CN1715201A - 通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法和系统。本发明的方法是在线测量混合反应池水中絮体沉淀速度来控制混凝剂加注量，其步骤是：(1)以每0.5秒采集一幅絮体活动图像，算出絮体位置；(2)根据絮体位置变化算出絮体沉淀速度；(3)检测到的絮体沉淀速度与目标值比较，确定混凝剂加注率。本发明用的系统絮体图像采集传感器的传感头作了改进以适应于絮体沉淀速度的测量。本发明以尽可能测量单一参量来控制加注量，检测方法直接、有效。

Description

通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂 加注量的方法和系统

技术领域

本发明是一种通过在线测量絮凝绒体沉淀速度来实现混凝剂加注自动控制的方法和系统。属给水工程领域。

背景技术

加注混凝剂是目前水净化过程中液、固分离最常用的方法。加注量是否恰当直接关系到出厂水质和生产成本。加注量的自动控制是水处理自动化的关键环节之一，也是当前水处理自动化中尚未完善解决的问题。

水厂制水中，混凝剂加注量是否恰当，一般是以沉淀池出水(以下简称沉淀水)浊度是否保持在某一目标值左右为判断条件的。目标值是根据滤后水的浊度要求和滤池的滤除率来确定的。目标值太大，达不到滤后水的浊度要求，太小则会增加混凝剂的消耗量。

随着社会的发展、人民生活水平的提高和对自身健康的关注，对生活用水水质的要求越来越高。为控制水中隐性孢子虫等有害原生物，目前美国已要求出水浊度小于0.3NTU(NTU是浊度单位，1NTU大致相当于水中杂质含量为1ppm)，日本要求小于0.1NTU。这就对沉淀前的处理要求更为严格，对混凝剂加注量的控制要求也更严格。

恰到好处的自动控制加注量，既可达到保证水质的目的，又可提高自动化程度，减少操作人员，减少混凝剂的消耗量，降低生产成本。我国的水厂量多面广，因目前自动控制方法和设备的缺陷，绝大多数都采用人工控制，如能采用效果好、适应性强的自动控制方法和设备，其经济和社会效益将是巨大的。

影响混凝剂加注量的因素非常多，而且这些因素在不断地变化。例如原水水质中的浊度、水温、流量、碱度、氨氮、耗氧量，净水设备的负荷、状态等，还有相当部分目前还不十分清楚的因素。因此精确地、恰到好处地投放混凝剂是一个非常复杂的问题。另外，混凝剂加注经混合、絮凝、沉淀，是一个长滞后系统(2-3小时)，无法用一般的目标量闭环控制获得良好的控制性能。因此国内外在控制方法和检测参量上进行了许多研究工作，也有多种方法。按检测参量的滞后时间长短，大致可分为前期预测和中期预测控制两大类：

(一).前期预测(前馈)控制：该方法根据原水水质参量，预测混凝剂加注量，使沉淀水浊度达到预定值。前期预测控制没有滞后时间。从理论上讲只要数学模型足够精确，这种方法可以完全消除原水水质变化引起的偏差。但混凝过程是复杂的，影响混凝剂加注量的参量非常多，理论上无法得到准确的数学模型，实际应用中又考虑到系统的复杂程度，参量在线测试的可行性和难易程度、准确程度，因此很难保证参量和数学模型的全面性，一般只能选择几个主要参量如流量、浊度、温度、碱度、pH值等，这对于比较清洁的水已基本够用，但对于受有机物污染的水，就无法仅用这些参量来表示。此时要抓住几个可连续测定的参量来基本代表混凝剂的加注率，是相当困难的问题。为解决以上问题，近年来国内外还使用了模糊逻辑、自适应、人工神经元网络等现代控制方法，虽在不同程度上改善了控制效果，但该方法的弱点并未消除。同时因测量的参数太多，为提高供水的安全性，有人甚至研究了当某一参量测量设备有故障时如何减小控制误差的问题。总起来讲这种方法在理想状态可消除原水水质的变化引起的偏差，但不能消除净水设备状态变化引起的偏差。实际应用中，某些参量在线测试的设备价格较高，且维护困难，有些参量目前还无法在线测量或准确度低，影响了控制效果。

