透光率脈動傳感器是一種在線光學(xué)檢測裝置，它通過檢測透過流動懸浮液的光強(qiáng)度的脈動狀態(tài)反映絮凝后水中形成的絮凝體的生長情況，其檢測參數(shù)少、靈敏度高、檢測值R直接反映了水中的混凝效果。因此，以R值為控制參數(shù)的透光率脈動混凝投藥自動控制系統(tǒng)已經(jīng)在水處理領(lǐng)域中得到了一定的應(yīng)用，尤其在高濁度水的混凝劑自動投加控制方面獲得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[1－2]，透光率脈動檢測技術(shù)在礦井水處理中的應(yīng)用與研究則是在近幾年中才發(fā)展起來[3]。本文將介紹透光率脈動混凝投藥控制技術(shù)在山東兗州礦務(wù)局的應(yīng)用情況。

1 水廠概述

山東省兗州礦務(wù)局某煤礦下屬的礦井水處理廠，處理煤礦原煤開采產(chǎn)生的礦井水，處理后的清水目前主要用于洗煤、綠化以及礦區(qū)職工洗浴，將來經(jīng)過深度處理后，可以用于生活飲用。

此礦井水處理廠原水的濁度不高，顏色為灰黑色，pH偏堿性，水量日變化幅度不大，但時變化幅度較大，時變化系數(shù)約為1.5－1.8，其水質(zhì)參數(shù)平均值見表1。本處理廠主要是去除礦井水中的煤粉懸浮物，故表中只列出基本參數(shù)。

表1 煤礦礦井原水水質(zhì)
項目 色度 濁度/NTU pH值 SS/(mg•L-1)
平均值 45 230 7.6 460

2 透光率脈動控制系統(tǒng)的配置

本煤礦礦井水處理廠有新、舊兩套處理系統(tǒng)。新系統(tǒng)處理工藝采用加藥絮凝、反應(yīng)、沉淀、過濾等常規(guī)工藝，舊系統(tǒng)處理工藝與新系統(tǒng)基本相同，不同之處僅在于其反應(yīng)池為折板反應(yīng)池。為了提高處理廠自動化水平、保證出水水質(zhì)、減少藥耗，需要對混凝劑和助凝劑投加進(jìn)行自動控制，該礦井水處理廠于1997年引進(jìn)了哈爾濱建筑大學(xué)研制開發(fā)的透光率脈動絮凝檢測系統(tǒng)，以及由河北省唐山煤礦設(shè)計研究院開發(fā)研制的自動控制系統(tǒng)，并將本系統(tǒng)應(yīng)用在新系統(tǒng)中。

混凝劑投加自動控制系統(tǒng)示意圖見圖1所示。原水經(jīng)過預(yù)沉調(diào)節(jié)池初步沉淀后，通過計量泵加入混凝劑——聚合氯化鋁（PAC），經(jīng)過管道混合后，進(jìn)入配水井，在配水井中加入助凝劑——聚丙烯酰胺（PAM）。在迷宮反應(yīng)池中取水樣，水樣通過透光率脈動檢測傳感器后排放，傳感器檢測出R值并將檢測信號R值傳送到絮凝控制器。絮凝控制器將R值與設(shè)定值進(jìn)行比較，按其差值的大小和符號，通過PID調(diào)節(jié)其輸出值，并將輸出值轉(zhuǎn)化為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號傳送給變頻調(diào)速設(shè)備。由變頻調(diào)速設(shè)備根據(jù)該信號自動改變隔膜計量泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而自動調(diào)節(jié)混凝劑投加量。在本系統(tǒng)中，沉淀池出水濁度值是控制系統(tǒng)的最終目標(biāo)值，沉淀池出水管上安裝的清水濁度儀（美國哈希公司的HACH－1720C）可以在線連續(xù)檢測沉淀池出水濁度，并將檢測信號傳送給濁度控制器。濁度控制器將檢測到的濁度值與濁度設(shè)定值（目標(biāo)值）比較，按差值的大小和符號，通過PID調(diào)節(jié)絮凝控制器的設(shè)定值。本系統(tǒng)以沉淀池出水的濁度值為主參數(shù)，以R值為副參數(shù)，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，它既可以對各種干擾的影響迅速作出響應(yīng)，又可以對各種偏差和漂移進(jìn)行自動修正，提高了控制精度。

 
3 透光率脈動控制系統(tǒng)性能評價

3.1 系統(tǒng)的靈敏性

為了評價系統(tǒng)的靈敏性，在調(diào)試階段人工改變混凝劑投加量（通過改變計量泵的頻率），同時記錄透光率脈動檢測值R的變化情況，所得的結(jié)果見表2。

