一種水源濁度在線自動監測裝置的研發應用

2021-09-22 17:53:20趙凌謝江峽王立哲姜爾建

甘肅科技縱橫 2021年8期

趙凌謝江峽王立哲姜爾建

[摘要]本文針對以流動河水為水源的水廠、偏遠山區水源地，工藝運行中為實現濁度連續監測，而采用的采樣裝置中的采樣泵承載器、定時采樣控制裝置、濁度儀的選擇及其采樣點的設置、等進行分析，并針對特殊水質的河流，如黃河或流量日隨季節變化較大的其他水源河流，提供一種新型的采樣方案，自制的采樣泵器承載裝置，解決了河流水源采樣時遇到的諸多問題，同時研發設計了實用價值較高的定時采樣自動控制裝置，適用于任何水源監測的控制，以達到連續監測水質的目的。

關鍵詞：流動河水為水源? 連續自動監測采樣泵承載器? 濁度儀? 自動控制

中圖分類號：X853

1? 概述

水是城市的生命線，安全可靠的自來水是我們生活的保障，在自來水生產的工藝中，生產出優質合格的自來水，第一時間掌握水源水質變化，方可針對性的調整后續生產工藝，從而達到工藝環節控制的目的。為了提高生產的可靠性，自來水廠已經廣泛的投入在線監測儀器，對各工藝階段進行連續監測[1]。目前，受地理條件限制，在原水上安裝線監測難度較大，不同地區自來水生產的水源不同，有湖泊水、水庫水、江河水、井水等，湖泊、水庫、井水水源原水檢測相對固定，水質雜質較少，水位在已知的范圍內變化，采樣泵可選擇直投或者充氣式浮船安裝，設備安裝相對容易。江河水水情變化復雜，以黃河為例，黃河是一條季節性河流，每年豐水期其流量最高可達3800m3/s，但枯水期流量最低時僅320m3/s，水位在0.8—6.7米波動;遇上游強降雨天氣，雨水會將地表的松土沖刷帶入河流，造成水體中含沙土量增多，形成高濁度水[2];日常水體中也常常夾雜著顆粒較大的碎石，數枝、塑料等漂浮類雜質，充氣式浮船容易被尖銳物體破壞，以黃河為水源實現水質連續監測，遇枯水期黃河水位低時，采樣泵裝置易裸露于河床，無法采樣;豐水期因濁度高泥沙易堵塞采樣泵進水口。以上原因均能導致黃河源水濁度監測中斷，無法提供源水濁度在線監測數據，指導混凝劑投加，所有河流水監測的裝置[3]，都會遇到類似的情況。

2 常見的采樣裝置

根據原水水質不同，可選擇不同的采樣裝置，常見的采樣方式有采樣泵直投與水源中、充氣式浮船、導管式采樣。直投式采樣方式適合于水庫水、或產水構筑物工藝控制環節的監測，構筑物有較為規整的邊沿，便于固定和維修，水位長時間在已知的范圍內波動，如清水池、沉淀池、攔壩水庫等;充氣式浮船適合于水面隨水位變化較大，水面平緩的水源監測，如湖泊、自然水庫等;導管式采樣裝置適合水質較好的生產系統中，各構筑物內雜質較少的工藝過程監測采樣，采樣泵體一般安裝在地面以上的管道上，便于維修維護。

3 河流水源裝置采樣存在的問題

（1）河流水源流量隨季節性變化較大，水位波動也較大，固定采樣泵承載裝置不能保證泵體與水體連續接觸，當水位較低時，容易出現打空車現象，從而損壞泵組。

（2）目前常用的充氣式浮船承載器在河流水源應用中，因水體中所含的尖銳雜質容易被損壞，從而失去承載的功能，導致采樣泵擱淺或故障，運行中故障率較高，生產不能保證，且價格高。

