于水利 李圭白

　　摘 要：本文提出了以絮凝檢測(cè)儀為基礎(chǔ)的高濁度水絮凝投藥自控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)原水含沙量和水量的變化適應(yīng)性較好，可以達(dá)到調(diào)整控制投藥量、穩(wěn)定出水水質(zhì)的效果。

　　我國(guó)是多沙河流較多的國(guó)家之一，年平均輸沙量在1000萬(wàn)噸以上的河流有40條，年最大輸沙量超過(guò)1000萬(wàn)噸的有60條，黃河河水是世界上泥沙含量最高的高濁度水^[1]。黃河高濁度水含沙量受季節(jié)和氣候的影響很大，夏季洪水期沙峰到來(lái)時(shí)河水含沙量猛增，變幅很大。并且各次沙峰的泥沙顆粒和泥沙性質(zhì)各不相同，給高濁度水的絮凝處理帶來(lái)很大困難，難以準(zhǔn)確控制絮凝劑的投量。因此，準(zhǔn)確、合理控制絮凝劑投量成為高濁度水處理成敗的關(guān)鍵。
　　高濁度水絮凝與一般濁度水不同，主要是吸附橋機(jī)理，同時(shí)由于高濁度水泥沙含量、顆粒級(jí)配等特性難以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，所以適合于一般濁度水的數(shù)字模型法以及近年發(fā)展起來(lái)的流動(dòng)電流法等控制方式均難以用于高濁度水。八十年代J · Gregory研制開(kāi)發(fā)了根據(jù)懸濁液的透光率脈動(dòng)值分析絮粒大小的絮凝檢測(cè)儀^[6]（Photometic Dispersion Analyser）。該儀器用于一般濁度水投藥時(shí)，由于滯后時(shí)間長(zhǎng)，適時(shí)性差，控制效果不理想。本研究試圖將其用于檢測(cè)高濁度水絮凝反應(yīng)后絮粒大小，并以此來(lái)控制絮凝劑投量，組成以絮凝檢測(cè)儀為基礎(chǔ)的檢測(cè)值R單回路高濁度水絮凝投藥自動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)該控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，現(xiàn)將研究情況作一介紹。

1．絮凝檢測(cè)儀原理

　　圖1為絮凝檢測(cè)原理示意圖。一狹窄光束照射流動(dòng)的懸濁液，透過(guò)光由光敏管接收，光路中的顆粒使光產(chǎn)生散射（也可能是吸收），導(dǎo)致透光強(qiáng)度減弱，透過(guò)光能地是轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）信號(hào)。由于光路內(nèi)濁質(zhì)顆粒數(shù)目是隨機(jī)變化的并可以泊松分布表示^[3]，所以透光強(qiáng)度也是隨機(jī)變化的，相應(yīng)的電壓信號(hào)也隨著波動(dòng)，經(jīng)適當(dāng)處理以直流成（DC）脈動(dòng)成（交流成分AC）輸出。濁質(zhì)顆粒聚或絮凝時(shí)，顆粒粒徑增大，個(gè)數(shù)濃度減小，跟平均透光強(qiáng)度相應(yīng)的直流成分不太變化，而對(duì)應(yīng)于光路內(nèi)顆粒平均個(gè)數(shù)存在的顆粒數(shù)目隨機(jī)波動(dòng)的脈動(dòng)成分卻顯著增大。即由絮凝檢測(cè)儀輸出的脈動(dòng)成分可以靈敏地反映出懸濁液顆粒的絮凝情況。作為反映脈動(dòng)成分在小的指標(biāo)，絮凝檢測(cè)儀有二個(gè)輸出值，一個(gè)是脈動(dòng)電壓的均方根（V_RMS，輸出電壓關(guān)于均值的均方差），另一個(gè)是V_RMS與其相應(yīng)的直流電壓（V）的比值R（V_RMS／V）。應(yīng)用中往往將此比值R作為懸濁液混凝的半定量指標(biāo)。因?yàn)镽值不受管壁污染及電子元件漂移的影響，管壁污染及電子元件漂移輸出V和V_RMS有同樣的程度的影響^[4]。

2．控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 沉速和檢測(cè)值R的關(guān)系
　　渾液面沉速是高濁度水絮凝處理的重要參數(shù)^[2]。絮凝檢測(cè)儀檢測(cè)值R可以反映懸濁液顆粒平均粒徑的大小，即反映顆粒的絮凝情況。所以R值必與渾液面沉速有相關(guān)關(guān)系，為此我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖2。

