地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抗?jié)岫阮A(yù)處理技術(shù)探析

劉博文，楊儀方

(北京雪迪龍科技股份有限公司，北京 102206)

引 言

隨著生態(tài)環(huán)境理念被愈發(fā)重視，新時(shí)代下，國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境管理和治理提出了更加嚴(yán)格的要求，在2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中要求推動(dòng)綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生，要持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量[1]。目前，在水環(huán)境質(zhì)量改善方面，我國(guó)落實(shí)“監(jiān)測(cè)先行”的理念，逐步加強(qiáng)了對(duì)水環(huán)境的預(yù)警監(jiān)測(cè)能力建設(shè)和水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的推行，使得地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位不斷加密，水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為了地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[1-2]。

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)處理單元是樣品處理的主要環(huán)節(jié)，其處理方式影響水樣穩(wěn)定性和代表性，進(jìn)而會(huì)影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此預(yù)處理單元的處理方式在水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中非常關(guān)鍵[3-4]。目前，大部分自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)處理沒(méi)有實(shí)現(xiàn)手工監(jiān)測(cè)預(yù)處理技術(shù)的自動(dòng)化，只是簡(jiǎn)單地沉淀30分鐘，利用抗?jié)岫绕毡樵?00 NTU以下的自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析儀分析汛期、感潮斷面、多泥沙河流等高濁度水體時(shí)，總磷及其它參數(shù)的量值傳遞很難保證與手工監(jiān)測(cè)一致[5-6]。因此，要保證對(duì)高濁度水體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗?jié)岫阮A(yù)處理技術(shù)開展研究和分析非常必要。本文選取了黃河流域高濁度水樣從增加等效孔徑精密過(guò)濾和延長(zhǎng)沉淀時(shí)間兩方面進(jìn)行抗?jié)岫阮A(yù)處理技術(shù)探析，對(duì)探究所得到的一套預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用到水站進(jìn)行水樣分析，為多泥沙河流水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)提供了技術(shù)支撐，為研究具有代表性的、關(guān)鍵性的技術(shù)問(wèn)題積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于其它高濁度水站實(shí)現(xiàn)抗?jié)岫缺O(jiān)測(cè)具有重要參考意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 樣品來(lái)源

樣品采集及分析時(shí)段為2020.12～2021.04，按照《水質(zhì)自動(dòng)站手工監(jiān)測(cè)參比方法(高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮)》(試行)相關(guān)規(guī)定在山西省L0水站采水口采集水樣。

1.1.2 分析儀器及儀表

濁度采用便攜式濁度儀(上海雷磁-WZB-175)測(cè)量。30 μm、20 μm、10 μm、5 μm、2 μm過(guò)濾器分別采用500目不銹管網(wǎng)、800目不銹管網(wǎng)、1600目不銹管網(wǎng)、5 μm鈦鎳合金濾芯、2 μm PTFE燒結(jié)濾芯。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用雪迪龍WQMS-900地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)儀表為：MODEL 9811型高錳酸鹽指數(shù)水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀、MODEL 9820型氨氮水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀、MODEL 9840型總磷水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀、MODEL 9850型總氮水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 過(guò)濾實(shí)驗(yàn)

采集水樣的濁度在800 NTU以上，靜置10min，去除大顆粒泥沙后，保證采樣杯上層1/3水樣在500 NTU以上，用微型增壓泵取上1/3的水樣，測(cè)量并記錄濁度值，然后將水樣通過(guò)不同孔徑的過(guò)濾器，記錄處理后的濁度值。

1.2.2 沉淀實(shí)驗(yàn)

沉淀實(shí)驗(yàn)從沉淀時(shí)間、取水深度、整體水樣高度三方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究對(duì)濁度去除的影響。取樣要求如1.2.1，微型增壓泵取水樣后測(cè)量并記錄濁度值作為原水濁度值。沉淀時(shí)間設(shè)計(jì)為20 min、30 min、40 min，取樣深度設(shè)計(jì)為3 cm、5 cm、7.5 cm，整體水樣高度設(shè)計(jì)為8 cm和16 cm兩組。

1.2.3 沉淀+過(guò)濾組合實(shí)驗(yàn)

組合實(shí)驗(yàn)取樣要求如1.2.1，微型增壓泵取上層三分之一的水樣同時(shí)導(dǎo)入4個(gè)2.0 L燒杯作為原水樣Ⅰ～Ⅳ，原水樣Ⅰ～Ⅳ經(jīng)沉淀0 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min時(shí)，分別取水深3 cm、5 cm水樣后快速進(jìn)行無(wú)過(guò)濾、20 μm過(guò)濾器過(guò)濾、10 μm過(guò)濾器過(guò)濾、2 μm濾芯過(guò)濾，對(duì)過(guò)濾后的水樣測(cè)量并記錄濁度值。

