孫連鵬 李星 張永吉 李圭白
（哈爾濱工業大學市政與環境工程學院，黑龍江省，哈爾濱市，150090）

　　摘　要：透光率脈動檢測技術以其檢測參數少、靈敏度高、不受粘污與電子漂移影響等特點，已經在許多不同水質的混凝劑投加自動控制系統中得到了較廣泛的應用，并取得了一定的社會效益和經濟效益。該項技術在含油污水處理的應用研究仍處于發展階段，試驗研究表明，透光率脈動混凝投藥控制系統可以根據水量、水質等參數的變化自動調節投藥量，保證出水水質基本穩定，有望在含油污水處理中得到進一步的應用。
　　關鍵詞：透光率脈動；含油污水處理；檢測技術；工業水處理；混凝

前言

　　在油田開采過程中，一般都有大量地下水隨原油產出，并且隨著采油期的延長，原油含水率越來越高，而且為了提高出油量，現多采用注水開采工藝，這就更增加了含水率。在原油采出后都需經過脫水處理過程，由此產生了大量的含油污水，這些污水的處理已經成了工業水處理中的一個重要課題。
　　含油污水處理原則是回收污水中的原油，使處理后的污水得到循環利用。由于油田含油污水的水質差異較大，處理后污水的用途不同，因此處理工藝差別較大，但在含油污水的處理工藝中，一般都有混凝除油過程。含油污水水質較差，采用常規的檢測與控制方法很難準確的控制混凝劑的投加量，保證出水水質的較高可靠性。
　　透光率脈動檢測技術是一種光學檢測技術，利用透過流過懸浮液的光強度的脈動狀態反映水中絮凝體的尺寸，真檢測值R是混凝效果好壞的直接體現，以檢測值R為控制參數的透光率脈動混凝投藥控制系統已經在民用水處理中得到了較廣泛的應用，并已經取得了較好的經濟效益和社會效益。由于透光率脈動檢測值R是一個比值，真不受器壁沾污、電子漂移等的影響，并且具有透過式的特性，使真具備了許多儀器不可能比擬的優點，將透光率脈動檢測技術應用于含油污水處理中，將有望解決混凝劑投加的自動控制問題。

1 透光率脈動檢測技術應用于含油污水處理中的實驗研究

　　為了確定透光率脈動檢測技術在含油污水中的適用性，選取生產中的含油污水水樣進行試驗研究，試驗裝置如圖1所示。采用混凝杯罐試驗方法，水樣容積為4000ml，攪拌設備為可調節轉速的攪拌器，所用含油污水取自于試驗現場，可代表實際的情況。投加的藥劑為1％濃度的聚合鋁（PAC）。試驗中采用以下的攪拌條件：投藥后以200rpm快攪混和1分鐘，然后以約60rpm慢攪9分鐘，從加藥前至反應完畢的過程均用檢測儀連續檢測，并紀錄于紀錄儀上。

　　圖2所示為絮凝過程的檢測結果，在未投藥時，水中的顆粒粒徑較小，加藥后隨著攪拌的進行，藥劑迅速地分散到水樣中。在初期的快混攪拌階段，絮凝體基本沒有生成，而后隨著攪拌速度的降低，絮凝體逐漸形成，并很快達到較大的尺寸，由于各方面因素的限制，絮凝體尺寸不會持續增加，只能達到一個較大值。透光率脈動檢測值的變化情況準確地反映了這一混凝過程：在混凝初期，檢測值較小，隨著攪拌速度的降低，絮凝體逐漸形成，R值迅速增加，很快達到最大值，然后基本保持不變。可見，透光率脈動檢測值R較好地反映了混凝過程中絮凝體的生長倩況和混凝效果，以R值為控制參數來控制含油污水的混凝劑投加是可行的。