(二).中期预测(中馈)控制：测量混凝剂加注后的参量，预测沉淀池出水浊度，由此调整混凝剂加注量。此法虽有滞后，但预测准确和可靠程度一般要好于第一种方法，主要方法有：

1.模拟沉淀池方法：净水系统滞后时间的绝大部分是由沉淀池产生的，因此可以用斜管或模型滤池来模拟沉淀池，减少滞后时间。但它们的模拟程度不高，也易受其他因素的影响。

2.流动电流测定(SCD)法：测量流动电流是间接测量Zeta电位的一种方法，而Zeta电位则与絮凝条件有关。这是近年来国内外使用较多的一种方法。它的滞后时间很短，为混合时间。有许多使用成功的报道，但也有不理想的。当水中有某些干扰物质时，测定值与合理的加注量之间会有较大的偏差。Dental认为：SC值与Zeta电位才成正比是建立在理想状态上的，即进来的代表水样粘附在探头的活塞表面上，而且完全复盖在活塞表面上，无人为的电性干扰。这种假定有时不能满足，所以有时使用效果不佳。另外水质变化时，也需调整设定值。为改善控制性能，有人使用SCD加上其他参量进行模糊逻辑控制。

3.絮凝检测法：因沉淀水浊度与絮凝效果密切相关，该方法检测絮凝效果，预测沉淀水浊度，以确定混凝剂加注是否恰当。其滞后时间为混合、反应时间。该方法检测结果中已包含了反应池工作状态的影响，是一种较好的方法，关键是所选参量与沉淀水浊度的相关程度。具体方法有：

(1)透光率脉动絮凝检测法：原理是当絮体悬浮液通过一束光时，透射光的强度发生变化，计算透射光变化的均方值与直流分量之比，一定条件下可代表絮体的大小，可用它来控制混凝剂加注率。该法测量设备简单，成本低，但其测定值与原水浊度有关，读数的稳定性也不理想。

(2)光散射颗粒分析仪(PDA)和光学颗粒记数法：通过分析絮凝体散射光信号或絮凝体遮光信号，获取与絮凝颗粒大小相关的信息，用于控制加注量。

(3)絮凝体图形检测法：这是申请者的研究成果，已获发明专利(ZL98110624.2)。方法是实时获取并处理絮体图形信息，根据絮体的大小、形状和分布情况(这些参数与沉淀速度有关)，来控制混凝剂加注率。该方法定量测定了混凝效果，测定值稳定且与原水浊度无关，更直观和准确，正常情况下与沉淀池出水浊度的相关性很好，已在水厂应用。但当原水中有机物较多时，该法不能反映出絮体变轻，沉淀速度变慢的情况。

以上各种方法各有其优缺点和一定的适用范围，但远未完善，因此研究效果更好，适用范围更广，运行比较方便，造价相对较低的，维护比较简单的被测参量和控制方式，仍是目前迫切的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法和系统，以尽可能测量单一参量来控制加注量，检测方法更直接、有效。

为达到上述目的，本发明的构思是：

提高控制效果的关键是依据什么参量来预测沉淀池出水浊度(以下简称沉淀水浊度)，从而控制加注量。该参量应与沉淀水浊度关系明确，且尽可能单一(受其他因素影响较小)，滞后时间较短，同时该参量应可被准确、稳定地在线检测。

总体思路：在一定的沉淀条件下，混凝的好坏与沉淀水浊度密切相关，加混凝剂的目的就是将水中的小颗粒凝聚成比重大于水的大颗粒而沉淀，因此混凝好坏的本质表现在絮凝体颗粒的沉淀速度。沉淀速度大于某数值的絮凝绒体(以下简称絮体)可以在沉淀池中沉淀，沉淀速度在某一范围的絮体，虽不能直接沉淀，但在沉淀池中还有碰撞结合的机会，有一定的比例可以在沉淀池中沉淀。测量絮体沉淀速度比测量絮体面积和形状又进了一步，前者包含了后者所不包含的絮体颗粒的比重、絮体凝结紧密程度、水温等重要因素的作用，可以较直接和准确地表示混凝的效果，预测沉淀水浊度。用它来控制混凝剂加注量，虽也有一定滞后，但应比现有的其他絮凝检测方法都直接和有效。

