透光率脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在礦井水處理中的應(yīng)用
透光率脈動(dòng)傳感器是一種在線光學(xué)檢測(cè)裝置，它通過(guò)檢測(cè)透過(guò)流動(dòng)懸浮液的光強(qiáng)度的脈動(dòng)狀態(tài)反映絮凝后水中形成的絮凝體的生長(zhǎng)情況,，其檢測(cè)參數(shù)少,、靈敏度高、檢測(cè)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(dòng)混凝投藥自動(dòng)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(dòng)投加控制方面獲得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1－2],，透光率脈動(dòng)檢測(cè)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(lái)[3],。本文將介紹透光率脈動(dòng)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(kāi)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(lái)經(jīng)過(guò)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(shí)變化幅度較大,，時(shí)變化系數(shù)約為1.5－1.8,，其水質(zhì)參數(shù)平均值見(jiàn)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(xiàng)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(dòng)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(guò)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(dòng)化水平、保證出水水質(zhì),、減少藥耗,，需要對(duì)混凝劑和助凝劑投加進(jìn)行自動(dòng)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(kāi)發(fā)的透光率脈動(dòng)絮凝檢測(cè)系統(tǒng),，以及由河北省唐山煤礦設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)研制的自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1所示,。原水經(jīng)過(guò)預(yù)沉調(diào)節(jié)池初步沉淀后,，通過(guò)計(jì)量泵加入混凝劑——聚合氯化鋁（PAC），經(jīng)過(guò)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(guò)透光率脈動(dòng)檢測(cè)傳感器后排放,，傳感器檢測(cè)出R值并將檢測(cè)信號(hào)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(hào),，通過(guò)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(hào)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(hào)自動(dòng)改變隔膜計(jì)量泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速,，從而自動(dòng)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(guó)哈希公司的HACH－1720C）可以在線連續(xù)檢測(cè)沉淀池出水濁度,，并將檢測(cè)信號(hào)傳送給濁度控制器。濁度控制器將檢測(cè)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(hào),，通過(guò)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(jí)控制系統(tǒng)，它既可以對(duì)各種干擾的影響迅速作出響應(yīng),，又可以對(duì)各種偏差和漂移進(jìn)行自動(dòng)修正,，提高了控制精度。
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3 透光率脈動(dòng)控制系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)
3.1 系統(tǒng)的靈敏性
為了評(píng)價(jià)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(guò)改變計(jì)量泵的頻率）,，同時(shí)記錄透光率脈動(dòng)檢測(cè)值R的變化情況，所得的結(jié)果見(jiàn)表2,。
表2 系統(tǒng)靈敏性評(píng)價(jià)表
計(jì)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(dòng)檢測(cè)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(duì)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(dòng)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(cè)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(cè)值的變化情況,，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)使?jié)岫葯z測(cè)值基本穩(wěn)定在新設(shè)定值所需要的時(shí)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(shí)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(cè)值R開(kāi)始緩慢上升，這是由于濁度控制器不斷提高絮凝檢測(cè)設(shè)定值緣故,，而沉后水濁度檢測(cè)值在大約40min后開(kāi)始下降,，大約180min后，沉后水檢測(cè)值被調(diào)整到了新的目標(biāo)設(shè)定值,，這說(shuō)明濁度控制回路的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為180min,。由于設(shè)定值的變化是以日計(jì)，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(shuō)明系統(tǒng)對(duì)突然性的干擾具有良好的調(diào)節(jié)能力，滿足生產(chǎn)要求,。
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3.2.2 控制系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(duì)控制系統(tǒng)不會(huì)造成大的沖擊,，因此只考察控制系統(tǒng)對(duì)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(duì)控制系統(tǒng)的要求比較高,。圖3為在一次流量變化時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)情況,。從圖中可以看出，系統(tǒng)對(duì)原水流量的變化的調(diào)節(jié)比較迅速及時(shí),，大約15min內(nèi)就可以將檢測(cè)值R調(diào)整到原設(shè)定值，而這對(duì)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(guò)對(duì)本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能的評(píng)價(jià)，可以看出透光率脈動(dòng)絮凝投藥自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)于各種常見(jiàn)干擾都能夠作出有效的響應(yīng),，并及時(shí)作出調(diào)節(jié),。一般克服干擾的調(diào)節(jié)時(shí)間不超過(guò)15min，沉淀池出水濁度的調(diào)節(jié)時(shí)間不超過(guò)3h,，并能夠根據(jù)原水水質(zhì),、水量和運(yùn)行條件的變化及時(shí)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(duì)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,。
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4 經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)
透光率脈動(dòng)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(lái),，一直運(yùn)行良好，為了評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)（每月中人工投藥與自動(dòng)投藥各運(yùn)行15d）結(jié)果見(jiàn)表3,，自動(dòng)控制系統(tǒng)的藥耗比人工控制節(jié)省了15.9%，可見(jiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
表3 自動(dòng)投藥與人工投藥耗藥量對(duì)比
比較項(xiàng)目 比較時(shí)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(dòng)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(guò)程中,，原水水質(zhì),、水量等因素對(duì)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(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于投藥自動(dòng)控制系統(tǒng)中，使得水質(zhì),、水量等因素對(duì)處理效果造成的影響能及時(shí)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(huì)效益,。有望在礦井水處理混凝劑投加自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用,。
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