孫連鵬 李星 張永吉 李圭白
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江省，哈爾濱市，150090）

　　摘　要：透光率脈動檢測技術(shù)以其檢測參數(shù)少、靈敏度高、不受粘污與電子漂移影響等特點，已經(jīng)在許多不同水質(zhì)的混凝劑投加自動控制系統(tǒng)中得到了較廣泛的應(yīng)用，并取得了一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。該項技術(shù)在含油污水處理的應(yīng)用研究仍處于發(fā)展階段，試驗研究表明，透光率脈動混凝投藥控制系統(tǒng)可以根據(jù)水量、水質(zhì)等參數(shù)的變化自動調(diào)節(jié)投藥量，保證出水水質(zhì)基本穩(wěn)定，有望在含油污水處理中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：透光率脈動；含油污水處理；檢測技術(shù)；工業(yè)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(chǎn)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(xiàn)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(jīng)過脫水處理過程，由此產(chǎn)生了大量的含油污水，這些污水的處理已經(jīng)成了工業(yè)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(huán)利用。由于油田含油污水的水質(zhì)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(zhì)較差，采用常規(guī)的檢測與控制方法很難準(zhǔn)確的控制混凝劑的投加量，保證出水水質(zhì)的較高可靠性。
　　透光率脈動檢測技術(shù)是一種光學(xué)檢測技術(shù)，利用透過流過懸浮液的光強(qiáng)度的脈動狀態(tài)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(xiàn)，以檢測值R為控制參數(shù)的透光率脈動混凝投藥控制系統(tǒng)已經(jīng)在民用水處理中得到了較廣泛的應(yīng)用，并已經(jīng)取得了較好的經(jīng)濟(jì)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(yōu)點，將透光率脈動檢測技術(shù)應(yīng)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(shù)應(yīng)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(shù)在含油污水中的適用性，選取生產(chǎn)中的含油污水水樣進(jìn)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(shè)備為可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的攪拌器，所用含油污水取自于試驗現(xiàn)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(yīng)完畢的過程均用檢測儀連續(xù)檢測，并紀(jì)錄于紀(jì)錄儀上。

　　圖2所示為絮凝過程的檢測結(jié)果，在未投藥時，水中的顆粒粒徑較小，加藥后隨著攪拌的進(jìn)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(dá)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(xù)增加，只能達(dá)到一個較大值。透光率脈動檢測值的變化情況準(zhǔn)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(dá)到最大值，然后基本保持不變?？梢?，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(shù)來控制含油污水的混凝劑投加是可行的。

2 生產(chǎn)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(tǒng)設(shè)備示意圖見圖3所示。原水首先在一次沉淀池中進(jìn)行自然除油，出水經(jīng)提升泵進(jìn)入旋流反應(yīng)器中，在泵前投加混凝劑，混凝劑由提升泵進(jìn)行快速混臺，在旋流反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，然后進(jìn)入二次沉淀池。系統(tǒng)在旋流反應(yīng)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(jìn)行處理，得到透光率脈動檢測值凡測控儀將檢測值與預(yù)先給定的混凝設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PID調(diào)節(jié)來改變控制輸出信號，變頻柜根據(jù)該控制信號調(diào)節(jié)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(shù)的改變會對系統(tǒng)的混凝設(shè)定值造成一定的影響，引起沉后水濁度偏離所要達(dá)到的目標(biāo)濁度值。為了使出水濁度不偏離目標(biāo)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(jù)該濁度值與目標(biāo)濁度值對比自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的混凝設(shè)定值，從而保證二次沉淀池出水濁度穩(wěn)定在所需的目標(biāo)濁度（濁度設(shè)定值）附近。系統(tǒng)的具體配置如下：
　?。?）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(chǎn)的1720C型在線清水濁度議，量程范圍為0－100NTU。
　?。?）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(diào)節(jié)頻率來改變加藥量。
　?。?）北京精密單因子科技有限公司生產(chǎn)的DYZ—6型多功能變頻調(diào)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(tǒng)性能評價
2.2.1 系統(tǒng)的靈敏性
　　檢測機(jī)構(gòu)的靈敏性是自動控制系統(tǒng)具有良好控制性能的前提條件，為了評價系統(tǒng)的靈敏性，在調(diào)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(jì)錄透光率脈動檢測值R的變化情況，所得的結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)條件下，混凝劑投加是在30－35mg／L左右，系統(tǒng)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(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能
　　一個好的控制系統(tǒng)必須具有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)性能1，對于透光率脈動混凝劑投加自動控制系統(tǒng)來說，真動態(tài)性能主要包括：對水量變化的調(diào)節(jié)能力、對藥液突變的抵抗和調(diào)節(jié)能力、對設(shè)定值改變的調(diào)節(jié)能力，現(xiàn)對該系統(tǒng)的各種性能分別做出評價。
　?。?）對水量變化的調(diào)節(jié)能力
　　在實際的運行過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)水量的波動，如不及時調(diào)節(jié)投藥量，就可能影響出水水質(zhì)。在人工投藥條件下，操作工人根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)常不能及時調(diào)節(jié)投藥量或調(diào)節(jié)精度低，使處理效果受到一定的影響。因此，對水量變化的調(diào)節(jié)能力是評價該系統(tǒng)控制性能的最重要指標(biāo)之一。圖4表明了在水量突變時控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)情況。

