1、顆粒物計(jì)數(shù)儀在給水處理工藝中的應(yīng)用北京市自來水集團(tuán)公司第九水廠 崔紅梅 張素霞 陳克誠 周大農(nóng)北京格維恩科技有限公司 陳勇生1. 概述本文著重介紹顆粒物計(jì)數(shù)儀首次在北京水司第九水廠水處理工藝中的應(yīng)用，其中包括沉淀池效果的監(jiān)控、混凝劑用量的優(yōu)化、濾池操作和維護(hù)的優(yōu)化、濾池過濾效率的評(píng)估、定量檢測(cè)出水中顆粒物的數(shù)目，為控制有害病原體提供更多的信息等。該顆粒物計(jì)數(shù)儀的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用成果為第九水廠工藝調(diào)整提供了科學(xué)的依據(jù)，獲得了很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。2. 設(shè)備及測(cè)試原理2. 1 設(shè)備的主要參數(shù)及安裝、運(yùn)行要求通過廣泛調(diào)研后，選取了國際上廣泛使用的美國IBR公司生產(chǎn)的激光在線顆粒物計(jì)數(shù)儀。其采用高分辨率的

2、激光二極管作為檢測(cè)器，量程可達(dá)18,000個(gè)/毫升，儀器內(nèi)部供電電壓為1214VDC，測(cè)量范圍為2400微米，輸入信號(hào)為240mA模擬信號(hào)，輸出信號(hào)為RS232通信協(xié)議、RS485通信協(xié)議或240mA模擬信號(hào)，可同時(shí)測(cè)定出8個(gè)粒度范圍的顆粒物分布。 在安裝粒度儀堰管系統(tǒng)時(shí)，要保證水管不發(fā)生扭結(jié)及從亂。任何大于2psi的水線壓力都會(huì)使堰管將水分流通過堰管頂部溢漏，這種溢漏是必要的，這樣可以保證穩(wěn)定的水流，但應(yīng)防止堰管過多溢水。運(yùn)行過程中，粒度儀機(jī)體內(nèi)的干燥劑需要進(jìn)行定期的再生以恢復(fù)其去濕性能，當(dāng)機(jī)體內(nèi)的相對(duì)濕度達(dá)到30時(shí)，干燥劑就需要進(jìn)行再生了。由于被測(cè)水質(zhì)不純凈的原因，濾杯需要根據(jù)水質(zhì)的情況進(jìn)

3、行定期的檢查及清洗。2. 2 測(cè)試原理顆粒物計(jì)數(shù)儀使用精確的激光二極管光源，形成一束非常狹小又非常明亮的激光，其與被檢測(cè)的液體流向垂直。入射光束由于被液體中的粒子阻擋而減弱。這種瞬時(shí)的光強(qiáng)變化引起光電二極管接收電壓信號(hào)的變化，該變化與粒子通過光束時(shí)的截面積成正比。每一個(gè)粒子通過光束時(shí)引起一個(gè)電壓脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的多少反映了粒子的數(shù)量。不同粒徑的顆粒物數(shù)目由不同的測(cè)量頻道獲得。與在線濁度儀不同，在線顆粒物計(jì)數(shù)儀具有無滯后性和高精確性，其測(cè)定結(jié)果直接反映了工藝出水中顆粒物的物理參數(shù)，即顆粒物的總量（個(gè)/毫升）和粒徑分布，而在線濁度儀的測(cè)試原理決定了它所測(cè)試的水樣是滯后于工藝出水的，且濁度值主要能

