透光率脉动混凝投药自控系统设定值影响因素研究

南军 李圭白

　　摘　要：水的混凝（絮凝）投药自动控制对提高水处理效果及经济运行都具有重要意义。透光率脉动检测技术的检测值R能反映出水中絮凝体尺寸，从而可以作为混凝（絮凝）程度的一个指标来控制投药。本文对常规浊度原水条件下的透光率脉动混凝投药自控系统设定值的主要影响因素进行了分析，着重研究原水浊度变化的影响。首次提出以投药反应后2min左右处的透光率脉动检测值R₂与原水检测值R²₁的比值_α作为自控系统的控制参数，并对其可行性进行了分析论证。
　　关键词：透光率脉动；混凝投药控制；设定值

Research on Contributing Factors Which affect the Set Point of Coagulant Dosage Auto Control System of Fluctuation of Transmitted Light Detecting
Nan Jun Li Guibai

　　Abstract The automatic control of coagulant (flocculent) dosage is of great significance for improving the treatment process and economic operation. The R value of monitoring the fluctuation of transmitted of random variations can be regarded as an index of coagulation (flocculation) degree to control dosage, due to its relation to the floc size. This article analyzed the contributing factors which affect the set point of coagulant dosage auto control system of fluctuation of transmitted light detecting in the field of general turbidity water treatment, lay stress on the changing of the turbidity of raw water. First brought a new scheme forward that is to build up the auto control system by theα value (α =R₂ value detected at about 2 min in flocculating process/R12 detected in raw water), and studied the feasibility of this scheme.
　　Keywords fluctuation of transmitted light; coagulant dosage control; set point

0．引言

　　对于一个给定的原水量，透光率脉动混凝投药自控系统不能直接由测定到的R值确定适宜的混凝剂投加量，这是处理工艺、原水状况、所用药剂、药品投加点和其他因素的函数。一个特定系统最佳的混凝剂投加量应通过其它传统方法来建立，然后将检测值R作为一个工具用于在变化的处理工况下维持此投加效果。根据相关性理论，特定工艺条件下投药后水样的检测值R与沉后水浊度是单一对应的。而按对沉淀水的浊度要求，就可选定一个特定的检测值R作为控制系统的设定值，控制系统调节投药量，使实测值接近设定值，就保证了投药混凝的效果。因而设定值是后反馈控制系统的基本参数，是控制参数的目标值，即检测值R的目标值。调控参数与设定值的偏离程度是评价控制系统的指标之一，而控制效果的好坏还取决于设定值的选取是否合理可靠。因而本文对实际应用中影响系统设定值的主要因素进行分析并提出相应的解决办法，为透光率脉动混凝投药自控技术的进一步推广应用提供参考。

1．影响因素分析　

　　应用实践证明，以检测值R为因子进行投药量控制，按一定的设定值运行是能够满足生产使用要求的，但一些相关因素的影响也不可忽略。对设定值的影响可分为两个方面：第一个方面是对透光率脉动检测值R直接发生影响，设定值自然也要作相应变化。第二个方面是对混凝沉淀过程直接发生影响。这类因素的变化改变了混凝及沉淀状况，也就应该变设定值。一般多数影响因素都同时具有上述两个方面的影响。随条件不同，可能某一方面的作用更突出一些。
　　综合理论与实践经验，对设定值起主要影响的因素是：原水的浊度、温度、PH值、有机物种类与含量，处理系统的水量负荷等。其中水温是随时间过程延续的渐变过程，一般没有大的波动；水量负荷的影响在临界负荷之内是不明显的，不会对控制系统的正常运行产生大的干扰；PH值、水中有机物种类与含量等只是对混凝效果有影响，同各种因素对需药量的影响程度相比，这些因素对设定值的影响是较小的、次要的，对处理效果（沉淀水浊度）的影响是可以接受的。
　　而原水浊度的变化相对较为频繁且无规律，在流动电流混凝投药自控系统及高浊度原水透光率脉动絮凝投药自控系统中，原水浊度在几百度的变化范围内，系统设定值的变化幅度不是很大，改变设定值所需的间隔周期较长。因此可以通过由检测沉淀水浊度修正系统设定值的方法来保证控制效果。与此不同的是在常规浊度原水条件下，原水浊度很小的变化，就会对透光率脉动混凝投药自控系统的设定值造成很大的影响，单靠沉淀水浊度来调节设定值已不能满足生产要求，要通过其它方法来解决。所以本文下面主要详细探讨常规浊度水原水浊度变化对系统设定值的影响。

