劉博文，楊儀方

(北京雪迪龍科技股份有限公司，北京 102206)

引 言

隨著生態(tài)環(huán)境理念被愈發(fā)重視，新時代下，國家對生態(tài)環(huán)境管理和治理提出了更加嚴(yán)格的要求，在2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中要求推動綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生，要持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量[1]。目前，在水環(huán)境質(zhì)量改善方面，我國落實(shí)“監(jiān)測先行”的理念，逐步加強(qiáng)了對水環(huán)境的預(yù)警監(jiān)測能力建設(shè)和水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)的推行，使得地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，監(jiān)測點(diǎn)位不斷加密，水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)成為了地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[1-2]。

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)處理單元是樣品處理的主要環(huán)節(jié)，其處理方式影響水樣穩(wěn)定性和代表性，進(jìn)而會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此預(yù)處理單元的處理方式在水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)中非常關(guān)鍵[3-4]。目前，大部分自動監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)處理沒有實(shí)現(xiàn)手工監(jiān)測預(yù)處理技術(shù)的自動化，只是簡單地沉淀30分鐘，利用抗?jié)岫绕毡樵?00 NTU以下的自動監(jiān)測分析儀分析汛期、感潮斷面、多泥沙河流等高濁度水體時，總磷及其它參數(shù)的量值傳遞很難保證與手工監(jiān)測一致[5-6]。因此，要保證對高濁度水體監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對自動監(jiān)測系統(tǒng)的抗?jié)岫阮A(yù)處理技術(shù)開展研究和分析非常必要。本文選取了黃河流域高濁度水樣從增加等效孔徑精密過濾和延長沉淀時間兩方面進(jìn)行抗?jié)岫阮A(yù)處理技術(shù)探析，對探究所得到的一套預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用到水站進(jìn)行水樣分析，為多泥沙河流水質(zhì)自動監(jiān)測站建設(shè)提供了技術(shù)支撐，為研究具有代表性的、關(guān)鍵性的技術(shù)問題積累了經(jīng)驗(yàn)，對于其它高濁度水站實(shí)現(xiàn)抗?jié)岫缺O(jiān)測具有重要參考意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 樣品來源

樣品采集及分析時段為2020.12～2021.04，按照《水質(zhì)自動站手工監(jiān)測參比方法(高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮)》(試行)相關(guān)規(guī)定在山西省L0水站采水口采集水樣。

1.1.2 分析儀器及儀表

濁度采用便攜式濁度儀(上海雷磁-WZB-175)測量。30 μm、20 μm、10 μm、5 μm、2 μm過濾器分別采用500目不銹管網(wǎng)、800目不銹管網(wǎng)、1600目不銹管網(wǎng)、5 μm鈦鎳合金濾芯、2 μm PTFE燒結(jié)濾芯。

自動監(jiān)測系統(tǒng)采用雪迪龍WQMS-900地表水自動監(jiān)測系統(tǒng)，在線監(jiān)測儀表為：MODEL 9811型高錳酸鹽指數(shù)水質(zhì)在線自動監(jiān)測儀、MODEL 9820型氨氮水質(zhì)在線自動監(jiān)測儀、MODEL 9840型總磷水質(zhì)在線自動監(jiān)測儀、MODEL 9850型總氮水質(zhì)在線自動監(jiān)測儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 過濾實(shí)驗(yàn)

采集水樣的濁度在800 NTU以上，靜置10min，去除大顆粒泥沙后，保證采樣杯上層1/3水樣在500 NTU以上，用微型增壓泵取上1/3的水樣，測量并記錄濁度值，然后將水樣通過不同孔徑的過濾器，記錄處理后的濁度值。

1.2.2 沉淀實(shí)驗(yàn)

沉淀實(shí)驗(yàn)從沉淀時間、取水深度、整體水樣高度三方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究對濁度去除的影響。取樣要求如1.2.1，微型增壓泵取水樣后測量并記錄濁度值作為原水濁度值。沉淀時間設(shè)計為20 min、30 min、40 min，取樣深度設(shè)計為3 cm、5 cm、7.5 cm，整體水樣高度設(shè)計為8 cm和16 cm兩組。

1.2.3 沉淀+過濾組合實(shí)驗(yàn)

組合實(shí)驗(yàn)取樣要求如1.2.1，微型增壓泵取上層三分之一的水樣同時導(dǎo)入4個2.0 L燒杯作為原水樣Ⅰ～Ⅳ，原水樣Ⅰ～Ⅳ經(jīng)沉淀0 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min時，分別取水深3 cm、5 cm水樣后快速進(jìn)行無過濾、20 μm過濾器過濾、10 μm過濾器過濾、2 μm濾芯過濾，對過濾后的水樣測量并記錄濁度值。

