崔福義

　　摘　要：混凝劑的投加是水處理工藝中重要的一環(huán)。為適應(yīng)原水水質(zhì)的變化，許多研究人員試圖找出一種控制混凝劑投加量的最佳方法，本文提出采用混凝過(guò)程中膠體電特性參數(shù)的新控制方法，以一種專用檢測(cè)器為核心構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)中檢測(cè)器與混凝劑投量的關(guān)系及檢測(cè)器設(shè)定值進(jìn)行了研究。通過(guò)連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)功能，即使在較大的水質(zhì)波動(dòng)下，仍能較好的工作，處理后水質(zhì)基本穩(wěn)定，有較高的工作可靠性。

1.前言

　　混凝是地表水常規(guī)處理工藝中的關(guān)鍵性一環(huán)。在工藝條件一定時(shí)，混凝劑量直接影響到水處理的結(jié)果—即處理后的水質(zhì)，并在制水成本中占有較大比重。人們希望用最佳投量實(shí)現(xiàn)混凝過(guò)程，以符合水質(zhì)要求，同時(shí)節(jié)約混凝劑的消耗。
　　傳統(tǒng)上，最佳混凝劑投量以燒杯試驗(yàn)法確定，通常數(shù)天以至數(shù)周進(jìn)行一次。事實(shí)上，原水水質(zhì)是隨時(shí)間連續(xù)變化的，以瞬時(shí)水質(zhì)為依據(jù)的燒杯試驗(yàn)難以保證混凝劑投量始終為最佳。因而引進(jìn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)，已成為當(dāng)今水處理工程中一項(xiàng)具有重要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)意義的課題。
　　混凝優(yōu)化控制方法主要可分為兩大類型：
　　① 采用處理后水質(zhì)反饋法。就理論上而言該法最可靠。但由于實(shí)際工藝過(guò)程中獲得處理后水質(zhì)數(shù)據(jù)要滯后一段時(shí)間，優(yōu)化控制不能達(dá)到同步。
　　② 采用原水水質(zhì)前饋法。該法控制簡(jiǎn)單，對(duì)水質(zhì)變化響應(yīng)迅速，是目前研究最多的一種方式。大多數(shù)研究者采用數(shù)種原水水質(zhì)參數(shù)作為控制依據(jù)，根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，找出確定混凝劑投量的數(shù)學(xué)模型，借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。由于混凝過(guò)程的復(fù)雜性，往往難以用幾種水質(zhì)參數(shù)較全面地概括混凝的全部影響因素，因而該法控制的精度及可靠性較差。同時(shí)，該法對(duì)每一控制參數(shù)都要求有適宜連續(xù)檢測(cè)的穩(wěn)定可靠的儀表及相應(yīng)的傳感器，這也往往是同難的。
　　此外，還有比例控制法等改進(jìn)的控制方案，但均未能達(dá)到令人滿意的程度。
　　本研究采用混凝過(guò)程中膠體電特性參數(shù)的新控制方法，以一種專用檢測(cè)器為核心構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于半工業(yè)性水處理模型裝置中，通過(guò)運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)該系統(tǒng)的工作性能及可靠性進(jìn)行了研究。

2.試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

2.1 專用檢測(cè)器的基本原理
　　本系統(tǒng)的基本原理是基于膠體體系的動(dòng)電學(xué)理論。如圖1所示，在一圓柱形檢測(cè)室的兩端，各有一環(huán)形電極；一個(gè)十字型塑料活塞在室內(nèi)作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。待測(cè)水樣流過(guò)檢測(cè)室時(shí)，水中的部分膠體顆粒被吸附于檢測(cè)室與活塞的壁面上?；钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)從這些被吸附膠體的擴(kuò)散層奪取反離子，產(chǎn)生一動(dòng)電電流，該電流通過(guò)電極被檢測(cè)并放大，稱為檢測(cè)器的檢測(cè)值。該值在微安培數(shù)量級(jí)，是奪取的反離子數(shù)量及電價(jià)數(shù)的函數(shù)，從而與水中膠體顆粒的濃度及荷電量有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，不同原水或同一原水在處理的不同階段，檢測(cè)值不同。

