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水质在线监测平台解决方案

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一、项目概述

随着经济的发展,我国的污水排放量已经越来越大,已造成地表水的严重污染,环境质量呈现不断恶化趋势,但目前全国各地对污染源和排污河渠的水质监测仍停留在手工监测阶段,时间覆盖率低,样品缺乏科学性和代表性,难以反映企业及城市污水排放连续变换的情况。常规的实验室取样检测技术已经无法在第一时间获取水污染状况的准确信息。而且分析速度慢、操作复杂、稳定性差,特别是对附加药品一来使其存在二次污染,以往采用的水质监测方法已经远不能满足环保工作发展的需求。

1.建设内容及目标

利用物联网、移动互联网以及智能传感技术,结合取水控制系统、电源供电系统、在线分析系统、数据传输设备等可全天候、 连续、定点的观测分析水质状况,并实时将数据传输到水质监测平台。形成水质监测趋势网格化后,有助于形成健全的水域长效管理机制,实现对该水域或下游进行水质污染预警预报作用,达到掌握水质和污染物通量,防治水污染事故。  水质监测系统运用现代自动监测技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组成的一个综合性的在线自动监测系统。通过对现场水温、PH值、溶解氧、浊度、电导率、高锰酸盐指数、氨氮含量、总氮含量和总磷含量等参数的数据采集,将参数数据远传至物联网云平台,实现现场各个设备的数据实时监测,用户可以通过WEB端或移动端实时查看,可以根据不同类型水质设置各个参数的标准值上下限,如果数据超限可以给相关的工作人员发送预警信息,做到提前预警,避免造成不必要的损失,实现在远程就能值守现场设备。

2.建设依据

有关规程规范和技术标准:

  1. 《国家水资源监控能力建设项目标准-水资源监测数据传输规约》(SZY 206-2012)。

  2. 《国家地表水自动监测站运行管理办法》

  3. 《水环境监测规范》(SL 219-2013)

  4. 《水质河流采样技术指导》(HJ/T 52-1999)

  5. 国家标准方法和《水和废水监测分析方法》

二、系统方案

1.系统拓扑

2.系统概述

水质在线监测系统由分析单元、采水单元、配水单元、预处理单元、质控单元、控制单元、数据采集/处理/传输单元、辅助单元集成户外一体化机柜站房等组成。采水单元负责从监测断面采集水样输送到配水单元,配水单元根据各仪器的对于分析水样的水质、水压和水量的不同要求,将水样分配到分析单元预处理;预处理单元根据地表水环境质量标准和结合监测因子仪表对于水样的不同要求,对监测因子的水样采取不同的预处理方案;标准站水质在线监测系统架构如下图所示。分布于各测点的监测站全自动运行,对现场水质进行实时监测并记录水质的变化,通过专用的通讯系统,将监测数据上传至远程的监控中心,从而实现远程监控功能。监控中心也可以直接同各子站进行通讯以获取数据。

3.采水单元

a.单元概述

水质自动监测站采水单元是保证整个标准站水质在线监测系统正常运行、获取正确数据的关键部分,设计及建造一套可靠的水样采水单元非常重要。因此,针对现场情况设计了可靠的采水系统,不仅从采水的形式上保证设计合理,而且要充分考虑材料设备的选型,能适应各种气候、地形、水位变化及水中泥沙等环以及安全防护等因素,能够确保采水单元达到预期的功能、效果。采水单元一般情况下使用浮桶采水,管路设计采用潜水泵双管路进样,主进水管路串联,仪器并联取样的方式,任何仪器出现故障都不会影响其他仪器的工作,确保在任何情况下都能采集具有代表性的水样供分析系统使用。

采水单元由采水装置、采水泵、采水管路、采水构筑物和配套设施组成。

b.采水设计

采水系统的设计原则如下:

  • 充分考虑水位落差对取水的影响,避免取水口设置在死水区,确保取水深度在水面以下 0.5m-1m 左右,取水口能随水位变化。

  • 取水口防护网:在采水头外围设计防护隔栅以有效的防止沙石、悬浮物堵塞,结构设计易于日常维护。

  • 取水泵:取水泵采用潜水泵,性能稳定,泵体使用寿命较长,有足够的输出功率,满足实时不间断监测的要求,保证整个系统的正常运行。要求:水位大于2米。

  • 警示标志:设置警示灯和警示标志,提示过往船只安全,防止人为破坏。

  • 采水管路:采水管路采用隔热处理,以减少环境温度等因素对水样造成的影响,全部管路良好密封,不漏气;在机箱内部关键部位设计一段透明管路,用于监测管路中的积藻状况。 

