一种饮用水高风险污染物监测预警系统及其使用方法

摘要

一种饮用水高风险污染物监测预警系统及其使用方法，它涉及利用膜法预处理技术对水中油分、重金属进行浓缩、分离，消除水体背景成份对油分、重金属传感器监测的不利影响。解决现有饮用水净水厂突发性污染物(油分、重金属)在线监测性差、实时预警短缺及灵敏性差等问题。利用亲水疏油膜分离与混凝、沉淀、砂滤技术相结合，减弱水体中天然腐殖质、胶体颗粒等背景成份的不利影响，提高水中油分、重金属的浓缩、分离。具有预处理规模大、运行稳定、成本低廉、灵敏度高等优点，可为饮用水源的突发性污染提供可靠的预警信息。

说明书

技术领域

本发明涉及一种饮用水监测预警系统及其使用方法，具体涉及利用膜法预处理技术对 水中油分、重金属进行浓缩、分离，消除水体背景成份对油分、重金属监测传感器的不利 影响，属饮用水应急预警领域。

背景技术

饮用水危机源自人口急剧增长、经济持续发展、水源不断受污。突发性污染事故频发 已成为我国经济发达地区饮用水源的重大潜在威胁，饮用水高风险污染物监测预警成为稳 定民生的重要保障技术。感知传感器可实现无人职守、自动运行，因此要求其在没有人工 调节的情况能长时间稳定地提供反应真实水质状况的数据。根据实际水质以及处理工艺的 不同要求，比如检测方法、测量范围、响应时间、安装方式、维护运行要求等，筛选相对 应的在线感知传感器，并根据实际需要实现传感器组合的优化集成。

为了保证测试的准确度和分析数据的代表性，如何有效去除水样中泥沙、悬浮物、色 度等干扰物质样品，同时又不影响到待测参数的测量准确度，预处理技术的重要性是不言 而喻的。除开传统的样品过滤这些预处理技术外，有些水质参数，如总磷检测过程中，需 要超声波粉碎功能的采样预处理装置，而对于光度法检测的时候，则需要薄膜过滤等方法 降低背景噪音。因此，针对不同区域和不同特点的典型污染物的检测，需要综合采用沉降、 过滤、沉淀等单元操作方法，消除复杂水质中背景成分对传感检测能力的影响，提高复杂 水质中典型污染物的检测灵敏性，解决传感器在复杂水质检测中的污染问题，保障传感器 阵列在水质检测过程中的稳定性，在此基础上，进一步优化复杂源水水质的预处理方法， 形成饮用水源水质的预处理系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有饮用水净水厂突发性污染物(油分、重金属)在线监测 性差、实时预警短缺及灵敏性差的问题，而提供了一种饮用水高风险污染物监测预警系统 及其使用方法，其利用亲水疏油膜分离与混凝、沉淀、砂滤技术相结合，减弱水体中天然 腐殖质、胶体颗粒等背景成份的不利影响，提高水中油分、重金属的浓缩、分离。具有预 处理规模大、运行稳定、成本低廉、灵敏度高等优点，可为饮用水源的突发性污染提供可 靠的预警信息。

本发明的一种饮用水高风险污染物监测预警系统，它包括齿轮泵、数显流量计、压力 变送器、常开型电磁阀、预处理超滤单元、手动球阀、浓缩池、清水池、常闭型电磁阀、 油分分析仪、电化学工作站和物联感知网络控制系统；其中，齿轮泵是由齿轮泵和齿轮泵 构成，数显流量计是由数显流量计和数显流量计构成，压力变送器是由压力变送器和压力 变送器构成，常开型电磁阀是由常开型电磁阀、常开型电磁阀和常开型电磁阀构成，常闭 型电磁阀是由常闭型电磁阀和常闭型电磁阀构成；

