地表水自动监测系统抗浊度预处理技术探析

刘博文，杨仪方

(北京雪迪龙科技股份有限公司，北京 102206)

引 言

随着生态环境理念被愈发重视，新时代下，国家对生态环境管理和治理提出了更加严格的要求，在2035年远景目标中要求推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，要持续改善环境质量[1]。目前，在水环境质量改善方面，我国落实“监测先行”的理念，逐步加强了对水环境的预警监测能力建设和水质自动监测技术的推行，使得地表水环境质量监测网络不断扩大，监测点位不断加密，水质在线自动监测系统成为了地表水环境质量监测网络的重要组成部分[1-2]。

水质自动监测系统的预处理单元是样品处理的主要环节，其处理方式影响水样稳定性和代表性，进而会影响监测数据的准确性，因此预处理单元的处理方式在水质自动监测系统中非常关键[3-4]。目前，大部分自动监测系统的预处理没有实现手工监测预处理技术的自动化，只是简单地沉淀30分钟，利用抗浊度普遍在300 NTU以下的自动监测分析仪分析汛期、感潮断面、多泥沙河流等高浊度水体时，总磷及其它参数的量值传递很难保证与手工监测一致[5-6]。因此，要保证对高浊度水体监测数据的准确性，对自动监测系统的抗浊度预处理技术开展研究和分析非常必要。本文选取了黄河流域高浊度水样从增加等效孔径精密过滤和延长沉淀时间两方面进行抗浊度预处理技术探析，对探究所得到的一套预处理技术应用到水站进行水样分析，为多泥沙河流水质自动监测站建设提供了技术支撑，为研究具有代表性的、关键性的技术问题积累了经验，对于其它高浊度水站实现抗浊度监测具有重要参考意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 样品来源

样品采集及分析时段为2020.12～2021.04，按照《水质自动站手工监测参比方法(高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮)》(试行)相关规定在山西省L0水站采水口采集水样。

1.1.2 分析仪器及仪表

浊度采用便携式浊度仪(上海雷磁-WZB-175)测量。30 μm、20 μm、10 μm、5 μm、2 μm过滤器分别采用500目不锈管网、800目不锈管网、1600目不锈管网、5 μm钛镍合金滤芯、2 μm PTFE烧结滤芯。

自动监测系统采用雪迪龙WQMS-900地表水自动监测系统，在线监测仪表为：MODEL 9811型高锰酸盐指数水质在线自动监测仪、MODEL 9820型氨氮水质在线自动监测仪、MODEL 9840型总磷水质在线自动监测仪、MODEL 9850型总氮水质在线自动监测仪。

1.2 实验方法

1.2.1 过滤实验

采集水样的浊度在800 NTU以上，静置10min，去除大颗粒泥沙后，保证采样杯上层1/3水样在500 NTU以上，用微型增压泵取上1/3的水样，测量并记录浊度值，然后将水样通过不同孔径的过滤器，记录处理后的浊度值。

1.2.2 沉淀实验

沉淀实验从沉淀时间、取水深度、整体水样高度三方面进行实验，探究对浊度去除的影响。取样要求如1.2.1，微型增压泵取水样后测量并记录浊度值作为原水浊度值。沉淀时间设计为20 min、30 min、40 min，取样深度设计为3 cm、5 cm、7.5 cm，整体水样高度设计为8 cm和16 cm两组。

1.2.3 沉淀+过滤组合实验

组合实验取样要求如1.2.1，微型增压泵取上层三分之一的水样同时导入4个2.0 L烧杯作为原水样Ⅰ～Ⅳ，原水样Ⅰ～Ⅳ经沉淀0 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min时，分别取水深3 cm、5 cm水样后快速进行无过滤、20 μm过滤器过滤、10 μm过滤器过滤、2 μm滤芯过滤，对过滤后的水样测量并记录浊度值。

1.2.4 水力流畅性测试

水力流畅性测试主要测试拟采用的预处理系列精细化组合能否满足连续4h流畅通水(4h工作时间在实际自动监测系统中满足工作一周以上)，水流流速不发生明显的减小。测试实验取样要求如1.2.1，各测试组将上层三分之一的水样转入另一水样杯，增加搅拌，保证连续4h测试，所取水样浊度不变。

1.2.5 预处理集成装置安装及实际水样比对实验

将筛选出的预处理方案做成预处理集成装置安装到L0水站预处理单元中，预处理后进行四参数测试。实际水样比对的样品按照手工采样要求进行预处理，冷藏避光保存，送实验室在样品保存有效期内完成分析。

1.2.6 质量控制方法

本次研究过程中，实验室手工测定遵照《水质自动站手工监测参比方法(高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮)》(试行)，自动监测系统分析仪表测定遵照《地表水水质自动监测站运行维护技术规范(试行)》进行。实验室质控措施中校准曲线、实验室空白、精密度控制、准确度控制等均满足相关要求；自动监测系统分析仪表选取合适量程进行校准，质控措施中标样核查、日质控、加标回收测试均在标准要求范围内。

2 结果与讨论

2.1 过滤器孔径的影响与选择

取样后，水样分别通过30 μm、20 μm、10 μm、2 μm过滤器过滤后，分别测量并记录浊度值，结果见表1。

表1 过滤实验结果Tab.1 The results of filtration experiments (NTU)

可以发现，浊度随过滤孔径减小而降低，过滤器孔径在20 μm以下时，过滤效果显著，同时实验中发现10 μm过滤器过滤速度较慢，2 μm过滤器过滤需要加压，这主要是未经沉淀，进水浊度太高所致。因此，将进一步结合沉淀时间重点关注20 μm及以下孔径过滤器的降浊效果。