  • 根据各个采水点到站房的距离、地形等实际情况,合理选择潜水泵及合理选择采水管路的大小,以保证采水单元的进口压力和流速达到整个系统全部仪器的要求,并具有良好的性能,确保采水单元的稳定运行。

  • 采水单元设计两种工作模式分别为连续工作模式和间歇性工作模式,一般我们采用间歇性工作模式,间歇性工作模式可以根据客户需求设置监测间隔。

  • 采水管路全部采用优质UPVC管或者同等级材料稳定的材料,避免水样受到污染。

c.潜水泵+浮筒式采水方式

(1)浮筒采水方式特点

浮筒式采水方式设备简单,安装方便、成本低且维护方便,同时可以比较方便地在河道中改变位置,适应河道变化。

(2)浮筒采水系统组成

1)采水浮筒:材质不锈钢304,用于固定水泵,使水泵能随采水点的水位波动而上下浮动,并对系统采水起到一级过滤作用;

2)采水浮筒固定点:一般用现浇的钢筋混泥土方块或者用角钢制作采水浮筒固定点,通过不锈钢钢丝绳实现采水浮筒与固定点之间的连接,防止采水浮筒被水流冲走。

3)船锚:材质铸铁,表面用防锈漆进行处理,用于固定采水浮筒在监测断面的安装位置。

采水浮筒结构示意图浮筒固定船锚实物图

(3)浮筒采水系统安装

浮筒采水系统安装包括采水浮筒安装和固定、潜水泵组件安装、船锚安装、采水管路安装等。

d.采水管路

  • 为了保证采水效果及管路寿命,采水管路使用磐石胶管或PE管,外套Ф110PVC管作为护管;

  • 为了便于日后检修管路或缆线,管路铺设过程中,可在适当位置设置检察井;

  • 采水管路施工过程中考虑防冻保温,管路埋于冻土层以下,检查井管路不裸露于检查井外部;在无法深埋地段,采用绊热带加热并进行保温处理;

  • 如管路无法地埋施工,可将管路平铺于地面,然后采用砖砌的方法对管路进行保护及保温处理;

  • 针对系统的易维护性,可以在运行情况下对备用管路进行清洗,保证水样的代表性,并确保封冻期仍能可靠取水;

  • 采样泵可靠耐用,便于维护维修:采水泵选用质量优良的潜水泵、自吸泵或潜污泵,可有效防止堵塞;室外采水管路超过100m时,采水泵电缆选用比泵线线径大一倍的电缆,以避免压降。具有停电再复电后能重启动的自动恢复功能;

  • 取水口、管路等采取防淤积、防杂物、防堵塞、防冻结、防冰凌等措施;自动反冲洗,有效防止杂物堵塞;取水口下方加设不锈钢丝网,防止进水口淤积和杂物堵塞。采取必要的措施,保证取水口在封冻期不冻结;

  • 针对北方水源丰、枯水期点位变化大的情况,动态调整采水位置。采样头在水面下0.2m浮动,并与水体底部有足够的距离,以保证不受水体底部泥沙的影响;

  • 采水系统管路和电路分开安装。采水管路材质不影响水质变化。子站机箱内所有管路材质为内外抛光的不锈钢管路或PVC管道,管路安装前清洗干净,有合理的流路设计,便于拆卸清洗,并配备足够的活动接头。

采水管路图

4.配水单元

a.单元概述

配水及预处理单元主要实现系统采集水样的预处理、分配功能及管路清洗功能,保证能够满足国家标准分析方法中对样品的预处理要求除去水中的较大颗粒杂质和泥沙等干扰分析仪表的因素,同时可以根据不同仪器采取恰当的过滤措施,并采取必要的清洗、除藻等保障措施以确保系统长时间无故障连续运行。配水及预处理单元包括总体配水子单元、五参数配水子单元、预处理单元、自动清洗子单元等组成,各子单元主要由配水管路、控制阀门、预处理部件、辅助设备等组成。

b.设计原则

根据国家《地表水自动监测技术规范(试行)(HJ 915-2017)》要求,遵循配水单元满足标准分析方法中对水样预处理要求的原则。配水系统配备压力检测,流量、流速均可单独调节;配水系统各支路满足其仪器的需水量要求外,还留有2~3套常规监测仪器扩展接口。配水管线设计合理、流向清晰,便于维护,当仪器发生故障时,能够在不影响其他仪器生产工作的前提下进行维修或更换。管路连接方式不仅要满足各仪器对样品的要求,也要满足所有的仪器的需水量;根据五参数仪器对水样的要求,对于五参数仪器供水不经过任何处理,直接浸入仪器的测样方式;根据其它仪器对水样的要求,有针对性的对水样进行预处理,使其从各自专门的取样装置中取样,且过滤后的水质不能改变水样的代表性。