4、反映小于1m的顆粒含量，對(duì)于大于1m的顆粒檢測(cè)精度顯著下降。3. 應(yīng)用與討論3. 1 沉淀池效果的監(jiān)控被測(cè)試水廠采用側(cè)向流大波形斜板沉淀池。在運(yùn)行過程中，其沉淀效果波動(dòng)較大，由此加重了后續(xù)工藝過程中濾池的負(fù)擔(dān)，濾池過濾周期縮短。同時(shí)，還使濾池反洗頻率和反洗用水量均大大增加。為了找出產(chǎn)生該結(jié)果的原因，我們?cè)诔恋沓氐纳喜砍鏊拖虏砍鏊靼惭b了一臺(tái)在線顆粒物計(jì)數(shù)儀。其安裝示意圖如圖 1。沉淀池計(jì)數(shù)儀顆粒物計(jì)數(shù)儀計(jì)數(shù)儀顆粒物進(jìn)水上部下部圖 1 顆粒物計(jì)數(shù)儀測(cè)定沉淀池效果示意圖根據(jù)圖 1的設(shè)計(jì)，對(duì)沉淀池測(cè)試的結(jié)果見圖 2。比較圖中不同水樣的粒度分布可以看出：顆粒物的粒度在不同粒徑上的分布是沉淀池上部出水

5、明顯高于沉淀池下部出水。但是，同期燒杯實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（加入10mg/L混凝劑）沒有發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象。這說明沉淀池中絮體的沉淀效果不佳或斜板間被污泥堵塞。通過加強(qiáng)沉淀池清洗，其出水有了明顯改善。3. 2 混凝劑投加量對(duì)過濾效果的影響大量的實(shí)驗(yàn)研究表明：混凝劑投加量不足和過量，都會(huì)使濾池出水中顆粒物濃度增加。因此，選擇優(yōu)化混凝劑的投加量對(duì)于保證水質(zhì)，減少浪費(fèi)具有重要意義。為研究混凝劑用量對(duì)煤濾池過濾效果的影響，我們?cè)诘诰潘畯S三期煤濾池出水取樣口安裝了一臺(tái)在線顆粒物計(jì)數(shù)儀，并用該粒度儀在線檢測(cè)不同混凝劑投加量時(shí)煤濾池出水中不同粒徑范圍的顆粒物的量（采集數(shù)據(jù)可通過與在線顆粒物計(jì)數(shù)儀配套的微型打印機(jī)輸出），其檢

6、測(cè)結(jié)果見圖 3。從圖3可以看出，增加混凝劑的量可有效地改善出水中顆粒物的量，當(dāng)混凝劑的量增加到30mg/L時(shí)，煤池出水的顆粒物的量可減少到50個(gè)/毫升，其濁度為0.1NTU。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加混凝劑的投加量至40mg/L時(shí)，煤池出水濁度沒有變化，而顆粒物有進(jìn)一步降低，但降低幅度并不大。從水處理成本考慮，凈水工藝中混凝劑的投加量選擇為30mg/L較為合適。這一結(jié)果與當(dāng)時(shí)的燒杯實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。但與燒杯實(shí)驗(yàn)相比，在線粒度儀檢測(cè)具有不可替代的優(yōu)越性，它可實(shí)時(shí)、連續(xù)反映工藝出水水質(zhì)的變化，水廠工藝管理人員可根據(jù)這種變化及時(shí)調(diào)整加藥率。另外，從水中病原體的控制上考慮，當(dāng)出水中大于2m顆粒物的量低于50

7、個(gè)/毫升時(shí)，病原體帶來的風(fēng)險(xiǎn)較低，特別是降低了對(duì)氯消毒具有抗藥性的賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲給飲水帶來的風(fēng)險(xiǎn)。美國、加拿大及歐洲國家通常將其水廠濾池出水中大于2m的顆粒物的量控制在低于50個(gè)/毫升（在此時(shí)，若過濾效率為2，濾池進(jìn)水顆粒物的量為5000個(gè)/毫升左右，此時(shí)的濁度約為2NTU）。在美國地表水廠的出廠水中大于2m的顆粒物的年平均值為30個(gè)/毫升。同時(shí)，我們對(duì)煤池進(jìn)水和出水也做了GC/MS（色譜質(zhì)譜）分析，其結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，出水中有機(jī)物的量明顯減少，因此，優(yōu)化混凝劑用量對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的改善是相當(dāng)明顯的。圖 4 原水和加氯工藝出水的GC/MS分析圖需要強(qiáng)調(diào)的是，上述對(duì)混凝劑加入量的改變幅

