沙河流水质自动监测系统中的水处理技术
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最近，由黄委承担的国家“948"项目——“黄河花园口水质自动监测站建设"正式通过了验收鉴定。该监测站集成了美国、法国、以色列等国家的先进技术和设备，可24小时不间断地对监测断面的水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、氨氮、总有机碳等进行连续测定，是世界上第一座在高含沙河流上建成的在线式水质自动监测站。监测站建设的成功，关键是运用了先进的水处理技术和设备，解决了快速高效分离泥沙的难题，成功地消除了大量泥沙对系统测试仪器和测试项目的影响。 1泥沙对水质自动监测系统的影响 1.1泥沙对测试仪器的影响 水质自动监测系统的工作原理是将被测水体通过管路送入监测设备中，通过定量的化学反应或通过电化学原理测定水体中被测物质的含量。无论何种测定原理，均要求被测水体满足仪器的使用标准。如果有大量悬浮物或泥沙进入系统，在水速不高的情况下，则监测系统中必定会产生堵塞和沉积，从而造成系统不能正常运转或设备损坏。另外，泥沙也会造成泵水机构和仪器的传感器磨损、钝化，甚至无法正常工作。黄河含沙量大，泥沙附着力强，具有一定的特殊性，所以必须采取有效措施，在不改变原有水体物化性质的基础上对被测水体中的悬浮物和泥沙进行处理，以最大限度地减少泥沙对自动监测系统的影响。 1.2泥沙对监测项目的影响 泥沙对被测参数也有重要影响。以COD为例，河流中的悬移质泥沙主要来源于地表径流携带的表层土壤和水流对河床的冲刷，其颗粒较细，富含胶体，对进入水体的多种污染物具有吸附效应。 根据实验室常规水质监测方法可知，泥沙对很多监测项目具有相当大的影响。国家行业标准《多泥沙河流水环境样品采集及预处理技术规程》(SL270—2001)规定：对多泥沙河流的污染物监测，其测定清水水样的含沙量不得超过0.2 kg/m3。作为在线自动监测系统，其监测方法和数据应符合规范要求，尽量与实验室监测数据相吻合。 2黄河花园口水质自动监测站水处理系统 按照《多泥沙河流水环境样品采集及预处理技术规程》，不同用水目的、不同监测项目和不同分析仪器有着不同的水样预处理方法和技术。在研究各种水沙处理设备工作原理和结构性能、充分调研国内外水沙预处理设备以及大量的实验室模拟实验研究的基础上，采用了自然沉降、离心和过滤相结合以及反冲洗的技术路线，达到了水沙分离的目的，避免了系统管路的堵塞，确保了水质自动监测站系统的正常运行。 2.1系统结构及工艺流程 花园口水质自动监测站建于黄河花园口水质监测断面，采用五级水处理串联式基础结构，具有很强的处理高泥沙含量河水的能力。对抽取的河水进行多级连续处理，每一级采用不同的物理方法来处理各种粒径的泥沙，使最终处理后的样水中泥沙粒径小于5 μm，含沙量小于0.2 kg/ m3。工艺流程：河中采样点抽取原水→进水缓冲沉淀→斜管沉淀→平流沉淀→加压→固液分离→过滤→收集处理→反冲洗(排泄)。 2.2系统的工作原理及处理方法 采用三级沉淀、一级固液分离、一级过滤对黄河原水进行处理。根据检测仪器用水标准，将黄河采水点采集的原水通过物理方法使其达标。 (1)缓冲沉淀处理。水处理系统的第一级是缓冲区，主要去除水中较粗颗粒的泥沙和杂质。 (2)斜管沉淀处理。含沙原水进入斜管沉淀池后，迅速将大于120 μm的泥沙颗粒沉淀去除。沉淀10分钟左右。 (3)平流沉淀处理。继续去除颗粒较小的泥沙，沉淀0.5～1.5小时，使大部分10 μm左右的泥沙颗粒得以沉淀去除。 (4)固液分离。经过沉淀处理以后水体中存在的悬浮物颗粒粒径极细，接近于胶体，进一步的沉降分离过程十分缓慢。因此，利用固液分离器的旋流离心作用对水中的较为细小的泥沙进行快速分离，以减轻后级部分的压力。 (5)过滤。采用过滤精度为5 μm的盘式过滤器，利用其独特的结构设计滤掉颗粒超过5 μm、不参与化学反应的泥沙颗粒和悬浮物，并保证出水含沙量在0.2 kg/ m3以下。 (6)储水箱。