1.2.4 水力流暢性測(cè)試

水力流暢性測(cè)試主要測(cè)試擬采用的預(yù)處理系列精細(xì)化組合能否滿足連續(xù)4h流暢通水(4h工作時(shí)間在實(shí)際自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中滿足工作一周以上)，水流流速不發(fā)生明顯的減小。測(cè)試實(shí)驗(yàn)取樣要求如1.2.1，各測(cè)試組將上層三分之一的水樣轉(zhuǎn)入另一水樣杯，增加攪拌，保證連續(xù)4h測(cè)試，所取水樣濁度不變。

1.2.5 預(yù)處理集成裝置安裝及實(shí)際水樣比對(duì)實(shí)驗(yàn)

將篩選出的預(yù)處理方案做成預(yù)處理集成裝置安裝到L0水站預(yù)處理單元中，預(yù)處理后進(jìn)行四參數(shù)測(cè)試。實(shí)際水樣比對(duì)的樣品按照手工采樣要求進(jìn)行預(yù)處理，冷藏避光保存，送實(shí)驗(yàn)室在樣品保存有效期內(nèi)完成分析。

1.2.6 質(zhì)量控制方法

本次研究過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室手工測(cè)定遵照《水質(zhì)自動(dòng)站手工監(jiān)測(cè)參比方法(高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮)》(試行)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析儀表測(cè)定遵照《地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范(試行)》進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控措施中校準(zhǔn)曲線、實(shí)驗(yàn)室空白、精密度控制、準(zhǔn)確度控制等均滿足相關(guān)要求；自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析儀表選取合適量程進(jìn)行校準(zhǔn)，質(zhì)控措施中標(biāo)樣核查、日質(zhì)控、加標(biāo)回收測(cè)試均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)濾器孔徑的影響與選擇

取樣后，水樣分別通過(guò)30 μm、20 μm、10 μm、2 μm過(guò)濾器過(guò)濾后，分別測(cè)量并記錄濁度值，結(jié)果見表1。

表1 過(guò)濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The results of filtration experiments (NTU)

可以發(fā)現(xiàn)，濁度隨過(guò)濾孔徑減小而降低，過(guò)濾器孔徑在20 μm以下時(shí)，過(guò)濾效果顯著，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)10 μm過(guò)濾器過(guò)濾速度較慢，2 μm過(guò)濾器過(guò)濾需要加壓，這主要是未經(jīng)沉淀，進(jìn)水濁度太高所致。因此，將進(jìn)一步結(jié)合沉淀時(shí)間重點(diǎn)關(guān)注20 μm及以下孔徑過(guò)濾器的降濁效果。

2.2 取樣深度和水樣高度的影響

取樣深度和沉淀時(shí)間對(duì)濁度去除的影響如圖1(a)所示，隨著沉淀時(shí)間延長(zhǎng)，水樣濁度顯著降低，沉淀前40 min，水樣濁度降低的速率較大。三種不同取樣深度的數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，同一沉淀時(shí)長(zhǎng)，取樣深度越深，濁度越高，這啟發(fā)在自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，保證取樣足量的情況下可以通過(guò)降低取樣深度來(lái)去除濁度影響。整體水樣高度對(duì)濁度去除的影響如圖1(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)兩種水樣高度隨沉淀時(shí)間延長(zhǎng)，水樣濁度顯著降低，降低的速率基本一致，經(jīng)過(guò)相同的沉淀時(shí)間，同一取樣深度的水樣濁度基本相等，沒(méi)有明顯的高低差異，這說(shuō)明在自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，預(yù)處理單元設(shè)置的沉淀箱高度對(duì)濁度去除幾乎沒(méi)有影響。

圖1 濁度去除與沉淀時(shí)間關(guān)系圖Fig.1 Relationship between turbidity removal and precipitation time

2.3 沉淀+過(guò)濾組合實(shí)驗(yàn)

不同沉淀+過(guò)濾組合方案隨沉淀時(shí)間對(duì)濁度去除效果如圖2所示。沉淀時(shí)間在0～20 min之內(nèi)時(shí)，在3 cm和5 cm深度取樣，沉淀疊加20 μm或10 μm的預(yù)處理組合相比直接沉淀對(duì)于濁度降低有明顯效果。沉淀時(shí)間超過(guò)20 min時(shí)，沉淀疊加20 μm或10 μm的預(yù)處理組合相比直接沉淀對(duì)于濁度去除效果稍弱，這可能是因?yàn)榍耙淮芜^(guò)濾后殘留在過(guò)濾器內(nèi)的濁度被帶入引起的一點(diǎn)偏差。沉淀疊加2 μm的預(yù)處理組合在沉淀過(guò)程中，對(duì)濁度去除效果顯著好于其它3種，尤其是沉淀時(shí)間在20 min之內(nèi)時(shí)，濁度降低明顯，如果沉淀時(shí)間達(dá)到60 min，四種預(yù)處理方式去除濁度效果趨于相同。通過(guò)四種預(yù)處理方式對(duì)比分析可以得出，L0水站代表的水樣沉淀30 min，再經(jīng)過(guò)10 μm及以上孔徑的過(guò)濾器過(guò)濾，濁度降低的效果和單一沉淀方式接近，只有疊加2 μm的過(guò)濾器才能達(dá)到明顯的降低濁度效果。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，沉淀30 min+2 μm濾芯降濁達(dá)不到300 NTU以下，因此對(duì)于過(guò)高濁度的水樣，沉淀和過(guò)濾還需要考慮采用兩級(jí)處理的方式，即采用Ⅰ級(jí)沉淀+Ⅰ級(jí)過(guò)濾+Ⅱ級(jí)過(guò)濾+Ⅱ級(jí)沉淀這種精細(xì)化方案，Ⅰ級(jí)沉淀+Ⅱ級(jí)沉淀的總時(shí)長(zhǎng)控制在30 min，Ⅰ級(jí)過(guò)濾和Ⅱ級(jí)過(guò)濾孔徑采用5 μm或2 μm為佳。