　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)值與ξ電位之間存在一種線性關(guān)系?？梢哉J(rèn)為，檢測(cè)值的變化在數(shù)量上代表了ξ電位的變化。眾所周知，ξ電位反映了膠體的荷電狀況。是混凝的重要特性參數(shù)。一定的條件下，ξ電位的大小，即膠體的脫穩(wěn)程度，決定著混凝的效果。一般以ξ電位近于零時(shí)，混凝為最佳，此時(shí)的混凝劑投量，即為最佳混凝劑量。因此，可推想檢測(cè)值也與最佳混凝劑量相對(duì)應(yīng)。這是本研究中控制系統(tǒng)工作的基本依據(jù)。
2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)
　　 以專用檢測(cè)器為核心，建立了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。所有參數(shù)的收集與處理由一臺(tái)6809型工業(yè)控制用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行。該系統(tǒng)有二個(gè)基本功能：各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)記錄與混凝劑的投量控制。水質(zhì)參數(shù)包括原水與處理后水的濁度，紫外吸光度，水溫和pH值等，相應(yīng)的儀器為一臺(tái)HACH2100A型濁度儀，一臺(tái)Perkin Elmer LAMBDA3型紫外/可見光分光光度計(jì)及一臺(tái)溫度—pH自動(dòng)測(cè)定儀。專用檢測(cè)器將混凝后水的檢測(cè)值信號(hào)輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)將之與預(yù)先設(shè)定的期望值比較并算出混凝劑量的調(diào)整值，據(jù)此對(duì)混凝劑投加泵的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。
　　系統(tǒng)以40min為一個(gè)工作周期，其下又分4個(gè)子周期。每個(gè)周期內(nèi)分別對(duì)原水及處理后水的各項(xiàng)參數(shù)循環(huán)檢測(cè)一次。每個(gè)小周期內(nèi)對(duì)混凝劑投量作一次調(diào)整。
　　各儀器與計(jì)算機(jī)之間以中間變換器和接口裝置相連接，進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)顯示、儲(chǔ)存并定期打印各項(xiàng)參數(shù)。
2.3 水處理模型裝置
　　采用一組半工業(yè)性水處理裝置進(jìn)行試驗(yàn)，包括混凝劑投加，混合裝置及脈沖澄清池（圖2）。澄清池有效面積1m²，懸浮泥渣層厚度2m，清水區(qū)厚度1m，處理水量3m³／h。以堿式氯化鋁為混凝劑。
　　以澄清池出水作為處理后控制水質(zhì)。原水及處理后水質(zhì)控制參數(shù)主要為濁度和紫外吸光度（波長(zhǎng)254nm），分別代表懸浮物及有機(jī)物的含量。濁度采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)濁度單位（NTU），吸光度為（m^-1）。
　　為可靠起見，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄及水質(zhì)參數(shù)的測(cè)定以自動(dòng)方式及人工方式平行進(jìn)行。

　　該試驗(yàn)要研究二個(gè)基本問(wèn)題：①是否確實(shí)存在某特定的檢測(cè)值與最佳混凝劑量相對(duì)應(yīng)的關(guān)系。若以該值作為前述優(yōu)化自控系統(tǒng)中檢測(cè)器設(shè)定的期望值（設(shè)定值），能否保證混凝劑投量始終為最佳；②在某一設(shè)定值下，專用檢測(cè)器及整個(gè)自控系統(tǒng)的靈敏性與可靠性如何？是否滿足生產(chǎn)使用的要求。