所述的齿轮泵的出水端与数显流量计的进水端连通，数显流量计出水端与常开型电磁 阀的进水端连通，压力变送器信号接收端与数显流量计的信号输出端连接，常开型电磁阀 的出水端与预处理超滤单元的下端进水口连通，并与常闭型电磁阀的进水口连通，预处理 超滤单元的左侧出水口与常开型电磁阀的进水口连通，常开型电磁阀的出水口与清水池的 进水口连通，电化学工作站进水口与清水池的出水口连通，预处理超滤单元下端的浓缩水 出水口与手动球阀的进水口连通，手动球阀的出水口与常开型电磁阀的进水口连通，常开 型电磁阀的出水口与数显流量计的进水口连通，数显流量计的出水口与浓缩池进水口连 通，浓缩池中放置有油分分析仪，齿轮泵的出水口与常闭型电磁阀的出水口连通，并与压 力变送器的信号接收端连接，常闭型电磁阀的出水口与预处理超滤单元的右侧反冲洗进水 口连通，齿轮泵、数显流量计、压力变送器、常开型电磁阀、预处理超滤单元和常闭型电 磁阀的电控制端分别连接在物联感知网络控制系统的控制信号输出端上，油分分析仪和和 电化学工作站的检测信号输出端分别连接到物联感知网络控制系统的信号输入端。

本发明使用一种饮用水高风险污染物监测预警系统的方法，具体步骤如下：

一、进水线段：突发性受污染水源通过混凝、沉淀、气浮、砂滤技术中的一种或几种 组合初步预处理后经由齿轮泵泵入，流经数显流量计计量、压力变送器测压后，经由常开 型电磁阀控制开启后进入预处理超滤单元；其中，进水流量控制在15～30L/h，进水压力 控制在150KPa～300Kpa；

二、浓缩线段：突发性受污染水源经预处理超滤单元处理后，由手动球阀设定控制初 始浓缩比在5～15之间，经常开型电磁阀控制开启后，由数显流量计计量、进入浓缩池， 通过油分分析仪进行油分测定；

三、出水线段：突发性受污染水源经预处理超滤单元处理后，经常开型电磁阀控制开 启后，进入清水池，通过电化学工作站进行重金属测定；

四、反冲洗段：由齿轮泵提供动力后，经压力变送器测压，通过常闭型电磁阀控制开 启后进入预处理超滤单元进行反冲洗后；由预处理超滤单元下端的进水口排出后经常闭型 电磁阀控制开启后向外排放，即完成；其中，进水压力控制在150KPa～300KPa。

本发明的饮用水高风险污染物监测预警系统流程为：一、突发性受污染水源水经初步 预处理后进入亲水疏油膜浓缩、分离工段；二、膜工段浓缩水进入油分实时监测工段，完 成后溢流排出；三、膜工段过滤水进入重金属实时监测工段，完成后溢流排出；四、膜工 段定时清洗，保证油分、重金属实时监测工段的灵敏性；

步骤二中油分监测利用哈希公司油分分析仪，采用紫外荧光吸收原理完成精确测量。

步骤三中重金属监测利用电化学工作站，采用外部电压诱导重金属沉积原理完成精确 测量。

本发明包含以下有益效果：

本发明中重金属目标污染物富集率达到80％以上，信号增强为背景信号的5～20倍。

本发明中背景干扰物去除率达到70％以上。

本发明中采用物联感知网络监控实现实时监测预警，监控节点冗余率低于5％，盲点 率为0；信号感知频率不低于15分钟/次；参数感知结果与实验室分析结果误差在15％以 内，技术达到国际先进水平。

附图说明

图1是本发明的饮用水高风险污染物监测预警系统示意图；

图2为本发明的饮用水高风险污染物监测预警系统对饮用水处理的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种饮用水高风险污染物监测预警系统，它包括齿轮 泵1、数显流量计2、压力变送器3、常开型电磁阀4、预处理超滤单元5、手动球阀6、 浓缩池7、清水池8、常闭型电磁阀9、油分分析仪10、和电化学工作站11和物联感知网 络控制系统12；其中，齿轮泵1是由齿轮泵1-1和齿轮泵1-2构成，数显流量计2是由数 显流量计2-1和数显流量计2-2构成，压力变送器3是由压力变送器3-1和压力变送器3-2 构成，常开型电磁阀4是由常开型电磁阀4-1和常开型电磁阀4-2构成，常闭型电磁阀9 是由常闭型电磁阀9-1和常闭型电磁阀9-2构成；

