一種飲用水高風險汙染物監測預警系統及其使用方法

2023-09-16 06:10:20

一種飲用水高風險汙染物監測預警系統及其使用方法
【專利摘要】一種飲用水高風險汙染物監測預警系統及其使用方法，它涉及利用膜法預處理技術對水中油分、重金屬進行濃縮、分離，消除水體背景成份對油分、重金屬傳感器監測的不利影響。解決現有飲用水淨水廠突發性汙染物(油分、重金屬)在線監測性差、實時預警短缺及靈敏性差等問題。利用親水疏油膜分離與混凝、沉澱、砂濾技術相結合，減弱水體中天然腐殖質、膠體顆粒等背景成份的不利影響，提高水中油分、重金屬的濃縮、分離。具有預處理規模大、運行穩定、成本低廉、靈敏度高等優點，可為飲用水源的突發性汙染提供可靠的預警信息。
【專利說明】-種飲用水高風險汙染物監測預警系統及其使用方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種飲用水監測預警系統及其使用方法，具體涉及利用膜法預處理技 術對水中油分、重金屬進行濃縮、分離，消除水體背景成份對油分、重金屬監測傳感器的不 利影響，屬飲用水應急預警領域。

【背景技術】
[0002] 飲用水危機源自人口急劇增長、經濟持續發展、水源不斷受汙。突發性汙染事故頻 發已成為我國經濟發達地區飲用水源的重大潛在威脅，飲用水高風險汙染物監測預警成為 穩定民生的重要保障技術。感知傳感器可實現無人職守、自動運行，因此要求其在沒有人工 調節的情況能長時間穩定地提供反應真實水質狀況的數據。根據實際水質以及處理工藝的 不同要求，比如檢測方法、測量範圍、響應時間、安裝方式、維護運行要求等，篩選相對應的 在線感知傳感器，並根據實際需要實現傳感器組合的優化集成。
[0003] 為了保證測試的準確度和分析數據的代表性，如何有效去除水樣中泥沙、懸浮物、 色度等幹擾物質樣品，同時又不影響到待測參數的測量準確度，預處理技術的重要性是不 言而喻的。除開傳統的樣品過濾這些預處理技術外，有些水質參數，如總磷檢測過程中，需 要超聲波粉碎功能的採樣預處理裝置，而對於光度法檢測的時候，則需要薄膜過濾等方法 降低背景噪音。因此，針對不同區域和不同特點的典型汙染物的檢測，需要綜合採用沉降、 過濾、沉澱等單元操作方法，消除複雜水質中背景成分對傳感檢測能力的影響，提高複雜水 質中典型汙染物的檢測靈敏性，解決傳感器在複雜水質檢測中的汙染問題，保障傳感器陣 列在水質檢測過程中的穩定性，在此基礎上，進一步優化複雜源水水質的預處理方法，形成 飲用水源水質的預處理系統。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的是為了解決現有飲用水淨水廠突發性汙染物（油分、重金屬）在線 監測性差、實時預警短缺及靈敏性差的問題，而提供了一種飲用水高風險汙染物監測預警 系統及其使用方法，其利用親水疏油膜分離與混凝、沉澱、砂濾技術相結合，減弱水體中天 然腐殖質、膠體顆粒等背景成份的不利影響，提高水中油分、重金屬的濃縮、分離。具有預處 理規模大、運行穩定、成本低廉、靈敏度高等優點，可為飲用水源的突發性汙染提供可靠的 預警信息。
[0005] 本發明的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統，它包括齒輪泵、數顯流量計、壓 力變送器、常開型電磁閥、預處理超濾單元、手動球閥、濃縮池、清水池、常閉型電磁閥、油分 分析儀、電化學工作站和物聯感知網絡控制系統；其中，齒輪泵是由齒輪泵和齒輪泵構成， 數顯流量計是由數顯流量計和數顯流量計構成，壓力變送器是由壓力變送器和壓力變送器 構成，常開型電磁閥是由常開型電磁閥、常開型電磁閥和常開型電磁閥構成，常閉型電磁閥 是由常閉型電磁閥和常閉型電磁閥構成；
