一種消除天然水體多膠質(zhì)影響測量誤差的系統(tǒng)

曹建峰 崔 平 陶 婧

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科技處,江蘇 無錫 214121)

水是生命之源，人類的生活和生產(chǎn)活動都需要符合要求的水源。因此，水生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)的質(zhì)量與我們的生活密切相關(guān)，尤其在生活用水、水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域。對水質(zhì)狀況的測量越來越受到重視，尤其是對范圍廣、影響大的天然水體的監(jiān)測。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對水質(zhì)的測量由以往的人工測量變成智能化和網(wǎng)絡(luò)化的自動測量站，利用數(shù)據(jù)挖掘，不僅能實時遠程測量，還能進行水質(zhì)情況預(yù)警。但由于中國天然水體中多膠質(zhì)的影響，許多位于測量前端的自動測量站工作一段時間后，無法對水質(zhì)參數(shù)進行準(zhǔn)確測量。系統(tǒng)主要根據(jù)太湖水水質(zhì)監(jiān)測需要，依托江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研項目，設(shè)計了一套解決中國天然水體多膠質(zhì)影響水質(zhì)傳感器探頭的方法及裝置，在實踐中取得較好的效果，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益，為企業(yè)年增加利潤500萬元以上。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測目前已實現(xiàn)從單點自動測量站到網(wǎng)格測控的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了自動測量與智能預(yù)警，在許多應(yīng)用中均有介紹。但首先數(shù)據(jù)必須被準(zhǔn)確測量，由于中國天然水體中多膠質(zhì)含量比較高，實際使用中，即使采用精度較高的進口水質(zhì)傳感器，也無法很好地解決傳感器長期準(zhǔn)確測量的問題。在前期多個應(yīng)用中，當(dāng)傳感器探頭在多膠質(zhì)含量較高的天然水體中時，六個月左右時間，水中的多膠質(zhì)就會逐步吸附在水質(zhì)傳感器探頭表面，從而影響傳感器的測量準(zhǔn)確度，甚至使傳感器完全無法測量。同時由于此影響過程是緩慢的，不容易被發(fā)現(xiàn)，往往會認為是由于水體狀況變化引起的，而忽視水體中的多膠質(zhì)問題。目前,國內(nèi)天然水體水質(zhì)成分復(fù)雜，對天然水體多膠質(zhì)的成分及消除方法研究不多。同時，目前對于中國多膠質(zhì)水質(zhì)長時間監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析的研究較少，設(shè)計者均在試用階段進行使用，天然水體中的多膠質(zhì)尚未影響傳感器探頭的測量準(zhǔn)確度，測量精度符合要求，但對長期無人測量的后期跟蹤研究較少，導(dǎo)致在長期使用過程中，測量精度無法達到設(shè)計初期的要求，甚至得到錯誤的測量數(shù)據(jù)。

1 多膠質(zhì)的形成及其對傳感器探頭的影響

目前，對天然水體中多膠質(zhì)的研究資料和文獻極少，根據(jù)對國內(nèi)外天然水體水質(zhì)的比較，通常認為水體中的多膠質(zhì)與水體富營養(yǎng)有關(guān)。

在富營養(yǎng)化的水體沉積物中含有大量的有機質(zhì)，主要是由浮游動物、植物和細菌等的殘體下沉堆積，在這些有機質(zhì)分解過程中會形成有機膠體。同時，易腐物質(zhì)也可以形成膠膜，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為多膠質(zhì)，它們能使吸附能力較強的顆粒物懸浮，從而被傳感器探頭等金屬物所吸附，且一般水質(zhì)傳感器探頭表面非常粗糙，更易被有機膠質(zhì)及有機膠膜中的顆粒懸浮物質(zhì)填充。這些多膠質(zhì)中的有機質(zhì)還能抑制無定性的鋁或其他金屬氧化物的晶質(zhì)化過程，進一步提高無機磷的吸附能力。研究表明，晶質(zhì)化的鋁或其他金屬氧化物比非晶質(zhì)化具有更強的吸附能力，幾乎能達到兩倍。

