曲久輝　　　 　李圭白　　　 崔福義
（中科院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京100085） (哈爾濱建筑大學(xué), 哈爾濱15006)

　　文摘：根據(jù)電動(dòng)特性的基本理論原則，研究了水中荷電質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)電流在線檢測(cè)技術(shù)、傳感器特性、設(shè)計(jì)方法及其技術(shù)參數(shù)。探討了以流動(dòng)電流傳感器為核心的高效混凝投藥監(jiān)控系統(tǒng)的整體配置，控制技術(shù)和協(xié)作性能。實(shí)踐證明，此系統(tǒng)反饋及時(shí)，控制精確，是水處理投藥在線監(jiān)控的有效方法之一?！　?br> 　　關(guān)鍵詞：流動(dòng)電流　水處理　混凝投藥　控制系統(tǒng)

Study on Design Principle And Comprehensive Functions of Sole-Factor in-line Auto-Dosing System in Water Coagulation　　
Qu Jiuhui　　　　　
(Eco-Environmental Reaserch Center, Chinese Academy of Sciences)　
Li Guibai　 Cui Fuyi
(Harbin University of Architecture and Engineering)　　　　　　

　　Abstract：Based on the theoritical principle of elctrokinetic characteristics, this paper studies an in-line detection technique of streaming current (SC) for electrol charges in water in SC sensor, its design and technology parameters. The method and functions are investigated for equipment, control technique and coopertion of the coagulant dosage control system by streaming current detector (SCD). It was proved by the practices that the control system could be feedback promptly and control coagulant dosage accurately. The technique is very effective on coagulant dosage control in water treatment. Key 　　　words：Streaming current　 Water treatment　 Coagulant dosage　 Control system.

　　有效的水處理混凝投藥控制方法，可以在實(shí)際最佳投藥量的意義上控制混凝劑投加，從而達(dá)到以最少的藥劑消耗獲得最理想的出水水質(zhì)的效果。但以往的投藥控制方法，如數(shù)學(xué)模型法^[1]、ζ電位法^[2]等，都因存在這樣或那樣的不可靠性，而沒(méi)有形成規(guī)模性的推廣和應(yīng)用。國(guó)際上八十年代發(fā)展起來(lái)的流動(dòng)電流（SC）混凝投藥控制技術(shù)^[3]，克服了以往方法的缺陷，選擇可以在最本質(zhì)意義上表征混凝效果的電動(dòng)特性參數(shù)SC值作為單一監(jiān)控因子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)凝聚劑投加量的精確控制。本文從電動(dòng)特性的理論原則出發(fā)，根據(jù)流動(dòng)電流檢測(cè)器(SCD)的特征方程與相關(guān)數(shù)學(xué)模式^[4,5]，研究SC傳感器(SCS)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上探討以SCD為核心的水處理混凝投藥控制系統(tǒng)的配置與應(yīng)用。

1. SCD的基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 SCD的構(gòu)造原理
　　SCD是系統(tǒng)的核心，構(gòu)造如圖1所示。它是由傳感器、整流放大電路、輸出顯示等部分組成。其中傳感器探頭乃SCD的檢測(cè)中心，主要由套筒、活塞和電極組成?；钊c套筒之間有很窄的狹縫，相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形的毛細(xì)空間。活塞可以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)的水被活塞吸入—擠出，在狹縫中快速流動(dòng)。SCS各部分間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

　　　　　　　　　　　　(1)

　　式中 I—瞬時(shí)流動(dòng)電流值；
　　 　　σ—電荷密度；　
　　　　 g—活塞位移參數(shù)；
　　　　 t—時(shí)間；
　　 　　C—活塞和套筒的周邊之和；
　　　　R₁—套筒內(nèi)徑；
　　　　R₂—活塞內(nèi)徑；
　　　　L—傳動(dòng)連桿的長(zhǎng)度；
　　　　w—電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

