混凝剂投加的优化自动控制—检测器法的试验研究

崔福义

　　摘　要：混凝剂的投加是水处理工艺中重要的一环。为适应原水水质的变化，许多研究人员试图找出一种控制混凝剂投加量的最佳方法，本文提出采用混凝过程中胶体电特性参数的新控制方法，以一种专用检测器为核心构成自动控制系统，并对该系统中检测器与混凝剂投量的关系及检测器设定值进行了研究。通过连续运行试验表明，该控制系统具有较强的调节功能，即使在较大的水质波动下，仍能较好的工作，处理后水质基本稳定，有较高的工作可靠性。

1.前言

　　混凝是地表水常规处理工艺中的关键性一环。在工艺条件一定时，混凝剂量直接影响到水处理的结果—即处理后的水质，并在制水成本中占有较大比重。人们希望用最佳投量实现混凝过程，以符合水质要求，同时节约混凝剂的消耗。
　　传统上，最佳混凝剂投量以烧杯试验法确定，通常数天以至数周进行一次。事实上，原水水质是随时间连续变化的，以瞬时水质为依据的烧杯试验难以保证混凝剂投量始终为最佳。因而引进计算机自动化控制技术，已成为当今水处理工程中一项具有重要技术、经济意义的课题。
　　混凝优化控制方法主要可分为两大类型：
　　① 采用处理后水质反馈法。就理论上而言该法最可靠。但由于实际工艺过程中获得处理后水质数据要滞后一段时间，优化控制不能达到同步。
　　② 采用原水水质前馈法。该法控制简单，对水质变化响应迅速，是目前研究最多的一种方式。大多数研究者采用数种原水水质参数作为控制依据，根据大量统计数据，找出确定混凝剂投量的数学模型，借助计算机实现自动控制。由于混凝过程的复杂性，往往难以用几种水质参数较全面地概括混凝的全部影响因素，因而该法控制的精度及可靠性较差。同时，该法对每一控制参数都要求有适宜连续检测的稳定可靠的仪表及相应的传感器，这也往往是同难的。
　　此外，还有比例控制法等改进的控制方案，但均未能达到令人满意的程度。
　　本研究采用混凝过程中胶体电特性参数的新控制方法，以一种专用检测器为核心构成自动控制系统，并将其应用于半工业性水处理模型装置中，通过运行试验，对该系统的工作性能及可靠性进行了研究。

2.试验系统介绍

2.1 专用检测器的基本原理
　　本系统的基本原理是基于胶体体系的动电学理论。如图1所示，在一圆柱形检测室的两端，各有一环形电极；一个十字型塑料活塞在室内作高速往复运动。待测水样流过检测室时，水中的部分胶体颗粒被吸附于检测室与活塞的壁面上。活塞的往复运动从这些被吸附胶体的扩散层夺取反离子，产生一动电电流，该电流通过电极被检测并放大，称为检测器的检测值。该值在微安培数量级，是夺取的反离子数量及电价数的函数，从而与水中胶体颗粒的浓度及荷电量有关。实验表明，不同原水或同一原水在处理的不同阶段，检测值不同。

　　实验发现，检测值与ξ电位之间存在一种线性关系。可以认为，检测值的变化在数量上代表了ξ电位的变化。众所周知，ξ电位反映了胶体的荷电状况。是混凝的重要特性参数。一定的条件下，ξ电位的大小，即胶体的脱稳程度，决定着混凝的效果。一般以ξ电位近于零时，混凝为最佳，此时的混凝剂投量，即为最佳混凝剂量。因此，可推想检测值也与最佳混凝剂量相对应。这是本研究中控制系统工作的基本依据。
2.2 自动控制系统
　　 以专用检测器为核心，建立了一套自动控制系统。所有参数的收集与处理由一台6809型工业控制用微型计算机进行。该系统有二个基本功能：各项水质参数的检测记录与混凝剂的投量控制。水质参数包括原水与处理后水的浊度，紫外吸光度，水温和pH值等，相应的仪器为一台HACH2100A型浊度仪，一台Perkin Elmer LAMBDA3型紫外/可见光分光光度计及一台温度—pH自动测定仪。专用检测器将混凝后水的检测值信号输给计算机，由计算机将之与预先设定的期望值比较并算出混凝剂量的调整值，据此对混凝剂投加泵的运行进行自动调节。
　　系统以40min为一个工作周期，其下又分4个子周期。每个周期内分别对原水及处理后水的各项参数循环检测一次。每个小周期内对混凝剂投量作一次调整。
　　各仪器与计算机之间以中间变换器和接口装置相连接，进行信号转换。计算机显示、储存并定期打印各项参数。
2.3 水处理模型装置
　　采用一组半工业性水处理装置进行试验，包括混凝剂投加，混合装置及脉冲澄清池（图2）。澄清池有效面积1m²，悬浮泥渣层厚度2m，清水区厚度1m，处理水量3m³／h。以碱式氯化铝为混凝剂。
　　以澄清池出水作为处理后控制水质。原水及处理后水质控制参数主要为浊度和紫外吸光度（波长254nm），分别代表悬浮物及有机物的含量。浊度采用国际标准浊度单位（NTU），吸光度为（m^-1）。
　　为可靠起见，试验数据的记录及水质参数的测定以自动方式及人工方式平行进行。

