孫連鵬¹　　李圭白²
(1 同濟大學 博土后流動站；2 哈爾濱工業大學 市政環境工程學院)

　　摘　要： 透光率脈動檢測技術以透過流動懸浮液的光強度的脈動狀態反映懸濁液中盹顆粒聚集狀態和變化情況，其檢測值可以作為反應混凝效果的指標來控制混凝劑的投加，在水處理的混凝劑投加自動控制方面得到了一定的應用，但對于常規濁度水，現行的控制系統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器被引入到控制系統中，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，同時淹沒式傳感器與反應器相配合可以解決現行系統在常規濁度水應用中的問題，使透光率脈動檢測技術更加完善。
　　關鍵詞：混凝：自動控制：淹沒式傳感器：透光率脈動檢測技術

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

　　透光率脈動檢測技術是由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懸濁液的光強度的脈動狀態，反映水樣中形成的絮凝體的尺寸與生長情況，具有檢測參數少、靈敏度高等特點^[1]。該項技術在80年代后期進入我國后，得到了廣泛深入的研究，在許多領域中得到了應用，尤其在水處理混凝劑投加自動控制系統中更是取得了較大的成功。李圭白等人將其成功的應用到高濁度水的混凝劑投加系統中，并取得了較好的效果，可以說透光率脈動檢測技術在高濁度水處理中的應用是該項技術最為成功的生產應用^[2,3]。而后該項技術在常規濁度水、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

　　盡管透光率脈動檢測技術在高濁度水處理的應用中取得了較大的成功，但在常規濁度水等水質的應用中仍存在著許多不完善的方面，使其自動控制效果受到一定的影響，其主要表現在以下幾個方面：
　　(1) 由于水樣具有一定的沉積特性，長期運行后容易在取樣管中發生堵塞或部分堵塞現象，致使取樣流量不穩定，檢測值波動大，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，影響了檢測的準確性。
　　(3) 對于常規濁度水等水質需要幾分鐘甚至十幾分鐘的絮凝時間才可以形成相當尺寸的絮凝體，因此，系統表現出相對較大的統滯后時間。
　　(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，該項技術無法應用于澄清池中。

2 反應器和淹沒式傳感器的設計

　　2.1反應器的設計
　　針對引水式管型傳感器存在的無法應用于澄清池等問題，可以將宏觀上混合均勻的水樣直接引入到一個特殊的裝置一反應器中，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。由于水樣中沒有大顆粒的絮凝體存在，不會引起取樣管的堵塞，同時可以根據需要改變反應器的反應強度等參數，加速混凝過程，縮短滯后時間。
　　由于水樣在反應器中形成一定尺寸的絮凝粒子，具有一定的沉降性，為了保證系統的穩定性、可靠性，提高系統的自動化程度，需在反應器中設置相應的排泥裝置。對此，設計了具有自動排泥設施的反應器，見圖1所示。
　　從圖中可以看出，反應器由兩塊環形擋板分為三個反應室，進水孔設在反應器最下端的反應室。水樣經過第三反應室進入第二和第一反應室，由于機械攪拌的作用，水樣在這里可以形成一定尺寸的絮凝體顆粒。然后從第一反應室側壁的出水孔流過傳感器進行檢測。在反應器中還設置了一個機械排泥裝置，該裝置由一個低速電機帶動一個螺旋桿件，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，從而實現了排泥的自動化。在大量的試驗與生產試驗中，該反應器都表現出了良好的性能，在反應器中形成的礬花，通過肉眼即可清晰的看到，而且經過長時間的運行，反應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淹沒式傳感器的設計
　　為了解決引水式管型傳感器存在的管路堵塞等問題，設計了一種不采用取樣管取樣，可以直接安裝在反應池中進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，可以將傳感器直接放入反應池中，在一定程度上減少了純滯后時間，更加有利于自動控制。

3 生產應用

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作為生產用水（要求處理濁度在20NTU以下），另外3.6萬m3水經過過濾、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 控制系統配置
　　為了保證出廠水的水質，降低藥耗，該廠引進了FP—4000型透光率麥冬單因子混凝投藥自動控制系統，其工藝流程見圖4，系統具體配置如下：
　　1) 新型淹沒式透光宰脈動傳感器，該傳感器直接安裝在反應器的出水口處，以利連續在線檢測。
　　2) 美國HACH公司生產的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犁透光率脈動測控儀，其中包控制器和透光率脈動混凝控制器。
　　4) 美國米頓羅公司(MiltonRoy)的GB--60型隔膜計量泵，流量為0-810L／h，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。
　　6) 采用圖1所示的具有自動排泥功能的反應器。

3.3 系統的控制性能分析
　　(1)對水量變化的調節能力
　　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，依靠工人的經驗對混凝劑的投量手動做出改變，出水水質的可靠性較低，藥耗較大。圖5表明了水量變化時自動控制系統的調節能力。