　　從圖4中可以看出：當(dāng)水量發(fā)生變化后，透光率脈動檢測值亦隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，使得混凝劑投加員也隨之改變，從而保證出水水質(zhì)相對穩(wěn)定。雖然透光率脈動控制系統(tǒng)具有一定的純滯后時間，但由于時間相對較短（本控制系統(tǒng)的滯后時間是5分鐘），水質(zhì)沒有出現(xiàn)較大的波動，由圖可見，沉后水濁度基本穩(wěn)定，系統(tǒng)體現(xiàn)了良好的調(diào)節(jié)能力。
　?。?）對藥液濃度改變的調(diào)節(jié)能力
　　水廠使用的混凝劑是液態(tài)的，由生產(chǎn)車間通過管道輸送至水廠的儲藥池內(nèi)，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(jīng)常變化較大。調(diào)試過程中，人為地將藥液濃度從10％提高到12％，控制系統(tǒng)的變化情況見圖5。
　　從圖5中可見，在藥液濃度發(fā)生改變五分鐘之后，透光率脈動檢測值亦圍繞設(shè)定值發(fā)生相應(yīng)的改變，同時計量泵頻率也發(fā)生相應(yīng)的變化，使混凝劑投加量降低，在三個調(diào)節(jié)周期后（15分鐘）透光率脈動檢測值恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)已經(jīng)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(wěn)定，可見系統(tǒng)對藥液濃度的突變具有較強(qiáng)的抵抗和調(diào)節(jié)能力。
　?。?）系統(tǒng)對混凝設(shè)定位改變的調(diào)節(jié)能力調(diào)試過程中人為改變混凝設(shè)定值（從53.3增加到55.3）以觀測系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力（為了減小其它因素的影響，將濁度控制器設(shè)定為手動狀態(tài)，以避免系統(tǒng)根據(jù)沉后水濁度對混凝設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)），所得的結(jié)果見圖6。
　　從圖6中可以看出，人為增加混凝設(shè)定值后，計量泵的頻率在瞬間增大，而后在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下逐漸變化以至達(dá)到一個穩(wěn)定的運行值；透光率脈動檢測值在5分鐘后開始發(fā)生較大的改變，然后在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，在兩個調(diào)節(jié)周期后基本穩(wěn)定在設(shè)定值附近；50分鐘后沉后水濁度發(fā)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(wěn)定在13NTU附近?？梢姼淖兓炷O(shè)定值后系統(tǒng)可以快速的達(dá)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。

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

3 經(jīng)濟(jì)效益的評價

　　由于原水水質(zhì)具有較大的波動性，因此，無法進(jìn)行完全相同的水質(zhì)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(chǎn)試驗的結(jié)果，其中每組數(shù)據(jù)均為大量運行結(jié)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(jìn)水 出水 去除率（%） 進(jìn)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(jié)約率（%） 10.9

　　從上表中可以看出，自動控制系統(tǒng)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(jié)藥10.9％，可見自動控制系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)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(chǎn)生較大的影響，在人工控制投藥的條件下，不能及時的調(diào)節(jié)混凝劑投加量，以保證投藥量最佳。將透光率脈動檢測技術(shù)應(yīng)用于混凝劑投加自動控制系統(tǒng)中，可以根據(jù)水質(zhì)、水量等因素的變化自動調(diào)節(jié)投藥量，保證沉后水濁度基本穩(wěn)定。生產(chǎn)試驗表明透光率脈動混凝投藥控制系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。有望在含油污水處理中得到更廣泛的應(yīng)用。