　　该试验要研究二个基本问题：①是否确实存在某特定的检测值与最佳混凝剂量相对应的关系。若以该值作为前述优化自控系统中检测器设定的期望值（设定值），能否保证混凝剂投量始终为最佳；②在某一设定值下，专用检测器及整个自控系统的灵敏性与可靠性如何？是否满足生产使用的要求。

3. 检测器设定值的研究

3.1 设定值的选择
　　该研究采用“准烧杯试验法”寻求设定值。即：运行水处理模型装置，但以手动控制投加混凝剂；以一定的时间间隔，改变混凝剂投量；相应于每一投量，在快速混合池的出口处取一升混合后水样，置于烧杯试验搅拌机上，以30转/min慢速搅拌20min，然后静沉10min，取上清液测定沉淀后水质；取样的同时，记录专用检测器示值。上清液测定项目包括：余浊，紫外吸光度（254nm），pH值等。试验结果为一组曲线（图3）。根据余浊及吸光度曲线，可确定最佳混凝剂量。考虑混凝剂的混凝特性及试验精度，该最佳投量以15mg/L的剂量区间表示。对应于最佳剂量区间，可确定一检测值区间—该实验条件下的最佳检测值范围。图4所示为五组不同的准烧杯试验的结果。它表明，专用检测器对混凝剂量的变化是灵敏的：随剂量的增减，检测值呈明显的单值变化趋势；对原水水质的变化亦是灵敏的。当取同一剂量对不同原水水质进行比较时，检测值有很大差异。最令人感兴趣的是：尽管五组试验的原水水质有很大变化（表1），它们却存在共同的最佳检测值范围（区间A）。即，若于该区间内取一值作为检测器设定值，则至少对于这五组试验的水质条件，其自控系统可以保证模型试验装置的混凝剂投量为最佳。

表1 准烧杯试验原水水质

编号

1

2

3

4

5

浊度（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 设定值的验证
　　以检测值为-4.0作为设定值，通过模型试验装置及其自控系统的连续运行试验，对在该设定值下系统的运行情况进行了研究，由图4可知，设定值=-4.O较最佳检测值范围偏高，但在80％的情况下是可靠的。笔者认为，本研究的目的在于探求在专用检测器控制下，混凝剂投量的变化趋势。即若该试验系统的混凝剂投量能始终追随最佳投量的变化，则说明该检测器是灵敏的，自控系统的调节功能是良好的。至于-4.0对最佳检测值的偏离，只构成处理后水质的系统偏差，对试验目的并无影响。在实际生产中，可改变设定值以调整处理后的水质，这正是该系统的优点之一。
　　在近二个月的连续运行试验期间，一方面观测了混凝剂投量随时间的变化，另一方面间断地进行了烧杯混凝试验，以寻求实际的最佳混凝剂量。结果表明，尽管原水水质发生了较大变化．如浊度范围达4.3～42NTU之间（表2），混凝剂投量也有很大的变动，但在自控系统的调节下，试验装置的混凝剂量能紧密追随这一变化，始终处于或极接近最佳投量区间（图5）。从而进一步证明专用检测器对水质变化的良好敏感性。说明检测值反映了水中胶体物质混凝时的某种本质特性。

表2 烧杯试验水质条件

编号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

水温(℃)