8、度較大（幅度為10mg/L）,若對(duì)其進(jìn)行微量調(diào)節(jié)時(shí)，過濾出水中顆粒物濃度的變化也會(huì)相應(yīng)變小，這種情況下，按濁度儀的測(cè)試精度，是很難反映出這種變化的。顆粒物計(jì)數(shù)儀可彌補(bǔ)這一缺陷，準(zhǔn)確測(cè)量出顆粒物的濃度，為精確優(yōu)化混凝劑的加入量提供可靠的技術(shù)保證。 3. 3 評(píng)估濾池過濾效率濾池是用來攔截顆粒物的，是水凈化工藝中不可缺少的環(huán)節(jié)，其對(duì)顆粒攔截效率的高低直接影響著出水的水質(zhì)。濾池?cái)r截顆粒物的能力可用過濾效率來表示，其通常是用對(duì)數(shù)去除率來表達(dá)的。即：過濾效率= Log10 (進(jìn)水中顆粒物總量/出水中顆粒物總量)=Log10(P進(jìn)/P出)若要將其改為易理解的濾池?cái)r截顆粒物的百分率，可進(jìn)行如下變換：當(dāng)過濾效

9、率為1時(shí)，即：Log10(P進(jìn)/P出)=1P進(jìn)=10 P出此時(shí)濾池?cái)r截顆粒物的百分率= (P進(jìn)- P出)/ P進(jìn)×100 %=90%，依次類推：當(dāng)過濾效率為2時(shí)，濾池?cái)r截顆粒物的百分率為：99%當(dāng)過濾效率為3時(shí)，濾池?cái)r截顆粒物的百分率為：99.9%通常取對(duì)數(shù)值2作為標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估濾池的運(yùn)行效率。當(dāng)對(duì)數(shù)值高于2時(shí)，說明濾池處于正常運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)對(duì)數(shù)值低于2時(shí)，說明濾池運(yùn)行的效率太低，需要建造新的濾池。因此，利用顆粒物計(jì)數(shù)儀對(duì)濾池進(jìn)、出水顆粒物實(shí)時(shí)測(cè)定的結(jié)果可用來評(píng)估過濾效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于濾池填料的斷裂、填料粒徑選擇不當(dāng)、填料的流失、濾池超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等所造成的過濾效率降低等問題，并通過數(shù)據(jù)分析提

10、出科學(xué)的方案來調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)濾池的科學(xué)管理，以保證供水水質(zhì)。通過利用顆粒物計(jì)數(shù)儀測(cè)定出了不同運(yùn)行時(shí)間的濾池在運(yùn)行過程中的濾池進(jìn)水和出水中顆粒物的量，并對(duì)其過濾效率進(jìn)行了計(jì)算，得到運(yùn)行15年的煤砂雙層濾料的虹吸濾池的過濾效率結(jié)果見圖5(測(cè)試期間在混合井投加5mg/L的聚合氯化鋁，在配水井投加23mg/L的三氯化鐵)；運(yùn)行8年和3年的單層均質(zhì)煤濾料的普通快濾池的過濾效率結(jié)果見表1。 運(yùn)行8年和3年的普通快濾池的過濾效率 表1運(yùn)行8年運(yùn)行3年15 mg/l20 mg/l10 mg/l20 mg/l30 mg/l1.671.871.431.382.55從圖5可以清楚地看出，在濾池進(jìn)水濁度小于1.0