　　絮凝實(shí)驗(yàn)是在190×190×250mm的有機(jī)玻璃槽中進(jìn)行的。水樣是用哈爾濱自來(lái)水和蘭州自來(lái)水廠(chǎng)自然沉淀池沉泥配制而成的。絮凝劑為陰離子型PAM，水解度30％，分子量大300萬(wàn)，試驗(yàn)時(shí)水溫13.5ºC。
　　本試驗(yàn)對(duì)30、40、60、70mg/m³四種含沙量進(jìn)行了測(cè)定。
　　圖2中，含水利理相同時(shí)，渾液面沉速寫(xiě)民R值呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0．975～0．998。由此通過(guò)檢測(cè)R值，即可獲得渾液面沉速在小的住處，使渾液面沉速的測(cè)定大為簡(jiǎn)化，但不同含沙量時(shí)R值跟液面沉速的相關(guān)性不同，渾液面沉速隨含沙量增大而減?。≧相同），所以若想建立渾液面沉速與R值定量關(guān)系尚需考慮含沙量、水溫等因素。
2.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　檢測(cè)值R可以直接反映高濁度水絮凝情況，進(jìn)而間接反映渾液面沉速大小。高濁度水絮凝好壞主要決定于投藥量，而影響投藥量的因素很多。實(shí)質(zhì)上絮凝檢測(cè)值R的大小可以反映出影響絮凝劑投量的全部因素的綜合效果。因此只需檢測(cè)加藥絮凝后高濁度水的一個(gè)參數(shù)——R值并適時(shí)控制即可實(shí)現(xiàn)絮凝投藥的自動(dòng)控制。由此提出了以絮凝檢測(cè)儀為基礎(chǔ)的高濁度水絮凝投藥自控系統(tǒng)——R值單回路控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)中饋閉環(huán)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（圖3）。

　　系統(tǒng)以絮凝檢測(cè)儀為基礎(chǔ)，連續(xù)檢測(cè)絮凝高濁度水的檢測(cè)值，微機(jī)將檢測(cè)值R與預(yù)先設(shè)定的“給定值R₀”比較，并按一定的控制算法通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門(mén)或高頻器）來(lái)調(diào)整投藥量。

3．控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)
　　微機(jī)是控制系統(tǒng)的中心。所選用的微機(jī)應(yīng)具有足夠的可靠性，實(shí)時(shí)性及很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，該系統(tǒng)所選用的IBM－PC／XT型工業(yè)控制微機(jī)，外高I／O接口由12位單端16路模入的A／D轉(zhuǎn)換器和12位1路輸出的D／A轉(zhuǎn)換器組成，A／D和D／A制作在一個(gè)板上，直接插在PC／XT機(jī)內(nèi)，占用機(jī)內(nèi)一個(gè)總線(xiàn)擴(kuò)展槽，利用擴(kuò)展槽所提供的確根數(shù)據(jù)線(xiàn)、控制線(xiàn)與計(jì)算機(jī)內(nèi)部聯(lián)系。
　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)由韓國(guó)出品的Goldstar 變頻調(diào)速器和國(guó)產(chǎn)離心式水泵組成，變頻器輸入信號(hào)4～20mA或0～10V，變頻最大范圍0.5～50H_Z，離心泵楊程H＝12m，流量5m³/h。
　　絮凝檢測(cè)儀型號(hào)為HJG－I，表頭為三位半數(shù)字顯示板（LED19.99），可以顯示檢測(cè)信號(hào)平均值（DC），脈動(dòng)值（RMS）和比值（R），比值的輸出信號(hào)為0~5V。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
　　控制系統(tǒng)軟件主要由初始化程序，反饋運(yùn)算程序和鍵盤(pán)管理程序組成，鍵盤(pán)顯示管理程序主要具有以下功能：
　　（1）參數(shù)顯示：集中顯示當(dāng)前投藥量，變頻器輸出頻率，處理水量，“給定值”等并能以圖形方式顯示，打印檢測(cè)值R的變化曲線(xiàn)。
　?。?）參數(shù)設(shè)定：通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定程序中的一些基本參數(shù)。
　?。?）自動(dòng)、手動(dòng)軟切換。
　?。?）自動(dòng)脫機(jī)功能：當(dāng)控制系統(tǒng)有故障則自動(dòng)和脫機(jī)。
　　以上功能，分別安排于不同畫(huà)面，通過(guò)人機(jī)對(duì)話(huà)以“菜單”形式進(jìn)行選擇。
　　控制系統(tǒng)反饋計(jì)算子程序框圖示于圖4。