（3）導管式采樣裝置不適合原水采樣，尤其是像黃河此類河流水源，遇上游山洪、強降雨、水庫排沙時，采樣泵組極容易堵塞。

以上三種原因造成河流水源在線監測[3]裝置一直不能夠穩定運行，解決采樣泵的正常采樣問題是保證系統正常運行的關鍵所在。

4? 研發目的、技術路線

4.1研發目的

為采樣泵承載裝置研發，用HCA—1的加蓋雙耳柔性塑料空桶制作隨水位波動漂浮的可承載裝置，采樣泵安裝在該裝置內，設計采樣泵定時控制裝置，實現源水水質定時監測。

4.2技術路線

（1）擬用7個HCA—1的加蓋雙耳柔性塑料空桶，將其中一個在其底部開小孔，密封蓋中央打孔，將采樣泵置于桶內，把泵組電纜及出水管從桶蓋所開孔穿出，旋緊桶蓋;其余六個空桶密封蓋旋口處抹PVC專用粘合劑，旋緊蓋，用鋼絲繩把七個桶通過雙耳綁在一起，同時在桶外壁抹上PVC專用粘合劑，使七個桶成為整體。6個空桶產生浮力，可保持采樣泵承載裝置隨河流水位變化始終置于水體中;中間底部開過孔，安裝采樣泵的桶，源水會從小孔進入，小孔有過濾作用，可防止大顆粒的雜質進入采樣泵;捆綁各桶的鋼絲繩一端與河岸上的固定基樁相連，對裝置牽引，維修時可拉扯上岸。

（2）電氣控制方案

一般采用運行10分鐘，停運50分鐘設定。流程為：采樣泵提升源水水樣——提升至濁度儀——完成濁度檢測——數據傳輸至PLC柜——進行后臺機數據分析——指導生產混凝劑投加。

（3）黃河源水自動采樣監測裝置的創新

通過自己設計制作安裝該裝置，解決在線濁度儀在枯水期因水位降低和豐水期源水中所含雜質堵塞采樣泵進水口導致無法取樣實現水質監測，導致混凝劑投加量確定滯后的實際生產問題。采樣泵承載裝置研發制作、定時電氣控制系統設計。

（4）采樣泵承載器的制作方法

準備包裝過HCA—1的加蓋雙耳柔性塑料空桶“1”共7個，將其中一個“2”，在其底部開小孔，孔徑小于10mm，密封蓋中央打孔，孔徑比5柔性水管直徑略大，將“3”采樣泵置于桶內，把泵組電纜及出水管從桶蓋所開孔穿出，旋緊桶蓋;其余六個空桶密封蓋旋口處抹PVC專用粘合劑，旋緊蓋，用“4”鋼絲繩把七個桶通過雙耳綁在一起，同時在桶外壁抹上PVC專用粘合劑，使七個桶成為整體，有采樣泵的桶在最中間，空桶安裝在周圍。如圖1所示。

1、加蓋雙耳柔性塑料桶，2、加蓋雙耳柔性塑料桶底部打孔，3、采樣泵，4、鋼絲繩，5、柔性水管。

（5）承載器的運行原理圖

周圍的六個空桶產生浮力，可保持采樣泵承載裝置隨河流水位變化始終置于水體中;中間底部開過孔，安裝采樣泵的桶，源水會從小孔進入，小孔有過濾作用，可防止大顆粒的雜質進入采樣泵;捆綁各桶的鋼絲繩一端與河岸上的固定基裝相連，便于維修時將裝置拉扯上岸。

（6）采樣泵的定時控制

水廠運行時，對源水及各工序水監測[4]采用定時采樣的辦法，采樣泵需要實現定時控制開停，常用的辦法為計算機程序控制，因受地理位置的限制，河流水樣監測站位置偏僻，采用計算機控制采樣泵就必須配套土建項目，基建費用較高，一次性投資較大。計算機程序控制的方式更加適合工序內的水樣檢測，可利用現有車間放置計算機及相關配電設備，維護便利，運行可靠準時。

（6）一種便攜式定時控制裝置的研發

為解決偏遠地帶采樣實現定時控制的目的，研發了一種便攜式定時控制箱，通過電氣元件FR、熱繼電器（保護），SB、停止按鈕，SB1、啟動按鈕，KA、中間繼電器，KM、輔助常開觸點，KT、時間繼電器的工作原理，實現采樣泵按照工藝工作時間要求，定時開啟完成一個工作周期的采樣監測，整體配置體積較小，無需土建配合，便于安裝，適合于有供電范圍內所有環境安裝，造價低維護量小，尤其適用于山村，無網絡有配電的區域使用。配電線路如圖2所示