[0006] 所述的齒輪泵的出水端與數顯流量計的進水端連通，數顯流量計出水端與常開型 電磁閥的進水端連通，壓力變送器信號接收端與數顯流量計的信號輸出端連接，常開型電 磁閥的出水端與預處理超濾單元的下端進水口連通，並與常閉型電磁閥的進水口連通，預 處理超濾單元的左側出水口與常開型電磁閥的進水口連通，常開型電磁閥的出水口與清水 池的進水口連通，電化學工作站進水口與清水池的出水口連通，預處理超濾單元下端的濃 縮水出水口與手動球閥的進水口連通，手動球閥的出水口與常開型電磁閥的進水口連通， 常開型電磁閥的出水口與數顯流量計的進水口連通，數顯流量計的出水口與濃縮池進水口 連通，濃縮池中放置有油分分析儀，齒輪泵的出水口與常閉型電磁閥的出水口連通，並與壓 力變送器的信號接收端連接，常閉型電磁閥的出水口與預處理超濾單元的右側反衝洗進水 口連通，齒輪泵、數顯流量計、壓力變送器、常開型電磁閥、預處理超濾單元和常閉型電磁閥 的電控制端分別連接在物聯感知網絡控制系統的控制信號輸出端上，油分分析儀和和電化 學工作站的檢測信號輸出端分別連接到物聯感知網絡控制系統的信號輸入端。
[0007] 本發明使用一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的方法，具體步驟如下：
[0008] -、進水線段：突發性受汙染水源通過混凝、沉澱、氣浮、砂濾技術中的一種或幾種 組合初步預處理後經由齒輪泵泵入，流經數顯流量計計量、壓力變送器測壓後，經由常開型 電磁閥控制開啟後進入預處理超濾單元；其中，進水流量控制在15?30L/h，進水壓力控制 在 150KPa ?300Kpa ;
[0009] 二、濃縮線段：突發性受汙染水源經預處理超濾單元處理後，由手動球閥設定控制 初始濃縮比在5?15之間，經常開型電磁閥控制開啟後，由數顯流量計計量、進入濃縮池， 通過油分分析儀進行油分測定；
[0010] 三、出水線段：突發性受汙染水源經預處理超濾單元處理後，經常開型電磁閥控制 開啟後，進入清水池，通過電化學工作站進行重金屬測定；
[0011] 四、反衝洗段：由齒輪泵提供動力後，經壓力變送器測壓，通過常閉型電磁閥控制 開啟後進入預處理超濾單元進行反衝洗後；由預處理超濾單元下端的進水口排出後經常閉 型電磁閥控制開啟後向外排放，即完成；其中，進水壓力控制在150KPa?300KPa。
[0012] 本發明的飲用水高風險汙染物監測預警系統流程為：一、突發性受汙染水源水經 初步預處理後進入親水疏油膜濃縮、分離工段；二、膜工段濃縮水進入油分實時監測工段， 完成後溢流排出；三、膜工段過濾水進入重金屬實時監測工段，完成後溢流排出；四、膜工 段定時清洗，保證油分、重金屬實時監測工段的靈敏性；
[0013] 步驟二中油分監測利用哈希公司油分分析儀，採用紫外螢光吸收原理完成精確測 量。
[0014] 步驟三中重金屬監測利用電化學工作站，採用外部電壓誘導重金屬沉積原理完成 精確測量。
[0015] 本發明包含以下有益效果：
[0016] 本發明中重金屬目標汙染物富集率達到80%以上，信號增強為背景信號的5?20 倍。
[0017] 本發明中背景幹擾物去除率達到70%以上。
[0018] 本發明中採用物聯感知網絡監控實現實時監測預警，監控節點冗餘率低於5%，盲 點率為〇 ;信號感知頻率不低於15分鐘/次；參數感知結果與實驗室分析結果誤差在15% 以內，技術達到國際先進水平。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明的飲用水高風險汙染物監測預警系統示意圖；
[0020] 圖2為本發明的飲用水高風險汙染物監測預警系統對飲用水處理的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0021]

