曲久輝　　　 　李圭白　　　 崔福義
（中科院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京100085） (哈爾濱建筑大學, 哈爾濱15006)

　　文摘：根據電動特性的基本理論原則，研究了水中荷電質點的流動電流在線檢測技術、傳感器特性、設計方法及其技術參數。探討了以流動電流傳感器為核心的高效混凝投藥監(jiān)控系統(tǒng)的整體配置，控制技術和協(xié)作性能。實踐證明，此系統(tǒng)反饋及時，控制精確，是水處理投藥在線監(jiān)控的有效方法之一。　　
　　關鍵詞：流動電流　水處理　混凝投藥　控制系統(tǒng)

Study on Design Principle And Comprehensive Functions of Sole-Factor in-line Auto-Dosing System in Water Coagulation　　
Qu Jiuhui　　　　　
(Eco-Environmental Reaserch Center, Chinese Academy of Sciences)　
Li Guibai　 Cui Fuyi
(Harbin University of Architecture and Engineering)　　　　　　

　　Abstract：Based on the theoritical principle of elctrokinetic characteristics, this paper studies an in-line detection technique of streaming current (SC) for electrol charges in water in SC sensor, its design and technology parameters. The method and functions are investigated for equipment, control technique and coopertion of the coagulant dosage control system by streaming current detector (SCD). It was proved by the practices that the control system could be feedback promptly and control coagulant dosage accurately. The technique is very effective on coagulant dosage control in water treatment. Key 　　　words：Streaming current　 Water treatment　 Coagulant dosage　 Control system.

　　有效的水處理混凝投藥控制方法，可以在實際最佳投藥量的意義上控制混凝劑投加，從而達到以最少的藥劑消耗獲得最理想的出水水質的效果。但以往的投藥控制方法，如數學模型法^[1]、ζ電位法^[2]等，都因存在這樣或那樣的不可靠性，而沒有形成規(guī)模性的推廣和應用。國際上八十年代發(fā)展起來的流動電流（SC）混凝投藥控制技術^[3]，克服了以往方法的缺陷，選擇可以在最本質意義上表征混凝效果的電動特性參數SC值作為單一監(jiān)控因子，實現了對凝聚劑投加量的精確控制。本文從電動特性的理論原則出發(fā)，根據流動電流檢測器(SCD)的特征方程與相關數學模式^[4,5]，研究SC傳感器(SCS)的基本設計參數，并在此基礎上探討以SCD為核心的水處理混凝投藥控制系統(tǒng)的配置與應用。

1. SCD的基本結構及設計參數

1.1 SCD的構造原理
　　SCD是系統(tǒng)的核心，構造如圖1所示。它是由傳感器、整流放大電路、輸出顯示等部分組成。其中傳感器探頭乃SCD的檢測中心，主要由套筒、活塞和電極組成?；钊c套筒之間有很窄的狹縫，相當于一個環(huán)形的毛細空間?；钊梢栽陔姍C驅動下作往復運動，流經的水被活塞吸入—擠出，在狹縫中快速流動。SCS各部分間的數學關系為：

　　　　　　　　　　　　(1)

　　式中 I—瞬時流動電流值；
　　 　　σ—電荷密度；　
　　　　 g—活塞位移參數；
　　　　 t—時間；
　　 　　C—活塞和套筒的周邊之和；
　　　　R₁—套筒內徑；
　　　　R₂—活塞內徑；
　　　　L—傳動連桿的長度；
　　　　w—電機轉動角速度。

　　根據膠體及表面化學理論，活塞及套筒表面可以瞬時吸附水中的特性離子或膠粒，從而在固－液界面形成雙電層結構。水在檢測室內流動時，發(fā)生了雙電層中固定層離子和擴散層中反號離子的相對位移并產生流動電流，然后由套筒兩端的金屬電極響應，并經一系列信號處理過程而輸出。
　　由SCD所檢測的SC值與z電位在理論和實際上^[5]都具有良好的線性相關規(guī)律: 　

　　　　　　　　　　　　　 (2)