3. 檢測(cè)器設(shè)定值的研究

3.1 設(shè)定值的選擇
　　該研究采用“準(zhǔn)燒杯試驗(yàn)法”尋求設(shè)定值。即：運(yùn)行水處理模型裝置，但以手動(dòng)控制投加混凝劑；以一定的時(shí)間間隔，改變混凝劑投量；相應(yīng)于每一投量，在快速混合池的出口處取一升混合后水樣，置于燒杯試驗(yàn)攪拌機(jī)上，以30轉(zhuǎn)/min慢速攪拌20min，然后靜沉10min，取上清液測(cè)定沉淀后水質(zhì)；取樣的同時(shí)，記錄專用檢測(cè)器示值。上清液測(cè)定項(xiàng)目包括：余濁，紫外吸光度（254nm），pH值等。試驗(yàn)結(jié)果為一組曲線（圖3）。根據(jù)余濁及吸光度曲線，可確定最佳混凝劑量?？紤]混凝劑的混凝特性及試驗(yàn)精度，該最佳投量以15mg/L的劑量區(qū)間表示。對(duì)應(yīng)于最佳劑量區(qū)間，可確定一檢測(cè)值區(qū)間—該實(shí)驗(yàn)條件下的最佳檢測(cè)值范圍。圖4所示為五組不同的準(zhǔn)燒杯試驗(yàn)的結(jié)果。它表明，專用檢測(cè)器對(duì)混凝劑量的變化是靈敏的：隨劑量的增減，檢測(cè)值呈明顯的單值變化趨勢(shì)；對(duì)原水水質(zhì)的變化亦是靈敏的。當(dāng)取同一劑量對(duì)不同原水水質(zhì)進(jìn)行比較時(shí)，檢測(cè)值有很大差異。最令人感興趣的是：盡管五組試驗(yàn)的原水水質(zhì)有很大變化（表1），它們卻存在共同的最佳檢測(cè)值范圍（區(qū)間A）。即，若于該區(qū)間內(nèi)取一值作為檢測(cè)器設(shè)定值，則至少對(duì)于這五組試驗(yàn)的水質(zhì)條件，其自控系統(tǒng)可以保證模型試驗(yàn)裝置的混凝劑投量為最佳。

表1 準(zhǔn)燒杯試驗(yàn)原水水質(zhì)

編號(hào)

1

2

3

4

5

濁度（NTU）

13.5

7.9

27

51

10.0

紫外吸光度（m^-1）

10.0

9.0

23.0

16.0

10.0

3.2 設(shè)定值的驗(yàn)證
　　以檢測(cè)值為-4.0作為設(shè)定值，通過(guò)模型試驗(yàn)裝置及其自控系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)在該設(shè)定值下系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了研究，由圖4可知，設(shè)定值=-4.O較最佳檢測(cè)值范圍偏高，但在80％的情況下是可靠的。筆者認(rèn)為，本研究的目的在于探求在專用檢測(cè)器控制下，混凝劑投量的變化趨勢(shì)。即若該試驗(yàn)系統(tǒng)的混凝劑投量能始終追隨最佳投量的變化，則說(shuō)明該檢測(cè)器是靈敏的，自控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能是良好的。至于-4.0對(duì)最佳檢測(cè)值的偏離，只構(gòu)成處理后水質(zhì)的系統(tǒng)偏差，對(duì)試驗(yàn)?zāi)康牟o(wú)影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，可改變?cè)O(shè)定值以調(diào)整處理后的水質(zhì)，這正是該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。
　　在近二個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)期間，一方面觀測(cè)了混凝劑投量隨時(shí)間的變化，另一方面間斷地進(jìn)行了燒杯混凝試驗(yàn)，以尋求實(shí)際的最佳混凝劑量。結(jié)果表明，盡管原水水質(zhì)發(fā)生了較大變化．如濁度范圍達(dá)4.3～42NTU之間（表2），混凝劑投量也有很大的變動(dòng)，但在自控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，試驗(yàn)裝置的混凝劑量能緊密追隨這一變化，始終處于或極接近最佳投量區(qū)間（圖5）。從而進(jìn)一步證明專用檢測(cè)器對(duì)水質(zhì)變化的良好敏感性。說(shuō)明檢測(cè)值反映了水中膠體物質(zhì)混凝時(shí)的某種本質(zhì)特性。

