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(yuǎn)山區(qū)水源地，工藝運行中為實現(xiàn)濁度連續(xù)監(jiān)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(shè)置、等進(jìn)行分析，并針對特殊水質(zhì)的河流，如黃河或流量日隨季節(jié)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(fā)設(shè)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(jiān)測的控制，以達(dá)到連續(xù)監(jiān)測水質(zhì)的目的。

關(guān)鍵詞：流動河水為水源? 連續(xù)自動監(jiān)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(chǎn)的工藝中，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)合格的自來水，第一時間掌握水源水質(zhì)變化，方可針對性的調(diào)整后續(xù)生產(chǎn)工藝，從而達(dá)到工藝環(huán)節(jié)控制的目的。為了提高生產(chǎn)的可靠性，自來水廠已經(jīng)廣泛的投入在線監(jiān)測儀器，對各工藝階段進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測[1]。目前，受地理條件限制，在原水上安裝線監(jiān)測難度較大，不同地區(qū)自來水生產(chǎn)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(zhì)雜質(zhì)較少，水位在已知的范圍內(nèi)變化，采樣泵可選擇直投或者充氣式浮船安裝，設(shè)備安裝相對容易。江河水水情變化復(fù)雜，以黃河為例，黃河是一條季節(jié)性河流，每年豐水期其流量最高可達(dá)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(shù)枝、塑料等漂浮類雜質(zhì)，充氣式浮船容易被尖銳物體破壞，以黃河為水源實現(xiàn)水質(zhì)連續(xù)監(jiān)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(jìn)水口。以上原因均能導(dǎo)致黃河源水濁度監(jiān)測中斷，無法提供源水濁度在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)混凝劑投加，所有河流水監(jiān)測的裝置[3]，都會遇到類似的情況。

2 常見的采樣裝置

根據(jù)原水水質(zhì)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(dǎo)管式采樣。直投式采樣方式適合于水庫水、或產(chǎn)水構(gòu)筑物工藝控制環(huán)節(jié)的監(jiān)測，構(gòu)筑物有較為規(guī)整的邊沿，便于固定和維修，水位長時間在已知的范圍內(nèi)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(jiān)測，如湖泊、自然水庫等;導(dǎo)管式采樣裝置適合水質(zhì)較好的生產(chǎn)系統(tǒng)中，各構(gòu)筑物內(nèi)雜質(zhì)較少的工藝過程監(jiān)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(jié)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(xù)接觸，當(dāng)水位較低時，容易出現(xiàn)打空車現(xiàn)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(yīng)用中，因水體中所含的尖銳雜質(zhì)容易被損壞，從而失去承載的功能，導(dǎo)致采樣泵擱淺或故障，運行中故障率較高，生產(chǎn)不能保證，且價格高。

（3）導(dǎo)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(jiān)測[3]裝置一直不能夠穩(wěn)定運行，解決采樣泵的正常采樣問題是保證系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵所在。

4? 研發(fā)目的、技術(shù)路線

4.1研發(fā)目的

為采樣泵承載裝置研發(fā)，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(nèi)，設(shè)計采樣泵定時控制裝置，實現(xiàn)源水水質(zhì)定時監(jiān)測。

4.2技術(shù)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(nèi)，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(chǎn)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(jìn)入，小孔有過濾作用，可防止大顆粒的雜質(zhì)進(jìn)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(shè)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(shù)據(jù)傳輸至PLC柜——進(jìn)行后臺機數(shù)據(jù)分析——指導(dǎo)生產(chǎn)混凝劑投加。

（3）黃河源水自動采樣監(jiān)測裝置的創(chuàng)新

通過自己設(shè)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(zhì)堵塞采樣泵進(jìn)水口導(dǎo)致無法取樣實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測，導(dǎo)致混凝劑投加量確定滯后的實際生產(chǎn)問題。采樣泵承載裝置研發(fā)制作、定時電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。

（4）采樣泵承載器的制作方法

準(zhǔn)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(nèi)，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(chǎn)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(jìn)入，小孔有過濾作用，可防止大顆粒的雜質(zhì)進(jìn)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(jiān)測[4]采用定時采樣的辦法，采樣泵需要實現(xiàn)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(jiān)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(nèi)的水樣檢測，可利用現(xiàn)有車間放置計算機及相關(guān)配電設(shè)備，維護便利，運行可靠準(zhǔn)時。

（6）一種便攜式定時控制裝置的研發(fā)