　　式中 ^k—探頭表面雙電層厚度。
　　由于ζ電位是最基本的膠體電動特性參數，所以流動電流也可以在本質上反映加入的凝聚劑對水中膠體顆粒的作用程度：

　　　　　　　　　　　　　(3)

　　式中
　　　　q—作用于SCS的水中膠體表面電荷總量；
　　　　A—SCS的有效表面積。
　　可見，膠體表面電荷量越高，則SC絕對值越大。當膠粒的負電荷被加入的混凝劑中和以后，q必然減少, 則SC絕對值降低。實驗也證明，SC值與膠體電荷量的這種對應關系十分明確。

1.2 SCD的基本設計參數

　　

　　式(1)明確表示了SCS各主要參數之間的定量關系，它是SCS設計的基本量值依據。式中第一項是SC的理想值，第二項則是由于高倍疊加而產生的失真信號，在實際設計中應使其盡可能地小。一般取L為十倍g, 故第二項可忽略。對SC檢測具有影響的主要參數是套筒、活塞內徑、活塞行程和電機轉速，這也是SCS設計時所重點考慮的四個參數。在此，SC與活塞和套筒的內徑大小之差R₁-R₂具有密切關系。由(1)式可知，如R₁-R₂太大, 造成套筒和活塞間的狹縫過寬，使檢測的SC值太弱, 而縫隙過小，又將造成二者之間配合過緊，產生傳動障礙。所以，₁與R₂的數值取決于實際檢測對象的要求。SCD的傳動是靠一微型減速電機，它的轉速大小與SC值有密切關系。按理論計算，電機的轉速w越高、活塞行程參數g越大, 則檢測信號越強。但受機械傳動性能的限制，實際設計的w和g都不可能太大。一般取w為200-270轉/分, g為0.25mm。活塞連桿的設計長度，則以既能保證使活塞運動的最低部位置能復蓋套筒的底端電極，同時又不至于頂到底部堵塞為宜。
　　由SCS所檢測的SC信號強度非常微弱(大約為10­^-9A), 為獲得一個穩(wěn)定的可讀SC值, 在電路設計時采取兩級放大、整流和濾波(如圖2、3所示)處理。因此, 所檢測到SC值實際上是一個相對或表觀值。這一數值, 無絕對量意義, 從而可以將影響水處理混凝過程的各種因素綜合為一個電動特性的表征參數, 這便使以SC作為混凝劑投加的控制因子更具有實際上的可靠性。
1.3 SCD的性能評價
1.3.1 檢測靈敏度
　　SCD能有效發(fā)揮混凝投藥控制系統(tǒng)的中樞機構作用，最基本的條件是它必須能對水的渾濁度、混凝劑以及二者相對量的變化具有靈敏響應。圖3是上述SCD對水的渾濁度變化響應靈敏度的實驗結果。渾濁水是用經水力篩選的240目松花江底泥配制。可見，SCD對渾濁度能比較靈敏地檢測。如當水的渾濁度從30升至750度時,SC值由-2.70變?yōu)?3.91。SCD對混凝劑具有更為靈敏的檢測能力，如圖4所示，如果使用含固體硫酸鋁2%的溶液(含Al₂(SO₄)3.18H₂O濃度)作為混凝劑，在300度的渾濁水中僅投加10mg/L，SC值即發(fā)生了約0.7mA的變化，繼續(xù)增加藥劑投量，SC值明顯上升。而且，SCD還具有足夠理想的分辨精度, 它可以檢測低至0.2mg/L的藥量變化。這完全滿足混凝投藥控制精度要求。

1.3.2 檢測的穩(wěn)定性
　　穩(wěn)定性要求主要是指檢測值的總體波動范圍和單位時間內的波動幅度，不會影響控制精度。對上述SCD的穩(wěn)定性的驗證結果表明，它對變化的水質具有十分靈敏的響應，而對穩(wěn)定的水質又表現出了良好的平穩(wěn)檢測性能，檢測值在5分鐘內波動幅度小于0.05，平均值標準偏差小于0.3%，其穩(wěn)定性能適于在線監(jiān)控。