根据上述构思，本发明及采用下述技术方案：

一种通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法，包括原水进入混合反应池(10)与加入的混凝剂进行混合、反应、絮凝而产生絮体，在混合反应池(10)水下通过絮体图像传感器(9)实时采集絮体图像，图像数据经计算机(8)数字滤波、图像增强、图像二值化处理，去除干扰和噪声，计算出与絮体有关参数，并用此数值与设定数值进行比较，其差值经PID运算后，得到所需的加注率，再乘上进水的流量，得到加注量，转换成标准电流输出信号控制加注泵(3)的加注量；其特征在于所述的与絮体有关参数为絮体加权平均沉淀速度，相比较的值为加权平均沉淀速度的目标值；絮体加权平均沉淀速度的测定、计算方法步骤如下：

(1)所述的计算机(8)软件设计成每0.5秒采集一幅混合反应池(10)末端水下絮体活动图像的数据，经计算机进行所述的数字滤波、图像增强、图像二值化处理，去除干扰的噪声，从而形成二值化的图像数据块，算出图像中每个絮体所在的位置；

(2)计算机根据前后不同图像同一絮体所在位置的变化，跟踪每个絮体的运动轨迹，算出其流入和流出絮体图像传感器(9)传感头的取样窗时垂直位置的差异以及所用的时间，算出每个絮体的沉淀速度：设絮体流入取样窗时的位置为Y1，流出取样窗时的位置为Y2，设有18幅图像，则时间为18×0.6＝9秒，沉淀速度为(Y2-Y1)/9；

(3)根据每个絮体的沉淀速度和它的大小，算出每5分钟内所有经过取样窗的絮体的加权平均沉淀速度。

上述的加权平均沉淀速度的目标值，是由沉淀水浊度的实测值和设定值之差，经数字PID运算得到的，因沉淀条件变化一般较缓慢，所以加权平均沉淀速度的目标值的修正每30分钟进行一次。

上述的计算机(8)以每5分钟一次，用加权平均沉淀速度与目标值进行比较，其差值经PID运算后，确定所需的加注率，再乘上进水的流量，得到加注量，并由计机(8)转换成标准电流输出信号，来控制加注泵(3)。

上述的计算机(8)的所有输入参数和输出参数，包括PID运算中的比例、积分、微分参数，初始加注量，图像的对比度、亮度以及沉淀速度的目标值、沉淀水浊度的设定值，都在屏幕上实时显示，都可在屏幕上用下拉式菜单自行设置；每5分钟计算机(8)自动将水质的各参数，包括进水流量、加注量、絮体沉淀速度的目标值与实测值、沉淀水浊度的设定值与实测值以及日期、时间存入硬盘，作为数据库，以备调用。

为提高系统的适应性，上述的计算机(8)的控制软件设计成输入参数量可选型，除絮体沉淀速度为必须的测量参数外，包括沉淀水浊度、流量、进水浊度的其他参数为可选参数；输入参数多时控制效果好，响应快；输入参数少时效果差些，但可适应某些在线检测仪表缺少的场合。

一种上述方法用的系统，包括计算机(8)、加注泵(3)、混合反应池(10)和絮体图像采集传感器(9)，其特征在于所述的絮体图像采集传感器(9)放置于所述混合反应池(10)的末端水中；所述的絮体图像采集传感器(9)设计成：其传感头包含一个水下水流引导减速机构，该机构使水流缓慢且平稳而以水平方向，无垂直方向水流分量，流径传感头中的取样窗。

上述的絮体图像采集传感器(9)传感头的取样窗的面积约为30×20mm，厚3mm以免絮体平面图像中重叠；水流流经取样窗的水平速度控制在3mm/S±0.5mm/S，絮体流经取样窗的时间约为10S。

