——透光脈動顆粒檢測技術(shù)的應(yīng)用

于水利，李星，李圭白
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090）

　　摘要：將進光脈動顆粒檢測裝置用于監(jiān)測和控制混凝過程，結(jié)果表明，檢測值R可以很好地反映一般濁度水混凝過程中懸濁顆粒聚集狀態(tài)的變化情況，與顯微攝影法測得的結(jié)果相吻合。檢測值R與渾液面沉速一樣可作為高濁度水絮凝研究的指標，而R值的檢測較渾液面檢測簡便、快速并可“聯(lián)機”操作。以R值為控制參數(shù)的高濁度水絮凝投藥反饋控制系統(tǒng)的控制精度高、實時性強，控制性能好。
　　關(guān)鍵詞：水處理；懸濁顆粒檢測裝置；懸濁液；監(jiān)測；混凝控制
　　中圖分類號：X832
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009-2455(2001)03-0001-04

An On - Line Monitoring Technique for Transmitted Light Fluctuation in High - Turbidity Water and Its Application（Continued 3）*
——A Theory of Monitoring for Transmitted Light Fluctuating Particles
YU Shui-li，LI Xing，LI Gui-bai
(Sch.of Municipal & Environ.Engin.,Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China)

　　Abstract:A detecting device for transmitted light fluctuation(TLF) particles was used to detect and control coagulation process．The result shows that the readout value，R，well reflects the variation of the gathering status of suspended particles in the coagulation process of the water with normal turbidity，which coincides with the result determined by the use of photomicrography．Like the setting velocity of non-clear interface，the value of R also can be used as an index in researching on the coagulation of high-turbidity water，while the detection of the value of R is easier and faster than the detection of the setting velocity of non-clear interface and can be in-line operated．The feedback control system for flocculent dosing for high-turbidity water using R value as a controlling parameter features high controlling accuracy，strong real-time control and good controlling performance.
　　Key words:water treatment；detecting device for suspended particles；suspension liquid；monitor；coagulation control

前言

　　水處理中混凝的目的是為了使?jié)豳|(zhì)顆粒凝集成粗大、密實的絮凝體，以實現(xiàn)固液分離，所以通過透光脈動懸濁顆粒檢測裝置檢測絮凝體粒徑判定混凝效果的好壞是最直接、最可靠的。尤其是懸濁顆粒檢測裝置可以實現(xiàn)在線連續(xù)測量，故其特別適合用于水處理中混凝過程的在線監(jiān)測和實時控制。
　　本文擬使用研制的透光脈動懸濁顆粒檢測裝置^[1]，對各種原水在不同混凝條件下的混凝過程進行監(jiān)測，考察混凝過程中懸濁顆粒聚集狀態(tài)（懸濁顆粒粒徑）的變化情況。由于該裝置的檢測值R（R=V_R/V）不受取樣管管壁污染及電子元件漂移的影響，所以研究中以R值作為檢測指標。

1 一般濁度水混凝過程的監(jiān)測

　　一般濁度水混凝過程的監(jiān)測是在實驗室進行的，原水是用高嶺土和哈爾濱市自來水按標準方法配制而成的，原水濁度45NTU，水溫12～13.5℃，pH=7.2?；炷齽┯昧蛩徜X，投量12mg/L?；炷龝r先快速攪拌（150r/min，G=106s^-1）5min，然后再慢速攪拌（48r/min，G=23s^-1）25min。用透光脈動懸濁顆粒檢測裝置監(jiān)測的同時，還使用了顯微攝影裝置并行地對混凝過程中絮凝顆粒的平均粒徑進行檢測。圖1是監(jiān)測結(jié)果^[2]。

　　圖1的結(jié)果表明，透光脈動懸濁顆粒檢測裝置和顯微攝影裝置測得的絮凝顆粒的平均粒徑有很好的一致性。隨著混凝的進行，顯微攝影裝置測得的平均粒徑逐漸增大，最后基本穩(wěn)定在220μm左右。相應(yīng)地R值也隨著混凝的進行逐漸增大，最后穩(wěn)定在3.1左右。平均粒徑達到最大值時，R值也達到最大值。但R值的測量卻比顯微攝影法簡便、快捷，同時還可以在線連續(xù)操作。

2 高濁度水絮凝過程監(jiān)控^[3]

2.1 高濁度水絮凝研究
　　高濁度水絮凝研究，過去都是以渾液面沉速為指標進行的，即以清渾水界面沉速代表絮凝體沉速。但是，高濁度水渾液面沉速測定復(fù)雜，特別是當高濁度水含沙量較低時，渾液面模糊不清，準確測定困難。本研究擬用透光脈動懸濁顆粒檢測裝置對高濁度水絮凝過程進行在線監(jiān)測，圖2是監(jiān)測結(jié)果。