【具體實施方式】一：本實施方式的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統，它包括 齒輪泵1、數顯流量計2、壓力變送器3、常開型電磁閥4、預處理超濾單元5、手動球閥6、濃 縮池7、清水池8、常閉型電磁閥9、油分分析儀10、和電化學工作站11和物聯感知網絡控制 系統12 ;其中，齒輪泵1是由齒輪泵1-1和齒輪泵1-2構成，數顯流量計2是由數顯流量計 2- 1和數顯流量計2-2構成，壓力變送器3是由壓力變送器3-1和壓力變送器3-2構成，常 開型電磁閥4是由常開型電磁閥4-1和常開型電磁閥4-2構成，常閉型電磁閥9是由常閉 型電磁閥9-1和常閉型電磁閥9-2構成；
[0022] 所述的齒輪泵1-1的出水端與數顯流量計2-1的進水端連通，數顯流量計2-1出 水端與常開型電磁閥4-1的進水端連通，壓力變送器3-1信號採集端設置在數顯流量計2-1 的出水端上，常開型電磁閥4-1的出水端與預處理超濾單元5的下端進水口連通，並與常閉 型電磁閥9-1的進水口連通，預處理超濾單元5的左側出水口與常開型電磁閥4-3的進水 口連通，常開型電磁閥4-3的出水口與清水池8的進水口連通，電化學工作站11進水口與 清水池8的出水口連通，預處理超濾單元5下端的濃縮水出水口與手動球閥6的進水口連 通，手動球閥6的出水口與常開型電磁閥4-2的進水口連通，常開型電磁閥4-2的出水口與 數顯流量計2-2的進水口連通，數顯流量計2-2的出水口與濃縮池7進水口連通，濃縮池7 中放置有油分分析儀10,齒輪泵1-2的出水口與常閉型電磁閥9-2的進水口連通，壓力變送 器3-2的信號採集端設置在常閉型電磁閥9-2的進水口上，常閉型電磁閥9-2的出水口與 預處理超濾單元5的右側反衝洗進水口連通，齒輪泵1、數顯流量計2、壓力變送器3、常開型 電磁閥4、預處理超濾單元5和常閉型電磁閥9的電控制端分別連接在物聯感知網絡控制系 統12的控制信號輸出端上，油分分析儀10和和電化學工作站11的檢測信號輸出端分別連 接到物聯感知網絡控制系統12的信號輸入端。
[0023] 本實施方式的正洗過程中數顯流量計2-1計量的流量為15?30L/h、壓力變送器 3- 1測壓的壓力為150KPa?300Kpa ;濃縮過程中由手動球閥6設定控制初始濃縮比為5? 15 ;反洗過程藉以壓力變送器3-2測壓所測壓力控制在150KPa?300KPa，通過常閉型電磁 閥9-2控制開啟後進入預處理超濾單元5進行反衝洗。
[0024] 本實施方式中物聯感知網絡監控系統12實時採集油分分析儀10和電化學工作 站11的監測數值，同時上傳到雲端資料庫進行保存；其中整個系統採用時間、壓力雙控模 式控制系統運行模式，正常運行4?6小時進行反衝10?15分鐘，若壓力變送器3-1傳 感值突然超過300KPa，系統自動切換運行反衝洗模式，當壓力變送器3-2傳感值突然降至 20KPa，系統自動切換為正常運行模式。

【具體實施方式】 [0025] 二：本實施方式的使用一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的方 法，具體步驟如下：
[0026] 一、進水線段：突發性受汙染水源通過混凝、沉澱、氣浮、砂濾技術中的一種或幾種 組合初步預處理後經由齒輪泵1-1泵入，流經數顯流量計2-1計量、壓力變送器3-1測壓 後，經由常開型電磁閥4-1控制開啟後進入預處理超濾單元5 ;其中，進水流量控制在15? 30L/h，進水壓力控制在150KPa?300Kpa ;
[0027] 二、濃縮線段：突發性受汙染水源經預處理超濾單元5處理後，由手動球閥6設定 控制初始濃縮比在5?15之間，經常開型電磁閥4-2控制開啟後，由數顯流量計2-2計量、 進入濃縮池7,通過油分分析儀10進行油分測定；
[0028] 三、出水線段：突發性受汙染水源經預處理超濾單元5處理後，經常開型電磁閥 4-3控制開啟後，進入清水池8,通過電化學工作站11進行重金屬測定；
[0029] 四、反衝洗段：由齒輪泵1-2提供動力後，經壓力變送器3-2測壓，通過常閉型電 磁閥9-2控制開啟後進入預處理超濾單元5進行反衝洗後；由預處理超濾單元5下端的 進水口排出後經常閉型電磁閥9-1控制開啟後向外排放，即完成；其中，進水壓力控制在 150KPa ?300KPa。

【具體實施方式】 [0030] 三：本實施方式與二不同的是：數顯流量計2-1控制 進水流量為20L/h，壓力變送器3-1控制進水壓力為200Kpa，壓力變送器3-2控制進水壓力 為200Kpa。其它與二相同。

【具體實施方式】 [0031] 四：本實施方式與二或三不同的是：數顯流量計2-1 控制進水流量為25L/h，壓力變送器3-1控制進水壓力為250Kpa，壓力變送器3-2控制進水 壓力為250Kpa。其它與二或三相同。

【具體實施方式】 [0032] 五：本實施方式與二至四之一不同的是：所述的突發 性受汙染水源為油分、重金屬中的一種或兩種按任意比混合。其它與二至四 之一相同。

【具體實施方式】 [0033] 六：本實施方式與二至五之一不同的是：所述的突發 性受汙染水源經預處理超濾單元（5)處理的處理方法是採用膜法預處理技術對水源突發 性汙染物進行濃縮、分離，消除水體背景成份，即完成。其它與二至五之一相 同。