2．原水浊度变化对系统设定值的影响

　　造成浊度的主要原因是水中存在许多悬浮物和大小不一的胶体颗粒，它们都能够散射光线，水样中的悬浮物与胶体颗粒越多，散射越亮，反之水样越清，散射越暗。原水浊度升高时，水中颗粒数量增多。
　　从透光率脉动检测值R在颗粒粒径单一的均相悬浮液条件下推导出的公式R=VR/V=(NL/A)^0.5C^[1]（其中N为单位水样体积内的颗粒数目；C为单个颗粒散射截面积；L/A为与透光率脉动传感器有关的常数）中我们可以看出R值与水中颗粒数目浓度的平方根成正比，与颗粒的光散射截面成正比。
　　因而加药凝聚后，原水浊度较高的水样中比浊度较低的水样中的颗粒数量浓度大，即使反应池检测水样中絮凝体的凝聚程度相同，粒径相同，检测值R也会随着原水浊度的升高而升高，即透光率脉动混凝投药自控系统的设定值有随着原水浊度升高而增加的趋势。　　图1为不同原水浊度条件下R值与沉淀水浊度的相关曲线。由图1中可以看出，在某一特定原水浊度条件下检测值R与沉淀水浊度的关系遵从其中一条相应曲线所确定的规律；另一浊度条件下，其关系将遵从另一特定曲线的规律。在图1的试验曲线族上，取某一沉淀水浊度值作水平线与各曲线相交，各点处的R值与相应的原水浊度就构成一对数据；将各对数据点绘于方格坐标图中（图2）就形成原水浊度与透光率脉动混凝投药测控系统设定值R之间的关系曲线。
　　从图2可以看出，在常规浊度水范围透光率脉动控制系统设定值是随着原水浊度的升高而升高的。原水浊度升高100NTU左右，而系统设定值却要提高一倍甚至一倍以上，设定值改变的幅度很大。
　　另一方面，从混凝沉淀的角度，原水浊度的升高，会加剧沉淀池的负荷，降低絮凝体的沉速。要达到相同的沉淀池出水浊度，就要加大投药量，增大絮凝体尺度，这也会使设定值随浊度升高而增加。因而在常规浊度水质条件下，原水浊度对透光率脉动混凝投药控制系统设定值的影响不可忽视，应采取相应的措施予以解决。

3．优化方案

　　由前面所述可知，在常规浊度原水水质条件下，透光率脉动混凝投药控制系统的设定值受原水浊度变化的影响较大。现行应用的解决方法是采用串级控制系统，即通过沉后水浊度值来修正透光率脉动控制器的设定值R，以力求抵消原水浊度变化的影响。但是当原水浊度发生变化的同时，系统的透光率脉动设定值并没有改变，需待处理水流过沉淀池出口，由浊度计检测到沉淀水浊度变化，浊度控制回路才开始调节透光率脉动控制回路的设定值R。而设定值R在一个调节周期内完全调回正确值大概需要120分钟左右。在这段时间内沉淀池出水浊度可能会有大于浊度给定值90%范围以上的波动，这在实际生产工艺中是不允许的。
　　因此，有必要采取其它方法以解决原水浊度对透光率脉动设定值的影响。在试验中观察发现，在相同沉淀水浊度情况下，用反应时间为2min出的水样R值与原水检测值R的平方相除，得到的值在不同原水浊度条件下差别很小。
　　设原水的透光率脉动检测值为R₁，反应时间2min处的水样检测值为R₂，经R₁、R₂运算后的值为_α。
　　　　则α=R₂/R₁²　　 （1）
　　可以设想以α值作为透光率脉动混凝投药控制系统的控制参数，系统根据α值调节加药量的大小，系统的设定值则由α值与沉淀水浊度之间的相关曲线来求得。下面我们就对利用α值进行常规浊度净水厂混凝投药自动控制的可行性进行研究。
3.1 α值与混凝剂投加量的关系
　　透光率脉动α值能作为混凝剂投量控制参数的一个最基本前提是对混凝剂投量的改变有相应的响应，因此对不同浊度原水的α值与混凝剂投加量之间的关系进行了测定（表1）。由表1可绘出α值与投药量的关系曲线，如图3所示：

