后系統(tǒng)可以快速的達(dá)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。
　　此外，該系統(tǒng)對濁度設(shè)定值的人工改變、藥液濃度的人工改變等都可以很好的調(diào)節(jié)。
3.4 經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)
　　為了評價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，我們在冬季與夏季對兩組澄清池分別作了混凝劑藥耗統(tǒng)計(jì)對比試驗(yàn)，結(jié)果見表1。從表中可以看出，自動(dòng)控制系統(tǒng)較人工控制系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表１ 項(xiàng)目 時(shí)間 冬季 夏季 人工控制藥耗(rog／L) 8.5 13.2 自動(dòng)控制藥耗(rog／L) 7.6 12.1 節(jié)藥率(％) 10.6 8.3

4 淹沒式透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)的發(fā)展

4.1 控制系統(tǒng)的局限性
　　大量的研究表明對于不同原水濁度的水樣透光率脈動(dòng)檢測值與沉后水濁度之間并不存在一一對應(yīng)的關(guān)系”^[9]。因此，在控制系統(tǒng)中，當(dāng)原水濁度發(fā)生大幅度改變后，系統(tǒng)的設(shè)定值必須隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，否則在一定的時(shí)間之后，沉后水濁度會(huì)發(fā)生不利的變化。四川某地的自控系統(tǒng)中也表現(xiàn)了這一現(xiàn)象：在夏季的洪水期，當(dāng)原水濁度發(fā)生大幅度變化時(shí)，有時(shí)需進(jìn)行人工干預(yù)，對設(shè)定值進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，以防止控制系統(tǒng)不能及時(shí)的對藥量作出調(diào)節(jié)，影響出水水質(zhì)。
4.2 控制系統(tǒng)的改進(jìn)方案
　　從大量的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對于相同的沉后水濁度，一定的反應(yīng)時(shí)間下的檢測值與原水檢測值的差與原水檢測值的二分之三次方的比值，在不同原水濁度下相差較小。定義該比值為β值，則以β值替代R值作為控制系統(tǒng)的控制參數(shù)可以消除原水濁度大幅度變化對系統(tǒng)設(shè)定值的影響，這已經(jīng)在許多實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證[9]。對此設(shè)計(jì)了圖7所示的以β值為控制參數(shù)的透光率脈動(dòng)混凝投藥前饋一串級(jí)控制系統(tǒng)

　　從圖7中可以看出，新的控制系統(tǒng)以淹沒式傳感器替代引水式管型傳感器，解決了取樣流量不穩(wěn)定等現(xiàn)象，同時(shí)以β值替代R值作為控制參數(shù)，解決了原水濁度對系統(tǒng)設(shè)定值的不利影響，因此，新系統(tǒng)具有更廣泛的適用性，可更好的應(yīng)用于各種水質(zhì)的混凝劑投加控制中。
4.3 淹沒式透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
　　由于透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)具有的免清洗、靈敏度高等特點(diǎn)，以及淹沒式傳感器具有的不需取樣管，直接檢測等優(yōu)點(diǎn)，使新型的透光率脈動(dòng)混凝投藥控制系統(tǒng)可以在以下幾個(gè)方面得到應(yīng)用：
　　(1) 在污泥調(diào)理研究中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)研究表明，透光率脈動(dòng)檢測值與污泥脫水特性有良好的相關(guān)性，可以靈敏的反映出污泥調(diào)理和脫水過程中，污泥絮凝體顆粒粒徑的變化情況，可以作為反映污泥調(diào)理和脫水性能的一個(gè)快速、筒單的連續(xù)在線檢測方法。
　　(2) 在直接過濾中的應(yīng)用。新型的透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)可以應(yīng)用于直接過濾工藝中，檢測微小絮凝體的生長情況，控制絮凝劑的投加量。
　　新型透光率脈動(dòng)檢測技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)使其具有更大的應(yīng)用潛力，隨著應(yīng)用與研究的進(jìn)一步深入，該項(xiàng)技術(shù)有望在更多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，

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作者簡介：
　　孫連鵬 (1973-)，同濟(jì)大學(xué)博士后，e-mail：sunlianpeng@sina.com