c.预处理总体设计 

采水泵工作,同时通过智能控制单元对各电磁阀、电动球阀的状态控制使水样按照设计流路流通并排出。

1) 流量和压力调节

系统采用压力传感器实时监测配水管路压力,通过调节球阀开度调节管路压力和流量,满足所选用仪器和设备对样品水流量和压力的具体要求。

2) 预处理系统

水样的预处理既要保证分析系统的连续长时间可靠运行,同时不能采用拦截式过滤装置;既要消除干扰仪表分析的因素,又不能失去水样的代表性。

3) 水样除沙

在地表水在线监测应用中,沉沙处理是必不可少的预处理环节,水样通过采水泵泵入沉沙池,然后30min静置沉沙,再通过二级泵将上清液泵入各分析仪的取样溢流器中。沉沙池系统采用初级过滤与精密过滤相结合的方式,水样经初级过滤后,消除其中较大的杂物,再进一步进行自然沉降(经过滤沉淀的泥沙定期排放),抽取上清液,然后经精密过滤进入分析仪表,精密过滤采用微滤过滤器,根据不同仪表的要求选用不同过滤孔径。

4) 系统清洗

河流中往往含有泥沙、藻类等物质,容易造成管路堵塞,影响监测结果,因此必须在系统配水管路增加自动清洗功能。当采水系统间歇停止时,该系统利用压缩空气和清水对所有管路和部分仪器内部管路进行清洗,保证管路内无泥沙、无藻类、管壁无附着物。

5.质控单元

a.单元概述

该项目配置的质控单元能够实现对高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮等水质自动分析仪器进行自动标样核查、自动加标回收率测试等质控功能,并具备自动留样功能;该质控装置与分析仪表联合使用,其安装方式充分考虑到结构设计的合理性,设计紧凑,节省空间。

b.工作原理

质控装置是独立于水质自动分析仪,可对水质自动分析仪进行控制并接收测试数据,但不会被水质自动分析仪控制,可保证质控受到监督和控制。质控装置具备参数输出接口并对质控区间内的数据有效性做出标识,按照平台软件统一协议要求实现质控参数上传。空白样测试、标样样核查、平行样测试、加标回收测试数据应能被信息化平台准确识别,不应与正常周期测量水样的数据产生混淆。通过远程控制质控仪,可实现对水质在线分析仪的空白样测试、标准样核查、平行样测试、加标回收测试等数据质量控制功能。

c.实现功能

在线质控装置可通过通讯线和管路与水质自动分析仪建立连接,对其进行数据质量控制。环保主管部门可以通过监控中心平台远程反控在线质控仪,可实现对水质自动分析仪的标准样核查、零点和量程漂移量的测试、平行样测试、加标回收率测试、空白样测试等数据质量控制功能。

基本功能

功能描述

水样测量功能

水质在线监测仪进行水样测量时,质控仪能正常提供测量样品,代替仪表样品杯功能

标样核查功能

质控仪能提供至少2路不同浓度标准溶液或纯水,水质在线监测仪进行标样核查时,质控仪能正常提供核查的空白样、质控样

平行样测量功能

水质在线监测仪进行平行样测量时,质控仪能正常提供多次平行样测量的样品

加标回收功能

远程控制软件启动加标回收操作时,质控仪可完成正常的加标回收动作,包括样品罐进样、注入加标液、混匀,并为水质在线监测仪正常提供水样和加标水样

动态加标功能

远程控制软件启动加标回收操作时,质控仪可以根据水样测量值不同而自动调整加标体积

6.控制单元

单元概述:控制单元具有对采水单元、配水及预处理单元、分析单元、留样单元、辅助单元等进行控制,并实现数据采集与传输功能,保证系统连续、可靠和安全运行。

三、水质在线监测系统

水质自动监测站系统软件包含系统管路图及实时状态显示、仪器状态及实时数据显示、报警信息显示、手工及单一控制功能、系统及仪器历史运行状态显示、控制系统功能、操作提示功能、数据存储、数据查询/导出/自动备份功能、参数设置功能、用户管理功能等,现场巡检、运维记录输入和上传等功能。

四、应用场景

饮用水源地、污水处理厂、水厂、湖泊河流、水库等场景均可应用。