所述的齿轮泵1-1的出水端与数显流量计2-1的进水端连通，数显流量计2-1出水端 与常开型电磁阀4-1的进水端连通，压力变送器3-1信号采集端设置在数显流量计2-1的 出水端上，常开型电磁阀4-1的出水端与预处理超滤单元5的下端进水口连通，并与常闭 型电磁阀9-1的进水口连通，预处理超滤单元5的左侧出水口与常开型电磁阀4-3的进水 口连通，常开型电磁阀4-3的出水口与清水池8的进水口连通，电化学工作站11进水口 与清水池8的出水口连通，预处理超滤单元5下端的浓缩水出水口与手动球阀6的进水口 连通，手动球阀6的出水口与常开型电磁阀4-2的进水口连通，常开型电磁阀4-2的出水 口与数显流量计2-2的进水口连通，数显流量计2-2的出水口与浓缩池7进水口连通，浓 缩池7中放置有油分分析仪10，齿轮泵1-2的出水口与常闭型电磁阀9-2的进水口连通， 压力变送器3-2的信号采集端设置在常闭型电磁阀9-2的进水口上，常闭型电磁阀9-2的 出水口与预处理超滤单元5的右侧反冲洗进水口连通，齿轮泵1、数显流量计2、压力变 送器3、常开型电磁阀4、预处理超滤单元5和常闭型电磁阀9的电控制端分别连接在物 联感知网络控制系统12的控制信号输出端上，油分分析仪10和和电化学工作站11的检 测信号输出端分别连接到物联感知网络控制系统12的信号输入端。

本实施方式的正洗过程中数显流量计2-1计量的流量为15～30L/h、压力变送器3-1测 压的压力为150KPa～300Kpa；浓缩过程中由手动球阀6设定控制初始浓缩比为5～15；反 洗过程借以压力变送器3-2测压所测压力控制在150KPa～300KPa，通过常闭型电磁阀9-2 控制开启后进入预处理超滤单元5进行反冲洗。

本实施方式中物联感知网络监控系统12实时采集油分分析仪10和电化学工作站11 的监测数值，同时上传到云端数据库进行保存；其中整个系统采用时间、压力双控模式控 制系统运行模式，正常运行4～6小时进行反冲10～15分钟，若压力变送器3-1传感值突然 超过300KPa，系统自动切换运行反冲洗模式，当压力变送器3-2传感值突然降至20KPa， 系统自动切换为正常运行模式。

具体实施方式二：本实施方式的使用一种饮用水高风险污染物监测预警系统的方法，具体 步骤如下：

一、进水线段：突发性受污染水源通过混凝、沉淀、气浮、砂滤技术中的一种或几种 组合初步预处理后经由齿轮泵1-1泵入，流经数显流量计2-1计量、压力变送器3-1测压 后，经由常开型电磁阀4-1控制开启后进入预处理超滤单元5；其中，进水流量控制在 15～30L/h，进水压力控制在150KPa～300Kpa；

二、浓缩线段：突发性受污染水源经预处理超滤单元5处理后，由手动球阀6设定控 制初始浓缩比在5～15之间，经常开型电磁阀4-2控制开启后，由数显流量计2-2计量、 进入浓缩池7，通过油分分析仪10进行油分测定；

