南軍 李圭白

　　摘　要：水的混凝（絮凝）投藥自動控制對提高水處理效果及經濟運行都具有重要意義。透光率脈動檢測技術的檢測值R能反映出水中絮凝體尺寸，從而可以作為混凝（絮凝）程度的一個指標來控制投藥。本文對常規濁度原水條件下的透光率脈動混凝投藥自控系統設定值的主要影響因素進行了分析，著重研究原水濁度變化的影響。首次提出以投藥反應后2min左右處的透光率脈動檢測值R₂與原水檢測值R²₁的比值_α作為自控系統的控制參數，并對其可行性進行了分析論證。
　　關鍵詞：透光率脈動；混凝投藥控制；設定值

Research on Contributing Factors Which affect the Set Point of Coagulant Dosage Auto Control System of Fluctuation of Transmitted Light Detecting
Nan Jun Li Guibai

　　Abstract The automatic control of coagulant (flocculent) dosage is of great significance for improving the treatment process and economic operation. The R value of monitoring the fluctuation of transmitted of random variations can be regarded as an index of coagulation (flocculation) degree to control dosage, due to its relation to the floc size. This article analyzed the contributing factors which affect the set point of coagulant dosage auto control system of fluctuation of transmitted light detecting in the field of general turbidity water treatment, lay stress on the changing of the turbidity of raw water. First brought a new scheme forward that is to build up the auto control system by theα value (α =R₂ value detected at about 2 min in flocculating process/R12 detected in raw water), and studied the feasibility of this scheme.
　　Keywords fluctuation of transmitted light; coagulant dosage control; set point

0．引言

　　對于一個給定的原水量，透光率脈動混凝投藥自控系統不能直接由測定到的R值確定適宜的混凝劑投加量，這是處理工藝、原水狀況、所用藥劑、藥品投加點和其他因素的函數。一個特定系統最佳的混凝劑投加量應通過其它傳統方法來建立，然后將檢測值R作為一個工具用于在變化的處理工況下維持此投加效果。根據相關性理論，特定工藝條件下投藥后水樣的檢測值R與沉后水濁度是單一對應的。而按對沉淀水的濁度要求，就可選定一個特定的檢測值R作為控制系統的設定值，控制系統調節投藥量，使實測值接近設定值，就保證了投藥混凝的效果。因而設定值是后反饋控制系統的基本參數，是控制參數的目標值，即檢測值R的目標值。調控參數與設定值的偏離程度是評價控制系統的指標之一，而控制效果的好壞還取決于設定值的選取是否合理可靠。因而本文對實際應用中影響系統設定值的主要因素進行分析并提出相應的解決辦法，為透光率脈動混凝投藥自控技術的進一步推廣應用提供參考。

1．影響因素分析　

　　應用實踐證明，以檢測值R為因子進行投藥量控制，按一定的設定值運行是能夠滿足生產使用要求的，但一些相關因素的影響也不可忽略。對設定值的影響可分為兩個方面：第一個方面是對透光率脈動檢測值R直接發生影響，設定值自然也要作相應變化。第二個方面是對混凝沉淀過程直接發生影響。這類因素的變化改變了混凝及沉淀狀況，也就應該變設定值。一般多數影響因素都同時具有上述兩個方面的影響。隨條件不同，可能某一方面的作用更突出一些。
　　綜合理論與實踐經驗，對設定值起主要影響的因素是：原水的濁度、溫度、PH值、有機物種類與含量，處理系統的水量負荷等。其中水溫是隨時間過程延續的漸變過程，一般沒有大的波動；水量負荷的影響在臨界負荷之內是不明顯的，不會對控制系統的正常運行產生大的干擾；PH值、水中有機物種類與含量等只是對混凝效果有影響，同各種因素對需藥量的影響程度相比，這些因素對設定值的影響是較小的、次要的，對處理效果（沉淀水濁度）的影響是可以接受的。
　　而原水濁度的變化相對較為頻繁且無規律，在流動電流混凝投藥自控系統及高濁度原水透光率脈動絮凝投藥自控系統中，原水濁度在幾百度的變化范圍內，系統設定值的變化幅度不是很大，改變設定值所需的間隔周期較長。因此可以通過由檢測沉淀水濁度修正系統設定值的方法來保證控制效果。與此不同的是在常規濁度原水條件下，原水濁度很小的變化，就會對透光率脈動混凝投藥自控系統的設定值造成很大的影響，單靠沉淀水濁度來調節設定值已不能滿足生產要求，要通過其它方法來解決。所以本文下面主要詳細探討常規濁度水原水濁度變化對系統設定值的影響。

