崔福義

　　摘　要：混凝劑的投加是水處理工藝中重要的一環。為適應原水水質的變化，許多研究人員試圖找出一種控制混凝劑投加量的最佳方法，本文提出采用混凝過程中膠體電特性參數的新控制方法，以一種專用檢測器為核心構成自動控制系統，并對該系統中檢測器與混凝劑投量的關系及檢測器設定值進行了研究。通過連續運行試驗表明，該控制系統具有較強的調節功能，即使在較大的水質波動下，仍能較好的工作，處理后水質基本穩定，有較高的工作可靠性。

1.前言

　　混凝是地表水常規處理工藝中的關鍵性一環。在工藝條件一定時，混凝劑量直接影響到水處理的結果—即處理后的水質，并在制水成本中占有較大比重。人們希望用最佳投量實現混凝過程，以符合水質要求，同時節約混凝劑的消耗。
　　傳統上，最佳混凝劑投量以燒杯試驗法確定，通常數天以至數周進行一次。事實上，原水水質是隨時間連續變化的，以瞬時水質為依據的燒杯試驗難以保證混凝劑投量始終為最佳。因而引進計算機自動化控制技術，已成為當今水處理工程中一項具有重要技術、經濟意義的課題。
　　混凝優化控制方法主要可分為兩大類型：
　　① 采用處理后水質反饋法。就理論上而言該法最可靠。但由于實際工藝過程中獲得處理后水質數據要滯后一段時間，優化控制不能達到同步。
　　② 采用原水水質前饋法。該法控制簡單，對水質變化響應迅速，是目前研究最多的一種方式。大多數研究者采用數種原水水質參數作為控制依據，根據大量統計數據，找出確定混凝劑投量的數學模型，借助計算機實現自動控制。由于混凝過程的復雜性，往往難以用幾種水質參數較全面地概括混凝的全部影響因素，因而該法控制的精度及可靠性較差。同時，該法對每一控制參數都要求有適宜連續檢測的穩定可靠的儀表及相應的傳感器，這也往往是同難的。
　　此外，還有比例控制法等改進的控制方案，但均未能達到令人滿意的程度。
　　本研究采用混凝過程中膠體電特性參數的新控制方法，以一種專用檢測器為核心構成自動控制系統，并將其應用于半工業性水處理模型裝置中，通過運行試驗，對該系統的工作性能及可靠性進行了研究。

2.試驗系統介紹

2.1 專用檢測器的基本原理
　　本系統的基本原理是基于膠體體系的動電學理論。如圖1所示，在一圓柱形檢測室的兩端，各有一環形電極；一個十字型塑料活塞在室內作高速往復運動。待測水樣流過檢測室時，水中的部分膠體顆粒被吸附于檢測室與活塞的壁面上。活塞的往復運動從這些被吸附膠體的擴散層奪取反離子，產生一動電電流，該電流通過電極被檢測并放大，稱為檢測器的檢測值。該值在微安培數量級，是奪取的反離子數量及電價數的函數，從而與水中膠體顆粒的濃度及荷電量有關。實驗表明，不同原水或同一原水在處理的不同階段，檢測值不同。

　　實驗發現，檢測值與ξ電位之間存在一種線性關系。可以認為，檢測值的變化在數量上代表了ξ電位的變化。眾所周知，ξ電位反映了膠體的荷電狀況。是混凝的重要特性參數。一定的條件下，ξ電位的大小，即膠體的脫穩程度，決定著混凝的效果。一般以ξ電位近于零時，混凝為最佳，此時的混凝劑投量，即為最佳混凝劑量。因此，可推想檢測值也與最佳混凝劑量相對應。這是本研究中控制系統工作的基本依據。
2.2 自動控制系統
　　 以專用檢測器為核心，建立了一套自動控制系統。所有參數的收集與處理由一臺6809型工業控制用微型計算機進行。該系統有二個基本功能：各項水質參數的檢測記錄與混凝劑的投量控制。水質參數包括原水與處理后水的濁度，紫外吸光度，水溫和pH值等，相應的儀器為一臺HACH2100A型濁度儀，一臺Perkin Elmer LAMBDA3型紫外/可見光分光光度計及一臺溫度—pH自動測定儀。專用檢測器將混凝后水的檢測值信號輸給計算機，由計算機將之與預先設定的期望值比較并算出混凝劑量的調整值，據此對混凝劑投加泵的運行進行自動調節。
　　系統以40min為一個工作周期，其下又分4個子周期。每個周期內分別對原水及處理后水的各項參數循環檢測一次。每個小周期內對混凝劑投量作一次調整。
　　各儀器與計算機之間以中間變換器和接口裝置相連接，進行信號轉換。計算機顯示、儲存并定期打印各項參數。
2.3 水處理模型裝置
　　采用一組半工業性水處理裝置進行試驗，包括混凝劑投加，混合裝置及脈沖澄清池（圖2）。澄清池有效面積1m²，懸浮泥渣層厚度2m，清水區厚度1m，處理水量3m³／h。以堿式氯化鋁為混凝劑。
　　以澄清池出水作為處理后控制水質。原水及處理后水質控制參數主要為濁度和紫外吸光度（波長254nm），分別代表懸浮物及有機物的含量。濁度采用國際標準濁度單位（NTU），吸光度為（m^-1）。
　　為可靠起見，試驗數據的記錄及水質參數的測定以自動方式及人工方式平行進行。