本发明与现有技术相比蛟，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明以在线测量絮体沉淀速度这一单一的参量，来控制混凝剂的加注量，比原有技术中采用在线测量絮体颗粒的个数、每个絮体的面积、周长、长宽比、中孔面积等多参量去控制混凝剂的加注量，检测更直接、更有效，该单一参量可准确、稳定地在线检测。本发明所用的系统对絮体图像传感器的传感头进行了特定设计，有利于检测絮体位置变化而由计算机计算出絮体沉淀速度；计算机的程序设计也相应作了改进。

附图说明

图1是本发明絮体沉淀速度计算用取样窗取景的絮体图像示意图。

图2是本发明的控制方法框图。

图3是本发明的系统结构框图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施结合附图详述如下：

本通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法介绍如下。

1、原水进入混合反应池，与加入的混凝剂进行混合、反应、絮凝，产生絮体。本方法在混合反应池末端的水下通过絮体图像采集传感器实时采集絮体的活动图像。

2、传感头包含一个特殊设计的水下水流引导、减速机构，使水流缓慢、平稳(絮体不会破碎)、水平方向(无垂直方向水流分量)流经传感头中的取样窗。

3、取样窗面积约30*20mm，厚度3mm，以免絮体在平面图像中重叠；水流流经取样窗的水平速度控制在3mm/s左右，絮体流经取样窗的时间约为10s。

4、摄像头摄取取样窗中图像，并显示在计算机显示器上；计算机每0.5秒采集一幅图像的数据，然后，经数字滤波、图像增强、图像二值化的处理，去除干扰和噪声，形成二值化的图像数据块，算出图像中每个絮体所在的位置。

5、计算机根据前后不同图像同一个絮体所在的位置的变化，跟踪每个絮体的运动轨迹，算出其流入和流出取样窗时垂直位置的差异以及所用的时间，即可得到每个絮体的沉淀速度。见图1所示，假设所跟踪的絮体用黑色表示，流入取样窗时的位置为Y1，流出取样窗时(18幅图像，即9秒后)为Y2，沉淀速度即为(Y2-Y1)/9。

6、根据每个絮体的沉淀速度和它的大小，算出每5分钟内所有经过取样窗的絮体的加权平均沉淀速度。

7、每5分钟一次，用加权平均沉淀速度与目标值进行比较，其差值经数字PID运算后，确定所需的加注率，再乘上进水的流量，得到加注量，并由计算机转换成标准电流输出信号，来控制加注泵，见图2所示。

8、加权平均沉淀速度的目标值，是由沉淀水浊度的实测值和设定值之差，经数字PID运算后的到的。因沉淀条件变化一般较缓慢，所以平均沉淀速度的目标值的修正每30分钟进行一次，见图2所示。

9、所有输入参数与输出参数，都在屏幕上实时显示。为了适应不同的水质，不同的水厂实际生产工艺、设备的情况，PID运算中的P(比例)、I(积分)、D(微分)参数，初始加注量，图像的对比度、亮度以及沉淀速度的目标值、沉淀水浊度的设定值都可在屏幕上用下拉式菜单自行设置。另外每5分钟计算机自动将水质的各参数，如进水流量、加注量、絮体沉淀速度的目标值与实测值、沉淀水浊度的设定值与实测值以及日期、时间存入硬盘，作为数据库，以备调用。

10、为提高系统的适应性，控制软件设计成输入参量可选型，就是除絮体沉淀速度为必须的检测参数外，其他的参数如沉淀水浊度、流量、进水浊度等为可选参数。输入参数多时控制效果好，响应快；参数少时效果虽差一些，但也可工作，以适应那些目前还没有这些参数在线检测仪表的单位。

上述方法用的系统的结构

图3是根据本实施例通过在线测量絮体沉淀速度来实现混凝剂加注自动控制系统的结构框图。

系统的结构为：进水泵1进口接通进水，而出口连接一个流量计2，流量计2出口接通混合反应池10，混合反应池10出口连通沉淀池11进口；混合反应池末端安装一个水中絮体图像采集传感器9，该传感器9的输出经图像接口6连接计算机8；混凝剂池4出口经加注泵3接通混合反应池10的进口，计算机8经输入输出接口5接通加注泵3的控制电路；沉淀池11出口管路上连接浊度计12，流量计2和浊度计12的输出均经输入输出接口5连接计算机8；计算机8连接一个显示屏7。