1.2.4 水力流暢性測試

水力流暢性測試主要測試擬采用的預(yù)處理系列精細(xì)化組合能否滿足連續(xù)4h流暢通水(4h工作時間在實(shí)際自動監(jiān)測系統(tǒng)中滿足工作一周以上)，水流流速不發(fā)生明顯的減小。測試實(shí)驗(yàn)取樣要求如1.2.1，各測試組將上層三分之一的水樣轉(zhuǎn)入另一水樣杯，增加攪拌，保證連續(xù)4h測試，所取水樣濁度不變。

1.2.5 預(yù)處理集成裝置安裝及實(shí)際水樣比對實(shí)驗(yàn)

將篩選出的預(yù)處理方案做成預(yù)處理集成裝置安裝到L0水站預(yù)處理單元中，預(yù)處理后進(jìn)行四參數(shù)測試。實(shí)際水樣比對的樣品按照手工采樣要求進(jìn)行預(yù)處理，冷藏避光保存，送實(shí)驗(yàn)室在樣品保存有效期內(nèi)完成分析。

1.2.6 質(zhì)量控制方法

本次研究過程中，實(shí)驗(yàn)室手工測定遵照《水質(zhì)自動站手工監(jiān)測參比方法(高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮)》(試行)，自動監(jiān)測系統(tǒng)分析儀表測定遵照《地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范(試行)》進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控措施中校準(zhǔn)曲線、實(shí)驗(yàn)室空白、精密度控制、準(zhǔn)確度控制等均滿足相關(guān)要求；自動監(jiān)測系統(tǒng)分析儀表選取合適量程進(jìn)行校準(zhǔn)，質(zhì)控措施中標(biāo)樣核查、日質(zhì)控、加標(biāo)回收測試均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 過濾器孔徑的影響與選擇

取樣后，水樣分別通過30 μm、20 μm、10 μm、2 μm過濾器過濾后，分別測量并記錄濁度值，結(jié)果見表1。

表1 過濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The results of filtration experiments (NTU)

可以發(fā)現(xiàn)，濁度隨過濾孔徑減小而降低，過濾器孔徑在20 μm以下時，過濾效果顯著，同時實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)10 μm過濾器過濾速度較慢，2 μm過濾器過濾需要加壓，這主要是未經(jīng)沉淀，進(jìn)水濁度太高所致。因此，將進(jìn)一步結(jié)合沉淀時間重點(diǎn)關(guān)注20 μm及以下孔徑過濾器的降濁效果。

2.2 取樣深度和水樣高度的影響

取樣深度和沉淀時間對濁度去除的影響如圖1(a)所示，隨著沉淀時間延長，水樣濁度顯著降低，沉淀前40 min，水樣濁度降低的速率較大。三種不同取樣深度的數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，同一沉淀時長，取樣深度越深，濁度越高，這啟發(fā)在自動監(jiān)測系統(tǒng)中，保證取樣足量的情況下可以通過降低取樣深度來去除濁度影響。整體水樣高度對濁度去除的影響如圖1(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)兩種水樣高度隨沉淀時間延長，水樣濁度顯著降低，降低的速率基本一致，經(jīng)過相同的沉淀時間，同一取樣深度的水樣濁度基本相等，沒有明顯的高低差異，這說明在自動監(jiān)測系統(tǒng)中，預(yù)處理單元設(shè)置的沉淀箱高度對濁度去除幾乎沒有影響。

圖1 濁度去除與沉淀時間關(guān)系圖Fig.1 Relationship between turbidity removal and precipitation time

2.3 沉淀+過濾組合實(shí)驗(yàn)

不同沉淀+過濾組合方案隨沉淀時間對濁度去除效果如圖2所示。沉淀時間在0～20 min之內(nèi)時，在3 cm和5 cm深度取樣，沉淀疊加20 μm或10 μm的預(yù)處理組合相比直接沉淀對于濁度降低有明顯效果。沉淀時間超過20 min時，沉淀疊加20 μm或10 μm的預(yù)處理組合相比直接沉淀對于濁度去除效果稍弱，這可能是因?yàn)榍耙淮芜^濾后殘留在過濾器內(nèi)的濁度被帶入引起的一點(diǎn)偏差。沉淀疊加2 μm的預(yù)處理組合在沉淀過程中，對濁度去除效果顯著好于其它3種，尤其是沉淀時間在20 min之內(nèi)時，濁度降低明顯，如果沉淀時間達(dá)到60 min，四種預(yù)處理方式去除濁度效果趨于相同。通過四種預(yù)處理方式對比分析可以得出，L0水站代表的水樣沉淀30 min，再經(jīng)過10 μm及以上孔徑的過濾器過濾，濁度降低的效果和單一沉淀方式接近，只有疊加2 μm的過濾器才能達(dá)到明顯的降低濁度效果。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，沉淀30 min+2 μm濾芯降濁達(dá)不到300 NTU以下，因此對于過高濁度的水樣，沉淀和過濾還需要考慮采用兩級處理的方式，即采用Ⅰ級沉淀+Ⅰ級過濾+Ⅱ級過濾+Ⅱ級沉淀這種精細(xì)化方案，Ⅰ級沉淀+Ⅱ級沉淀的總時長控制在30 min，Ⅰ級過濾和Ⅱ級過濾孔徑采用5 μm或2 μm為佳。

