透(tou)(tou)光(guang)(guang)率(lv)脈(mo)(mo)動(dong)傳感器是一(yi)種在(zai)線光(guang)(guang)學檢測裝置(zhi)，它通(tong)過檢測透(tou)(tou)過流動(dong)懸浮液的光(guang)(guang)強度的脈(mo)(mo)動(dong)狀態反映絮凝(ning)后(hou)水(shui)中(zhong)形成的絮凝(ning)體(ti)的生長情(qing)況，其檢測參數少、靈敏度高、檢測值(zhi)R直(zhi)接反映了(le)水(shui)中(zhong)的混(hun)凝(ning)效果(guo)。因此，以R值(zhi)為控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)參數的透(tou)(tou)光(guang)(guang)率(lv)脈(mo)(mo)動(dong)混(hun)凝(ning)投藥自(zi)動(dong)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系統已經在(zai)水(shui)處(chu)理(li)(li)領域中(zhong)得到了(le)一(yi)定的應(ying)用(yong)，尤其在(zai)高濁度水(shui)的混(hun)凝(ning)劑自(zi)動(dong)投加控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方面(mian)獲(huo)得了(le)較好的社會效益和經濟效益[1－2]，透(tou)(tou)光(guang)(guang)率(lv)脈(mo)(mo)動(dong)檢測技術(shu)(shu)在(zai)礦井(jing)水(shui)處(chu)理(li)(li)中(zhong)的應(ying)用(yong)與研(yan)究則是在(zai)近幾年中(zhong)才發展起來[3]。本文將介紹(shao)透(tou)(tou)光(guang)(guang)率(lv)脈(mo)(mo)動(dong)混(hun)凝(ning)投藥控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)技術(shu)(shu)在(zai)山東兗州礦務局的應(ying)用(yong)情(qing)況。

1 水廠概述

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

此礦(kuang)井水(shui)處理廠原水(shui)的濁度不高，顏色為灰(hui)黑色，pH偏堿性(xing)，水(shui)量(liang)日(ri)變(bian)化幅(fu)度不大(da)(da)，但時(shi)變(bian)化幅(fu)度較大(da)(da)，時(shi)變(bian)化系數(shu)(shu)約為1.5－1.8，其水(shui)質參數(shu)(shu)平均值見表1。本處理廠主要是去除礦(kuang)井水(shui)中(zhong)(zhong)的煤粉懸浮物，故表中(zhong)(zhong)只(zhi)列(lie)出(chu)基本參數(shu)(shu)。