2．系統(tǒng)的總體設計與協(xié)作性能

　　混凝投藥自動監(jiān)控系統(tǒng)由SCD傳感器(SCS)、控制器(SCC)和變頻調速系統(tǒng)(FCS)組成。
2.1 SCD特性　　

表1 控制器參數

參數符號

名稱

設置范圍

S

設定值

根據需要設置

O

控制輸出值

0－100%

P

比例帶

0－200%

I

積分時間

1－3600s

D

微分時間

0－1200s

　

　　利用上述原理設計的SCD，具有遠程傳遞信號的功能，一般可以允許最長通過300米的雙芯信號線傳送給控制部分。檢測水樣從右側進入檢測室，從底部流出(也可以從左側流出)，流量一般為3-5L/min。檢測室可以通過水樣在其中的高速流動，對探頭進行自動連續(xù)清洗。檢測室外套上部有一溢流孔，當水樣流量過高時，多余的水從孔中流出以保證正常檢測。SCS對水中膠體電荷變化的響應時間不超過4s。
2.2 SCC特性
　　常規(guī)控制器具有自動控制、手動鍵盤控制和人工變頻控制三種工作方式，可對投藥過程實施自動控制和半自動控制。在自動控制的工作狀態(tài)下，系統(tǒng)可對投藥工況進行測定、判斷，并對投藥量實施控制，以適應水質、水量等因素的變化，保證混凝效果。在控制器的“手動控制”狀態(tài)下，利用控制器的增減功能，可手動改變投藥量?？刂苾x顯示所測水樣的SC值，并在自動記錄儀上記錄，該值及其變化趨勢可反映投藥工況，并可作為人工調節(jié)投藥量的依據。儀器設有檢測值的上、下限報警提示功能，可作為自動控制和手動控制方式的補充手段?？刂破魃线€設有靈敏度調節(jié)開關，可根據水質及控制精度要求隨時改變靈敏度大小。同時，還可通過工作狀態(tài)顯示，監(jiān)視傳感器的工作狀態(tài)?？刂破鞯膮翟O置如表１所示。

表2 變頻調速控制系統(tǒng)參數

參數名稱

規(guī)　 格

備　　 注

電　 源

3相 380V

50Hz

調頻范圍

0－50HZ

可按用戶要求選定

輸入控制信號

直流4-20mA

0－10V; 0－-10V

環(huán)境溫度

-10－40℃

環(huán)境濕度

90RH以下

2.3 FCS特性
　　變頻調速控制系統(tǒng)根據其所控制的投藥泵和電機功率配置，可在變頻和工頻狀態(tài)下工作。輸出的電源頻率(水泵電機的工作頻率)可由輸入的電控信號控制,也可由變頻柜的“頻率調節(jié)”人工控制。該系統(tǒng)設有過壓、欠壓、過流、過載、過熱、輸出端短路保護功能和故障指示功能。同時還設有故障聲光報警、頻率超限聲光報警。其規(guī)格參數如表２所示。
2.4 監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)作性能

　　投藥控制系統(tǒng)連接如圖5所示。在原水中投加混凝劑并經充分混合以后，取少量水樣進入SCS。根據水的渾濁度相對于藥劑量的變化，從SCS輸出代表當前水中膠體電荷狀況的SC值，并通過信號線傳送給SCC。SCC在所設定的工況下，經與給定值對比、判斷后，輸出一個4～20mA的標準信號。FCS在接到控制器的指令以后，立即進行頻率調整，使投藥計量泵處于對應的工作狀態(tài)之下，從而可以向水中投加適量的混凝劑。然后，投加藥劑的水樣又流入SCS，并進行投藥量的再調節(jié)。如此循環(huán)往復，連續(xù)運作。因而SCD投藥控制系統(tǒng)是有機結合、協(xié)同作用的部分與整體。