　　根據(jù)膠體及表面化學(xué)理論，活塞及套筒表面可以瞬時(shí)吸附水中的特性離子或膠粒，從而在固－液界面形成雙電層結(jié)構(gòu)。水在檢測(cè)室內(nèi)流動(dòng)時(shí)，發(fā)生了雙電層中固定層離子和擴(kuò)散層中反號(hào)離子的相對(duì)位移并產(chǎn)生流動(dòng)電流，然后由套筒兩端的金屬電極響應(yīng)，并經(jīng)一系列信號(hào)處理過(guò)程而輸出。
　　由SCD所檢測(cè)的SC值與z電位在理論和實(shí)際上^[5]都具有良好的線性相關(guān)規(guī)律: 　

　　　　　　　　　　　　　 (2)

　　式中 ^k—探頭表面雙電層厚度。
　　由于ζ電位是最基本的膠體電動(dòng)特性參數(shù)，所以流動(dòng)電流也可以在本質(zhì)上反映加入的凝聚劑對(duì)水中膠體顆粒的作用程度：

　　　　　　　　　　　　　(3)

　　式中
　　　　q—作用于SCS的水中膠體表面電荷總量；
　　　　A—SCS的有效表面積。
　　可見(jiàn)，膠體表面電荷量越高，則SC絕對(duì)值越大。當(dāng)膠粒的負(fù)電荷被加入的混凝劑中和以后，q必然減少, 則SC絕對(duì)值降低。實(shí)驗(yàn)也證明，SC值與膠體電荷量的這種對(duì)應(yīng)關(guān)系十分明確。

1.2 SCD的基本設(shè)計(jì)參數(shù)

　　

　　式(1)明確表示了SCS各主要參數(shù)之間的定量關(guān)系，它是SCS設(shè)計(jì)的基本量值依據(jù)。式中第一項(xiàng)是SC的理想值，第二項(xiàng)則是由于高倍疊加而產(chǎn)生的失真信號(hào)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)使其盡可能地小。一般取L為十倍g, 故第二項(xiàng)可忽略。對(duì)SC檢測(cè)具有影響的主要參數(shù)是套筒、活塞內(nèi)徑、活塞行程和電機(jī)轉(zhuǎn)速，這也是SCS設(shè)計(jì)時(shí)所重點(diǎn)考慮的四個(gè)參數(shù)。在此，SC與活塞和套筒的內(nèi)徑大小之差R₁-R₂具有密切關(guān)系。由(1)式可知，如R₁-R₂太大, 造成套筒和活塞間的狹縫過(guò)寬，使檢測(cè)的SC值太弱, 而縫隙過(guò)小，又將造成二者之間配合過(guò)緊，產(chǎn)生傳動(dòng)障礙。所以，₁與R₂的數(shù)值取決于實(shí)際檢測(cè)對(duì)象的要求。SCD的傳動(dòng)是靠一微型減速電機(jī)，它的轉(zhuǎn)速大小與SC值有密切關(guān)系。按理論計(jì)算，電機(jī)的轉(zhuǎn)速w越高、活塞行程參數(shù)g越大, 則檢測(cè)信號(hào)越強(qiáng)。但受機(jī)械傳動(dòng)性能的限制，實(shí)際設(shè)計(jì)的w和g都不可能太大。一般取w為200-270轉(zhuǎn)/分, g為0.25mm?；钊B桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，則以既能保證使活塞運(yùn)動(dòng)的最低部位置能復(fù)蓋套筒的底端電極，同時(shí)又不至于頂?shù)降撞慷氯麨橐恕?
　　由SCS所檢測(cè)的SC信號(hào)強(qiáng)度非常微弱(大約為10­^-9A), 為獲得一個(gè)穩(wěn)定的可讀SC值, 在電路設(shè)計(jì)時(shí)采取兩級(jí)放大、整流和濾波(如圖2、3所示)處理。因此, 所檢測(cè)到SC值實(shí)際上是一個(gè)相對(duì)或表觀值。這一數(shù)值, 無(wú)絕對(duì)量意義, 從而可以將影響水處理混凝過(guò)程的各種因素綜合為一個(gè)電動(dòng)特性的表征參數(shù), 這便使以SC作為混凝劑投加的控制因子更具有實(shí)際上的可靠性。
1.3 SCD的性能評(píng)價(jià)
1.3.1 檢測(cè)靈敏度
　　SCD能有效發(fā)揮混凝投藥控制系統(tǒng)的中樞機(jī)構(gòu)作用，最基本的條件是它必須能對(duì)水的渾濁度、混凝劑以及二者相對(duì)量的變化具有靈敏響應(yīng)。圖3是上述SCD對(duì)水的渾濁度變化響應(yīng)靈敏度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。渾濁水是用經(jīng)水力篩選的240目松花江底泥配制。可見(jiàn)，SCD對(duì)渾濁度能比較靈敏地檢測(cè)。如當(dāng)水的渾濁度從30升至750度時(shí),SC值由-2.70變?yōu)?3.91。SCD對(duì)混凝劑具有更為靈敏的檢測(cè)能力，如圖4所示，如果使用含固體硫酸鋁2%的溶液(含Al₂(SO₄)3.18H₂O濃度)作為混凝劑，在300度的渾濁水中僅投加10mg/L，SC值即發(fā)生了約0.7mA的變化，繼續(xù)增加藥劑投量，SC值明顯上升。而且，SCD還具有足夠理想的分辨精度, 它可以檢測(cè)低至0.2mg/L的藥量變化。這完全滿足混凝投藥控制精度要求。

