于水利 李圭白

　　摘 要：本文提出了以絮凝檢測儀為基礎的高濁度水絮凝投藥自控制系統，并對該系統在實驗室進行了模型試驗。試驗結果表明，該系統對原水含沙量和水量的變化適應性較好，可以達到調整控制投藥量、穩定出水水質的效果。

　　我國是多沙河流較多的國家之一，年平均輸沙量在1000萬噸以上的河流有40條，年最大輸沙量超過1000萬噸的有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和氣候的影響很大，夏季洪水期沙峰到來時河水含沙量猛增，變幅很大。并且各次沙峰的泥沙顆粒和泥沙性質各不相同，給高濁度水的絮凝處理帶來很大困難，難以準確控制絮凝劑的投量。因此，準確、合理控制絮凝劑投量成為高濁度水處理成敗的關鍵。
　　高濁度水絮凝與一般濁度水不同，主要是吸附橋機理，同時由于高濁度水泥沙含量、顆粒級配等特性難以實現在線連續檢測，所以適合于一般濁度水的數字模型法以及近年發展起來的流動電流法等控制方式均難以用于高濁度水。八十年代J · Gregory研制開發了根據懸濁液的透光率脈動值分析絮粒大小的絮凝檢測儀^[6]（Photometic Dispersion Analyser）。該儀器用于一般濁度水投藥時，由于滯后時間長，適時性差，控制效果不理想。本研究試圖將其用于檢測高濁度水絮凝反應后絮粒大小，并以此來控制絮凝劑投量，組成以絮凝檢測儀為基礎的檢測值R單回路高濁度水絮凝投藥自動控制系統，并對該控制系統的性能進行了模型試驗研究，現將研究情況作一介紹。

1．絮凝檢測儀原理

　　圖1為絮凝檢測原理示意圖。一狹窄光束照射流動的懸濁液，透過光由光敏管接收，光路中的顆粒使光產生散射（也可能是吸收），導致透光強度減弱，透過光能地是轉換成電壓（或電流）信號。由于光路內濁質顆粒數目是隨機變化的并可以泊松分布表示^[3]，所以透光強度也是隨機變化的，相應的電壓信號也隨著波動，經適當處理以直流成（DC）脈動成（交流成分AC）輸出。濁質顆粒聚或絮凝時，顆粒粒徑增大，個數濃度減小，跟平均透光強度相應的直流成分不太變化，而對應于光路內顆粒平均個數存在的顆粒數目隨機波動的脈動成分卻顯著增大。即由絮凝檢測儀輸出的脈動成分可以靈敏地反映出懸濁液顆粒的絮凝情況。作為反映脈動成分在小的指標，絮凝檢測儀有二個輸出值，一個是脈動電壓的均方根（V_RMS，輸出電壓關于均值的均方差），另一個是V_RMS與其相應的直流電壓（V）的比值R（V_RMS／V）。應用中往往將此比值R作為懸濁液混凝的半定量指標。因為R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．控制系統總體設計

2.1 沉速和檢測值R的關系
　　渾液面沉速是高濁度水絮凝處理的重要參數^[2]。絮凝檢測儀檢測值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關系，為此我們進行了實驗驗證，實驗結果示于圖2。

　　絮凝實驗是在190×190×250mm的有機玻璃槽中進行的。水樣是用哈爾濱自來水和蘭州自來水廠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，試驗時水溫13.5ºC。
　　本試驗對30、40、60、70mg/m³四種含沙量進行了測定。
　　圖2中，含水利理相同時，渾液面沉速寫民R值呈現良好的正相關關系，相關系數0．975～0．998。由此通過檢測R值，即可獲得渾液面沉速在小的住處，使渾液面沉速的測定大為簡化，但不同含沙量時R值跟液面沉速的相關性不同，渾液面沉速隨含沙量增大而減小（R相同），所以若想建立渾液面沉速與R值定量關系尚需考慮含沙量、水溫等因素。
2.2 控制系統總體設計
　　檢測值R可以直接反映高濁度水絮凝情況，進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。實質上絮凝檢測值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。因此只需檢測加藥絮凝后高濁度水的一個參數——R值并適時控制即可實現絮凝投藥的自動控制。由此提出了以絮凝檢測儀為基礎的高濁度水絮凝投藥自控系統——R值單回路控制系統。該系統是一個中饋閉環直接數字控制系統（圖3）。