4．應用研究

　　以下是將上述系統(tǒng)在MS水廠安裝運行的試驗結果。

　　該水廠有東西兩套供水系統(tǒng)。試 驗期間，兩套系統(tǒng)分別投藥，藥劑使用液體硫酸鋁，藥液由離心式投藥泵加壓送入兩條原水管內，經過30米長的管道混合后，經穩(wěn)壓井再次混合，然后分別進入兩組反應池，投藥系統(tǒng)示意如圖6所示。1#和2#泵供西測人工投藥系統(tǒng)使用，而自動投藥系統(tǒng)的東側僅有一個溶液池和一臺泵(3#)可以使用, 兩套系統(tǒng)均靠轉子流量計計量藥量。投藥控制系統(tǒng)由SCS、SCC、FCS和自動記錄儀、水樣預處理器和離心泵(額定流量7.2m^3­/h)組成。SCS設于穩(wěn)壓井附近，加藥后的原水經管道混合后，在進穩(wěn)壓井前，一部分經取樣管至水樣處理器再進入傳感器。

表3 自動控制與人工控制運行結果對比

工況

自動控制

人工控制

用藥量(Kg)

65464.75

91582.15

產水量(Km³)

1767.7

1767.7

混凝劑消耗(Kg/Km³)

37.20

51.81

節(jié)藥率(%)

28.20

沉淀水濁度合格率(%)

99.40

82.10

　　表3是連續(xù)一個月運行試驗的藥量消耗和出水水質對比。結果表明，使用該控制系統(tǒng)后，在水質變動較小時期，自控投藥系統(tǒng)沉淀水濁度合格率較人工控制投藥系統(tǒng)高出7.3個百分點；而在水質變動較大時期，則高出22.1個百分點。綜合各種水質情況，自動投藥系統(tǒng)的沉淀水濁度總合格率為99.4%。比人工投藥高出17.3個百分點。而且在自動投藥的工況之下，水質不合格的主要原因也是由于在渾濁度過高時，凈化系統(tǒng)超負荷所致。采用自動控制投藥后，在保證水質的同時，使混凝劑的消耗量大大降低。自動投藥系統(tǒng)在沉淀水濁度較穩(wěn)定、合格率更高的前提下，在原水水質較穩(wěn)定時節(jié)藥29.2%，在原水水質變動較大時期節(jié)藥高達43.1%，一年內平均節(jié)藥28.2%，沉淀水的合格率提高了9.5個百分點，月平均節(jié)藥費用1.66萬元。這說明，按本文所述方式設計的高效水處理混凝投藥自動控制系統(tǒng)，具有良好的連續(xù)運行、在線監(jiān)控性能，使用后可明顯降低藥耗、提高水質。

5．結論

　　水中膠體電動特性的在線檢測裝置SCD，可以靈敏準確地通過SC變化，表征水的渾濁度相對于混凝劑投加量的配比關系，它作為系統(tǒng)的核心，與微電腦控制器、變頻調速器等工控設施適配，構成高效水處理混凝投藥的自動控制系統(tǒng)，具有連續(xù)在線檢測、及時精確控制混凝劑投加量的優(yōu)異功能。適用于城鎮(zhèn)自來水廠和工業(yè)用水的混凝投藥控制。

參考文獻

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　 　[3] Steven K.Dentel and Kingery.Theoretical principles of streaming current detection
　　 [4] 曲久輝等. SCD中流動電流的數學模式.哈爾濱建筑工程學院學報. 1993,26(5):61-65
　　 [5] 曲久輝等. 流動電流與z電位相關模式研究.哈爾濱工業(yè)大學學報. 1994, 26(1):63-67

曲久輝簡歷

　 曲久輝，1957年10月生。工學博士，研究員，博士生導師，現任中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心副主任，學術委員會副主任，中國科學院水問題聯合研究中心副秘書長，北京市人民政府專家顧問，中國環(huán)境學會理事，國際水質學會會員，日本水環(huán)境學會會員。主要從事水質凈化與水污染控制的基本原理與應用技術研究，在國內外學術刊物上發(fā)表論文70余篇，發(fā)明專利16項，制定國家行業(yè)標準2項，獲省部委科技進步一等獎4項，三等獎2項，其它科技進步獎5項。