三、出水线段：突发性受污染水源经预处理超滤单元5处理后，经常开型电磁阀4-3 控制开启后，进入清水池8，通过电化学工作站11进行重金属测定；

四、反冲洗段：由齿轮泵1-2提供动力后，经压力变送器3-2测压，通过常闭型电磁 阀9-2控制开启后进入预处理超滤单元5进行反冲洗后；由预处理超滤单元5下端的进水 口排出后经常闭型电磁阀9-1控制开启后向外排放，即完成；其中，进水压力控制在 150KPa～300KPa。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：数显流量计2-1控制进水 流量为20L/h，压力变送器3-1控制进水压力为200Kpa，压力变送器3-2控制进水压力为 200Kpa。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：数显流量计2-1控制 进水流量为25L/h，压力变送器3-1控制进水压力为250Kpa，压力变送器3-2控制进水压 力为250Kpa。其它与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：所述的突发性受 污染水源为油分、重金属中的一种或两种按任意比混合。其它与具体实施方式二至四之一 相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：所述的突发性受 污染水源经预处理超滤单元(5)处理的处理方法是采用膜法预处理技术对水源突发性污 染物进行浓缩、分离，消除水体背景成份，即完成。其它与具体实施方式二至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：所述的水体背景 成份包括天然腐殖质、蛋白质类、多聚糖类、胶体颗粒、微生物、新兴微污染物药品、个 人护理品和内分泌干扰物中的一种或多种按任意比的组合。其它与具体实施方式二至六之 一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：所述的膜法预处 理技术是采用亲水疏油膜处理，辅以混凝、沉淀、气浮、砂滤技术中的一种或几种组合而 成。其它与具体实施方式二至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：所述的砂滤技术 为普通快滤池、生物砂滤或生物活性炭滤池，所述的滤池填料为石英砂、锰砂、活性碳中 的一种或几种按任意比组合。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一一不同的是：所述的亲水疏 油膜材质为聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰亚胺中的 一种或几种按任意比混合；亲水疏油膜组件形式为平板膜、卷式膜、中空纤维膜或管式膜。 其它与具体实施方式二至八之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式二至十之一不同的是：所述的混凝剂 为铁盐、锰盐、铝盐、高分子絮凝剂中的一种或几种按任意比组合。其它与具体实施方式 二至九之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1

本实施例的饮用水高风险污染物监测预警流程简述为：一、突发性受污染水源水经前 处理后进入亲水疏油膜浓缩、分离工段；二、膜工段浓缩水进入油分实时监测工段，完成 后溢流排出；三、膜工段过滤水进入重金属实时监测工段，完成后溢流排出；四、膜工段 定时清洗，保证油分、重金属实时监测工段的灵敏性。

工艺流程分为正向过滤过程、反向清洗过程。正向过滤过程由进水线段、浓缩线段、 出水线段依次构成；反向清洗过程由反冲洗段构成；详细操作过程表述如下：

一、进水线段：突发性受污染水源混以混凝剂5mg/L后经由齿轮泵1-1泵入，流经数 显流量计2-1计量15L/h、压力变送器3-1测压130kPa后，由常开型电磁阀4-1控制开启 后进入预处理超滤单元5；

二、浓缩线段：突发性受污染水源经预处理超滤单元5处理后，由手动球阀6设定初 始浓缩比10:1，经常开型电磁阀4-2控制开启后，由数显流量计2-2计量1.5L/h、进入浓 缩池7通过哈希油分分析仪10进行油分测定；

三、出水线段：突发性受污染水源经预处理超滤单元5处理后，经常开型电磁阀4-3 控制开启后，进入反冲洗水源自清水池8通过电化学工作站11进行重金属测定；

四、反冲洗段：由齿轮泵1-2提供动力后，经经压力变送器3-2测压——控制压力为 150KPa，通过常闭型电磁阀9-2控制开启后进入预处理超滤单元5进行反冲洗后；由预 处理超滤单元5下端的进水口排出后经常闭型电磁阀9-1控制开启后向外排放，即完成。

本实施例中物联感知网络监控系统12实时采集油分分析仪10和电化学工作站11的 监测数值，同时上传到云端数据库进行保存；其中整个系统采用时间、压力双控模式控制 系统运行模式，正常运行6小时进行反冲10分钟，若压力变送器3-1传感值突然超过 300KPa，系统自动切换运行反冲洗模式，当压力变送器3-2传感值突然降至20KPa以下， 系统自动切换为正常运行模式。

本实施例所采用的突发性受污染水源为加标后的松花江原水；

本实施例所采用的混凝剂为聚合氯化铝；

所述的膜法预处理技术中使用的亲水疏油膜材质为改性醋酸纤维素卷式膜。

本实施例对松花江原水预警结果见表1所示：

表1 实施例1的预警结果