2．原水濁度變化對系統設定值的影響

　　造成濁度的主要原因是水中存在許多懸浮物和大小不一的膠體顆粒，它們都能夠散射光線，水樣中的懸浮物與膠體顆粒越多，散射越亮，反之水樣越清，散射越暗。原水濁度升高時，水中顆粒數量增多。
　　從透光率脈動檢測值R在顆粒粒徑單一的均相懸浮液條件下推導出的公式R=VR/V=(NL/A)^0.5C^[1]（其中N為單位水樣體積內的顆粒數目；C為單個顆粒散射截面積；L/A為與透光率脈動傳感器有關的常數）中我們可以看出R值與水中顆粒數目濃度的平方根成正比，與顆粒的光散射截面成正比。
　　因而加藥凝聚后，原水濁度較高的水樣中比濁度較低的水樣中的顆粒數量濃度大，即使反應池檢測水樣中絮凝體的凝聚程度相同，粒徑相同，檢測值R也會隨著原水濁度的升高而升高，即透光率脈動混凝投藥自控系統的設定值有隨著原水濁度升高而增加的趨勢。　　圖1為不同原水濁度條件下R值與沉淀水濁度的相關曲線。由圖1中可以看出，在某一特定原水濁度條件下檢測值R與沉淀水濁度的關系遵從其中一條相應曲線所確定的規律；另一濁度條件下，其關系將遵從另一特定曲線的規律。在圖1的試驗曲線族上，取某一沉淀水濁度值作水平線與各曲線相交，各點處的R值與相應的原水濁度就構成一對數據；將各對數據點繪于方格坐標圖中（圖2）就形成原水濁度與透光率脈動混凝投藥測控系統設定值R之間的關系曲線。
　　從圖2可以看出，在常規濁度水范圍透光率脈動控制系統設定值是隨著原水濁度的升高而升高的。原水濁度升高100NTU左右，而系統設定值卻要提高一倍甚至一倍以上，設定值改變的幅度很大。
　　另一方面，從混凝沉淀的角度，原水濁度的升高，會加劇沉淀池的負荷，降低絮凝體的沉速。要達到相同的沉淀池出水濁度，就要加大投藥量，增大絮凝體尺度，這也會使設定值隨濁度升高而增加。因而在常規濁度水質條件下，原水濁度對透光率脈動混凝投藥控制系統設定值的影響不可忽視，應采取相應的措施予以解決。

3．優化方案

　　由前面所述可知，在常規濁度原水水質條件下，透光率脈動混凝投藥控制系統的設定值受原水濁度變化的影響較大。現行應用的解決方法是采用串級控制系統，即通過沉后水濁度值來修正透光率脈動控制器的設定值R，以力求抵消原水濁度變化的影響。但是當原水濁度發生變化的同時，系統的透光率脈動設定值并沒有改變，需待處理水流過沉淀池出口，由濁度計檢測到沉淀水濁度變化，濁度控制回路才開始調節透光率脈動控制回路的設定值R。而設定值R在一個調節周期內完全調回正確值大概需要120分鐘左右。在這段時間內沉淀池出水濁度可能會有大于濁度給定值90%范圍以上的波動，這在實際生產工藝中是不允許的。
　　因此，有必要采取其它方法以解決原水濁度對透光率脈動設定值的影響。在試驗中觀察發現，在相同沉淀水濁度情況下，用反應時間為2min出的水樣R值與原水檢測值R的平方相除，得到的值在不同原水濁度條件下差別很小。
　　設原水的透光率脈動檢測值為R₁，反應時間2min處的水樣檢測值為R₂，經R₁、R₂運算后的值為_α。
　　　　則α=R₂/R₁²　　 （1）
　　可以設想以α值作為透光率脈動混凝投藥控制系統的控制參數，系統根據α值調節加藥量的大小，系統的設定值則由α值與沉淀水濁度之間的相關曲線來求得。下面我們就對利用α值進行常規濁度凈水廠混凝投藥自動控制的可行性進行研究。
3.1 α值與混凝劑投加量的關系
　　透光率脈動α值能作為混凝劑投量控制參數的一個最基本前提是對混凝劑投量的改變有相應的響應，因此對不同濁度原水的α值與混凝劑投加量之間的關系進行了測定（表1）。由表1可繪出α值與投藥量的關系曲線，如圖3所示：

表1

原水濁度（NTU）

原水R₁值

加藥量（mg/L）

反應時間2min處水樣R₂值

α值{α=R₂/R²₁}

沉淀水濁度（NTU）

45

0.53

5

1.06

3.77

7.0

10

1.60

5.70

5.2

15

2.01

7.16

3.5

140

0.73

5

1.14

2.14

10.3

10

2.10

3.94

6.5

15

3.62

6.79

4.7

250

1.08

5

1.75

1.50

30.0

10

3.80

3.26

8.1

15

6.82

5.85

5.1

440

1.42

10

3.52

1.75

31.0

15

4.84

2.40

9.5

20

7.56

3.75

6.7

　　通過觀察上述圖表，我們可以看出α值對混凝劑量的改變有相應的響應。在不同的原水濁度條件下，隨著混凝劑投量的增大，α直皆表現為單值遞增，且各曲線的規律相似。因而α值作為透光率脈動混凝投藥自控系統中混凝劑投量控制參數的基本條件是成立的。
3.2 α值與沉淀水濁度的相關性
　　為了驗證當α值作為透光率脈動混凝投藥自控系統的控制參數時，原水濁度變化對系統設定值的影響可以忽略。本文利用表1的數據，在同一張圖上標出不同的原水濁度條件下、不同投藥量的α值及相對應的沉淀水濁度各數據點，作α值與沉淀水濁度的相關曲線，如圖4所示。
　　圖4為按冪函數模式對數據進行回歸，得出回歸方程y=37.812x^-12033 ，曲線相關指數r =0.9315。
　　為了更清楚起見，進行坐標變換，對圖4的數據以lgy---lgx作圖（y代表沉淀水濁度；x代表α值），得到明顯的線性關系（圖5）。以相關系數r值描述相關程度：