1.3.2 檢測(cè)的穩(wěn)定性
　　穩(wěn)定性要求主要是指檢測(cè)值的總體波動(dòng)范圍和單位時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)幅度，不會(huì)影響控制精度。對(duì)上述SCD的穩(wěn)定性的驗(yàn)證結(jié)果表明，它對(duì)變化的水質(zhì)具有十分靈敏的響應(yīng)，而對(duì)穩(wěn)定的水質(zhì)又表現(xiàn)出了良好的平穩(wěn)檢測(cè)性能，檢測(cè)值在5分鐘內(nèi)波動(dòng)幅度小于0.05，平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.3%，其穩(wěn)定性能適于在線監(jiān)控。

2．系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與協(xié)作性能

　　混凝投藥自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)由SCD傳感器(SCS)、控制器(SCC)和變頻調(diào)速系統(tǒng)(FCS)組成。
2.1 SCD特性　　

表1 控制器參數(shù)

參數(shù)符號(hào)

名稱(chēng)

設(shè)置范圍

S

設(shè)定值

根據(jù)需要設(shè)置

O

控制輸出值

0－100%

P

比例帶

0－200%

I

積分時(shí)間

1－3600s

D

微分時(shí)間

0－1200s

　

　　利用上述原理設(shè)計(jì)的SCD，具有遠(yuǎn)程傳遞信號(hào)的功能，一般可以允許最長(zhǎng)通過(guò)300米的雙芯信號(hào)線傳送給控制部分。檢測(cè)水樣從右側(cè)進(jìn)入檢測(cè)室，從底部流出(也可以從左側(cè)流出)，流量一般為3-5L/min。檢測(cè)室可以通過(guò)水樣在其中的高速流動(dòng)，對(duì)探頭進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)清洗。檢測(cè)室外套上部有一溢流孔，當(dāng)水樣流量過(guò)高時(shí)，多余的水從孔中流出以保證正常檢測(cè)。SCS對(duì)水中膠體電荷變化的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)4s。
2.2 SCC特性
　　常規(guī)控制器具有自動(dòng)控制、手動(dòng)鍵盤(pán)控制和人工變頻控制三種工作方式，可對(duì)投藥過(guò)程實(shí)施自動(dòng)控制和半自動(dòng)控制。在自動(dòng)控制的工作狀態(tài)下，系統(tǒng)可對(duì)投藥工況進(jìn)行測(cè)定、判斷，并對(duì)投藥量實(shí)施控制，以適應(yīng)水質(zhì)、水量等因素的變化，保證混凝效果。在控制器的“手動(dòng)控制”狀態(tài)下，利用控制器的增減功能，可手動(dòng)改變投藥量?？刂苾x顯示所測(cè)水樣的SC值，并在自動(dòng)記錄儀上記錄，該值及其變化趨勢(shì)可反映投藥工況，并可作為人工調(diào)節(jié)投藥量的依據(jù)。儀器設(shè)有檢測(cè)值的上、下限報(bào)警提示功能，可作為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制方式的補(bǔ)充手段?？刂破魃线€設(shè)有靈敏度調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，可根據(jù)水質(zhì)及控制精度要求隨時(shí)改變靈敏度大小。同時(shí)，還可通過(guò)工作狀態(tài)顯示，監(jiān)視傳感器的工作狀態(tài)?？刂破鞯膮?shù)設(shè)置如表１所示。