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

2 透光率脈動控制系統的配置

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

混凝劑投加自(zi)動(dong)(dong)控制(zhi)(zhi)系(xi)統示(shi)意圖(tu)見圖(tu)1所示(shi)。原(yuan)水(shui)(shui)(shui)經過(guo)預沉(chen)(chen)調(diao)節池(chi)初(chu)步沉(chen)(chen)淀后，通(tong)過(guo)計(ji)量泵加入(ru)(ru)混凝劑——聚(ju)合氯(lv)化鋁（PAC），經過(guo)管(guan)(guan)道(dao)混合后，進入(ru)(ru)配(pei)水(shui)(shui)(shui)井，在配(pei)水(shui)(shui)(shui)井中加入(ru)(ru)助凝劑——聚(ju)丙烯酰胺(an)（PAM）。在迷(mi)宮反應池(chi)中取(qu)水(shui)(shui)(shui)樣(yang)，水(shui)(shui)(shui)樣(yang)通(tong)過(guo)透光率脈動(dong)(dong)檢(jian)測(ce)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)后排放，傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)檢(jian)測(ce)出(chu)(chu)R值(zhi)(zhi)(zhi)并將(jiang)檢(jian)測(ce)信(xin)號R值(zhi)(zhi)(zhi)傳(chuan)(chuan)送到絮凝控制(zhi)(zhi)器(qi)。絮凝控制(zhi)(zhi)器(qi)將(jiang)R值(zhi)(zhi)(zhi)與設(she)定(ding)(ding)(ding)值(zhi)(zhi)(zhi)進行比(bi)較(jiao)，按其(qi)差值(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)大(da)小和符(fu)(fu)號，通(tong)過(guo)PID調(diao)節其(qi)輸(shu)出(chu)(chu)值(zhi)(zhi)(zhi)，并將(jiang)輸(shu)出(chu)(chu)值(zhi)(zhi)(zhi)轉化為(wei)4～20mA標準信(xin)號傳(chuan)(chuan)送給變頻(pin)調(diao)速設(she)備。由(you)變頻(pin)調(diao)速設(she)備根(gen)據該信(xin)號自(zi)動(dong)(dong)改變隔(ge)膜(mo)計(ji)量泵的(de)(de)(de)電機轉速，從而自(zi)動(dong)(dong)調(diao)節混凝劑投加量。在本(ben)系(xi)統中，沉(chen)(chen)淀池(chi)出(chu)(chu)水(shui)(shui)(shui)濁(zhuo)(zhuo)度(du)(du)值(zhi)(zhi)(zhi)是控制(zhi)(zhi)系(xi)統的(de)(de)(de)最終目標值(zhi)(zhi)(zhi)，沉(chen)(chen)淀池(chi)出(chu)(chu)水(shui)(shui)(shui)管(guan)(guan)上(shang)安裝(zhuang)的(de)(de)(de)清水(shui)(shui)(shui)濁(zhuo)(zhuo)度(du)(du)儀（美(mei)國(guo)哈希(xi)公司的(de)(de)(de)HACH－1720C）可(ke)以在線(xian)連續檢(jian)測(ce)沉(chen)(chen)淀池(chi)出(chu)(chu)水(shui)(shui)(shui)濁(zhuo)(zhuo)度(du)(du)，并將(jiang)檢(jian)測(ce)信(xin)號傳(chuan)(chuan)送給濁(zhuo)(zhuo)度(du)(du)控制(zhi)(zhi)器(qi)。濁(zhuo)(zhuo)度(du)(du)控制(zhi)(zhi)器(qi)將(jiang)檢(jian)測(ce)到的(de)(de)(de)濁(zhuo)(zhuo)度(du)(du)值(zhi)(zhi)(zhi)與濁(zhuo)(zhuo)度(du)(du)設(she)定(ding)(ding)(ding)值(zhi)(zhi)(zhi)（目標值(zhi)(zhi)(zhi)）比(bi)較(jiao)，按差值(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)大(da)小和符(fu)(fu)號，通(tong)過(guo)PID調(diao)節絮凝控制(zhi)(zhi)器(qi)的(de)(de)(de)設(she)定(ding)(ding)(ding)值(zhi)(zhi)(zhi)。本(ben)系(xi)統以沉(chen)(chen)淀池(chi)出(chu)(chu)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)濁(zhuo)(zhuo)度(du)(du)值(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)主(zhu)參(can)數(shu)，以R值(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)副參(can)數(shu)，構(gou)成串級控制(zhi)(zhi)系(xi)統，它既可(ke)以對各(ge)種干擾(rao)的(de)(de)(de)影響迅速作出(chu)(chu)響應，又可(ke)以對各(ge)種偏差和漂移進行自(zi)動(dong)(dong)修正(zheng)，提(ti)高了控制(zhi)(zhi)精度(du)(du)。

 
3 透光(guang)率脈動控制(zhi)系統性能評(ping)價(jia)

3.1 系統的靈敏性

為了(le)評價(jia)系統(tong)的(de)靈敏性，在(zai)調試階(jie)段人工改變(bian)混(hun)凝劑(ji)投(tou)加(jia)量（通過改變(bian)計量泵的(de)頻率），同時記錄透光(guang)率脈(mo)動(dong)檢測值R的(de)變(bian)化情況，所得的(de)結果(guo)見表2。

表2 系統靈敏性評價表
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(ke)以(yi)明(ming)顯的看(kan)出：系(xi)統對(dui)混凝劑投加(jia)量的變化(hua)具(ju)有較(jiao)好(hao)的靈敏性，該處理工藝在(zai)一(yi)般的水質條(tiao)件下，混凝劑加(jia)量一(yi)般在(zai)20－30mg/L，系(xi)統在(zai)此加(jia)藥量下具(ju)有較(jiao)好(hao)的靈敏性。