表2 燒杯試驗(yàn)水質(zhì)條件

編號(hào)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

水溫(℃)

8.0

-

10.4

10.2

9.2

11.5

14.0

15.0

15.0

PH

7.80

-

7.95

8.05

8.20

8.16

7.96

8.01

7.91

濁度(NTU)

8.0

36

42

23

23

9.8

5.3

6.2

4.3

紫外吸光度(m^-1)

9.46

24

24

15.3

17.6

9.86

8.98

8.89

-

4.連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)

　　從處理后水質(zhì)參數(shù)的穩(wěn)定性角度，對(duì)專用檢測(cè)器調(diào)控性能的可靠性加以評(píng)價(jià)。根據(jù)本試驗(yàn)的目的，我們所關(guān)心的是水質(zhì)的相對(duì)變化及趨勢(shì)，而不是水質(zhì)參數(shù)的絕對(duì)值。水質(zhì)的波動(dòng)程度（即穩(wěn)定性）可以用均方差σ描述，修正樣本數(shù)n的差異后，即為σ/(n)_0.5 。
4.1 處理后水質(zhì)的穩(wěn)定性
　　圖6～9及表3、4表明了自動(dòng)記錄的部分運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分析（記錄文件號(hào)：F₂；連續(xù)運(yùn)行時(shí)間：15天）。以濁度為例，當(dāng)原水濁度在14.4～99.9NTU之間變化時(shí)，沉淀后水的余濁變化僅為0.73～1.40NTU。比值（σ/_(n)0.5）原水（σ/_(n)0.5 ）沉淀水=0.73/0.01=73倍?？梢娞幚砗笏|(zhì)變動(dòng)不大，是相對(duì)穩(wěn)定的。

4.2 不同水質(zhì)條件下的調(diào)節(jié)功能

　　表3、表4代表了原水水質(zhì)強(qiáng)烈變化的階段（F₂），而表5、表6則代表了原水水質(zhì)相對(duì)平穩(wěn)的階段（F₄）。這兩個(gè)階段的原水水質(zhì)波動(dòng)幅度相差較大（σ/_(n)0.5）F₂/（σ/_(n)0.5）F₄=5.6～6.5，但處理后的水質(zhì)波動(dòng)卻幾乎相同，上述比值在1.0～1.5左右。這兩個(gè)階段的處理后水質(zhì)參數(shù)的絕對(duì)值也很接近，余濁分別為1.00和1.19，紫外吸光度為8.94和8.72。但混凝投量的平均值則有明顯差別，分別為7.84和3.91mg/L。

表3 原水水質(zhì)及混凝劑投量（F₂）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/ _(n)0.5

濁度

34.3

14.4

99.9

13.76

0.73

紫外吸光度

24.06

15.56

38.21

4.85

0.26

pH

8.13

7.97

8.34

0.07

-

混凝劑量(mg/L)

78.65

60

105

10.29

0.55

表4 沉淀后水質(zhì)（F₂）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/_(n)0.5

濁度

1.00

0.73

1.40

0.16

0.01

紫外吸光度

8.94

8.16

9.65

0.50

0.03

pH

7.79

7.53

7.97

0.10

0.01

表5 原水水質(zhì)及混凝劑投量（F₄）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/_(n)0.5

濁度

7.88

5.06

26.1

2.62

0.13

紫外吸光度

11.74

10.20

16.08

0.76

0.04

pH

8.29

8.07

8.49

0.08

-

混凝劑量(mg/L)