　　該試驗要研究二個基本問題：①是否確實存在某特定的檢測值與最佳混凝劑量相對應的關系。若以該值作為前述優化自控系統中檢測器設定的期望值（設定值），能否保證混凝劑投量始終為最佳；②在某一設定值下，專用檢測器及整個自控系統的靈敏性與可靠性如何？是否滿足生產使用的要求。

3. 檢測器設定值的研究

3.1 設定值的選擇
　　該研究采用“準燒杯試驗法”尋求設定值。即：運行水處理模型裝置，但以手動控制投加混凝劑；以一定的時間間隔，改變混凝劑投量；相應于每一投量，在快速混合池的出口處取一升混合后水樣，置于燒杯試驗攪拌機上，以30轉/min慢速攪拌20min，然后靜沉10min，取上清液測定沉淀后水質；取樣的同時，記錄專用檢測器示值。上清液測定項目包括：余濁，紫外吸光度（254nm），pH值等。試驗結果為一組曲線（圖3）。根據余濁及吸光度曲線，可確定最佳混凝劑量。考慮混凝劑的混凝特性及試驗精度，該最佳投量以15mg/L的劑量區間表示。對應于最佳劑量區間，可確定一檢測值區間—該實驗條件下的最佳檢測值范圍。圖4所示為五組不同的準燒杯試驗的結果。它表明，專用檢測器對混凝劑量的變化是靈敏的：隨劑量的增減，檢測值呈明顯的單值變化趨勢；對原水水質的變化亦是靈敏的。當取同一劑量對不同原水水質進行比較時，檢測值有很大差異。最令人感興趣的是：盡管五組試驗的原水水質有很大變化（表1），它們卻存在共同的最佳檢測值范圍（區間A）。即，若于該區間內取一值作為檢測器設定值，則至少對于這五組試驗的水質條件，其自控系統可以保證模型試驗裝置的混凝劑投量為最佳。

表1 準燒杯試驗原水水質

編號

1

2

3

4

5

濁度（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 設定值的驗證
　　以檢測值為-4.0作為設定值，通過模型試驗裝置及其自控系統的連續運行試驗，對在該設定值下系統的運行情況進行了研究，由圖4可知，設定值=-4.O較最佳檢測值范圍偏高，但在80％的情況下是可靠的。筆者認為，本研究的目的在于探求在專用檢測器控制下，混凝劑投量的變化趨勢。即若該試驗系統的混凝劑投量能始終追隨最佳投量的變化，則說明該檢測器是靈敏的，自控系統的調節功能是良好的。至于-4.0對最佳檢測值的偏離，只構成處理后水質的系統偏差，對試驗目的并無影響。在實際生產中，可改變設定值以調整處理后的水質，這正是該系統的優點之一。
　　在近二個月的連續運行試驗期間，一方面觀測了混凝劑投量隨時間的變化，另一方面間斷地進行了燒杯混凝試驗，以尋求實際的最佳混凝劑量。結果表明，盡管原水水質發生了較大變化．如濁度范圍達4.3～42NTU之間（表2），混凝劑投量也有很大的變動，但在自控系統的調節下，試驗裝置的混凝劑量能緊密追隨這一變化，始終處于或極接近最佳投量區間（圖5）。從而進一步證明專用檢測器對水質變化的良好敏感性。說明檢測值反映了水中膠體物質混凝時的某種本質特性。

表2 燒杯試驗水質條件

編號

1

2

3

4

5

6

7

8

9

水溫(℃)