　　系統以絮凝檢測儀為基礎，連續檢測絮凝高濁度水的檢測值，微機將檢測值R與預先設定的“給定值R₀”比較，并按一定的控制算法通過執行機構（閥門或高頻器）來調整投藥量。

3．控制系統硬件及軟件設計

3.1 硬件設計
　　微機是控制系統的中心。所選用的微機應具有足夠的可靠性，實時性及很強的環境適應性，該系統所選用的IBM－PC／XT型工業控制微機，外高I／O接口由12位單端16路模入的A／D轉換器和12位1路輸出的D／A轉換器組成，A／D和D／A制作在一個板上，直接插在PC／XT機內，占用機內一個總線擴展槽，利用擴展槽所提供的確根數據線、控制線與計算機內部聯系。
　　執行機構由韓國出品的Goldstar 變頻調速器和國產離心式水泵組成，變頻器輸入信號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。
　　絮凝檢測儀型號為HJG－I，表頭為三位半數字顯示板（LED19.99），可以顯示檢測信號平均值（DC），脈動值（RMS）和比值（R），比值的輸出信號為0~5V。
3.2 軟件設計
　　控制系統軟件主要由初始化程序，反饋運算程序和鍵盤管理程序組成，鍵盤顯示管理程序主要具有以下功能：
　　（1）參數顯示：集中顯示當前投藥量，變頻器輸出頻率，處理水量，“給定值”等并能以圖形方式顯示，打印檢測值R的變化曲線。
　　（2）參數設定：通過鍵盤設定程序中的一些基本參數。
　　（3）自動、手動軟切換。
　　（4）自動脫機功能：當控制系統有故障則自動和脫機。
　　以上功能，分別安排于不同畫面，通過人機對話以“菜單”形式進行選擇。
　　控制系統反饋計算子程序框圖示于圖4。

4．試驗模型及系統調試

4.1 試驗模型
　　高濁度水用黃河泥沙和哈爾濱自來水配制。系統的調配裝置可使系統進水含沙量任意改變。高濁度水在絮凝槽內停留時間1min左右（可調節）與絮凝劑反應。沉淀是在直徑2m，圓心角12.5°的扇形輻沉池模型中進行。
　　絮凝檢測儀自沉淀池的進水管（圓柱形進水室下部）取樣檢測，記錄儀將檢測信號自動記錄，微機對采集的檢測信號進行判斷、運算，通過執行機構（變頻器和水泵）控制系統的投藥量。模型控制系統成如圖5所示。

4.2 控制系統調試
　　(1) 給定值選擇
　　模型試驗按不同的“給定值R₀”（以R₀為均值的區間）控制，表1是進水負荷和含沙量及其它條件均不變，只改變“給定值R₀”時系統的運行情況。

不“給定值R₀”系統運行情況 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℃,進水負荷0.19mm/s.
　　模型輻沉池排泥是間歇式的，當渾液面上升至水面以下200mm處開始排根據渾液面上升過程線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按標準曲線法測得。
　　表1表明對于固定水質條件的原水，R₀值越大，原水絮凝程度愈高，渾液面靜水沉速增大，相應的渾液面上升速度緩慢，出水濁度減小。不過原水水質一般是變化的，這時即使“給定值R₀”控制不變，系統運行情況也將發生變化。表2為“給定值R₀”等于“3”，原水含沙量為30kg/m³t 45kg/m³時，系統運行情況。
　　從表2可知含沙量增大時，雖然控制系統可以增加投藥量將R值控制在“給定值R₀”范圍內，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，導致出水水質變差。實際上，沉淀池進水負荷、水溫、泥沙顆粒級配等的變化，對系統的運行均有類似的影響。表3是不同進水負荷時系統運行情況。為了保證系統的最優運行狀態，可以根據原水的水質情況隨時調整“給定值R₀”。不過生產中為了管理方便，可以按不同季節的最不利情況設定“給定值R₀”。由于水樣中絮凝顆粒分布的不均勻性。檢測值R是隨機波動的，所以“給定值”亦應是以R₀為均值的一個區間（ΔR₀）。