11、NTU時(shí)，運(yùn)行15年的虹吸濾池的效率都十分低，大概在0.5左右，相當(dāng)于66%左右的攔截百分率（此時(shí)的濁度去除率大約為50%）。繼續(xù)在此過濾條件下運(yùn)行，當(dāng)工藝有所波動(dòng)時(shí)，是很難保證出水水質(zhì)的。為了進(jìn)一步考察該濾池濾料過濾的有效性，我們對(duì)部分濾池的濾料進(jìn)行了更換，同時(shí)采用在線顆粒物計(jì)數(shù)儀對(duì)更換后的濾池和未更換的濾池進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)更換濾料并沒有提高濾池的過濾效率，但濾池的反沖周期延長了。因此還應(yīng)對(duì)濾料的級(jí)配及濾池的反沖強(qiáng)度等進(jìn)行進(jìn)一步考察。 從表1的結(jié)果可以看出，運(yùn)行8年和3年的單層均質(zhì)煤濾料的普通快濾池處于較為正常的運(yùn)行狀態(tài)。3. 4 過濾過程的監(jiān)控 為系統(tǒng)地了解過濾的全過程，我們選取了一個(gè)

12、普通快濾池進(jìn)行了全過程監(jiān)控，其測(cè)試結(jié)果見圖 6。從上圖可以看出，濾池在整個(gè)運(yùn)行過程（包括反沖洗過程）中，顆粒物的數(shù)目除反沖過程和初濾水的顆粒物數(shù)目有上升的趨勢(shì)外，其在正常過濾時(shí)，濾池性能比較穩(wěn)定。4. 結(jié)論顆粒物計(jì)數(shù)儀技術(shù)首次應(yīng)用在北京第九水廠，并發(fā)現(xiàn)了一些工藝過程中的問題，為生產(chǎn)過程的科學(xué)管理和決策提供了一種新的手段。特別是在沉淀池、濾池和出廠水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和調(diào)控方面取得了良好的效果。在此基礎(chǔ)上提出的建議切實(shí)可行，為優(yōu)化水處理工藝，確保水質(zhì)，提供了準(zhǔn)確可靠的技術(shù)保障，已獲得了良好的社會(huì)效益和一定的經(jīng)濟(jì)效益。具 體可歸納為以下幾個(gè)方面：1在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上制定并實(shí)施了對(duì)反洗水調(diào)整的方案，包括增加混凝

13、劑用量、排泥量和定期沖洗沉淀池斜板等措施。經(jīng)實(shí)踐證明這些措施是經(jīng)濟(jì)可行的，有效地穩(wěn)定和改善了工藝運(yùn)行狀態(tài)和出水水質(zhì)。2應(yīng)用顆粒物計(jì)數(shù)儀對(duì)混凝過程的優(yōu)化取得了較為明顯的效果。實(shí)驗(yàn)證明，只要混凝劑用量合理，是可以得到優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)的。3顆粒物計(jì)數(shù)儀是用來進(jìn)行濾池監(jiān)測(cè)和濾池效率評(píng)估的有效工具，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)施和設(shè)備出現(xiàn)的故障。這一現(xiàn)代化的管理工具，可以幫助水廠管理者在科學(xué)的基礎(chǔ)上及時(shí)進(jìn)行工藝調(diào)整，解決工藝中存在的問題，從而作出正確有效的決策。4顆粒物計(jì)數(shù)儀檢測(cè)的高精確性和無滯后的特性是目前各種濁度儀所不具備的。其對(duì)出廠水的監(jiān)測(cè)可提供管網(wǎng)是否產(chǎn)生污染的信息，包括傳統(tǒng)的氯消毒不能殺

14、死的危害人類健康的某些病原體，如賈第鞭毛蟲Giardia和隱孢子蟲 Cryptosporidium在管網(wǎng)中污染的信息。在前期實(shí)驗(yàn)應(yīng)用工作的基礎(chǔ)上，目前第九水廠正在深入開展應(yīng)用顆粒物計(jì)數(shù)儀對(duì)水廠水處理工藝過程的研究工作，這一工作必將大大推動(dòng)我國水廠進(jìn)行科學(xué)數(shù)字化管理和控制的進(jìn)程，有利于更好地提高水廠的管理水平和出水水質(zhì)，降低飲用水風(fēng)險(xiǎn)。5. 主要參考文獻(xiàn)1 Guidance Manual for Compliance with the Filtration and Disinfection Requirements for Public Water Systems Using Surface W

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