39.08

27

59

6.81

0.33

表6 沉淀后水質(zhì)（F₄）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/_(n)0.5

濁度

1.19

0.95

1.74

0.19

0.01

紫外吸光度

8.72

6.72

10.95

0.46

0.02

pH

8.09

7.79

8.32

0.14

0.01

　　以上結(jié)果表明，以專用檢測(cè)器為核心的優(yōu)化控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)功能，即使在較大的水質(zhì)波動(dòng)下，仍能較好地工作，處理后水質(zhì)基本穩(wěn)定，為后續(xù)處理工藝提供了良好的運(yùn)行條件。

5. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較與分析

　　試驗(yàn)裝置所在地的水處理廠具有與試驗(yàn)裝置相類似的工藝流程，該處理廠采用人工控制投加混凝劑。在一定時(shí)間內(nèi)，混凝劑投量為常數(shù)。雖然該廠澄清池負(fù)荷較試驗(yàn)裝置為低，并在混凝之前有預(yù)臭氧工藝，因而不能用處理后水質(zhì)的絕對(duì)值作比較，但這并不妨礙我們對(duì)這行參數(shù)的變化趨勢(shì)作一比較。
　　在一段運(yùn)行期間，水廠的混凝劑投量恒定為65mg/L，試驗(yàn)裝置則由自控系統(tǒng)連續(xù)調(diào)節(jié)混凝劑量。以紫外吸光度為例，其結(jié)果（圖10）顯示，試驗(yàn)裝置的沉淀后水的吸光度受原水吸光度變化的影響較小，相反水廠則受影響較大，圖10中直線的斜率，模型裝置僅為0.14，而水廠則達(dá)0.41。這表明采用該優(yōu)化控制系統(tǒng)的處理效果穩(wěn)定，受原水變化的影響較小，有較高的可靠性。
　　優(yōu)化控制系統(tǒng)使混凝劑投量始終處于最佳量，不僅避免了人工控制時(shí)的投量不足，可能使水質(zhì)惡化的危險(xiǎn)（圖5中的100～240小時(shí)段），而且也避免了混凝劑投加過(guò)量使混凝劑得不到最有效利用，以圖5中400到1250小時(shí)為例，水廠處于過(guò)量投加混凝劑工況。與最佳投量相比，多消耗了37.8%的混凝劑，以該廠產(chǎn)水量為72000m3/d混凝劑投量65mg/L計(jì)，平均每天多消耗混凝劑達(dá)1287kg。

6.結(jié)論

　　以專用檢測(cè)器為核心的混凝劑優(yōu)化控制投加系統(tǒng)，具有良好的靈敏性及可靠性，不存在相應(yīng)滯后問(wèn)題，能保證混凝在最佳投量下進(jìn)行，提高了供水水質(zhì)的保證率，有效的節(jié)約了混凝劑消耗，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。該系統(tǒng)還具有下列優(yōu)點(diǎn)：
　　1、設(shè)定值易于調(diào)節(jié)。通過(guò)選擇適宜的檢測(cè)器設(shè)定值，可滿足處理后水質(zhì)的不同要求。
　　2、對(duì)原水的水質(zhì)、水量變化適應(yīng)性強(qiáng)。系統(tǒng)依靠自身功能進(jìn)行調(diào)節(jié)，不依賴于其它水質(zhì)參數(shù)，無(wú)需對(duì)水量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。
　　3、檢測(cè)參數(shù)單一，不要求其它水質(zhì)分析儀器，便于維護(hù)管理。
　　4、系統(tǒng)本身具有報(bào)警功能，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝劑供應(yīng)中斷等運(yùn)行事故，在供水可靠性上亦是一個(gè)提高。
　　在應(yīng)用中設(shè)定值的選擇應(yīng)根據(jù)特定的處理水質(zhì)和處理要求，由試驗(yàn)決定。
　　該系統(tǒng)有待于在生產(chǎn)性處理裝置上進(jìn)一步檢驗(yàn)、完善。