单因子水处理混凝投药在线监控系统的设计原则与综合性能研究

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1、单因子水处理混凝投药在线监控系统的设计原则与综合性能研究曲久辉李圭白崔福义（中科院生态环境研究中心,北京100085）(哈尔滨建筑大学,哈尔滨15006)文摘：根据电动特性的基本理论原则，研究了水中荷电质点的流动电流在线检测技术、传感器特性、设计方法及其技术参数。探讨了以流动电流传感器为核心的高效混凝投药监控系统的整体配置，控制技术和协作性能。实践证明，此系统反馈及时，控制精确，是水处理投药在线监控的有效方法之一。关键词：流动电流水处理混凝投药控制系统有效的水处理混凝投药控制方法，可以在实际最佳投药量的意义上控制混凝剂投加，从而达到以最少[1][2]的药剂消耗获

2、得最理想的出水水质的效果。但以往的投药控制方法，如数学模型法、ζ电位法等，都因存在这样或那样的不可靠性，而没有形成规模性的推广和应用。国际上八十年代发展起来的流动电流（SC）[3]混凝投药控制技术，克服了以往方法的缺陷，选择可以在最本质意义上表征混凝效果的电动特性参数SC值作为单一监控因子，实现了对凝聚剂投加量的精确控制。本文从电动特性的理论原则出发，根据流动电[4,5]流检测器(SCD)的特征方程与相关数学模式，研究SC传感器(SCS)的基本设计参数，并在此基础上探讨以SCD为核心的水处理混凝投药控制系统的配置与应用。1.SCD的基本结构及设计参数1.1SCD

3、的构造原理中国城镇水网SCD是系统的核心，构造如图1所示。它是由传感器、整流放大电路、输出显示等部分组成。其中传感器探头乃SCD的检测中心，主要由套筒、活塞和电极组成。活塞与套筒之间有很窄的狭缝，相当于一个环形的毛细空间。活塞可以在电机驱动下作往复运动，流经的水被活塞吸入—挤出，在狭缝中快速流动。SCS各部分间的数学关系为：http://www.chinacitywater.org(1)式中I—瞬时流动电流值；σ—电荷密度；g—活塞位移参数；t—时间；C—活塞和套筒的周边之和；R1—套筒内径；R2—活塞内径；L—传动连杆的长度；w—电机转动角速度。根据胶体及表面

4、化学理论，活塞及套筒表面可以瞬时吸附水中的特性离子或胶粒，从而在固－液界面形成双电层结构。水在检测室内流动时，发生了双电层中固定层离子和扩散层中反号离子的相对位移并产生流动电流，然后由套筒两端的金属电极响应，并经一系列信号处理过程而输出。[5]由SCD所检测的SC值与z电位在理论和实际上都具有良好的线性相关规律:(2)k—式中探头表面双电层厚度。由于ζ电位是最基本的胶体电动特性参数，所以流动电流也可以在本质上反映加入的凝聚剂对水中胶体颗粒的作用程度：(3)式中q—作用于SCS的水中胶体表面电荷总量；A—SCS的有效表面积。可见，胶体表面电荷量越高，则SC绝对值越

5、大。当胶粒的负电荷被加入的混凝剂中和以后，q必然减少,则SC绝对值降低。实验也证明，SC值与胶体电荷量的这种对应关系十分明确。1.2SCD的基本设计参数中国城镇水网式(1)明确表示了SCS各主要参数之间的定量关系，它是SCS设计的基本量值依据。式中第一项是SC的http://www.chinacitywater.org理想值，第二项则是由于高倍叠加而产生的失真信号，在实际设计中应使其尽可能地小。一般取L为十倍g,故第二项可忽略。对SC检测具有影响的主要参数是套筒、活塞内径、活塞行程和电机转速，这也是SCS设计时所重点考虑的四个参数。在此，SC与活塞和套筒的内径大

6、小之差R1-R2具有密切关系。由(1)式可知，如R1-R2太大,造成套筒和活塞间的狭缝过宽，使检测的SC值太弱,而缝隙过小，又将造成二者之间配合过紧，产生传动障碍。所以，1与R2的数值取决于实际检测对象的要求。SCD的传动是靠一微型减速电机，它的转速大小与SC值有密切关系。按理论计算，电机的转速w越高、活塞行程参数g越大,则检测信号越强。但受机械传动性能的限制，实际设计的w和g都不可能太大。一般取w为200-270转/分,g为0.25mm。活塞连杆的设计长度，则以既能保证使活塞运动的最低部位置能复盖套筒的底端电极，同时又不至于顶到底部堵塞为宜。-9由SCS所检测

7、的SC信号强度非常微弱(大约为10A),为获得一个稳定的可读SC值,在电路设计时采取两级放大、整流和滤波(如图2、3所示)处理。因此,所检测到SC值实际上是一个相对或表观值。这一数值,无绝对量意义,从而可以将影响水处理混凝过程的各种因素综合为一个电动特性的表征参数,这便使以SC作为混凝剂投加的控制因子更具有实际上的可靠性。1.3SCD的性能评价1.3.1检测灵敏度SCD能有效发挥混凝投药控制系统的中枢机构作用，最基本的条件是它必须能对水的浑浊度、混凝剂以及二者相对量的变化具有灵敏响应。图3是上述SCD对水的浑浊度变化响应灵敏度的实验结果。浑浊水是用经水力筛选的2

8、40目松花江底泥配制。可