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

浊度(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.连续运行试验

　　从处理后水质参数的稳定性角度，对专用检测器调控性能的可靠性加以评价。根据本试验的目的，我们所关心的是水质的相对变化及趋势，而不是水质参数的绝对值。水质的波动程度（即稳定性）可以用均方差σ描述，修正样本数n的差异后，即为σ/(n)_0.5 。
4.1 处理后水质的稳定性
　　图6～9及表3、4表明了自动记录的部分运行试验结果和统计分析（记录文件号：F₂；连续运行时间：15天）。以浊度为例，当原水浊度在14.4～99.9NTU之间变化时，沉淀后水的余浊变化仅为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。可见处理后水质变动不大，是相对稳定的。

4.2 不同水质条件下的调节功能

　　表3、表4代表了原水水质强烈变化的阶段（F₂），而表5、表6则代表了原水水质相对平稳的阶段（F₄）。这两个阶段的原水水质波动幅度相差较大（σ/_(n)0.5）F₂/（σ/_(n)0.5）F₄=5.6～6.5，但处理后的水质波动却几乎相同，上述比值在1.0～1.5左右。这两个阶段的处理后水质参数的绝对值也很接近，余浊分别为1.00和1.19，紫外吸光度为8.94和8.72。但混凝投量的平均值则有明显差别，分别为7.84和3.91mg/L。

表3 原水水质及混凝剂投量（F₂）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/ _(n)0.5

浊度

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

-

混凝剂量(mg/L)

78.65

60

105

10.29

0.55

表4 沉淀后水质（F₂）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/_(n)0.5

浊度

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 原水水质及混凝剂投量（F₄）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/_(n)0.5

浊度

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

-

混凝剂量(mg/L)

39.08

27

59

6.81

0.33

表6 沉淀后水质（F₄）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/_(n)0.5

浊度

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

　　以上结果表明，以专用检测器为核心的优化控制系统有较强的调节功能，即使在较大的水质波动下，仍能较好地工作，处理后水质基本稳定，为后续处理工艺提供了良好的运行条件。

5. 技术经济比较与分析

　　试验装置所在地的水处理厂具有与试验装置相类似的工艺流程，该处理厂采用人工控制投加混凝剂。在一定时间内，混凝剂投量为常数。虽然该厂澄清池负荷较试验装置为低，并在混凝之前有预臭氧工艺，因而不能用处理后水质的绝对值作比较，但这并不妨碍我们对这行参数的变化趋势作一比较。
　　在一段运行期间，水厂的混凝剂投量恒定为65mg/L，试验装置则由自控系统连续调节混凝剂量。以紫外吸光度为例，其结果（图10）显示，试验装置的沉淀后水的吸光度受原水吸光度变化的影响较小，相反水厂则受影响较大，图10中直线的斜率，模型装置仅为0.14，而水厂则达0.41。这表明采用该优化控制系统的处理效果稳定，受原水变化的影响较小，有较高的可靠性。
　　优化控制系统使混凝剂投量始终处于最佳量，不仅避免了人工控制时的投量不足，可能使水质恶化的危险（图5中的100～240小时段），而且也避免了混凝剂投加过量使混凝剂得不到最有效利用，以图5中400到1250小时为例，水厂处于过量投加混凝剂工况。与最佳投量相比，多消耗了37.8%的混凝剂，以该厂产水量为72000m3/d混凝剂投量65mg/L计，平均每天多消耗混凝剂达1287kg。

6.结论

　　以专用检测器为核心的混凝剂优化控制投加系统，具有良好的灵敏性及可靠性，不存在相应滞后问题，能保证混凝在最佳投量下进行，提高了供水水质的保证率，有效的节约了混凝剂消耗，具有显著的技术经济意义。该系统还具有下列优点：
　　1、设定值易于调节。通过选择适宜的检测器设定值，可满足处理后水质的不同要求。
　　2、对原水的水质、水量变化适应性强。系统依靠自身功能进行调节，不依赖于其它水质参数，无需对水量进行准确测量。
　　3、检测参数单一，不要求其它水质分析仪器，便于维护管理。
　　4、系统本身具有报警功能，可及时发现混凝剂供应中断等运行事故，在供水可靠性上亦是一个提高。
　　在应用中设定值的选择应根据特定的处理水质和处理要求，由试验决定。
　　该系统有待于在生产性处理装置上进一步检验、完善。