為解決偏遠(yuǎn)地帶采樣實現(xiàn)定時控制的目的，研發(fā)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(xiàn)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(jiān)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(nèi)所有環(huán)境安裝，造價低維護量小，尤其適用于山村，無網(wǎng)絡(luò)有配電的區(qū)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(xù)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(jù)生產(chǎn)需要靈活設(shè)定。

5.濁度儀選型

根據(jù)被監(jiān)測水體的水質(zhì)變化情況，濁度儀的正確選型[5]也同樣關(guān)系到整套裝置的運行平穩(wěn)，濁度儀的選擇是首先應(yīng)當(dāng)考慮量程，依據(jù)被監(jiān)測水體連續(xù)3—5年的濁度監(jiān)測數(shù)值，最大量程選擇時最好以水源監(jiān)測數(shù)值中的最大數(shù)值為參考依據(jù)[6]，為減少測量誤差，儀器最大量程應(yīng)高于水體濁度區(qū)間的20%。河流水源水體監(jiān)測雜質(zhì)較多，透光式濁度儀，需將水體引進(jìn)濁度儀內(nèi)，水體經(jīng)過儀器內(nèi)的去泡裝置，容易發(fā)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(zhì)較好的地下水[7]、出廠水監(jiān)測，河流源水建議采用散射光監(jiān)測原理的濁度儀，水樣按照設(shè)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(fā)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(xué)元件從不接觸水——不需要經(jīng)常清洗探頭等維護工作設(shè)備，維護量小，目前可選的產(chǎn)品測量范圍能達(dá)到最高9999NTU，準(zhǔn) 確 度：在0～2000NTU 時，讀數(shù)的±5%;在2000～9999NTU 時，讀數(shù)的±10%，使用方便維護量小，量程基本含蓋大部分水源水質(zhì)要求。

6.結(jié)論

水廠源水濁度實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，對水廠的安全運行有很重要的指導(dǎo)意義，正常情況下可以指導(dǎo)混凝劑的精準(zhǔn)投加，避免藥劑的浪費，特殊水情下，先知先覺能夠給后續(xù)工藝充分的準(zhǔn)備時間，應(yīng)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(yīng)如黃河等河流水樣其他數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測，穩(wěn)定的采樣裝置保證了數(shù)據(jù)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(yè)水平過高的網(wǎng)絡(luò)工程師實施，普通電工就可以完成，在偏遠(yuǎn)山區(qū)無網(wǎng)絡(luò)的水源監(jiān)測中可以推廣使用，具有較高的實用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊四海，高坤. 水資源取用水監(jiān)測系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J]. 現(xiàn)代鹽化工，2021，48（01）：80-81.

[2] 周偉，唐川，周春花.汶川震區(qū)暴雨泥石流激發(fā)雨量特征[J].水科學(xué)進(jìn)展，2012，23（5）：650-655.

[3]董敬濤， 水環(huán)境在線監(jiān)測技術(shù)及儀器. 安徽省，合肥利弗莫爾儀器科技有限公司，2018-07-27.

[4]章玨.自來水水質(zhì)檢測的意義及檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[J].居舍，2019（02）：159.

[5]朱萬浩，章盼梅.在線檢測儀表安裝與調(diào)試的幾點思考[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2018（01）：22-25.

[6]張四龍，許清傳，湯志明.高精度在線濁度儀在飲用水行業(yè)的技術(shù)發(fā)展[J].凈水技術(shù)，2019，38（S1）：21-24.

[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(shè)計[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2020，43（05）：108-113+121.

[8]翟竟余，代鑫，楊麗仙. 河流水環(huán)境健康風(fēng)險監(jiān)測與評價系統(tǒng)設(shè)計[J]. 皮革制作與環(huán)保科技，2020，1（15）：70-75.

作者：1. 趙 凌? 女? 漢族 大學(xué)本科學(xué)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(diào)度中心

2. 謝江峽 男 漢族? 大學(xué)本科學(xué)歷 高級工程師? 1980年10月出生于甘肅省莊浪縣

工作單位：蘭州供水（集團）有限公司第一水廠

3. 王立哲 男 漢族? 研究生學(xué)歷? 高級工程師? 1971年7月出生于甘肅皋蘭縣

工作單位：蘭州供水（集團）有限公司第一水廠

4.姜爾建? 男? 漢族? 大專學(xué)歷? ?1973年3月出生于甘肅省蘭州市

工作單位：蘭州供水（集團）有限公司第一水廠