曹建峰 崔 平 陶 婧

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科技處,江蘇 無(wú)錫 214121)

水是生命之源，人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)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(duì)水質(zhì)狀況的測(cè)量越來(lái)越受到重視，尤其是對(duì)范圍廣、影響大的天然水體的監(jiān)測(cè)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)水質(zhì)的測(cè)量由以往的人工測(cè)量變成智能化和網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)測(cè)量站，利用數(shù)據(jù)挖掘，不僅能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程測(cè)量，還能進(jìn)行水質(zhì)情況預(yù)警。但由于中國(guó)天然水體中多膠質(zhì)的影響，許多位于測(cè)量前端的自動(dòng)測(cè)量站工作一段時(shí)間后，無(wú)法對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。系統(tǒng)主要根據(jù)太湖水水質(zhì)監(jiān)測(cè)需要，依托江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一套解決中國(guó)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(shí)踐中取得較好的效果，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)年增加利潤(rùn)500萬(wàn)元以上。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)監(jiān)測(cè)目前已實(shí)現(xiàn)從單點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量站到網(wǎng)格測(cè)控的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)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(cè)量，由于中國(guó)天然水體中多膠質(zhì)含量比較高，實(shí)際使用中，即使采用精度較高的進(jìn)口水質(zhì)傳感器，也無(wú)法很好地解決傳感器長(zhǎng)期準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題。在前期多個(gè)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(shí)，六個(gè)月左右時(shí)間，水中的多膠質(zhì)就會(huì)逐步吸附在水質(zhì)傳感器探頭表面，從而影響傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度，甚至使傳感器完全無(wú)法測(cè)量。同時(shí)由于此影響過(guò)程是緩慢的，不容易被發(fā)現(xiàn)，往往會(huì)認(rèn)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(wèn)題。目前,國(guó)內(nèi)天然水體水質(zhì)成分復(fù)雜，對(duì)天然水體多膠質(zhì)的成分及消除方法研究不多。同時(shí)，目前對(duì)于中國(guó)多膠質(zhì)水質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)及大數(shù)據(jù)分析的研究較少，設(shè)計(jì)者均在試用階段進(jìn)行使用，天然水體中的多膠質(zhì)尚未影響傳感器探頭的測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量精度符合要求，但對(duì)長(zhǎng)期無(wú)人測(cè)量的后期跟蹤研究較少，導(dǎo)致在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，測(cè)量精度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)初期的要求，甚至得到錯(cuò)誤的測(cè)量數(shù)據(jù)。

1 多膠質(zhì)的形成及其對(duì)傳感器探頭的影響

目前，對(duì)天然水體中多膠質(zhì)的研究資料和文獻(xiàn)極少，根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外天然水體水質(zhì)的比較，通常認(rèn)為水體中的多膠質(zhì)與水體富營(yíng)養(yǎng)有關(guān)。

在富營(yíng)養(yǎng)化的水體沉積物中含有大量的有機(jī)質(zhì)，主要是由浮游動(dòng)物、植物和細(xì)菌等的殘?bào)w下沉堆積，在這些有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中會(huì)形成有機(jī)膠體。同時(shí)，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(qiáng)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(jī)膠質(zhì)及有機(jī)膠膜中的顆粒懸浮物質(zhì)填充。這些多膠質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)還能抑制無(wú)定性的鋁或其他金屬氧化物的晶質(zhì)化過(guò)程，進(jìn)一步提高無(wú)機(jī)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(qiáng)的吸附能力，幾乎能達(dá)到兩倍。

在前期多個(gè)應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)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(gè)月后，水質(zhì)的PH值測(cè)量?jī)H為正確測(cè)量值的90%左右，水質(zhì)的氨氮值測(cè)量?jī)H為正確測(cè)量值的89%左右，誤差分別達(dá)到10%和11%，已無(wú)法較好地滿足測(cè)量精度的要求。在江蘇省科技廳的政策引導(dǎo)類計(jì)劃(產(chǎn)學(xué)研合作)前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(天然水體多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)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(gè)PH值和氨氮值測(cè)量裝置于離岸2～3公里的太湖水體中，每個(gè)傳感器間隔1公里，每間隔一個(gè)月分別對(duì)5個(gè)天然水體中的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行一次人工校定，來(lái)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(guò)20個(gè)月的不間斷測(cè)量與校定，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)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(cè)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(duì)其成因及消除方法尚無(wú)有效參考資料。為了能在規(guī)定的項(xiàng)目研究周期內(nèi)，采用比較經(jīng)濟(jì)的方法，消除或降低天然水體中多膠質(zhì)對(duì)傳感器探頭的影響，系統(tǒng)采用抽取采樣霧化清洗式測(cè)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?？紤]到天然水體水質(zhì)參數(shù)是緩慢變化的，擬采取定期測(cè)量，如一小時(shí)測(cè)量一次，對(duì)于天然水體水質(zhì)參數(shù)測(cè)量而言，其測(cè)量頻率已能滿足要求。同時(shí)，利用微型水凈化系統(tǒng)，通過(guò)多級(jí)減壓微量霧化噴嘴實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器探頭的自潔，從而保證多參數(shù)傳感器探頭長(zhǎng)期能保持潔凈，使多膠質(zhì)物體對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響降至最小，使測(cè)量參數(shù)始終符合系統(tǒng)要求，且能使多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量站的價(jià)格降為進(jìn)口設(shè)備的十分之一。