表1

原水浊度（NTU）

原水R₁值

加药量（mg/L）

反应时间2min处水样R₂值

α值{α=R₂/R²₁}

沉淀水浊度（NTU）

45

0.53

5

1.06

3.77

7.0

10

1.60

5.70

5.2

15

2.01

7.16

3.5

140

0.73

5

1.14

2.14

10.3

10

2.10

3.94

6.5

15

3.62

6.79

4.7

250

1.08

5

1.75

1.50

30.0

10

3.80

3.26

8.1

15

6.82

5.85

5.1

440

1.42

10

3.52

1.75

31.0

15

4.84

2.40

9.5

20

7.56

3.75

6.7

　　通过观察上述图表，我们可以看出α值对混凝剂量的改变有相应的响应。在不同的原水浊度条件下，随着混凝剂投量的增大，α直皆表现为单值递增，且各曲线的规律相似。因而α值作为透光率脉动混凝投药自控系统中混凝剂投量控制参数的基本条件是成立的。
3.2 α值与沉淀水浊度的相关性
　　为了验证当α值作为透光率脉动混凝投药自控系统的控制参数时，原水浊度变化对系统设定值的影响可以忽略。本文利用表1的数据，在同一张图上标出不同的原水浊度条件下、不同投药量的α值及相对应的沉淀水浊度各数据点，作α值与沉淀水浊度的相关曲线，如图4所示。
　　图4为按幂函数模式对数据进行回归，得出回归方程y=37.812x^-12033 ，曲线相关指数r =0.9315。
　　为了更清楚起见，进行坐标变换，对图4的数据以lgy---lgx作图（y代表沉淀水浊度；x代表α值），得到明显的线性关系（图5）。以相关系数r值描述相关程度：

_{r=Lxy/[(Lxx.Lyy)^0.5]} （2）

　　其中， 　　　　（3）

　　进行相关分析，得出线性回归公式为y=-1.2055x+1.5797，对应的相关系数│r│=0.9312＞r^*=0.708（r^*为显著性水平在1%时的临界值）。这说明该线性方程式有意义的，在α值与沉淀水浊度之间是存在相关性的。即选定一个沉淀池出水浊度要求值，就对应着某个α值，且该α值的大小并不随原水浊度的变化而改变。因此，可以以α值作为透光率脉动混凝投药控制系统的控制目标，即给定值。通过调节投药量维持α值在给定值附近不变，就能保持沉淀池出水浊度的合格与稳定。
　　图4不同原水浊度α值与沉淀水浊度相关曲线 图5 不同原水浊度α值与沉淀水浊度相关曲线

4．结论

　　在常规浊度水透光率脉动混凝投药自控系统中，一般以R值作为系统的控制参数。但此时原水浊度的变化对系统设定值的影响较大，单靠沉淀池出水浊度反馈调节设定值已不能满足生产要求。因而本文采用α值（α=反应时间2min左右处的检测值R₂/原水检测值R²₁）来取代检测值R作为混凝投药的控制参数。而前述α值与混凝工艺相关性的研究为以α值为因子控制混凝投药提供了依据。
　　在常规浊度水处理过程中，在混凝剂量改变的同时，必伴随水中絮凝体粒径的变化，该变化可以通过透光率脉动检测值R来描述^[3]。而作为与反应池水样检测值R₂成正比关系的α值自然也同样能反映出絮体粒径变化的过程。因而，可建立透光率脉动混凝投药新的控制工艺流程，其控制原理如图6所示。

　　该串级系统以沉后水浊度作为系统的主控参数，值为副参数。以透光率脉动控制器的输出信号为投药装置的动作控制信号，透光率脉动控制器的设定值由浊度控制器的输出给定，而透光率脉动控制器的检测值即为α值。系统对原水水质、水量负荷、药液浓度等的变化扰动主要依靠透光率脉动控制器的输出来克服，而少量的二次干扰由浊度控制回路通过自动调节α设定值彻底消除。
　　生产运行过程中，各种水质、水量、药液特性的变化都反映在α值的变化上。以原水水量的变化为例，在t时刻，原水水量为Q，混凝药剂的流量为q，透光率脉动控制器检测值为α₀，等于设定值；在t+△t时刻，原水流量增加△Q，若投药量未变，则单位水体浊质获得的混凝剂量由q/Q降为q/(Q+△Q)。显然水中絮体的尺度要减少，即反应池透光率脉动检测值R₂降低，而此时原水的R₁值保持不变，这就表现为代表R₂/ R₁的α值降低到_α1，偏离设定值_α0。水量的变化表现为检测值α的变化，为维持混凝程度不变，就要增加混凝剂流量。由透光率脉动控制器指示执行机构，增加△q值，使之与△Q的影响相抵消，稳定检测值等于设定值α₀不变。因此，实际仅需α一个因子就可实现混凝投药控制。但是沉淀池内非水质因素的变化扰动、透光率脉动检测器取样流速的变化扰动、控制器零点的漂移等可能导致控制效果偏离的一些次要影响因素也不应忽视。因此用沉后水浊度对控制工况进行适度调节也是必要的。
　　利用α值检测控制混凝投药，由于透光率脉动技术的光透射式的特点，即检测仪器与被测定液体不发生直接接触，使得多种复杂水质的颗粒聚集状态变化过程的检测成为可能，因而适用于多种水质的检测，在水处理的混凝（絮凝）投药控制领域无疑有非常广阔的应用前景。

参考文献

　　1. 李星 .悬浮液透光率脉动检测技术与应用研究：[博士学位论文].哈尔滨：哈尔滨建筑大学图书馆，1995
　　2. 李燕城主编 .水处理实验技术. 北京：中国建筑工业出版社，1989
　　3. Gregory, J. A Simple Particle Monitor for Low-turbidity Waters, AWWA Water Quality Technology Conference. (1988).