2 生產試驗

2.1 工藝介紹
　　試驗采用一次自然除油，二次混凝除油和石英砂過濾的處理工藝，系統設備示意圖見圖3所示。原水首先在一次沉淀池中進行自然除油，出水經提升泵進入旋流反應器中，在泵前投加混凝劑，混凝劑由提升泵進行快速混臺，在旋流反應器中進行反應，然后進入二次沉淀池。系統在旋流反應器與二次沉淀池之間的管路上取樣，取樣水流量為1L／min，傳感器將檢測信號送至測控儀，在測控儀中對檢測信號進行處理，得到透光率脈動檢測值凡測控儀將檢測值與預先給定的混凝設定值進行比較，通過PID調節來改變控制輸出信號，變頻柜根據該控制信號調節計量泵的頻率，從而改變混凝劑的投加量。由于原水流量、濁度等參數的改變會對系統的混凝設定值造成一定的影響，引起沉后水濁度偏離所要達到的目標濁度值。為了使出水濁度不偏離目標值，在二次沉淀池出水處安裝清水濁度儀，該濁度儀可以在線檢測二次沉淀池的出水濁度，并將檢測信號輸送至測控儀，測控儀可以根據該濁度值與目標濁度值對比自動調節系統的混凝設定值，從而保證二次沉淀池出水濁度穩定在所需的目標濁度（濁度設定值）附近。系統的具體配置如下：
　　（1）北京精密單因子科技有限公司出品的FP—30S型透光率脈動傳感器。
　　（2）美國HACH公司生產的1720C型在線清水濁度議，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型測控儀，其中包括濁度控制器和混凝控制器。
　　（4）美國米頓羅公司（Milton Roy）的GB—40型隔膜計量泵，流量為0－420L/h，可通過變頻器調節頻率來改變加藥量。
　　（5）北京精密單因子科技有限公司生產的DYZ—6型多功能變頻調速控制柜，其中變頻器為日本富上公司的FUJI－E9S。

2.2 透光率脈動控制系統性能評價
2.2.1 系統的靈敏性
　　檢測機構的靈敏性是自動控制系統具有良好控制性能的前提條件，為了評價系統的靈敏性，在調試階段通過改變計量泵的頻率，人工改變混凝劑投加量，同時紀錄透光率脈動檢測值R的變化情況，所得的結果見表1。

表1 系統靈敏性評價表 計量泵頻率（HZ） 10 20 30 40 混凝劑投加量（mg/L) 15 25 35 45 透光率 　 　 　 　

　　從表中可以明顯的看出：系統對混凝劑投加量的變化具有較好的靈敏性，該處理工藝在一般的水質條件下，混凝劑投加是在30－35mg／L左右，系統在此加藥量下具有較好的靈敏性。
2.2.2 透光率脈動控制系統的動態調節性能
　　一個好的控制系統必須具有較好的動態調節性能1，對于透光率脈動混凝劑投加自動控制系統來說，真動態性能主要包括：對水量變化的調節能力、對藥液突變的抵抗和調節能力、對設定值改變的調節能力，現對該系統的各種性能分別做出評價。
　　（1）對水量變化的調節能力
　　在實際的運行過程中，經常會出現水量的波動，如不及時調節投藥量，就可能影響出水水質。在人工投藥條件下，操作工人根據經驗進行調節，經常不能及時調節投藥量或調節精度低，使處理效果受到一定的影響。因此，對水量變化的調節能力是評價該系統控制性能的最重要指標之一。圖4表明了在水量突變時控制系統的調節情況。