储存处理后的河水，为仪器提供水源。 (7)供水。供水设备采用蠕动泵，转速可无级调节，以合适的流速和流量向检测仪器供水。 (8)反冲洗。在水处理过程当中，每当一个处理循环结束后，系统会自动地用清洁的压力水对各级处理设备进行轮流冲洗，将积存的泥沙冲洗干净，防止堵塞管路和避免积存的泥沙对下一次处理的干扰。 2.3系统特点 系统特点：①依据现场情况，采用五级处理的方式；②经处理后的水流量满足系统最小间隔运行所需水量；③经处理后的水样不改变其被测参数的组成及性质；④经处理后的水样含沙量小于0.2 kg/ m3；⑤对水样的处理时间可满足监测系统的最小间隔要求，并与监测系统的时间间隔一致；⑥处理系统具有自动除沙、清洗功能；⑦设备易于安装和维护；⑧系统使用寿命长，运行费用低；⑨主要机电设备及部件为国内外先进产品；⑩集成式结构，水箱为一体化水箱。 3系统运行效果 3.1除沙效果 2002年7月4～15日黄河首次大规模调水调沙试验期间，整个自动监测系统的适用性得到了验证。采用置换法进行含沙量测定，计算出各环节的除沙效率和系统的总除沙效率。试验期间，黄河原水的含沙量在1.89～22.0 kg/ m3，经处理后的样水含沙量在0.14～0.24 kg/ m3，符合规范要求。 3.2监测项目比测 在黄河调水调沙实验期间，分别使用HANNA现场多参数测定仪、容量法、纳氏试剂比色法和自动站在线监测仪器进行了现场比测。比测结果表明：自动站监测数据和比测数据吻合性较好，升降趋势基本相同，不同监测方法之间的系统误差可以不计，经泥沙预处理后的样水可直接用于监测。 4结论 花园口水质自动监测站的建设和运行情况表明，在黄河这样高含沙河流上建设水质自动监测系统具有一定的复杂性和特殊性。将引入自动监测系统的泥沙恰到好处地在线分离掉，使其满足监测技术规范的要求，减少系统故障，是水质自动监测系统建设的技术关键。黄河花园口水质自动监测站的建成，为自动监测技术在高含沙河流上的应用开创了成功的范例，也为全面提升黄河水资源管理水平和保护生态环境提供了可靠的技术支持和决策依据。 最近，由黄委承担的国家“948"项目——“黄河花园口水质自动监测站建设"正式通过了验收鉴定。该监测站集成了美国、法国、以色列等国家的先进技术和设备，可24小时不间断地对监测断面的水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、氨氮、总有机碳等进行连续测定，是世界上第一座在高含沙河流上建成的在线式水质自动监测站。监测站建设的成功，关键是运用了先进的水处理技术和设备，解决了快速高效分离泥沙的难题，成功地消除了大量泥沙对系统测试仪器和测试项目的影响。 1泥沙对水质自动监测系统的影响 1.1泥沙对测试仪器的影响 水质自动监测系统的工作原理是将被测水体通过管路送入监测设备中，通过定量的化学反应或通过电化学原理测定水体中被测物质的含量。无论何种测定原理，均要求被测水体满足仪器的使用标准。如果有大量悬浮物或泥沙进入系统，在水速不高的情况下，则监测系统中必定会产生堵塞和沉积，从而造成系统不能正常运转或设备损坏。另外，泥沙也会造成泵水机构和仪器的传感器磨损、钝化，甚至无法正常工作。黄河含沙量大，泥沙附着力强，具有一定的特殊性，所以必须采取有效措施，在不改变原有水体物化性质的基础上对被测水体中的悬浮物和泥沙进行处理，以最大限度地减少泥沙对自动监测系统的影响。 1.2泥沙对监测项目的影响 泥沙对被测参数也有重要影响。以COD为例，河流中的悬移质泥沙主要来源于地表径流携带的表层土壤和水流对河床的冲刷，其颗粒较细，富含胶体，对进入水体的多种污染物具有吸附效应。 根据实验室常规水质监测方法可知，泥沙对很多监测项目具有相当大的影响。国家行业标准《多泥沙河流水环境样品采集及预处理技术规程》(SL270—2001)规定：对多泥沙河流的污染物监测，其测定清水水样的含沙量不得超过0.2 kg/m3。作为在线自动监测系统，其监测方法和数据应符合规范要求，尽量与实验室监测数据相吻合。 