　　圖2中，實驗原水含沙量100kg/m³，水溫13.5℃，絮凝劑為聚丙烯酰胺（PAM），投加濃度0.1％（SW/LW），投量7.3mg/L，攪拌采用100r/min的固定速度。
　　圖2中，加藥前R值較小（R₀=0.87V）。加藥后約5s檢測值R即開始增大，之后迅速增大，加藥后約15s達到最大值（R_max=4.6V，R_max是R₀的5倍。達到最大值以后，隨著攪拌的不斷進行，R值越來越小，最后R值基本穩(wěn)定在1.5左右。以上結(jié)果表明，R值對高濁度水中懸濁顆粒聚集狀態(tài)變化的反映是相當靈敏的。為了進一步說明懸濁顆粒檢測裝置對高濁度水絮凝過程在線監(jiān)測的可靠性，對R值與渾液面沉速的相關(guān)性進行考察，結(jié)果如圖3。

　　圖3表明，R值與渾液面沉速具有良好的相關(guān)關(guān)系，特別是當含沙量一定時，其相關(guān)性更好，相關(guān)系數(shù)為0.975－0.998。欲定量地建立R值與渾液面沉速的關(guān)系，需綜合考慮原水含沙量、水溫等因素。

　　圖4是在投藥量不同時（圖4(a)，(b)）和投藥濃度不同時（圖4(c)，(d)），高濁度水絮凝過程中R值的在線檢測情況。
　　圖4中的(a)、(b)是含沙量分別為34kg/m³和9.7kg/m³的高濁度水不同投藥量時，R值的變化情況。圖中隨投藥量增大R值增大，R值清楚地指示出投藥量對高濁度水絮凝程度的影響。圖4中的(c)、(d)是含沙量分別為45.2kg/m³和8.5kg/m³的高濁度水不同投藥濃度時，R值的變化情況。由圖可見，投藥濃度對R值的影響，與含沙量有關(guān)，含沙量高，影響程度增大，這時投藥濃度越小，R值越大；反之，R值越小。當含沙量較小時，投藥濃度對R值的影響程度減弱，只有當投藥濃度很高時，其對R值的影響才較顯著。
　　以上的監(jiān)測結(jié)果與已有的理論和研究成果相吻合，說明懸濁顆粒檢測裝置對高濁度水絮凝過程的在線監(jiān)測是有效、可靠的，R值與渾液面沉速具有良好的相關(guān)關(guān)系，都可以很好地反映高濁度水的絮凝程度，是高濁度水絮凝研究的新的重要指標，而R值的檢測比渾液面沉速的檢測簡便、快速、可在線連續(xù)操作。
2.2 高濁度水絮凝投藥控制
　　高濁度水投藥量自動控制，目前國內(nèi)外研究的思路都是通過建立投藥量的數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型中的各個參數(shù)進行在線檢測，實現(xiàn)投藥量的前饋控制。因此國內(nèi)外長期以來研究的重點始終是圍繞如何建立高精度的數(shù)學(xué)模型及實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型中水質(zhì)參數(shù)的在線連續(xù)檢測。但由于高濁度水的絮凝復(fù)雜，影響因素眾多，甚至有的因素至今尚不清楚，故建立的數(shù)學(xué)模型難以包含全部影響投藥量的因素，使數(shù)學(xué)模型的精度不高。另外數(shù)學(xué)模型法需要檢測的參數(shù)多，檢測儀表數(shù)量大，控制系統(tǒng)組成復(fù)雜，特別是有些水質(zhì)參數(shù)（如含沙量、泥沙顆粒級配等）的在線連續(xù)檢測本身就是有待突破的技術(shù)，故使該研究始終難以取得進展。而懸濁顆粒檢測裝置可以在線連續(xù)檢測絮凝體粒徑大小，并且其檢測值R與渾液面沉速具有良好的相關(guān)關(guān)系，故以該絮凝體粒徑檢測裝置為基礎(chǔ)，建立高濁度水投藥量反饋自動控制系統(tǒng)是可行的。特別是高濁度水絮凝反應(yīng)速度快、時間短（十幾秒或幾十秒），系統(tǒng)反饋控制的時滯小、實時性強，控制性能好。
　　圖5是以懸濁顆粒粒徑檢測為基礎(chǔ)的高濁度水投藥量反饋控制系統(tǒng)工藝圖。

　　圖5中懸濁顆粒檢測裝置在線連續(xù)檢測加藥絮凝反應(yīng)后的高濁度水的R值，并輸入計算機。計算機定時采集信號并與事先設(shè)定的給定值S_R進行比較、判斷，若檢測值R在給定值S_R的一定范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)運行正常；反之，計算機則按一定的控制算法通過執(zhí)行機構(gòu)（閥門或調(diào)頻器）調(diào)整投藥量，直到R在給定值S_R的一定范圍內(nèi)為止。高濁度水投藥量反饋控制系統(tǒng)存在一個“最優(yōu)給定值S_R”，控制系統(tǒng)若按“最優(yōu)給定值S_R”控制，則其既能保證水處理系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運行，藥耗又最少。
　　圖6是該系統(tǒng)實驗室模型實驗的兩次典型實驗結(jié)果記錄。
　　圖6(a)是模型實驗控制系統(tǒng)對水量變化的調(diào)節(jié)情況。系統(tǒng)的最大進水流量 37mL/s，最小流量8mL/s，平均流量21mL/s。實驗時原水含沙量為30kg/m³，水溫11.5℃。圖6(b)是模型實驗控制系統(tǒng)對含沙量變化的調(diào)節(jié)情況。圖中含沙量的最大變化范圍為5－45kg/m³，最小變化范圍為28－33.2kg/m³。實驗時進水流量及其他條件保持不變。