4．試驗(yàn)?zāi)Ｐ图跋到y(tǒng)調(diào)試

4.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?br> 　　高濁度水用黃河泥沙和哈爾濱自來(lái)水配制。系統(tǒng)的調(diào)配裝置可使系統(tǒng)進(jìn)水含沙量任意改變。高濁度水在絮凝槽內(nèi)停留時(shí)間1min左右（可調(diào)節(jié)）與絮凝劑反應(yīng)。沉淀是在直徑2m，圓心角12.5°的扇形輻沉池模型中進(jìn)行。
　　絮凝檢測(cè)儀自沉淀池的進(jìn)水管（圓柱形進(jìn)水室下部）取樣檢測(cè)，記錄儀將檢測(cè)信號(hào)自動(dòng)記錄，微機(jī)對(duì)采集的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷、運(yùn)算，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（變頻器和水泵）控制系統(tǒng)的投藥量。模型控制系統(tǒng)成如圖5所示。

4.2 控制系統(tǒng)調(diào)試
　　(1) 給定值選擇
　　模型試驗(yàn)按不同的“給定值R₀”（以R₀為均值的區(qū)間）控制，表1是進(jìn)水負(fù)荷和含沙量及其它條件均不變，只改變“給定值R₀”時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

不“給定值R₀”系統(tǒng)運(yùn)行情況 表1

R₀(V)

2.0±0.10

3.0±0.15

4.0±0.20

PAM投量（mg/L）
渾液面上升平均速度（mm/s）
出水濁度（度）
渾液面靜水沉速（mm/s）

1.47
0.026
900～1000
0.137

2.02
0.017
750～810
0.241

2.26
0.012
450～500
0.310

　　*原水含沙量：30kg/m³,水溫11.5℃,進(jìn)水負(fù)荷0.19mm/s.
　　模型輻沉池排泥是間歇式的，當(dāng)渾液面上升至水面以下200mm處開(kāi)始排根據(jù)渾液面上升過(guò)程線(xiàn)求得渾液面上升的平均速度。自絮凝槽取水樣作靜水沉速。出水濁度用分光光度計(jì)按標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法測(cè)得。
　　表1表明對(duì)于固定水質(zhì)條件的原水，R₀值越大，原水絮凝程度愈高，渾液面靜水沉速增大，相應(yīng)的渾液面上升速度緩慢，出水濁度減小。不過(guò)原水水質(zhì)一般是變化的，這時(shí)即使“給定值R₀”控制不變，系統(tǒng)運(yùn)行情況也將發(fā)生變化。表2為“給定值R₀”等于“3”，原水含沙量為30kg/m³t 45kg/m³時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行情況。
　　從表2可知含沙量增大時(shí)，雖然控制系統(tǒng)可以增加投藥量將R值控制在“給定值R₀”范圍內(nèi)，保證高濁度水絮程度不變。但由于含沙量增大，使渾液面沉速減小，導(dǎo)致出水水質(zhì)變差。實(shí)際上，沉淀池進(jìn)水負(fù)荷、水溫、泥沙顆粒級(jí)配等的變化，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行均有類(lèi)似的影響。表3是不同進(jìn)水負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行情況。為了保證系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，可以根據(jù)原水的水質(zhì)情況隨時(shí)調(diào)整“給定值R₀”。不過(guò)生產(chǎn)中為了管理方便，可以按不同季節(jié)的最不利情況設(shè)定“給定值R₀”。由于水樣中絮凝顆粒分布的不均勻性。檢測(cè)值R是隨機(jī)波動(dòng)的，所以“給定值”亦應(yīng)是以R₀為均值的一個(gè)區(qū)間（ΔR₀）。

　　含水量變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況影響　表2

R₀(V)

3.0±0.15

　

含沙量（mm/s³）
PAM投量（mg/L）
渾液面靜水沉速（mm/s）出水濁度（度）
渾液面上升平均速度（mm/s）

30
2.02
0. 241
750～810
0.018

45
2.87
0.216
800～900
0.025

　　　　　＊ 進(jìn)水負(fù)荷 0.19mm/s,水溫11.5℃, ΔR₀=0.15(V)

進(jìn)水負(fù)荷變化系統(tǒng)運(yùn)行情況 表3

R₀±ΔR₀(V)

　

3.0±0.15

進(jìn)水負(fù)荷 （mm/s）
PAM投量（mg/L）
渾液面靜水沉速（mm/s）
渾液面上升平均速度（mm/s）
出水濁度（度）

0.19
2.02
0.241
0.017
730～770

　

