一种消除天然水体多胶质影响测量误差的系统

曹建峰 崔 平 陶 婧

(无锡职业技术学院 科技处,江苏 无锡 214121)

水是生命之源，人类的生活和生产活动都需要符合要求的水源。因此，水生态系统水质的质量与我们的生活密切相关，尤其在生活用水、水产养殖领域。对水质状况的测量越来越受到重视，尤其是对范围广、影响大的天然水体的监测。随着信息技术的发展，对水质的测量由以往的人工测量变成智能化和网络化的自动测量站，利用数据挖掘，不仅能实时远程测量，还能进行水质情况预警。但由于中国天然水体中多胶质的影响，许多位于测量前端的自动测量站工作一段时间后，无法对水质参数进行准确测量。系统主要根据太湖水水质监测需要，依托江苏省科技厅产学研项目，设计了一套解决中国天然水体多胶质影响水质传感器探头的方法及装置，在实践中取得较好的效果，产生了较好的经济效益，为企业年增加利润500万元以上。

随着物联网技术的发展，水质监测目前已实现从单点自动测量站到网格测控的转变，实现了自动测量与智能预警，在许多应用中均有介绍。但首先数据必须被准确测量，由于中国天然水体中多胶质含量比较高，实际使用中，即使采用精度较高的进口水质传感器，也无法很好地解决传感器长期准确测量的问题。在前期多个应用中，当传感器探头在多胶质含量较高的天然水体中时，六个月左右时间，水中的多胶质就会逐步吸附在水质传感器探头表面，从而影响传感器的测量准确度，甚至使传感器完全无法测量。同时由于此影响过程是缓慢的，不容易被发现，往往会认为是由于水体状况变化引起的，而忽视水体中的多胶质问题。目前,国内天然水体水质成分复杂，对天然水体多胶质的成分及消除方法研究不多。同时，目前对于中国多胶质水质长时间监测及大数据分析的研究较少，设计者均在试用阶段进行使用，天然水体中的多胶质尚未影响传感器探头的测量准确度，测量精度符合要求，但对长期无人测量的后期跟踪研究较少，导致在长期使用过程中，测量精度无法达到设计初期的要求，甚至得到错误的测量数据。

1 多胶质的形成及其对传感器探头的影响

目前，对天然水体中多胶质的研究资料和文献极少，根据对国内外天然水体水质的比较，通常认为水体中的多胶质与水体富营养有关。

在富营养化的水体沉积物中含有大量的有机质，主要是由浮游动物、植物和细菌等的残体下沉堆积，在这些有机质分解过程中会形成有机胶体。同时，易腐物质也可以形成胶膜，这些物质统称为多胶质，它们能使吸附能力较强的颗粒物悬浮，从而被传感器探头等金属物所吸附，且一般水质传感器探头表面非常粗糙，更易被有机胶质及有机胶膜中的颗粒悬浮物质填充。这些多胶质中的有机质还能抑制无定性的铝或其他金属氧化物的晶质化过程，进一步提高无机磷的吸附能力。研究表明，晶质化的铝或其他金属氧化物比非晶质化具有更强的吸附能力，几乎能达到两倍。

在前期多个应用中，当一个主要由金属成分的多参数水质传感器探头放置在天然水体中，12个月后，水质的PH值测量仅为正确测量值的90%左右，水质的氨氮值测量仅为正确测量值的89%左右，误差分别达到10%和11%，已无法较好地满足测量精度的要求。在江苏省科技厅的政策引导类计划(产学研合作)前瞻性联合研究项目(天然水体多参数水质在线监测与大数据分析系统)的前期研究基础上，于2015年5月，分别放置5个PH值和氨氮值测量装置于离岸2～3公里的太湖水体中，每个传感器间隔1公里，每间隔一个月分别对5个天然水体中的传感器测量数据进行一次人工校定，来确定传感器探头受天然水体中多胶质的影响程度。经过20个月的不间断测量与校定，对获取的数据进行分析与处理，得到天然水体中多参数水质传感器PH值与氨氮值的测量误差受多胶质等物质影响的曲线图，如图1所示。

图1天然水体中多参数水质传感器PH值与氨氮值的测量误差受多胶质等影响的曲线

2 系统结构

由于天然水体中多胶质物质成分复杂，对其成因及消除方法尚无有效参考资料。为了能在规定的项目研究周期内，采用比较经济的方法，消除或降低天然水体中多胶质对传感器探头的影响，系统采用抽取采样雾化清洗式测量方式，使传感器探头受天然水体多胶质物影响降至最低。考虑到天然水体水质参数是缓慢变化的，拟采取定期测量，如一小时测量一次，对于天然水体水质参数测量而言，其测量频率已能满足要求。同时，利用微型水净化系统，通过多级减压微量雾化喷嘴实现对传感器探头的自洁，从而保证多参数传感器探头长期能保持洁净，使多胶质物体对测量准确度的影响降至最小，使测量参数始终符合系统要求，且能使多参数水质测量站的价格降为进口设备的十分之一。