在前期多個應(yīng)用中，當(dāng)一個主要由金屬成分的多參數(shù)水質(zhì)傳感器探頭放置在天然水體中，12個月后，水質(zhì)的PH值測量僅為正確測量值的90%左右，水質(zhì)的氨氮值測量僅為正確測量值的89%左右，誤差分別達到10%和11%，已無法較好地滿足測量精度的要求。在江蘇省科技廳的政策引導(dǎo)類計劃(產(chǎn)學(xué)研合作)前瞻性聯(lián)合研究項目(天然水體多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測與大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng))的前期研究基礎(chǔ)上，于2015年5月，分別放置5個PH值和氨氮值測量裝置于離岸2～3公里的太湖水體中，每個傳感器間隔1公里，每間隔一個月分別對5個天然水體中的傳感器測量數(shù)據(jù)進行一次人工校定，來確定傳感器探頭受天然水體中多膠質(zhì)的影響程度。經(jīng)過20個月的不間斷測量與校定，對獲取的數(shù)據(jù)進行分析與處理，得到天然水體中多參數(shù)水質(zhì)傳感器PH值與氨氮值的測量誤差受多膠質(zhì)等物質(zhì)影響的曲線圖，如圖1所示。

圖1天然水體中多參數(shù)水質(zhì)傳感器PH值與氨氮值的測量誤差受多膠質(zhì)等影響的曲線

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于天然水體中多膠質(zhì)物質(zhì)成分復(fù)雜，對其成因及消除方法尚無有效參考資料。為了能在規(guī)定的項目研究周期內(nèi)，采用比較經(jīng)濟的方法，消除或降低天然水體中多膠質(zhì)對傳感器探頭的影響，系統(tǒng)采用抽取采樣霧化清洗式測量方式，使傳感器探頭受天然水體多膠質(zhì)物影響降至最低。考慮到天然水體水質(zhì)參數(shù)是緩慢變化的，擬采取定期測量，如一小時測量一次，對于天然水體水質(zhì)參數(shù)測量而言，其測量頻率已能滿足要求。同時，利用微型水凈化系統(tǒng)，通過多級減壓微量霧化噴嘴實現(xiàn)對傳感器探頭的自潔，從而保證多參數(shù)傳感器探頭長期能保持潔凈，使多膠質(zhì)物體對測量準(zhǔn)確度的影響降至最小，使測量參數(shù)始終符合系統(tǒng)要求，且能使多參數(shù)水質(zhì)測量站的價格降為進口設(shè)備的十分之一。

抽取采樣清洗式多參數(shù)水質(zhì)測量結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由多參數(shù)水質(zhì)傳感器、多級減壓微量霧化噴嘴、水質(zhì)測量水箱、小型凈水系統(tǒng)、各類水泵、電磁閥和管道等部件組成。當(dāng)需要測量水質(zhì)參數(shù)時，天然水體經(jīng)過水泵，被抽取至水質(zhì)測量水箱，并到達一定的測量水位待測量；在被抽取至水質(zhì)測量水箱的同時，天然水體也被經(jīng)過凈水多級過濾后，至凈水存貯水箱存貯備用；測量完畢后，為了保持水質(zhì)檢測傳感器頭的潔凈，水質(zhì)測量水箱中的被測水質(zhì)被釋放至天然水體中，同時為了進一步保持傳感器探頭的潔凈，立即利用凈水通過多級減壓微量霧化噴嘴對傳感器探頭進行霧化清洗。通過這種方法，使傳感器探頭盡可能縮短與多膠質(zhì)含量較高的天然水體的接觸時間，極大延長傳感器的測量準(zhǔn)確度時間。

系統(tǒng)核心部件是多級減壓微量霧化噴嘴，能使水質(zhì)傳感器探頭長期保持潔凈。

圖2 抽取采樣清洗式多參數(shù)水質(zhì)測量結(jié)構(gòu)

3 多級減壓及微小流量霧化裝置設(shè)計

為了更好地實現(xiàn)對傳感器探頭的清洗效果，同時節(jié)約寶貴的凈水資源，發(fā)明了一種多級減壓及微小流量霧化裝置，相對于傳統(tǒng)噴頭，其霧化后的清洗效果更好，還能節(jié)水四分之三。

本裝置的核心是一種多級減壓及微小流量霧化噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在工作時，高壓介質(zhì)進入噴嘴后首先通過噴嘴后端流量孔板，然后經(jīng)過多級減壓套多轉(zhuǎn)角減壓，最后通過20°旋轉(zhuǎn)切角流道，得到精確流量，同時因經(jīng)過多級減壓，輸出的是低壓介質(zhì)。噴嘴含有流量孔板，可以根據(jù)實際流量需要更換。介質(zhì)經(jīng)過多級減壓和20°旋轉(zhuǎn)切角流道旋轉(zhuǎn)后，在噴頭流出低壓的霧化介質(zhì)。其做法就是通過加入流量孔板控制介質(zhì)流量，流量孔板的流量面積可以根據(jù)實際需要加工。多級減壓套的多轉(zhuǎn)角設(shè)計保證高壓進入，低壓輸出，最大限度地保證噴頭的使用壽命。20°旋轉(zhuǎn)切角流道和140°雙錐面的噴嘴頭，讓介質(zhì)在噴出時處于旋轉(zhuǎn)霧化狀態(tài)，實現(xiàn)更好的清洗效果。由于裝置集成了流量控制部件，采用多級減壓，能大大提高使用壽命。同時采用20°旋轉(zhuǎn)切角流道，增加介質(zhì)出口霧化效果，能節(jié)省純凈水。