0.28
3.06
0.245
0.028
820～950

　　　　　　　　*含沙量：30kg/m³,水溫11.5℃,
　?。?）檢測(cè)周期的選擇
　　模型控制系統(tǒng)采用周期性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)周期為可調(diào)參數(shù)，可人為進(jìn)行修改。調(diào)節(jié)周期要考慮系統(tǒng)的各個(gè)慣性和純滯后環(huán)節(jié)。理想的調(diào)節(jié)周期是系統(tǒng)即能正確獲得被控量的變化情況，同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間最短^[5]。試驗(yàn)是通過(guò)實(shí)測(cè)確定調(diào)節(jié)周期的。方法是測(cè)定從含沙量或投藥量變化開(kāi)始，導(dǎo)致被控量R值改變一直到穩(wěn)定需要的時(shí)間。模型系統(tǒng)調(diào)節(jié)周期選2min。

6．控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能

6.1 適應(yīng)含沙量變化的能力
　　圖6是控制系統(tǒng)對(duì)含沙量變化調(diào)節(jié)情況的一次典型記錄。隔一定時(shí)間通過(guò)調(diào)配系統(tǒng)改變一次含沙量，含沙量最在變化范圍為5～45kg/m³，最小范圍28～33.2kg/m³，變化時(shí)間一般為5～10min，原水其它條件基本不變?！敖o定值R⁰”為“3”，始終保持不變。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)沙量變化響應(yīng)很快，調(diào)節(jié)時(shí)間只有2~4min?？刂屏縍值波動(dòng)小,并且緊緊跟蹤“給定值R₀”，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。出水濁度700~950°，平均濁度831°，濁度偏離平均值最大范圍14％，而原水含沙量的變化很強(qiáng)地調(diào)節(jié)能力。
6.2 適應(yīng)進(jìn)水流量變化的能力
　　進(jìn)水量通過(guò)改變模型系統(tǒng)沉淀池與絮凝槽水位差調(diào)整。當(dāng)進(jìn)水量增大時(shí)，單位水體藥量減少，絮凝程度下降，R值降低，偏離“給定值R₀”范圍。這時(shí)系統(tǒng)立即作出反應(yīng)，微機(jī)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)大投藥量保證高濁度水絮凝程度不變（圖7），將R控制在“給定值R₀”范圍內(nèi)。圖案中平均出水濁度為867°，濁度偏離平均值最大范圍約10%.而進(jìn)水量平均為21ml/s,最大流量為37ml/s,最小流量8ml/s偏離平均值最大范圍78%,即出水濁度波動(dòng)程度只相當(dāng)于進(jìn)水流量波動(dòng)程度1/7．8,由此可見(jiàn)控制系統(tǒng)對(duì)水量變化的調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)。另外，試驗(yàn)表明，進(jìn)水流量增大，沉淀池渾液面上升速度增大，反之減小，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水流量時(shí)大時(shí)小時(shí)，渾液面上升速度受進(jìn)水流量影響程度較小。

6.3 經(jīng)濟(jì)性和安全性
　　控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間短（2~4min），可以快速跟蹤原水含沙量、水量等的變化適時(shí)調(diào)節(jié)投藥量，保證原水一定的絮凝程度。與人工投藥相比出水水質(zhì)有可靠的保障，可以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，由于自動(dòng)投藥時(shí)，投藥準(zhǔn)確、合理，克服了人工投藥時(shí)為了安全而加大投藥量，無(wú)為消耗藥劑的浪費(fèi)現(xiàn)象，使更經(jīng)濟(jì)有效。

6. 結(jié)論

　　綜上，PDA檢測(cè)值R單回路高濁度水投藥自控系統(tǒng)，對(duì)高濁度水絮凝程度有很強(qiáng)的控制能力，能適應(yīng)原水含沙量、水量等的變化。當(dāng)含沙量、水量等變幅很大時(shí)，只需相應(yīng)調(diào)整“給定值R₀”，就能保證系統(tǒng)優(yōu)良運(yùn)行?！敖o定值R₀”可按經(jīng)驗(yàn)或作靜水沉淀實(shí)驗(yàn)確定。
　　R值單回路控制系統(tǒng)檢測(cè)因子單一，組成簡(jiǎn)單，控制功能可靠，調(diào)節(jié)時(shí)間短，適時(shí)性強(qiáng)，控制精度高，即可以保證處理系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)，也可以節(jié)省藥耗，具有很好的開(kāi)發(fā)前景。

參考文獻(xiàn)

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　　此文曾刊載于1994年第7期的《給水排水》雜志