_{r=Lxy/[(Lxx.Lyy)^0.5]} （2）

　　其中， 　　　　（3）

　　進行相關分析，得出線性回歸公式為y=-1.2055x+1.5797，對應的相關系數│r│=0.9312＞r^*=0.708（r^*為顯著性水平在1%時的臨界值）。這說明該線性方程式有意義的，在α值與沉淀水濁度之間是存在相關性的。即選定一個沉淀池出水濁度要求值，就對應著某個α值，且該α值的大小并不隨原水濁度的變化而改變。因此，可以以α值作為透光率脈動混凝投藥控制系統的控制目標，即給定值。通過調節投藥量維持α值在給定值附近不變，就能保持沉淀池出水濁度的合格與穩定。
　　圖4不同原水濁度α值與沉淀水濁度相關曲線 圖5 不同原水濁度α值與沉淀水濁度相關曲線

4．結論

　　在常規濁度水透光率脈動混凝投藥自控系統中，一般以R值作為系統的控制參數。但此時原水濁度的變化對系統設定值的影響較大，單靠沉淀池出水濁度反饋調節設定值已不能滿足生產要求。因而本文采用α值（α=反應時間2min左右處的檢測值R₂/原水檢測值R²₁）來取代檢測值R作為混凝投藥的控制參數。而前述α值與混凝工藝相關性的研究為以α值為因子控制混凝投藥提供了依據。
　　在常規濁度水處理過程中，在混凝劑量改變的同時，必伴隨水中絮凝體粒徑的變化，該變化可以通過透光率脈動檢測值R來描述^[3]。而作為與反應池水樣檢測值R₂成正比關系的α值自然也同樣能反映出絮體粒徑變化的過程。因而，可建立透光率脈動混凝投藥新的控制工藝流程，其控制原理如圖6所示。

　　該串級系統以沉后水濁度作為系統的主控參數，值為副參數。以透光率脈動控制器的輸出信號為投藥裝置的動作控制信號，透光率脈動控制器的設定值由濁度控制器的輸出給定，而透光率脈動控制器的檢測值即為α值。系統對原水水質、水量負荷、藥液濃度等的變化擾動主要依靠透光率脈動控制器的輸出來克服，而少量的二次干擾由濁度控制回路通過自動調節α設定值徹底消除。
　　生產運行過程中，各種水質、水量、藥液特性的變化都反映在α值的變化上。以原水水量的變化為例，在t時刻，原水水量為Q，混凝藥劑的流量為q，透光率脈動控制器檢測值為α₀，等于設定值；在t+△t時刻，原水流量增加△Q，若投藥量未變，則單位水體濁質獲得的混凝劑量由q/Q降為q/(Q+△Q)。顯然水中絮體的尺度要減少，即反應池透光率脈動檢測值R₂降低，而此時原水的R₁值保持不變，這就表現為代表R₂/ R₁的α值降低到_α1，偏離設定值_α0。水量的變化表現為檢測值α的變化，為維持混凝程度不變，就要增加混凝劑流量。由透光率脈動控制器指示執行機構，增加△q值，使之與△Q的影響相抵消，穩定檢測值等于設定值α₀不變。因此，實際僅需α一個因子就可實現混凝投藥控制。但是沉淀池內非水質因素的變化擾動、透光率脈動檢測器取樣流速的變化擾動、控制器零點的漂移等可能導致控制效果偏離的一些次要影響因素也不應忽視。因此用沉后水濁度對控制工況進行適度調節也是必要的。
　　利用α值檢測控制混凝投藥，由于透光率脈動技術的光透射式的特點，即檢測儀器與被測定液體不發生直接接觸，使得多種復雜水質的顆粒聚集狀態變化過程的檢測成為可能，因而適用于多種水質的檢測，在水處理的混凝（絮凝）投藥控制領域無疑有非常廣闊的應用前景。

參考文獻

　　1. 李星 .懸浮液透光率脈動檢測技術與應用研究：[博士學位論文].哈爾濱：哈爾濱建筑大學圖書館，1995
　　2. 李燕城主編 .水處理實驗技術. 北京：中國建筑工業出版社，1989
　　3. Gregory, J. A Simple Particle Monitor for Low-turbidity Waters, AWWA Water Quality Technology Conference. (1988).