表2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)參數(shù)

參數(shù)名稱(chēng)

規(guī)　 格

備　　 注

電　 源

3相 380V

50Hz

調(diào)頻范圍

0－50HZ

可按用戶要求選定

輸入控制信號(hào)

直流4-20mA

0－10V; 0－-10V

環(huán)境溫度

-10－40℃

環(huán)境濕度

90RH以下

2.3 FCS特性
　　變頻調(diào)速控制系統(tǒng)根據(jù)其所控制的投藥泵和電機(jī)功率配置，可在變頻和工頻狀態(tài)下工作。輸出的電源頻率(水泵電機(jī)的工作頻率)可由輸入的電控信號(hào)控制,也可由變頻柜的“頻率調(diào)節(jié)”人工控制。該系統(tǒng)設(shè)有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)熱、輸出端短路保護(hù)功能和故障指示功能。同時(shí)還設(shè)有故障聲光報(bào)警、頻率超限聲光報(bào)警。其規(guī)格參數(shù)如表２所示。
2.4 監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)作性能

　　投藥控制系統(tǒng)連接如圖5所示。在原水中投加混凝劑并經(jīng)充分混合以后，取少量水樣進(jìn)入SCS。根據(jù)水的渾濁度相對(duì)于藥劑量的變化，從SCS輸出代表當(dāng)前水中膠體電荷狀況的SC值，并通過(guò)信號(hào)線傳送給SCC。SCC在所設(shè)定的工況下，經(jīng)與給定值對(duì)比、判斷后，輸出一個(gè)4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。FCS在接到控制器的指令以后，立即進(jìn)行頻率調(diào)整，使投藥計(jì)量泵處于對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)之下，從而可以向水中投加適量的混凝劑。然后，投加藥劑的水樣又流入SCS，并進(jìn)行投藥量的再調(diào)節(jié)。如此循環(huán)往復(fù)，連續(xù)運(yùn)作。因而SCD投藥控制系統(tǒng)是有機(jī)結(jié)合、協(xié)同作用的部分與整體。

4．應(yīng)用研究

　　以下是將上述系統(tǒng)在MS水廠安裝運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果。

　　該水廠有東西兩套供水系統(tǒng)。試 驗(yàn)期間，兩套系統(tǒng)分別投藥，藥劑使用液體硫酸鋁，藥液由離心式投藥泵加壓送入兩條原水管內(nèi)，經(jīng)過(guò)30米長(zhǎng)的管道混合后，經(jīng)穩(wěn)壓井再次混合，然后分別進(jìn)入兩組反應(yīng)池，投藥系統(tǒng)示意如圖6所示。1#和2#泵供西測(cè)人工投藥系統(tǒng)使用，而自動(dòng)投藥系統(tǒng)的東側(cè)僅有一個(gè)溶液池和一臺(tái)泵(3#)可以使用, 兩套系統(tǒng)均靠轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量藥量。投藥控制系統(tǒng)由SCS、SCC、FCS和自動(dòng)記錄儀、水樣預(yù)處理器和離心泵(額定流量7.2m^3­/h)組成。SCS設(shè)于穩(wěn)壓井附近，加藥后的原水經(jīng)管道混合后，在進(jìn)穩(wěn)壓井前，一部分經(jīng)取樣管至水樣處理器再進(jìn)入傳感器。