　　圖6中的實驗結(jié)果表明，控制系統(tǒng)對進水流量及原水含沙量的變化響應(yīng)很快，只作一、二次調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)時間2－5min），即可將R值調(diào)節(jié)到給定值（S_R＝3V）的一定范圍（±0.15V）內(nèi)，平均穩(wěn)態(tài)誤差2％－3％。

　　圖7是該系統(tǒng)在濟南市黃河一水廠應(yīng)用期間系統(tǒng)控制過程的一次典型記錄。
　　圖7中最高含沙量為32kg/m³，最低含沙量為12kg/m³，最大變幅為20kg/m³。最大進水流量4350m³/h，最小進水流量3030m³/h，最大變幅為1320m³/h。圖中R值變化曲線隨含沙量、水量的變化雖有波動，但始終可以緊緊跟蹤給定值S_R（S_R=2.5），系統(tǒng)運行很穩(wěn)定，平均穩(wěn)態(tài)誤差為3％，滿足過程控制的誤差要求。并且出水水質(zhì)的合格率始終為100％，較人工投藥節(jié)省藥耗約30％－40％，受到用戶的好評。其意義不僅在于可節(jié)省藥劑費，減少甚至取消現(xiàn)場值班人員，更主要的是由于控制系統(tǒng)能按原水水質(zhì)變化實時地調(diào)整投藥量，使高濁度水投藥量始終處于最佳范圍，從而使出水水質(zhì)有了可靠的保證，能全天候地生產(chǎn)合格水。并且合適的投藥量又不致使出水中殘余藥劑（如丙烯酰胺單體）含量過高，危害健康。
　　高濁度水絮凝體粒徑檢測投藥量反饋控制技術(shù)與其它技術(shù)諸如數(shù)學(xué)模型法相比，只檢測絮凝體粒徑一個參數(shù)，系統(tǒng)組成簡單、控制的精度高、便于實現(xiàn)。

3 污泥調(diào)節(jié)控制

　　懸濁顆粒粒徑檢測裝置可以直接快速測定污泥顆粒的絮凝程度，并且污泥絮凝反應(yīng)的速度快，絮凝體粒徑相對較大（1mm或更大），故該裝置很適合用于污泥化學(xué)凋理中的監(jiān)測及其反饋控制。kagode等^[4]對英國NortnSurrey自來水公司水廠的排泥用陰離子型聚丙烯酸胺進行處理，用懸濁顆粒檢測裝置和毛細管吸入時間（CST）同時監(jiān)測處理過程，結(jié)果表明，懸濁顆粒檢測裝置與毛細管吸入時間一樣可以反映污泥的脫水性能，而前者可以實現(xiàn)在線“聯(lián)機”檢測，很容易組成投藥量反饋控制系統(tǒng)，是一種非常理想的污泥預(yù)處理投藥監(jiān)控裝置。另外，該裝置還可以用于含油廢水、洗塵廢水等混凝處理的投藥量監(jiān)控系統(tǒng)中。

4 結(jié)論

　　透光脈動懸濁顆粒檢測裝置的檢測值R可以準確地檢測出懸濁顆粒平均粒徑的變化情況，可用于監(jiān)測水處理中的混凝過程和混凝
研究。特別對于像高濁度水絮凝和污泥化學(xué)調(diào)理中，由于其反應(yīng)的速度快，反應(yīng)時間短，用透光脈動懸濁顆粒檢測裝置“聯(lián)機”監(jiān)測，并反饋控制其絮凝過程的實時性強，控制效果好。該裝置還可以用于含油廢水等污染嚴重水的混凝監(jiān)控。

參考文獻：
　　[1]于水利，李圭白，田永平．懸濁液透光脈動顆粒在線檢測技術(shù)及其應(yīng)用（續(xù)2）[J]．工業(yè)用水與廢水，2001，32(2)：1－3．
　　[2]于水利，孫鳳鳴，李圭白．一般濁度水泥通過程的在線監(jiān)測[J]．工業(yè)用水與廢水，1999，30(3)：10－12．
　　[3]于水利，李圭白《高濁度水絮凝投藥控制》[M]．大連：大連理工大學(xué)出版社，1997．
　　[4]Kayode T O，Gregory J．A New Technipue for monitoring alumsludge conditions[J]．Wat Res，1988，22(1)：8．

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作者簡介：
　　于水利，（1962－）男，教授．博士生導(dǎo)師。1983年畢業(yè)于哈爾濱建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院。長期從事給水排水、環(huán)境工程的教學(xué)和科研工作。