表2 系統(tǒng)靈敏性評價表
計量泵頻率/Hz 10 20 30 40
混凝劑投加量/(mg•L-1) 10 20 30 40
透光率脈動檢測值R/% 32.1 42.8 58.7 67.2

從表2中可以明顯的看出：系統(tǒng)對混凝劑投加量的變化具有較好的靈敏性，該處理工藝在一般的水質(zhì)條件下，混凝劑加量一般在20－30mg/L，系統(tǒng)在此加藥量下具有較好的靈敏性。

3.2 控制系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能

3.2.1 濁度控制回路的調(diào)節(jié)性能

濁度控制回路的調(diào)節(jié)性能的檢測方法是人為地改變沉淀池出水濁度的設(shè)定值，觀察濁度檢測值的變化情況，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)使?jié)岫葯z測值基本穩(wěn)定在新設(shè)定值所需要的時間即為調(diào)節(jié)速度。圖2為當(dāng)沉淀池出水設(shè)定值由15.0NTU調(diào)整為13.0NTU時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)情況。從圖2可以看出，在沉后水濁度目標(biāo)值下調(diào)2.0NTU后，絮凝檢測值R開始緩慢上升，這是由于濁度控制器不斷提高絮凝檢測設(shè)定值緣故，而沉后水濁度檢測值在大約40min后開始下降，大約180min后，沉后水檢測值被調(diào)整到了新的目標(biāo)設(shè)定值，這說明濁度控制回路的調(diào)節(jié)時間大約為180min。由于設(shè)定值的變化是以日計，與此相比，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度是比較迅速的，能滿足生產(chǎn)要求。這說明系統(tǒng)對突然性的干擾具有良好的調(diào)節(jié)能力，滿足生產(chǎn)要求。

 
3.2.2 控制系統(tǒng)對原水流量變化的調(diào)節(jié)

本系統(tǒng)中，由于井下工藝的要求，使得原水流量經(jīng)常發(fā)生改變，對控制系統(tǒng)造成沖擊，而原水水質(zhì)比較穩(wěn)定，變化很緩慢，對控制系統(tǒng)不會造成大的沖擊，因此只考察控制系統(tǒng)對原水流量變化的調(diào)節(jié)能力。原水流量的變化幅度一般為30%－50%，但變化速度較快，經(jīng)常在十幾分鐘內(nèi)流量發(fā)生改變，因此對控制系統(tǒng)的要求比較高。圖3為在一次流量變化時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)情況。從圖中可以看出，系統(tǒng)對原水流量的變化的調(diào)節(jié)比較迅速及時，大約15min內(nèi)就可以將檢測值R調(diào)整到原設(shè)定值，而這對于沉淀池出水濁度的影響不大，可以滿足處理工藝的要求。

通過對本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能的評價，可以看出透光率脈動絮凝投藥自動控制系統(tǒng)對于各種常見干擾都能夠作出有效的響應(yīng)，并及時作出調(diào)節(jié)。一般克服干擾的調(diào)節(jié)時間不超過15min，沉淀池出水濁度的調(diào)節(jié)時間不超過3h，并能夠根據(jù)原水水質(zhì)、水量和運行條件的變化及時調(diào)節(jié)投藥量，使藥量保持在最佳的狀態(tài)，可以滿足工藝對其調(diào)節(jié)性能的要求。沉淀后出水濁度的穩(wěn)定性、合格率都明顯地提高。

 
4 經(jīng)濟(jì)效益的評價

透光率脈動混凝投藥控制系統(tǒng)自1997年10月在水廠安裝調(diào)試完成以來，一直運行良好，為了評價控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，選取1997年11月至1998年2月期間進(jìn)行藥耗評價（每月中人工投藥與自動投藥各運行15d）結(jié)果見表3，自動控制系統(tǒng)的藥耗比人工控制節(jié)省了15.9%，可見自動控制系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 自動投藥與人工投藥耗藥量對比
比較項目 比較時間
 1997.11 1997.12 1998.1 1998.2
人工投藥藥耗/(mg•L-1) 22.8 23.1 21.9 23.3
自動投藥藥耗/(mg•L-1) 18.3 19.4 18.9 20.0
節(jié)藥率/% 19.7 16.0 13.7 14.2
平均節(jié)藥率/% 15.9

5 結(jié)論

礦井水處理的投藥混凝過程中，原水水質(zhì)、水量等因素對絮凝效果有很大的影響，在人工控制投藥的條件下，很難保證投藥量最佳。將透光率脈動檢測技術(shù)應(yīng)用于投藥自動控制系統(tǒng)中，使得水質(zhì)、水量等因素對處理效果造成的影響能及時消除，沉后水濁度目標(biāo)值基本穩(wěn)定，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。有望在礦井水處理混凝劑投加自動控制系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。
 

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