表3 自動(dòng)控制與人工控制運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

工況

自動(dòng)控制

人工控制

用藥量(Kg)

65464.75

91582.15

產(chǎn)水量(Km³)

1767.7

1767.7

混凝劑消耗(Kg/Km³)

37.20

51.81

節(jié)藥率(%)

28.20

沉淀水濁度合格率(%)

99.40

82.10

　　表3是連續(xù)一個(gè)月運(yùn)行試驗(yàn)的藥量消耗和出水水質(zhì)對(duì)比。結(jié)果表明，使用該控制系統(tǒng)后，在水質(zhì)變動(dòng)較小時(shí)期，自控投藥系統(tǒng)沉淀水濁度合格率較人工控制投藥系統(tǒng)高出7.3個(gè)百分點(diǎn)；而在水質(zhì)變動(dòng)較大時(shí)期，則高出22.1個(gè)百分點(diǎn)。綜合各種水質(zhì)情況，自動(dòng)投藥系統(tǒng)的沉淀水濁度總合格率為99.4%。比人工投藥高出17.3個(gè)百分點(diǎn)。而且在自動(dòng)投藥的工況之下，水質(zhì)不合格的主要原因也是由于在渾濁度過(guò)高時(shí)，凈化系統(tǒng)超負(fù)荷所致。采用自動(dòng)控制投藥后，在保證水質(zhì)的同時(shí)，使混凝劑的消耗量大大降低。自動(dòng)投藥系統(tǒng)在沉淀水濁度較穩(wěn)定、合格率更高的前提下，在原水水質(zhì)較穩(wěn)定時(shí)節(jié)藥29.2%，在原水水質(zhì)變動(dòng)較大時(shí)期節(jié)藥高達(dá)43.1%，一年內(nèi)平均節(jié)藥28.2%，沉淀水的合格率提高了9.5個(gè)百分點(diǎn)，月平均節(jié)藥費(fèi)用1.66萬(wàn)元。這說(shuō)明，按本文所述方式設(shè)計(jì)的高效水處理混凝投藥自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有良好的連續(xù)運(yùn)行、在線監(jiān)控性能，使用后可明顯降低藥耗、提高水質(zhì)。

5．結(jié)論

　　水中膠體電動(dòng)特性的在線檢測(cè)裝置SCD，可以靈敏準(zhǔn)確地通過(guò)SC變化，表征水的渾濁度相對(duì)于混凝劑投加量的配比關(guān)系，它作為系統(tǒng)的核心，與微電腦控制器、變頻調(diào)速器等工控設(shè)施適配，構(gòu)成高效水處理混凝投藥的自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有連續(xù)在線檢測(cè)、及時(shí)精確控制混凝劑投加量的優(yōu)異功能。適用于城鎮(zhèn)自來(lái)水廠和工業(yè)用水的混凝投藥控制。

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曲久輝簡(jiǎn)歷

　 曲久輝，1957年10月生。工學(xué)博士，研究員，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心副主任，學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，中國(guó)科學(xué)院水問(wèn)題聯(lián)合研究中心副秘書(shū)長(zhǎng)，北京市人民政府專(zhuān)家顧問(wèn)，中國(guó)環(huán)境學(xué)會(huì)理事，國(guó)際水質(zhì)學(xué)會(huì)會(huì)員，日本水環(huán)境學(xué)會(huì)會(huì)員。主要從事水質(zhì)凈化與水污染控制的基本原理與應(yīng)用技術(shù)研究，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文70余篇，發(fā)明專(zhuān)利16項(xiàng)，制定國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，獲省部委科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，其它科技進(jìn)步獎(jiǎng)5項(xiàng)。