3.2 控制(zhi)系統的動態調節性能

3.2.1 濁度控制回路的調節性能

濁(zhuo)(zhuo)度(du)控制回(hui)路的(de)(de)(de)(de)調(diao)節(jie)性能的(de)(de)(de)(de)檢測方法是(shi)人(ren)為(wei)(wei)地改變沉(chen)淀池(chi)(chi)出水(shui)(shui)濁(zhuo)(zhuo)度(du)的(de)(de)(de)(de)設(she)(she)定(ding)(ding)值(zhi)，觀察濁(zhuo)(zhuo)度(du)檢測值(zhi)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)情況，系(xi)統(tong)通過調(diao)節(jie)使濁(zhuo)(zhuo)度(du)檢測值(zhi)基本(ben)穩定(ding)(ding)在新設(she)(she)定(ding)(ding)值(zhi)所需要的(de)(de)(de)(de)時(shi)間即為(wei)(wei)調(diao)節(jie)速(su)度(du)。圖2為(wei)(wei)當(dang)沉(chen)淀池(chi)(chi)出水(shui)(shui)設(she)(she)定(ding)(ding)值(zhi)由(you)15.0NTU調(diao)整為(wei)(wei)13.0NTU時(shi)系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)調(diao)節(jie)情況。從圖2可以(yi)看出，在沉(chen)后水(shui)(shui)濁(zhuo)(zhuo)度(du)目(mu)標值(zhi)下調(diao)2.0NTU后，絮凝檢測值(zhi)R開始(shi)(shi)緩(huan)慢(man)上升，這是(shi)由(you)于濁(zhuo)(zhuo)度(du)控制器不(bu)斷提高絮凝檢測設(she)(she)定(ding)(ding)值(zhi)緣(yuan)故(gu)，而沉(chen)后水(shui)(shui)濁(zhuo)(zhuo)度(du)檢測值(zhi)在大(da)約(yue)(yue)40min后開始(shi)(shi)下降，大(da)約(yue)(yue)180min后，沉(chen)后水(shui)(shui)檢測值(zhi)被(bei)調(diao)整到了新的(de)(de)(de)(de)目(mu)標設(she)(she)定(ding)(ding)值(zhi)，這說明濁(zhuo)(zhuo)度(du)控制回(hui)路的(de)(de)(de)(de)調(diao)節(jie)時(shi)間大(da)約(yue)(yue)為(wei)(wei)180min。由(you)于設(she)(she)定(ding)(ding)值(zhi)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)是(shi)以(yi)日計(ji)，與此相比(bi)，系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)調(diao)節(jie)速(su)度(du)是(shi)比(bi)較迅(xun)速(su)的(de)(de)(de)(de)，能滿(man)足(zu)生產(chan)要求(qiu)。這說明系(xi)統(tong)對突然性的(de)(de)(de)(de)干(gan)擾具有(you)良好的(de)(de)(de)(de)調(diao)節(jie)能力，滿(man)足(zu)生產(chan)要求(qiu)。

 
3.2.2 控制系統對原水流量變化的調節

本系統中，由于井下工藝的要求，使得原水流量經常發生改變，對控制系統造成沖擊，而原水水質比較穩定，變化很緩慢，對控制系統不會造成大的沖擊，因此只考察控制系統對原水流量變化的調節能力。原水流量的變化幅度一般為30%－50%，但變化速度較快，經常在十幾分鐘內流量發生改變，因此對控制系統的要求比較高。圖3為在一次流量變化時系統的調節情況。從圖中可以看出，系統對原水流量的變化的調節比較迅速及時，大約15min內就可以將檢測值R調整到原設定值，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(guo)對本(ben)系(xi)統(tong)的調節(jie)(jie)性能的評(ping)價，可(ke)以看(kan)出(chu)(chu)(chu)透光(guang)率脈(mo)動(dong)絮凝投(tou)藥(yao)自動(dong)控制系(xi)統(tong)對于各種(zhong)常見干擾(rao)都能夠(gou)作(zuo)出(chu)(chu)(chu)有效的響應，并(bing)及(ji)時(shi)作(zuo)出(chu)(chu)(chu)調節(jie)(jie)。一般(ban)克服干擾(rao)的調節(jie)(jie)時(shi)間(jian)不(bu)超(chao)過(guo)15min，沉(chen)淀池出(chu)(chu)(chu)水(shui)(shui)(shui)濁(zhuo)度的調節(jie)(jie)時(shi)間(jian)不(bu)超(chao)過(guo)3h，并(bing)能夠(gou)根(gen)據(ju)原水(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)質、水(shui)(shui)(shui)量(liang)和(he)運(yun)行條件的變化及(ji)時(shi)調節(jie)(jie)投(tou)藥(yao)量(liang)，使藥(yao)量(liang)保持在最佳的狀態，可(ke)以滿(man)足工藝對其調節(jie)(jie)性能的要求。沉(chen)淀后(hou)出(chu)(chu)(chu)水(shui)(shui)(shui)濁(zhuo)度的穩定性、合格率都明顯地提高。

 
4 經濟效益的評價

透光率(lv)脈動混凝投(tou)藥(yao)控制系統自(zi)1997年(nian)10月(yue)(yue)在水廠(chang)安裝調試(shi)完成以來，一直運行(xing)(xing)良好，為了評價控制系統的(de)經濟效(xiao)益，選取1997年(nian)11月(yue)(yue)至(zhi)1998年(nian)2月(yue)(yue)期間進行(xing)(xing)藥(yao)耗評價（每月(yue)(yue)中人工投(tou)藥(yao)與自(zi)動投(tou)藥(yao)各運行(xing)(xing)15d）結(jie)果見表3，自(zi)動控制系統的(de)藥(yao)耗比(bi)人工控制節省(sheng)了15.9%，可見自(zi)動控制系統具有較(jiao)好的(de)經濟效(xiao)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
節藥率/% 19.7 16.0 13.7 14.2
平均節藥率/% 15.9

5 結論

礦井水處理的投藥混凝過程中，原水水質、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應用于投藥自動控制系統中，使得水質、水量等因素對處理效果造成的影響能及時消除，沉后水濁度目標值基本穩定，具有很好的經濟效益和社會效益。有望在礦井水處理混凝劑投加自動控制系統中得到更廣泛的應用。
 

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