水質自動監測系統工藝流程探討

王從明

（淮河流域水資源保護局 蚌埠 233000）

1 前言

淮河流域水資源保護局（簡稱淮河水保局）2005年在淮河干流建設了魯臺子水質自動監測站，2006～2007年建設了渦河玄武閘和惠濟河東孫營閘兩座水質自動站，2008～2010年建成了潁河界首水質自動站，2009年建成了淮河王家壩水質自動站，2010~2012年建成奎河黃橋閘等13座水質自動站，2012~2013年建成沿河李集等10座水質自動站。隨著這些水質自動站的建成并投入使用，淮河流域省界及重點水資源質量的實時監測能力和應急處理突發污染事故的能力得到了進一步增強。

在多批次的水質自動監測站建設和運行維護過程中，淮河水保局不斷探索和運用新技術、新工藝，并對水質自動站的工藝流程不斷改良優化，系統的穩定性、可靠性和數據準確性不斷提高。

2 系統結構和功能

水質自動監測系統主要由取水單元、水樣預處理單元、配水單元、監測分析單元、系統控制單元、數據采集和通信單元、輔助分析單元、運行環境支持單元等部分組成。整個系統在控制單元的控制下，在運行環境支持單元的保障下，自動完成水樣采集、監測分析、數據采集和傳輸、自動留樣、管路清洗等功能。系統以水質監測分析為核心，水樣采集為輔助，數據采集和傳輸為最終目的。

取水單元主要由取水平臺建筑物、取水浮臺、潛水泵、取水管路、保溫配套裝置等部分組成，負責從水體中采集水樣并輸送至站房。水樣預處理單元包括固液分離器、樣品沉淀處理箱、過濾裝置，主要對水樣進行預處理，先通過粗過濾分離砂粒，再進行沉淀和細過濾，進一步去除水樣中的懸浮物、泥沙顆粒。配水單元主要由配水管路及閥門組成，配水管路主要是通過電磁閥、電動球閥等的切換，將水樣導入到相應的管路，將水樣配送給相應的在線水質分析監測設備。

監測分析單元包括各類型在線水質分析監測設備，負責完成指定參數的監測分析工作，是水質自動監測系統中最重要、最昂貴的部分。根據淮河流域水質特征，主要配備了多參數水質分析儀、高錳酸鹽指數分析儀、氨氮分析儀、總磷分析儀、TOC在線測定儀，在線監測水溫、pH值、溶解氧、電導率、濁度、氨氮、高錳酸鹽指數、總磷、總有機碳9個參數。

系統控制單元主要由上位機、組態軟件、PLC、繼電器、執行器件等組成，負責對取水單元、水樣預處理單元、配水單元、監測分析單元、輔助分析單元進行控制，按照預先設定的程序或遠程指令，完成取水、水樣預處理、配水、監測分析、自動留樣、清洗等動作流程。控制系統支持自動模式、手動模式和遠程模式。自動模式下系統按照預設的程序自動運行，無需人工干預。現場維護時啟動手動模式，此時系統只有在現場維護人員手動啟動下才進行相關的操作。遠程模式下系統可接受遠程啟動命令，進行系統啟閉和清洗操作。

數據采集和通信單元包括通信模塊、相關軟件和數據庫，負責實時采集各儀器設備的輸出信號，存儲到數據庫并通過通信模塊上傳監控中心，能夠同時接收來自監控中心的控制命令，反饋給系統控制單元，實現上位機時鐘修改、監測頻次更改、數據提取、監測過程啟閉、管路清洗等遠程反控功能。

輔助分析單元包括自動留樣裝置、空壓機、清洗和除藻裝置等，可對系統判定的超標水樣進行自動留樣，便于人工化驗對比，并能夠采用清水沖洗管道，防止泥沙沉淀導致管道堵塞，采用空氣吹洗、加熱、加藥等方式實現管路除藻功能。運行環境支持單元包括穩壓電源、UPS、防雷設施、安防設施、空調等，為系統提供穩定的運行環境，保證系統正常運行。

3 系統流程和工藝要求

3.1 系統流程

水質自動監測系統在控制單元的自動控制下，以取水、水樣預處理、配水、監測分析、數據采集和通信、自動留樣、清洗為一個運行周期，實現水質自動監測的功能。

系統平時處于待機狀態，當控制系統判定監測時間到或收到遠程啟動指令時，PLC向取水單元發出指令，潛水泵開始工作，將水樣輸送到站房。水樣到達站房后分為兩路，一路直接進入多參數測量池，多參數水質分析儀直接實時測量水樣，PLC待各項數值穩定后直接讀取所測量的值；另一路水樣分別經過旋轉式固液分離器、樣品沉淀處理箱、精密過濾裝置的組合處理，進入樣品杯。大約10min后，PLC讀取樣品杯水位信號，水泵停止工作，此時，樣品杯中應存有足夠分析的水樣。接著，PLC向高錳酸鹽指數分析儀、氨氮分析儀、總磷分析儀和TOC在線測定儀等儀器設備發出啟動指令，儀器開始進行化學分析。大約50min后，各儀器設備完成監測分析，PLC分別讀取所測量的值，上位機再從PLC中讀取測量值發送到監控中心并存儲在本地，同時判斷是否超標，若水樣超標則啟動自動留樣裝置存留水樣。隨后，PLC控制電磁閥、電動球閥進行排水，再啟動清洗程序清洗管路。約10min后，清洗完成，系統進入待機狀態。整個流程約耗時1.5h，流程如圖1。