　　從圖中可以看出：當水量發生變化后，透光率脈動檢測值亦會隨之發生相應的改變，使得混凝劑投加量也隨之改變，保證出水水質不會有大幅度的改變。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)，同時，澄清池的泥渣層內有大量的活性泥渣存在，對沖擊負荷具有一定的抗干擾能力，因此，水質不會出現瞬間的波動，沉后水濁度基本穩定，系統體現了良好的調節能力。
　　(2)人為改變混凝設定值
　　調試過程中人為改變混凝設定值(從54.5增加到56.5)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。
　　由圖6中可知，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；一個小時后沉后水濁度發生改變(源水在澄清池中的停留時間約為50分鐘)，從15NTU逐漸穩定在12.5NTU附近?？梢姼淖兓炷O定值后系統可以快速的達到另一個穩定狀態。
　　此外，該系統對濁度設定值的人工改變、藥液濃度的人工改變等都可以很好的調節。
3.4 經濟效益評價
　　為了評價系統的經濟效益，我們在冬季與夏季對兩組澄清池分別作了混凝劑藥耗統計對比試驗，結果見表1。從表中可以看出，自動控制系統較人工控制系統具有較好的經濟效益。

表１ 項目 時間 冬季 夏季 人工控制藥耗(rog／L) 8.5 13.2 自動控制藥耗(rog／L) 7.6 12.1 節藥率(％) 10.6 8.3

4 淹沒式透光率脈動檢測技術的發展

4.1 控制系統的局限性
　　大量的研究表明對于不同原水濁度的水樣透光率脈動檢測值與沉后水濁度之間并不存在一一對應的關系”^[9]。因此，在控制系統中，當原水濁度發生大幅度改變后，系統的設定值必須隨之發生相應的變化，否則在一定的時間之后，沉后水濁度會發生不利的變化。四川某地的自控系統中也表現了這一現象：在夏季的洪水期，當原水濁度發生大幅度變化時，有時需進行人工干預，對設定值進行人工調節，以防止控制系統不能及時的對藥量作出調節，影響出水水質。
4.2 控制系統的改進方案
　　從大量的試驗中發現，對于相同的沉后水濁度，一定的反應時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值作為控制系統的控制參數可以消除原水濁度大幅度變化對系統設定值的影響，這已經在許多實驗中得到了驗證[9]。對此設計了圖7所示的以β值為控制參數的透光率脈動混凝投藥前饋一串級控制系統

　　從圖7中可以看出，新的控制系統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定等現象，同時以β值替代R值作為控制參數，解決了原水濁度對系統設定值的不利影響，因此，新系統具有更廣泛的適用性，可更好的應用于各種水質的混凝劑投加控制中。
4.3 淹沒式透光率脈動檢測技術在其他領域的應用
　　由于透光率脈動檢測技術具有的免清洗、靈敏度高等特點，以及淹沒式傳感器具有的不需取樣管，直接檢測等優點，使新型的透光率脈動混凝投藥控制系統可以在以下幾個方面得到應用：
　　(1) 在污泥調理研究中的應用。實驗研究表明，透光率脈動檢測值與污泥脫水特性有良好的相關性，可以靈敏的反映出污泥調理和脫水過程中，污泥絮凝體顆粒粒徑的變化情況，可以作為反映污泥調理和脫水性能的一個快速、筒單的連續在線檢測方法。
　　(2) 在直接過濾中的應用。新型的透光率脈動檢測技術可以應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。
　　新型透光率脈動檢測技術獨有的特點使其具有更大的應用潛力，隨著應用與研究的進一步深入，該項技術有望在更多的領域內得到廣泛的應用，

參考文獻
　　[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.高濁度水透光率脈動單因子絮凝投藥控制方法研究[J].給水排水.1992,18(6)：4～7.
　　[3]于水利，李圭白.高濁度水絮凝投藥自控系統模型試驗研究[J].給水排水.1994,20(7)：11～15.
　　[4]李孟，南軍，熊云．透光串脈動檢測技術在長江水中的應用[J]．哈爾濱建筑大學學報，1999,32(2)：43--46．
　　[5]常忠海．透光率脈動檢測技術在礦井水處理中的應用研究[D]．哈爾濱：哈爾濱建筑大學，1999.
　　[6]孫連鵬，李星，張永吉．透光率脈動檢測技術在含油污水處理中的應用研究．2001全國工業用水與廢水處理技術交流會論文
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　　[7]楊艷玲．透光脈動檢測技術在低濁度水中的應用研究[D]．哈爾濱：哈爾濱建筑大學,1997．
　　[8]李盂，李圭白.透光率脈動法檢測水中病原檄生物數量的研究[J]．環境科學與技術。1999,(3)：41～43．
　　[9]孫連鵬．透光率脈動混凝投藥控制系統的應用研究及系統優化[D]．哈爾濱工業大學，2001．

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