Claims (7)

1.一种通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法，包括原水进入混合反应池(10)与加入的混凝剂进行混合、反应、絮凝而产生絮体，在混合反应池(10)水下通过絮体图像传感器(9)实时采集絮体图像，图像数据经计算机(8)数字滤波、图像增强、图像二值化处理，去除干扰和噪声，计算出与絮体有关参数，并用此数值与设定数值进行比较，其差值经PID运算后，得到所需的加注率，再乘上进水的流量，得到加注量，转换成标准电流输出信号控制加注泵(3)的加注量；其特征在于所述的与絮体有关参数为絮体加权平均沉淀速度，相比较的值为加权平均沉淀速度的目标值；絮体加权平均沉淀速度的测定、计算方法步骤如下：

(1)所述的计算机(8)软件设计成每0.5秒采集一幅混合反应池(10)末端水下絮体活动图像的数据，经计算机进行所述的数字滤波、图像增强、图像二值化处理，去除干扰的噪声，从而形成二值化的图像数据块，算出图像中每个絮体所在的位置；

(2)计算机根据前后不同图像同一絮体所在位置的变化，跟踪每个絮体的运动轨迹，算出其流入和流出絮体图像传感器(9)传感头的取样窗时垂直位置的差异以及所用的时间，算出每个絮体的沉淀速度：设絮体入取样窗时的位置为Y1，流出取样窗时的位置为Y2，设有18幅图像，则时间为18×0.6＝9秒，沉淀速度为(Y2-Y1)/9；

(3)根据每个絮体的沉淀速度和它的大小，算出每5分钟内所有经过取样窗的絮体的加权平均沉淀速度。

2.根据权利要求1所述的通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法，其特征在于所述的加权平均沉淀速度的目标值，是由沉淀水浊度的实测值和设定值之差，经数字PID运算得到的，因沉淀条件变化一般较缓慢，所以平均沉淀速度的目标值的修正每30分钟进行一次。

3.根据权利要求1或2所述的通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法，其特征在于所述的计算机(8)以每5分钟一次，用加权平均沉淀速度与目标值进行比较，其差值经PID运算后，确定所需的加注率，再乘上进水的流量，得到加注量，并由计机(8)转换成标准电流输出信号，来控制加注泵(3)。

4.根据权利要求1所述的通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法，其特征在于所述的计算机(8)的所有输入参数和输出参数，包括PID运算中的比例、积分、微分参数，初始加注量，图像的对比度、亮度以及沉淀速度的目标值、沉淀水浊度的设定值，都在屏幕上实时显示，都可在屏幕上用下拉式菜单自行设置；每5分钟计算机(8)自动将水质的各参数，包括进水流量、加注量、絮体沉淀速度的目标值与实测值、沉淀水浊度的设定值与实测值以及日期、时间存入硬盘，作为数据库，以备调用。

5.根据权利要求1所述的通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的方法，其特征在于为提高系统的适应性，所述的计算机(8)的控制软件设计成输入参数量可选型，除絮体沉淀速度为必须的测量参数外，包括沉淀水浊度、流量、进水浊度的其他参数为可选参数；输入参数多时控制效果好，响应快；输入参数少时效果差些，但可适应某些在线检测仪表缺少的场合。

6.一种根据权利要求1所述通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量方法用的系统，包括计算机(8)、加注泵(3)、混合反应池(10)和絮体图像采集传感器(9)，其特征在于所述的絮体图像采集传感器(9)放置于所述混合反应池(10)池的末端水中；所述的絮体图像采集传感器(9)设计成：其传感头包含一个水下水流引导减速机构，该机构使水流缓慢且平稳而以水平方向，无垂直方向水流分量，流经传感头中的取样窗。

7.根据权利要求6所述的通过在线测量絮体沉淀速度控制混凝剂加注量的系统，其特征在于所述的絮体图像采集传感器(9)传感头的取样窗的面积约为30×20mm，厚3mm以免絮体平面图像中重叠；水流流径取样窗的水平速度控制在3mm/S±0.5mm/S，絮体流径取样窗的时间约为10S。

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