圖2 沉淀+過(guò)濾不同組合方案對(duì)濁度去除影響Fig.2 The effects of turbidity removal of different combinations of precipitation and filtration

2.4 水力流暢性測(cè)試

通過(guò)2.3節(jié)沉淀+過(guò)濾組合方案的分析討論得出，滿足30 min沉淀情況下，10 μm以下孔徑的過(guò)濾器可以有效去除濁度，但對(duì)高于500 NTU的水樣直接過(guò)濾，則過(guò)濾速度緩慢或者需要增加壓力。為了使沉淀+過(guò)濾組合預(yù)處理方案更穩(wěn)定地適用于自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則需要對(duì)沉淀+過(guò)濾預(yù)處理方式做精細(xì)化組合探索和水力流暢性測(cè)試?！俺恋?0 min+過(guò)濾(5 μm /2 μm濾芯)”預(yù)處理方案水力流暢性測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 沉淀+過(guò)濾(5 μm /2 μm濾芯)預(yù)處理方案水力流暢性測(cè)試結(jié)果Tab.2 Precipitation + filtration (5 μm/2 μm) pretreatment scheme hydraulic fluency test results

5個(gè)測(cè)試組的5種不同的沉淀30 min+過(guò)濾(5 μm/2 μm濾芯)預(yù)處理方案的濁度去除均能達(dá)到300 NTU以下，水力流暢性測(cè)試均能達(dá)到4h，水流流速無(wú)變化。其中第5組原水濁度最高，預(yù)處理后的濁度最低，表明這種組合方案去除濁度效果最佳。

2.5 實(shí)際水樣比對(duì)實(shí)驗(yàn)

將“沉淀10 min+過(guò)濾(Ⅰ級(jí)5 μm濾芯+Ⅱ級(jí)2 μm濾芯)+沉淀20 min”的預(yù)處理方案應(yīng)用到L0水站中，預(yù)處理后進(jìn)行四參數(shù)測(cè)試并同時(shí)采樣送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際水樣比對(duì)，結(jié)果如表3所示。

表3 L0水站預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用后實(shí)際水樣比對(duì)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Comparison test results of actual water samples in L0 water station after the application of pretreatment technology

按照《地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范(試行)》要求，L0水站預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用后實(shí)際水樣比對(duì)測(cè)試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果合格，實(shí)際水樣比對(duì)最大相對(duì)誤差為總磷指標(biāo)，誤差為-15.2%。氨氮參數(shù)儀器測(cè)量值由于在儀器檢出限(0.020 mg/L)以下，且該站點(diǎn)氨氮?dú)v史數(shù)據(jù)長(zhǎng)期處于I類[7]，按照技術(shù)要求不進(jìn)行實(shí)際水樣比對(duì)測(cè)試。實(shí)際水樣比對(duì)測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，L0水站應(yīng)用該套預(yù)處理裝置后，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以抵抗一定高濁度水樣測(cè)試，保證對(duì)高濁度水體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)L0水站高濁度水樣進(jìn)行過(guò)濾、沉淀、沉淀+過(guò)濾組合等預(yù)處理方式進(jìn)行降濁研究，主要結(jié)論有：

3.1 黃河流域L0水站水樣在滿足30 min沉淀情況下，5 μm和2 μm孔徑的過(guò)濾器可以顯著降低濁度。

3.2 “沉淀30 min+過(guò)濾(5 μm/2 μm濾芯)”其系列精細(xì)化組合方案的水力流暢性測(cè)試可以達(dá)到連續(xù)4h以上的工作時(shí)間。

3.3 “沉淀10 min+過(guò)濾(Ⅰ級(jí)5 μm濾芯+Ⅱ級(jí)2 μm濾芯)+沉淀20 min”精細(xì)化方案應(yīng)用于L0水站，實(shí)際水樣比對(duì)結(jié)果達(dá)到合格，該技術(shù)可以保證黃河流域部分高濁度水體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.4 “沉淀30 min+過(guò)濾(5 μm/2 μm濾芯)”預(yù)處理技術(shù)對(duì)于其它高濁度水體進(jìn)行抗?jié)岫阮A(yù)處理研究，提高其自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了有力技術(shù)支撐。