圖3 多級減壓及微小流量霧化噴嘴

1.噴嘴殼體;2.流量孔板;3.多級減壓套;4.雙錐面噴嘴頭;5.殼體外螺紋;6.A流量孔;7.B流量孔;8.20°旋轉(zhuǎn)切角流道

本裝置是流量控制，多級減壓以及霧化介質(zhì)集成一體的多功能噴頭。全部采用可更換的模塊化設(shè)計，無須另外增加減壓或流量控制部件。

多級減壓及微小流量霧化噴嘴包括噴嘴殼體、流量孔板、多級減壓套和雙錐面噴嘴頭；噴嘴殼體后端外螺紋，噴嘴殼體1頂部設(shè)置有內(nèi)孔和內(nèi)螺紋；噴嘴殼體后端外螺紋與其他設(shè)備連接；內(nèi)孔安裝有流量孔板、多級減壓套和雙錐面噴嘴頭；流量孔板安裝在雙錐面噴嘴后端，多級減壓套安裝在流量孔板上；多級減壓套設(shè)置有B流量孔和20°旋轉(zhuǎn)切角流道，所述的20°旋轉(zhuǎn)切角是指流道軸線與垂直軸線夾角；雙錐面噴嘴頭有外螺紋與噴嘴殼體頂部內(nèi)螺紋匹配，雙錐面噴嘴頭上有固定孔；通過雙錐面噴嘴頭上固定孔擰緊螺紋固定其他部件。

在流量孔板上有控制流量的A流量孔；多級減壓套一端有B流量孔，另一端為20°旋轉(zhuǎn)切角流道；雙錐面噴嘴頭兩端為140°雙錐面，中間為流量孔，其中一段上有擰緊用固定孔。流量孔板上至少設(shè)置有3個A流量孔，A流量孔的形狀一般以圓形為主，也可以是方形或者其他形狀，達到不同的霧化效果。

4 效果測試及改進方向

采用抽取式進行多參數(shù)水質(zhì)測量，系統(tǒng)每隔1小時進行一次測量，完成一次測量所需時間為5分鐘，根據(jù)傳感器探頭與天然水體接觸時間計算，理論上可以使傳感器探頭受天然水體多膠質(zhì)的影響縮小12倍以下，再經(jīng)過凈水的微量霧化清洗，傳感器的測量準(zhǔn)確度延長時間會更長。目前，設(shè)備已在太湖水體中進行了12個月的實踐應(yīng)用，圖4為采用抽取式霧化清洗的天然水體多參數(shù)水質(zhì)傳感器PH值與氨氮值的長期測量誤差曲線，可以看出，水質(zhì)的PH值和氨氮值的測量誤差保持在1%以內(nèi)，初步解決了中國天然水體水質(zhì)檢測的實際問題。

經(jīng)過一年時間的測試，采用抽取式和凈水霧化清洗式天然水體多參數(shù)水質(zhì)測量效果較為理想，能滿足系統(tǒng)精度的要求，更長期的測量效果尚在監(jiān)測中。在第九個月的監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)為獲取凈水采用的過濾膜裝置有一定的污染，進行了更換，因此看到第十個月的監(jiān)測結(jié)果有一定的好轉(zhuǎn)，說明凈水的霧化清洗能較好地洗凈吸附在傳感器探頭表面的天然水體中的多膠質(zhì)物質(zhì)。

圖4 采用抽取式霧化清洗的天然水體多參數(shù)水質(zhì)傳感器PH值與氨氮值的長期測量誤差曲線

5 結(jié)論

針對天然水體參數(shù)測量問題，通過抽取式采樣和凈水霧化清洗傳感器的方法，較好地解決了天然水體中多膠質(zhì)等物質(zhì)對傳感器測量誤差的影響。后期將進行更長期和更大范圍的監(jiān)測，主要尋找凈水過濾膜更換的最佳時間和確定系統(tǒng)工作的長期穩(wěn)定性。