2.2 取样深度和水样高度的影响

取样深度和沉淀时间对浊度去除的影响如图1(a)所示，随着沉淀时间延长，水样浊度显著降低，沉淀前40 min，水样浊度降低的速率较大。三种不同取样深度的数据比较可以发现，同一沉淀时长，取样深度越深，浊度越高，这启发在自动监测系统中，保证取样足量的情况下可以通过降低取样深度来去除浊度影响。整体水样高度对浊度去除的影响如图1(b)所示，可以发现两种水样高度随沉淀时间延长，水样浊度显著降低，降低的速率基本一致，经过相同的沉淀时间，同一取样深度的水样浊度基本相等，没有明显的高低差异，这说明在自动监测系统中，预处理单元设置的沉淀箱高度对浊度去除几乎没有影响。

图1 浊度去除与沉淀时间关系图Fig.1 Relationship between turbidity removal and precipitation time

2.3 沉淀+过滤组合实验

不同沉淀+过滤组合方案随沉淀时间对浊度去除效果如图2所示。沉淀时间在0～20 min之内时，在3 cm和5 cm深度取样，沉淀叠加20 μm或10 μm的预处理组合相比直接沉淀对于浊度降低有明显效果。沉淀时间超过20 min时，沉淀叠加20 μm或10 μm的预处理组合相比直接沉淀对于浊度去除效果稍弱，这可能是因为前一次过滤后残留在过滤器内的浊度被带入引起的一点偏差。沉淀叠加2 μm的预处理组合在沉淀过程中，对浊度去除效果显著好于其它3种，尤其是沉淀时间在20 min之内时，浊度降低明显，如果沉淀时间达到60 min，四种预处理方式去除浊度效果趋于相同。通过四种预处理方式对比分析可以得出，L0水站代表的水样沉淀30 min，再经过10 μm及以上孔径的过滤器过滤，浊度降低的效果和单一沉淀方式接近，只有叠加2 μm的过滤器才能达到明显的降低浊度效果。从图2中还可以发现，沉淀30 min+2 μm滤芯降浊达不到300 NTU以下，因此对于过高浊度的水样，沉淀和过滤还需要考虑采用两级处理的方式，即采用Ⅰ级沉淀+Ⅰ级过滤+Ⅱ级过滤+Ⅱ级沉淀这种精细化方案，Ⅰ级沉淀+Ⅱ级沉淀的总时长控制在30 min，Ⅰ级过滤和Ⅱ级过滤孔径采用5 μm或2 μm为佳。

图2 沉淀+过滤不同组合方案对浊度去除影响Fig.2 The effects of turbidity removal of different combinations of precipitation and filtration

2.4 水力流畅性测试

通过2.3节沉淀+过滤组合方案的分析讨论得出，满足30 min沉淀情况下，10 μm以下孔径的过滤器可以有效去除浊度，但对高于500 NTU的水样直接过滤，则过滤速度缓慢或者需要增加压力。为了使沉淀+过滤组合预处理方案更稳定地适用于自动监测系统，则需要对沉淀+过滤预处理方式做精细化组合探索和水力流畅性测试。“沉淀30 min+过滤(5 μm /2 μm滤芯)”预处理方案水力流畅性测试结果如表2所示。

表2 沉淀+过滤(5 μm /2 μm滤芯)预处理方案水力流畅性测试结果Tab.2 Precipitation + filtration (5 μm/2 μm) pretreatment scheme hydraulic fluency test results

5个测试组的5种不同的沉淀30 min+过滤(5 μm/2 μm滤芯)预处理方案的浊度去除均能达到300 NTU以下，水力流畅性测试均能达到4h，水流流速无变化。其中第5组原水浊度最高，预处理后的浊度最低，表明这种组合方案去除浊度效果最佳。

2.5 实际水样比对实验

将“沉淀10 min+过滤(Ⅰ级5 μm滤芯+Ⅱ级2 μm滤芯)+沉淀20 min”的预处理方案应用到L0水站中，预处理后进行四参数测试并同时采样送实验室进行实际水样比对，结果如表3所示。

表3 L0水站预处理技术应用后实际水样比对测试结果Tab.3 Comparison test results of actual water samples in L0 water station after the application of pretreatment technology

按照《地表水水质自动监测站运行维护技术规范(试行)》要求，L0水站预处理技术应用后实际水样比对测试结果均满足标准要求，结果合格，实际水样比对最大相对误差为总磷指标，误差为-15.2%。氨氮参数仪器测量值由于在仪器检出限(0.020 mg/L)以下，且该站点氨氮历史数据长期处于I类[7]，按照技术要求不进行实际水样比对测试。实际水样比对测试结果说明，L0水站应用该套预处理装置后，自动监测系统可以抵抗一定高浊度水样测试，保证对高浊度水体监测数据的准确性。

3 结 论

通过对L0水站高浊度水样进行过滤、沉淀、沉淀+过滤组合等预处理方式进行降浊研究，主要结论有：

3.1 黄河流域L0水站水样在满足30 min沉淀情况下，5 μm和2 μm孔径的过滤器可以显著降低浊度。

3.2 “沉淀30 min+过滤(5 μm/2 μm滤芯)”其系列精细化组合方案的水力流畅性测试可以达到连续4h以上的工作时间。

3.3 “沉淀10 min+过滤(Ⅰ级5 μm滤芯+Ⅱ级2 μm滤芯)+沉淀20 min”精细化方案应用于L0水站，实际水样比对结果达到合格，该技术可以保证黄河流域部分高浊度水体监测数据的准确性。

3.4 “沉淀30 min+过滤(5 μm/2 μm滤芯)”预处理技术对于其它高浊度水体进行抗浊度预处理研究，提高其自动监测数据的准确性提供了有力技术支撑。