圖2 沉淀+過濾不同組合方案對濁度去除影響Fig.2 The effects of turbidity removal of different combinations of precipitation and filtration

2.4 水力流暢性測試

通過2.3節(jié)沉淀+過濾組合方案的分析討論得出，滿足30 min沉淀情況下，10 μm以下孔徑的過濾器可以有效去除濁度，但對高于500 NTU的水樣直接過濾，則過濾速度緩慢或者需要增加壓力。為了使沉淀+過濾組合預(yù)處理方案更穩(wěn)定地適用于自動監(jiān)測系統(tǒng)，則需要對沉淀+過濾預(yù)處理方式做精細(xì)化組合探索和水力流暢性測試?！俺恋?0 min+過濾(5 μm /2 μm濾芯)”預(yù)處理方案水力流暢性測試結(jié)果如表2所示。

表2 沉淀+過濾(5 μm /2 μm濾芯)預(yù)處理方案水力流暢性測試結(jié)果Tab.2 Precipitation + filtration (5 μm/2 μm) pretreatment scheme hydraulic fluency test results

5個測試組的5種不同的沉淀30 min+過濾(5 μm/2 μm濾芯)預(yù)處理方案的濁度去除均能達(dá)到300 NTU以下，水力流暢性測試均能達(dá)到4h，水流流速無變化。其中第5組原水濁度最高，預(yù)處理后的濁度最低，表明這種組合方案去除濁度效果最佳。

2.5 實(shí)際水樣比對實(shí)驗(yàn)

將“沉淀10 min+過濾(Ⅰ級5 μm濾芯+Ⅱ級2 μm濾芯)+沉淀20 min”的預(yù)處理方案應(yīng)用到L0水站中，預(yù)處理后進(jìn)行四參數(shù)測試并同時采樣送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際水樣比對，結(jié)果如表3所示。

表3 L0水站預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用后實(shí)際水樣比對測試結(jié)果Tab.3 Comparison test results of actual water samples in L0 water station after the application of pretreatment technology

按照《地表水水質(zhì)自動監(jiān)測站運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范(試行)》要求，L0水站預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用后實(shí)際水樣比對測試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果合格，實(shí)際水樣比對最大相對誤差為總磷指標(biāo)，誤差為-15.2%。氨氮參數(shù)儀器測量值由于在儀器檢出限(0.020 mg/L)以下，且該站點(diǎn)氨氮?dú)v史數(shù)據(jù)長期處于I類[7]，按照技術(shù)要求不進(jìn)行實(shí)際水樣比對測試。實(shí)際水樣比對測試結(jié)果說明，L0水站應(yīng)用該套預(yù)處理裝置后，自動監(jiān)測系統(tǒng)可以抵抗一定高濁度水樣測試，保證對高濁度水體監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

通過對L0水站高濁度水樣進(jìn)行過濾、沉淀、沉淀+過濾組合等預(yù)處理方式進(jìn)行降濁研究，主要結(jié)論有：

3.1 黃河流域L0水站水樣在滿足30 min沉淀情況下，5 μm和2 μm孔徑的過濾器可以顯著降低濁度。

3.2 “沉淀30 min+過濾(5 μm/2 μm濾芯)”其系列精細(xì)化組合方案的水力流暢性測試可以達(dá)到連續(xù)4h以上的工作時間。

3.3 “沉淀10 min+過濾(Ⅰ級5 μm濾芯+Ⅱ級2 μm濾芯)+沉淀20 min”精細(xì)化方案應(yīng)用于L0水站，實(shí)際水樣比對結(jié)果達(dá)到合格，該技術(shù)可以保證黃河流域部分高濁度水體監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.4 “沉淀30 min+過濾(5 μm/2 μm濾芯)”預(yù)處理技術(shù)對于其它高濁度水體進(jìn)行抗?jié)岫阮A(yù)處理研究，提高其自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了有力技術(shù)支撐。