抽取采樣清洗式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)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(jí)減壓微量霧化噴嘴、水質(zhì)測(cè)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(cè)量水質(zhì)參數(shù)時(shí)，天然水體經(jīng)過(guò)水泵，被抽取至水質(zhì)測(cè)量水箱，并到達(dá)一定的測(cè)量水位待測(cè)量；在被抽取至水質(zhì)測(cè)量水箱的同時(shí)，天然水體也被經(jīng)過(guò)凈水多級(jí)過(guò)濾后，至凈水存貯水箱存貯備用；測(cè)量完畢后，為了保持水質(zhì)檢測(cè)傳感器頭的潔凈，水質(zhì)測(cè)量水箱中的被測(cè)水質(zhì)被釋放至天然水體中，同時(shí)為了進(jìn)一步保持傳感器探頭的潔凈，立即利用凈水通過(guò)多級(jí)減壓微量霧化噴嘴對(duì)傳感器探頭進(jìn)行霧化清洗。通過(guò)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(shí)間，極大延長(zhǎng)傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度時(shí)間。

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

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

3 多級(jí)減壓及微小流量霧化裝置設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器探頭的清洗效果，同時(shí)節(jié)約寶貴的凈水資源，發(fā)明了一種多級(jí)減壓及微小流量霧化裝置，相對(duì)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(jí)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(shí)，高壓介質(zhì)進(jìn)入噴嘴后首先通過(guò)噴嘴后端流量孔板，然后經(jīng)過(guò)多級(jí)減壓套多轉(zhuǎn)角減壓，最后通過(guò)20°旋轉(zhuǎn)切角流道，得到精確流量，同時(shí)因經(jīng)過(guò)多級(jí)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(shí)際流量需要更換。介質(zhì)經(jīng)過(guò)多級(jí)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(guò)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(shí)際需要加工。多級(jí)減壓套的多轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)保證高壓進(jìn)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(shí)處于旋轉(zhuǎn)霧化狀態(tài)，實(shí)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(jí)減壓，能大大提高使用壽命。同時(shí)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(jí)減壓及微小流量霧化噴嘴

1.噴嘴殼體;2.流量孔板;3.多級(jí)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(jí)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(jì)，無(wú)須另外增加減壓或流量控制部件。

多級(jí)減壓及微小流量霧化噴嘴包括噴嘴殼體、流量孔板、多級(jí)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(jí)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(jí)減壓套安裝在流量孔板上；多級(jí)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?jī)?nèi)螺紋匹配，雙錐面噴嘴頭上有固定孔；通過(guò)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(jí)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(gè)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(dá)到不同的霧化效果。

4 效果測(cè)試及改進(jìn)方向

采用抽取式進(jìn)行多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量，系統(tǒng)每隔1小時(shí)進(jìn)行一次測(cè)量，完成一次測(cè)量所需時(shí)間為5分鐘，根據(jù)傳感器探頭與天然水體接觸時(shí)間計(jì)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(guò)凈水的微量霧化清洗，傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度延長(zhǎng)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。目前，設(shè)備已在太湖水體中進(jìn)行了12個(gè)月的實(shí)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(zhǎng)期測(cè)量誤差曲線，可以看出，水質(zhì)的PH值和氨氮值的測(cè)量誤差保持在1%以內(nèi)，初步解決了中國(guó)天然水體水質(zhì)檢測(cè)的實(shí)際問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的測(cè)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(cè)量效果較為理想，能滿足系統(tǒng)精度的要求，更長(zhǎng)期的測(cè)量效果尚在監(jiān)測(cè)中。在第九個(gè)月的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)為獲取凈水采用的過(guò)濾膜裝置有一定的污染，進(jìn)行了更換，因此看到第十個(gè)月的監(jiān)測(cè)結(jié)果有一定的好轉(zhuǎn)，說(shuō)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(zhǎng)期測(cè)量誤差曲線

5 結(jié)論

針對(duì)天然水體參數(shù)測(cè)量問(wèn)題，通過(guò)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(duì)傳感器測(cè)量誤差的影響。后期將進(jìn)行更長(zhǎng)期和更大范圍的監(jiān)測(cè)，主要尋找凈水過(guò)濾膜更換的最佳時(shí)間和確定系統(tǒng)工作的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。