透光率脈動檢測技術在礦井水處理中的應用
透光率脈動傳感器是一種在線光學檢測裝置，它通過檢測透過流動懸浮液的光強度的脈動狀態反映絮凝后水中形成的絮凝體的生長情況，其檢測參數少、靈敏度高、檢測值R直接反映了水中的混凝效果。因此，以R值為控制參數的透光率脈動混凝投藥自動控制系統已經在水處理領域中得到了一定的應用，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濟效益，透光率脈動檢測技術在礦井水處理中的應用與研究則是在近幾年中才發展起來。本文將介紹透光率脈動混凝投藥控制技術在山東兗州礦務局的應用情況。
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，時變化系數約為1.5-1.8，其水質參數平均值見表1。本處理廠主要是去除礦井水中的煤粉懸浮物，故表1中只列出基本參數。
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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。
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混凝劑投加自動控制系統示意圖見圖1所示。原水經過預沉調節池初步沉淀后，通過計量泵加入混凝劑——聚合氯化鋁（PAC），經過管道混合后，進入配水井，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值與設定值進行比較，按其差值的大小和符號，通過PID調節其輸出值，并將輸出值轉化為4～20mA標準信號傳送給變頻調速設備。由變頻調速設備根據該信號自動改變隔膜計量泵的電機轉速，從而自動調節混凝劑投加量。在本系統中，沉淀池出水濁度值是控制系統的最終目標值，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定值（目標值）比較，按差值的大小和符號，通過PID調節絮凝控制器的設定值。本系統以沉淀池出水的濁度值為主參數，以R值為副參數，構成串級控制系統，它既可以對各種干擾的影響迅速作出響應，又可以對各種偏差和漂移進行自動修正，提高了控制精度。
3 透光率脈動控制系統性能評價
3.1 系統的靈敏性
為了評價系統的靈敏性，在調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，所得的結果見表2。
從表2中可以明顯的看出：系統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條件下，混凝劑加量一般在20－30mg/L，系統在此加藥量下具有較好的靈敏性。
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3.2 控制系統的動態調節性能
3.2.1 濁度控制回路的調節性能
濁度控制回路的調節性能的檢測方法是人為地改變沉淀池出水濁度的設定值，觀察濁度檢測值的變化情況，系統通過調節使濁度檢測值基本穩定在新設定值所需要的時間即為調節速度。圖2為當沉淀池出水設定值由15.0NTU調整為13.0NTU時系統的調節情況。從圖2可以看出，在沉后水濁度目標值下調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，沉后水檢測值被調整到了新的目標設定值，這說明濁度控制回路的調節時間大約為180min。由于設定值的變化是以日計，與此相比，系統的調節速度是比較迅速的，能滿足生產要求。這說明系統對突然性的干擾具有良好的調節能力，滿足生產要求。
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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。
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通過對本系統的調節性能的評價，可以看出透光率脈動絮凝投藥自動控制系統對于各種常見干擾都能夠作出有效的響應，并及時作出調節。一般克服干擾的調節時間不超過15min，沉淀池出水濁度的調節時間不超過3h，并能夠根據原水水質、水量和運行條件的變化及時調節投藥量，使藥量保持在最佳的狀態，可以滿足工藝對其調節性能的要求。沉淀后出水濁度的穩定性、合格率都明顯地提高。
4 經濟效益的評價
透光率脈動混凝投藥控制系統自1997年10月在水廠安裝調試完成以來，一直運行良好，為了評價控制系統的經濟效益，選取1997年11月至1998年2月期間進行藥耗評價（每月中人工投藥與自動投藥各運行15d）結果見表3，自動控制系統的藥耗比人工控制節省了15.9%，可見自動控制系統具有較好的經濟效益。
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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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