　　含水量變化對系統運行情況影響　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

　　　　　＊ 進水負荷 0.19mm/s,水溫11.5℃, ΔR₀=0.15(V)

進水負荷變化系統運行情況 表3

R₀±ΔR₀(V)

　

3.0±0.15

進水負荷 （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℃,
　　（2）檢測周期的選擇
　　模型控制系統采用周期性調節，調節周期為可調參數，可人為進行修改。調節周期要考慮系統的各個慣性和純滯后環節。理想的調節周期是系統即能正確獲得被控量的變化情況，同時調節時間最短^[5]。試驗是通過實測確定調節周期的。方法是測定從含沙量或投藥量變化開始，導致被控量R值改變一直到穩定需要的時間。模型系統調節周期選2min。

6．控制系統調節性能

6.1 適應含沙量變化的能力
　　圖6是控制系統對含沙量變化調節情況的一次典型記錄。隔一定時間通過調配系統改變一次含沙量，含沙量最在變化范圍為5～45kg/m³，最小范圍28～33.2kg/m³，變化時間一般為5～10min，原水其它條件基本不變。“給定值R⁰”為“3”，始終保持不變。

　　實驗結果表明，系統對沙量變化響應很快，調節時間只有2~4min。控制量R值波動小,并且緊緊跟蹤“給定值R₀”，系統穩定性良好。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地調節能力。
6.2 適應進水流量變化的能力
　　進水量通過改變模型系統沉淀池與絮凝槽水位差調整。當進水量增大時，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。這時系統立即作出反應，微機通過執行機構調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。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%,即出水濁度波動程度只相當于進水流量波動程度1/7．8,由此可見控制系統對水量變化的調節能力很強。另外，試驗表明，進水流量增大，沉淀池渾液面上升速度增大，反之減小，當系統進水流量時大時小時，渾液面上升速度受進水流量影響程度較小。

6.3 經濟性和安全性
　　控制系統調節時間短（2~4min），可以快速跟蹤原水含沙量、水量等的變化適時調節投藥量，保證原水一定的絮凝程度。與人工投藥相比出水水質有可靠的保障，可以保證系統安全穩定運行。同時，由于自動投藥時，投藥準確、合理，克服了人工投藥時為了安全而加大投藥量，無為消耗藥劑的浪費現象，使更經濟有效。

6. 結論

　　綜上，PDA檢測值R單回路高濁度水投藥自控系統，對高濁度水絮凝程度有很強的控制能力，能適應原水含沙量、水量等的變化。當含沙量、水量等變幅很大時，只需相應調整“給定值R₀”，就能保證系統優良運行。“給定值R₀”可按經驗或作靜水沉淀實驗確定。
　　R值單回路控制系統檢測因子單一，組成簡單，控制功能可靠，調節時間短，適時性強，控制精度高，即可以保證處理系統安全穩定地運行，同時，也可以節省藥耗，具有很好的開發前景。

參考文獻

　　[1] 錢寧／戴定忠，“中國泥沙問題及其研究概況”，第一次河流泥沙國際學術講座會論文，1988年3月，PP．3～18。
　　[2] 李圭白，“高濁度水的動水渾縮規律和自然沉淀池的計算方法”，土木工程學報第10卷，第1期，（1964）。
　　[3] J.Gregry,“Turbidity fluctuations in Flowing Suspen sions”,J.Colloid interfade sci .,Vol.105,No.2
　　[4] T.O Kayode and J.Gregory , “A New Technique for Monitering Alum Sludge Conditioning”.Wat ,Res ,Vol .22NO.1PP85-90.1988.
　　[5] 王錦標、方崇，《過程計算機控制》清華大學出版社，1992年版。
　　[6] RANK BROTHERS LTD . “Photometic Dispersion Analyser PDA 2000 OPERTATING MANUAL”.

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　　此文曾刊載于1994年第7期的《給水排水》雜志