圖中：FR、熱繼電器（保護），SB、停止按鈕，SB1、啟動按鈕，KA、中間繼電器，KM、輔助常開觸點，KT、時間繼電器。

（7）便攜式定時控制裝置運行原理

以1小時運行一次為例，便攜式定時控制裝置運行過程如下：啟動按鈕SB1按下，線圈KM得電并自鎖，電機啟動。KM1、KT1常閉觸點接通，KA中間繼電器線圈帶電，KA常閉觸點斷開，同時時間繼電器KT1啟動計時，10分鐘后KT1常閉觸點斷開，KA線圈失電，KA常閉觸點接通，KT1常開觸點閉合，KM1線圈得電，KM1常閉觸點斷開，KM1常開觸點閉合，KT2時間繼電器動作計時，KT2瞬時斷開延時閉合常閉觸點斷開，電機停止，50分鐘后KT2瞬時斷開延時閉合常閉觸點閉合，電機繼續啟動，如此完成一個周期的采樣檢測，間隔時間繼電器時長可根據生產需要靈活設定。

5.濁度儀選型

根據被監測水體的水質變化情況，濁度儀的正確選型[5]也同樣關系到整套裝置的運行平穩，濁度儀的選擇是首先應當考慮量程，依據被監測水體連續3—5年的濁度監測數值，最大量程選擇時最好以水源監測數值中的最大數值為參考依據[6]，為減少測量誤差，儀器最大量程應高于水體濁度區間的20%。河流水源水體監測雜質較多，透光式濁度儀，需將水體引進濁度儀內，水體經過儀器內的去泡裝置，容易發生堵塞，維護量較大，排水管路也易堵塞，透光式濁度儀，適用于水質較好的地下水[7]、出廠水監測，河流源水建議采用散射光監測原理的濁度儀，水樣按照設計以每分鐘1 至2 升的流速，流入傾斜的濁度計主體，液體溢出濁度計主體頂端的水平面，形成了平整的測量平面。一束強光束按某一角度射向液體表面，樣品中的懸浮顆粒物發出散射光，放置在液體表面上方的檢測器檢測90 度的散射光，從獲得原水濁度，光學元件從不接觸水——不需要經常清洗探頭等維護工作設備，維護量小，目前可選的產品測量范圍能達到最高9999NTU，準確度：在0～2000NTU 時，讀數的±5%;在2000～9999NTU 時，讀數的±10%，使用方便維護量小，量程基本含蓋大部分水源水質要求。

6.結論

水廠源水濁度實現連續監測，對水廠的安全運行有很重要的指導意義，正常情況下可以指導混凝劑的精準投加，避免藥劑的浪費，特殊水情下，先知先覺能夠給后續工藝充分的準備時間，應急處置的效率大大提高。自制的采樣泵承載裝置，更適合于特殊水體，同樣適應如黃河等河流水樣其他數據的在線監測，穩定的采樣裝置保證了數據更加真實[8]，實用價值更高，定時采樣控制裝置，原件價格低廉，組裝后的體積小，便于安裝，無需土建配合，裝置原理簡單，維護無需專業水平過高的網絡工程師實施，普通電工就可以完成，在偏遠山區無網絡的水源監測中可以推廣使用，具有較高的實用價值。

參考文獻：

[1]楊四海，高坤. 水資源取用水監測系統的分析與設計[J]. 現代鹽化工，2021，48（01）：80-81.

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[7]宋云亮，王家忠，張建偉. 基于STM32的地下水分層智能采樣器設計[J]. 河北農業大學學報，2020，43（05）：108-113+121.

[8]翟竟余，代鑫，楊麗仙. 河流水環境健康風險監測與評價系統設計[J]. 皮革制作與環保科技，2020，1（15）：70-75.

作者：1. 趙凌? 女? 漢族大學本科學歷工程師 1981年4月出生于青海省西寧市

工作單位：蘭州供水（集團）有限公司調度中心

2. 謝江峽男漢族? 大學本科學歷高級工程師? 1980年10月出生于甘肅省莊浪縣