　　從圖4中可以看出：當水量發生變化后，透光率脈動檢測值亦隨之發生相應的變化，使得混凝劑投加員也隨之改變，從而保證出水水質相對穩定。雖然透光率脈動控制系統具有一定的純滯后時間，但由于時間相對較短（本控制系統的滯后時間是5分鐘），水質沒有出現較大的波動，由圖可見，沉后水濁度基本穩定，系統體現了良好的調節能力。
　　（2）對藥液濃度改變的調節能力
　　水廠使用的混凝劑是液態的，由生產車間通過管道輸送至水廠的儲藥池內，然后由提升泵提升到溶液地中，并且在溶液池中配制成10％濃度的藥液，配置過程中完全靠人工控制提升泵的開停，因此，配置的藥液濃度經常變化較大。調試過程中，人為地將藥液濃度從10％提高到12％，控制系統的變化情況見圖5。
　　從圖5中可見，在藥液濃度發生改變五分鐘之后，透光率脈動檢測值亦圍繞設定值發生相應的改變，同時計量泵頻率也發生相應的變化，使混凝劑投加量降低，在三個調節周期后（15分鐘）透光率脈動檢測值恢復穩定，系統已經成功地消除了藥液濃度變化帶來的影響。此后，沉后水濁度一直保持穩定，可見系統對藥液濃度的突變具有較強的抵抗和調節能力。
　　（3）系統對混凝設定位改變的調節能力調試過程中人為改變混凝設定值（從53.3增加到55.3）以觀測系統的調節能力（為了減小其它因素的影響，將濁度控制器設定為手動狀態，以避免系統根據沉后水濁度對混凝設定值進行調節），所得的結果見圖6。
　　從圖6中可以看出，人為增加混凝設定值后，計量泵的頻率在瞬間增大，而后在系統的調節下逐漸變化以至達到一個穩定的運行值；透光率脈動檢測值在5分鐘后開始發生較大的改變，然后在控制系統的調節下，在兩個調節周期后基本穩定在設定值附近；50分鐘后沉后水濁度發生改變（源水在二次沉淀池中的停留時間約為40分鐘），從16NTU逐漸穩定在13NTU附近。可見改變混凝設定值后系統可以快速的達到另一個穩定狀態。

　　（4）人為改變濁度設定值
　　調試過程中，人為改變濁度設定值（從17NTU變化到12NTU），系統的變化和調節情況見圖7所示。
　　從圖7中可以看出，改變系統的濁度設定值后，計量泵的頻率、混凝設定值都會隨之發生相應的變化，并且在經過兩個周期的調節后基本趨于穩定狀態，同時沉后水濁度亦會隨著混凝劑投加盡的改變而發生變化，在濁度設定值改變的兩個周期（80分鐘）之后，二次沉淀池出水濁度基本與濁度設定值趨于一致，系統表現出了較好的靈敏性和較強的調節能力。
　　通過對本系統的調節性能的評價，可以看出透光率脈動混凝投藥自動控制系統對于各種常見干擾都能夠作出有效的響應，并及時作出調節。一般克服干擾的調節時間不超過15分鐘，沉淀池出水濁度的調節時間不超過2小時，并能夠根據原水水質、水量和運行條件的變化及時調節投藥量，使投藥量保持在最佳的狀態，可以滿足工藝對真調節性能的要求。其良好的調節能力是含油污水處理系統工況穩定的可靠保證，使沉淀后出水濁度的穩定性、合格率都明顯地提高，對保證出水水質起到了良好的作用。

3 經濟效益的評價

　　由于原水水質具有較大的波動性，因此，無法進行完全相同的水質條件下的同步平行對比試驗，對此，采用人工投藥與自動投藥交替運行的方式，即一天人工投藥，一天自動投藥，交替運行。表2表明了生產試驗的結果，其中每組數據均為大量運行結果的平均值。

表2 自動投藥與人工投藥耗藥量對比 運行方式 平均加藥量（mg/L) 含油量（mg/L） 懸浮固體量（mg/L） 進水 出水 去除率（%） 進水 出水 去除率（%） 人工投藥 31.5 89 25 71.9 43.5 13.8 68.3 自動投藥 28.1 91 24 73.6 42.1 13.0 69.1 平均節約率（%） 10.9

　　從上表中可以看出，自動控制系統的處理效果稍好于人工控制方式，但藥劑耗量明顯小于人工控制方式，平均節藥10.9％，可見自動控制系統具有較好的經濟效益。

4 結論

　　含油污水的混凝處理過程中，水量等因素的變化對混凝效果產生較大的影響，在人工控制投藥的條件下，不能及時的調節混凝劑投加量，以保證投藥量最佳。將透光率脈動檢測技術應用于混凝劑投加自動控制系統中，可以根據水質、水量等因素的變化自動調節投藥量，保證沉后水濁度基本穩定。生產試驗表明透光率脈動混凝投藥控制系統具有良好的經濟效益和社會效益。有望在含油污水處理中得到更廣泛的應用。