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

濁度(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.連續運行試驗

　　從處理后水質參數的穩定性角度，對專用檢測器調控性能的可靠性加以評價。根據本試驗的目的，我們所關心的是水質的相對變化及趨勢，而不是水質參數的絕對值。水質的波動程度（即穩定性）可以用均方差σ描述，修正樣本數n的差異后，即為σ/(n)_0.5 。
4.1 處理后水質的穩定性
　　圖6～9及表3、4表明了自動記錄的部分運行試驗結果和統計分析（記錄文件號：F₂；連續運行時間：15天）。以濁度為例，當原水濁度在14.4～99.9NTU之間變化時，沉淀后水的余濁變化僅為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。可見處理后水質變動不大，是相對穩定的。

4.2 不同水質條件下的調節功能

　　表3、表4代表了原水水質強烈變化的階段（F₂），而表5、表6則代表了原水水質相對平穩的階段（F₄）。這兩個階段的原水水質波動幅度相差較大（σ/_(n)0.5）F₂/（σ/_(n)0.5）F₄=5.6～6.5，但處理后的水質波動卻幾乎相同，上述比值在1.0～1.5左右。這兩個階段的處理后水質參數的絕對值也很接近，余濁分別為1.00和1.19，紫外吸光度為8.94和8.72。但混凝投量的平均值則有明顯差別，分別為7.84和3.91mg/L。

表3 原水水質及混凝劑投量（F₂）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/ _(n)0.5

濁度

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

-

混凝劑量(mg/L)

78.65

60

105

10.29

0.55

表4 沉淀后水質（F₂）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/_(n)0.5

濁度

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 原水水質及混凝劑投量（F₄）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/_(n)0.5

濁度

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

-

混凝劑量(mg/L)

39.08

27

59

6.81

0.33

表6 沉淀后水質（F₄）

平均值

最小值

最大值

σ

σ/_(n)0.5

濁度

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

　　以上結果表明，以專用檢測器為核心的優化控制系統有較強的調節功能，即使在較大的水質波動下，仍能較好地工作，處理后水質基本穩定，為后續處理工藝提供了良好的運行條件。

5. 技術經濟比較與分析

　　試驗裝置所在地的水處理廠具有與試驗裝置相類似的工藝流程，該處理廠采用人工控制投加混凝劑。在一定時間內，混凝劑投量為常數。雖然該廠澄清池負荷較試驗裝置為低，并在混凝之前有預臭氧工藝，因而不能用處理后水質的絕對值作比較，但這并不妨礙我們對這行參數的變化趨勢作一比較。
　　在一段運行期間，水廠的混凝劑投量恒定為65mg/L，試驗裝置則由自控系統連續調節混凝劑量。以紫外吸光度為例，其結果（圖10）顯示，試驗裝置的沉淀后水的吸光度受原水吸光度變化的影響較小，相反水廠則受影響較大，圖10中直線的斜率，模型裝置僅為0.14，而水廠則達0.41。這表明采用該優化控制系統的處理效果穩定，受原水變化的影響較小，有較高的可靠性。
　　優化控制系統使混凝劑投量始終處于最佳量，不僅避免了人工控制時的投量不足，可能使水質惡化的危險（圖5中的100～240小時段），而且也避免了混凝劑投加過量使混凝劑得不到最有效利用，以圖5中400到1250小時為例，水廠處于過量投加混凝劑工況。與最佳投量相比，多消耗了37.8%的混凝劑，以該廠產水量為72000m3/d混凝劑投量65mg/L計，平均每天多消耗混凝劑達1287kg。

6.結論

　　以專用檢測器為核心的混凝劑優化控制投加系統，具有良好的靈敏性及可靠性，不存在相應滯后問題，能保證混凝在最佳投量下進行，提高了供水水質的保證率，有效的節約了混凝劑消耗，具有顯著的技術經濟意義。該系統還具有下列優點：
　　1、設定值易于調節。通過選擇適宜的檢測器設定值，可滿足處理后水質的不同要求。
　　2、對原水的水質、水量變化適應性強。系統依靠自身功能進行調節，不依賴于其它水質參數，無需對水量進行準確測量。
　　3、檢測參數單一，不要求其它水質分析儀器，便于維護管理。
　　4、系統本身具有報警功能，可及時發現混凝劑供應中斷等運行事故，在供水可靠性上亦是一個提高。
　　在應用中設定值的選擇應根據特定的處理水質和處理要求，由試驗決定。
　　該系統有待于在生產性處理裝置上進一步檢驗、完善。