抽取采样清洗式多参数水质测量结构如图2所示。主要由多参数水质传感器、多级减压微量雾化喷嘴、水质测量水箱、小型净水系统、各类水泵、电磁阀和管道等部件组成。当需要测量水质参数时，天然水体经过水泵，被抽取至水质测量水箱，并到达一定的测量水位待测量；在被抽取至水质测量水箱的同时，天然水体也被经过净水多级过滤后，至净水存贮水箱存贮备用；测量完毕后，为了保持水质检测传感器头的洁净，水质测量水箱中的被测水质被释放至天然水体中，同时为了进一步保持传感器探头的洁净，立即利用净水通过多级减压微量雾化喷嘴对传感器探头进行雾化清洗。通过这种方法，使传感器探头尽可能缩短与多胶质含量较高的天然水体的接触时间，极大延长传感器的测量准确度时间。

系统核心部件是多级减压微量雾化喷嘴，能使水质传感器探头长期保持洁净。

图2 抽取采样清洗式多参数水质测量结构

3 多级减压及微小流量雾化装置设计

为了更好地实现对传感器探头的清洗效果，同时节约宝贵的净水资源，发明了一种多级减压及微小流量雾化装置，相对于传统喷头，其雾化后的清洗效果更好，还能节水四分之三。

本装置的核心是一种多级减压及微小流量雾化喷嘴，其结构如图3所示。在工作时，高压介质进入喷嘴后首先通过喷嘴后端流量孔板，然后经过多级减压套多转角减压，最后通过20°旋转切角流道，得到精确流量，同时因经过多级减压，输出的是低压介质。喷嘴含有流量孔板，可以根据实际流量需要更换。介质经过多级减压和20°旋转切角流道旋转后，在喷头流出低压的雾化介质。其做法就是通过加入流量孔板控制介质流量，流量孔板的流量面积可以根据实际需要加工。多级减压套的多转角设计保证高压进入，低压输出，最大限度地保证喷头的使用寿命。20°旋转切角流道和140°双锥面的喷嘴头，让介质在喷出时处于旋转雾化状态，实现更好的清洗效果。由于装置集成了流量控制部件，采用多级减压，能大大提高使用寿命。同时采用20°旋转切角流道，增加介质出口雾化效果，能节省纯净水。

图3 多级减压及微小流量雾化喷嘴

1.喷嘴壳体;2.流量孔板;3.多级减压套;4.双锥面喷嘴头;5.壳体外螺纹;6.A流量孔;7.B流量孔;8.20°旋转切角流道

本装置是流量控制，多级减压以及雾化介质集成一体的多功能喷头。全部采用可更换的模块化设计，无须另外增加减压或流量控制部件。

多级减压及微小流量雾化喷嘴包括喷嘴壳体、流量孔板、多级减压套和双锥面喷嘴头；喷嘴壳体后端外螺纹，喷嘴壳体1顶部设置有内孔和内螺纹；喷嘴壳体后端外螺纹与其他设备连接；内孔安装有流量孔板、多级减压套和双锥面喷嘴头；流量孔板安装在双锥面喷嘴后端，多级减压套安装在流量孔板上；多级减压套设置有B流量孔和20°旋转切角流道，所述的20°旋转切角是指流道轴线与垂直轴线夹角；双锥面喷嘴头有外螺纹与喷嘴壳体顶部内螺纹匹配，双锥面喷嘴头上有固定孔；通过双锥面喷嘴头上固定孔拧紧螺纹固定其他部件。

在流量孔板上有控制流量的A流量孔；多级减压套一端有B流量孔，另一端为20°旋转切角流道；双锥面喷嘴头两端为140°双锥面，中间为流量孔，其中一段上有拧紧用固定孔。流量孔板上至少设置有3个A流量孔，A流量孔的形状一般以圆形为主，也可以是方形或者其他形状，达到不同的雾化效果。

4 效果测试及改进方向

采用抽取式进行多参数水质测量，系统每隔1小时进行一次测量，完成一次测量所需时间为5分钟，根据传感器探头与天然水体接触时间计算，理论上可以使传感器探头受天然水体多胶质的影响缩小12倍以下，再经过净水的微量雾化清洗，传感器的测量准确度延长时间会更长。目前，设备已在太湖水体中进行了12个月的实践应用，图4为采用抽取式雾化清洗的天然水体多参数水质传感器PH值与氨氮值的长期测量误差曲线，可以看出，水质的PH值和氨氮值的测量误差保持在1%以内，初步解决了中国天然水体水质检测的实际问题。

经过一年时间的测试，采用抽取式和净水雾化清洗式天然水体多参数水质测量效果较为理想，能满足系统精度的要求，更长期的测量效果尚在监测中。在第九个月的监测过程中，发现为获取净水采用的过滤膜装置有一定的污染，进行了更换，因此看到第十个月的监测结果有一定的好转，说明净水的雾化清洗能较好地洗净吸附在传感器探头表面的天然水体中的多胶质物质。

图4 采用抽取式雾化清洗的天然水体多参数水质传感器PH值与氨氮值的长期测量误差曲线

5 结论

针对天然水体参数测量问题，通过抽取式采样和净水雾化清洗传感器的方法，较好地解决了天然水体中多胶质等物质对传感器测量误差的影响。后期将进行更长期和更大范围的监测，主要寻找净水过滤膜更换的最佳时间和确定系统工作的长期稳定性。