3.2 取水工藝

水質自動監測系統的取水方式主要有棧橋式取水、浮船（筒）式取水、豎井式取水、吊臂取水、多級平臺式取水、自吸泵取水等幾種，根據淮河流域建站地點的具體情況，河道水流不急，采水點與岸邊的距離較遠（距離大于50m，采水點深度不應低于2m），宜采用浮船（筒）式取水，同時維護也比較方便。浮船（筒）應裝有防護網，船艙中安裝的潛水泵宜采用隔柵保護，具備攔污能力。水泵與隔柵底部留有足夠的距離，以保證枯水季不會碰觸河床導致吸入河床底部的泥沙。

取水管路主要考慮防淤、防凍及防盜等問題。管路鋪設應平滑并有一定的坡降，盡可能減少彎頭數量，有利于清淤及揚水。在滿足取水量和管路壓力的前提下，選擇適宜的管徑，以32mm左右為宜，可使水樣在管道內部對管壁形成一定的沖刷作用，有利于防淤和除藻。管路外包保溫棉、加熱帶和護套管，并埋入凍土層以下并做管路排空設計，可有效解決冬季防凍問題，確保最低-30℃也能正常工作。由于水位變化必將有一段管路不能固定，因此管路應從水面最低水位液面下的泥土中進入水下，這樣既可以做到防止管路被盜，也可以在一定程度上解決冬季防凍問題。

取水管路及取水泵應采用互為備份的雙泵雙管方式，并采用手動閥進行流速調節，確保取水設施能夠穩定工作、可靠運行。

3.3 水樣預處理及配水工藝

水樣取到站房后，先進行粗過濾，采用特制的旋轉式固液分離器，將水樣旋轉沉淀，使砂粒下沉并順勢通過排水閥排出，取分離器頂部水樣進入樣品沉淀處理箱進行沉淀和細過濾。樣品沉淀處理箱裝有平板篩網過濾材料，能有效去除水樣中的較小的顆粒物以及大量懸浮物，經過系統設定的時間進行沉淀后，提取箱體中上部分的水樣輸送到下一級精密過濾裝置。精密過濾裝置是水樣處理的最后一個環節，其功能是進行水樣的精密過濾，裝置內部裝有單級精密過濾網（1μm、5μm、10μm、25μm、50μm等級），能過濾泥沙、水銹、漂浮物、沉淀物、絮凝物等大顆粒雜質。通過精密過濾的水樣采用低速蠕動泵輸送到各樣品杯里，為各個監測分析儀器提供待測水樣進行測量。這樣，水樣通過旋轉式固液分離器、樣品沉淀處理箱和過濾精密裝置組合處理后，既不會影響水質參數測定的準確性，又能滿足儀表對水樣的預處理要求。

配水管路主要是通過PLC控制電磁閥、電動球閥切換，實現水樣分配。系統針對各個在線分析儀器相互獨立的情況，綜合考慮多種因素，采用了“主管路串連、各個儀器并聯”的配水方式，整套配水主管路為串聯結構，每臺儀器的樣品杯采用并聯方式，統一從過濾裝置中取水，任何儀器出現故障都不會影響其他儀器的工作。在進樣管路的進口和出口處，均應安裝壓力傳感器和自力式調節閥，使管道中的樣品按預設的壓力和流量進行分配，樣品杯應裝有液位計，防止水樣溢流。配水管路接頭均應采用活結連接，方便日后進行檢查與維修。配水管路應做旁路設計，并在旁路上裝有自動留樣接口和人工取水接口，以便在水樣超標時及時預留水樣。每臺儀器的樣品杯都應設有旁路系統，當儀器需要維護時，可以打開旁路，不影響其他儀器的正常工作。

3.4 清洗和除藻方式

當監測分析過程結束后，系統應清洗所有管路，防止泥沙或藻類堵塞管路。清洗操作在控制系統的控制下啟動，主要對站內管路、過濾裝置及室外取水管路進行清洗。主要方式為使用空氣壓縮機，將空氣和清水混合，實現高壓氣泡擦洗，可以將管壁附著的泥沙和藻類清除，通過壓縮空氣吹掃過濾裝置的濾膜，以防止泥沙堵塞高精度濾膜。清洗所使用的清水可以為自來水、井水或者經過凈化的河水。

在系統長期使用后，管路內必定會滋生藻類，因此需要增加一套加熱除藻裝置。系統可定期自動或手動打開除藻裝置，在加熱的清洗水流中通過加藥泵自動加入對環境污染小的除藻劑（推薦使用次氯酸鈉），通過PLC控制電磁閥的關閉和接通時間，控制加熱除藻劑在取水管路中的浸泡時間，達到用化學方法及物理方法雙重去除藻類，再采用空氣將管路吹干，可有效地防止藻類滋生。

4 結語

經過長期的建設和運行維護，淮河水保局不斷積累經驗，對水質自動監測系統的工藝流程不斷改良和優化，并積極應用到新建的水質自動監測系統，系統的穩定性、可靠性和數據的準確性不斷提高，效果顯著。本文對系統相關的工藝流程進行了總結，與大家共同探討，集思廣益，期待進一步提高■