2黄河花园口水质自动监测站水处理系统 按照《多泥沙河流水环境样品采集及预处理技术规程》，不同用水目的、不同监测项目和不同分析仪器有着不同的水样预处理方法和技术。在研究各种水沙处理设备工作原理和结构性能、充分调研国内外水沙预处理设备以及大量的实验室模拟实验研究的基础上，采用了自然沉降、离心和过滤相结合以及反冲洗的技术路线，达到了水沙分离的目的，避免了系统管路的堵塞，确保了水质自动监测站系统的正常运行。 2.1系统结构及工艺流程 花园口水质自动监测站建于黄河花园口水质监测断面，采用五级水处理串联式基础结构，具有很强的处理高泥沙含量河水的能力。对抽取的河水进行多级连续处理，每一级采用不同的物理方法来处理各种粒径的泥沙，使最终处理后的样水中泥沙粒径小于5 μm，含沙量小于0.2 kg/ m3。工艺流程：河中采样点抽取原水→进水缓冲沉淀→斜管沉淀→平流沉淀→加压→固液分离→过滤→收集处理→反冲洗(排泄)。 2.2系统的工作原理及处理方法 采用三级沉淀、一级固液分离、一级过滤对黄河原水进行处理。根据检测仪器用水标准，将黄河采水点采集的原水通过物理方法使其达标。 (1)缓冲沉淀处理。水处理系统的第一级是缓冲区，主要去除水中较粗颗粒的泥沙和杂质。 (2)斜管沉淀处理。含沙原水进入斜管沉淀池后，迅速将大于120 μm的泥沙颗粒沉淀去除。沉淀10分钟左右。 (3)平流沉淀处理。继续去除颗粒较小的泥沙，沉淀0.5～1.5小时，使大部分10 μm左右的泥沙颗粒得以沉淀去除。 (4)固液分离。经过沉淀处理以后水体中存在的悬浮物颗粒粒径极细，接近于胶体，进一步的沉降分离过程十分缓慢。因此，利用固液分离器的旋流离心作用对水中的较为细小的泥沙进行快速分离，以减轻后级部分的压力。 (5)过滤。采用过滤精度为5 μm的盘式过滤器，利用其独特的结构设计滤掉颗粒超过5 μm、不参与化学反应的泥沙颗粒和悬浮物，并保证出水含沙量在0.2 kg/ m3以下。 (6)储水箱。储存处理后的河水，为仪器提供水源。 (7)供水。供水设备采用蠕动泵，转速可无级调节，以合适的流速和流量向检测仪器供水。 (8)反冲洗。在水处理过程当中，每当一个处理循环结束后，系统会自动地用清洁的压力水对各级处理设备进行轮流冲洗，将积存的泥沙冲洗干净，防止堵塞管路和避免积存的泥沙对下一次处理的干扰。 2.3系统特点 系统特点：①依据现场情况，采用五级处理的方式；②经处理后的水流量满足系统最小间隔运行所需水量；③经处理后的水样不改变其被测参数的组成及性质；④经处理后的水样含沙量小于0.2 kg/ m3；⑤对水样的处理时间可满足监测系统的最小间隔要求，并与监测系统的时间间隔一致；⑥处理系统具有自动除沙、清洗功能；⑦设备易于安装和维护；⑧系统使用寿命长，运行费用低；⑨主要机电设备及部件为国内外先进产品；⑩集成式结构，水箱为一体化水箱。 3系统运行效果 3.1除沙效果 2002年7月4～15日黄河首次大规模调水调沙试验期间，整个自动监测系统的适用性得到了验证。采用置换法进行含沙量测定，计算出各环节的除沙效率和系统的总除沙效率。试验期间，黄河原水的含沙量在1.89～22.0 kg/ m3，经处理后的样水含沙量在0.14～0.24 kg/ m3，符合规范要求。 3.2监测项目比测 在黄河调水调沙实验期间，分别使用HANNA现场多参数测定仪、容量法、纳氏试剂比色法和自动站在线监测仪器进行了现场比测。比测结果表明：自动站监测数据和比测数据吻合性较好，升降趋势基本相同，不同监测方法之间的系统误差可以不计，经泥沙预处理后的样水可直接用于监测。 4结论 花园口水质自动监测站的建设和运行情况表明，在黄河这样高含沙河流上建设水质自动监测系统具有一定的复杂性和特殊性。将引入自动监测系统的泥沙恰到好处地在线分离掉，使其满足监测技术规范的要求，减少系统故障，是水质自动监测系统建设的技术关键。黄河花园口水质自动监测站的建成，为自动监测技术在高含沙河流上的应用开创了成功的范例，也为全面提升黄河水资源管理水平和保护生态环境提供了可靠的技术支持和决策依据。 |
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