【具體實施方式】 [0034] 七：本實施方式與二至六之一不同的是：所述的水體 背景成份包括天然腐殖質、蛋白質類、多聚糖類、膠體顆粒、微生物、新興微汙染物藥品、個 人護理品和內分泌幹擾物中的一種或多種按任意比的組合。其它與二至六之 一相同。

【具體實施方式】 [0035] 八：本實施方式與二至七之一不同的是：所述的膜法 預處理技術是採用親水疏油膜處理，輔以混凝、沉澱、氣浮、砂濾技術中的一種或幾種組合 而成。其它與二至七之一相同。

【具體實施方式】 [0036] 九：本實施方式與二至八之一不同的是：所述的砂濾 技術為普通快濾池、生物砂濾或生物活性炭濾池，所述的濾池填料為石英砂、錳砂、活性碳 中的一種或幾種按任意比組合。
[0037]

【具體實施方式】十：本實施方式與【具體實施方式】二至九之--不同的是：所述的親 水疏油膜材質為聚偏氟乙烯、聚碸、聚醚碸、醋酸纖維素、聚丙烯腈、聚醯胺、聚醯亞胺中的 一種或幾種按任意比混合；親水疏油膜組件形式為平板膜、卷式膜、中空纖維膜或管式膜。 其它與【具體實施方式】二至八之一相同。

【具體實施方式】 [0038] i^一 ：本實施方式與二至十之一不同的是：所述的混 凝劑為鐵鹽、錳鹽、鋁鹽、高分子絮凝劑中的一種或幾種按任意比組合。其它與具體實施方 式二至九之一相同。
[0039] 通過以下實施例驗證本發明的有益效果：
[0040] 實施例1
[0041] 本實施例的飲用水高風險汙染物監測預警流程簡述為：一、突發性受汙染水源水 經前處理後進入親水疏油膜濃縮、分離工段；二、膜工段濃縮水進入油分實時監測工段，完 成後溢流排出；三、膜工段過濾水進入重金屬實時監測工段，完成後溢流排出；四、膜工段 定時清洗，保證油分、重金屬實時監測工段的靈敏性。
[0042] 工藝流程分為正向過濾過程、反向清洗過程。正向過濾過程由進水線段、濃縮線 段、出水線段依次構成；反向清洗過程由反衝洗段構成；詳細操作過程表述如下：
[0043] 一、進水線段：突發性受汙染水源混以混凝劑5mg/L後經由齒輪泵1-1泵入，流經 數顯流量計2-1計量15L/h、壓力變送器3-1測壓130kPa後，由常開型電磁閥4-1控制開啟 後進入預處理超濾單元5 ;
[0044] 二、濃縮線段：突發性受汙染水源經預處理超濾單元5處理後，由手動球閥6設定 初始濃縮比10:1，經常開型電磁閥4-2控制開啟後，由數顯流量計2-2計量1. 5L/h、進入濃 縮池7通過哈希油分分析儀10進行油分測定；
[0045] 三、出水線段：突發性受汙染水源經預處理超濾單元5處理後，經常開型電磁閥 4-3控制開啟後，進入反衝洗水源自清水池8通過電化學工作站11進行重金屬測定；
[0046] 四、反衝洗段：由齒輪泵1-2提供動力後，經經壓力變送器3-2測壓--控制壓力 為150KPa，通過常閉型電磁閥9-2控制開啟後進入預處理超濾單元5進行反衝洗後；由預 處理超濾單元5下端的進水口排出後經常閉型電磁閥9-1控制開啟後向外排放，即完成。
[0047] 本實施例中物聯感知網絡監控系統12實時採集油分分析儀10和電化學工作站 11的監測數值，同時上傳到雲端資料庫進行保存；其中整個系統採用時間、壓力雙控模式 控制系統運行模式，正常運行6小時進行反衝10分鐘，若壓力變送器3-1傳感值突然超過 300KPa，系統自動切換運行反衝洗模式，當壓力變送器3-2傳感值突然降至20KPa以下，系 統自動切換為正常運行模式。
[0048] 本實施例所採用的突發性受汙染水源為加標後的松花江原水；
[0049] 本實施例所採用的混凝劑為聚合氯化鋁；
[0050] 所述的膜法預處理技術中使用的親水疏油膜材質為改性醋酸纖維素卷式膜。
[0051] 本實施例對松花江原水預警結果見表1所示：
[0052] 表1實施例1的預警結果
[0053] ο

【權利要求】
1. 一種飲用水高風險汙染物監測預警系統，其特徵在於它包括齒輪泵（1)、數顯流量 計（2)、壓力變送器（3)、常開型電磁閥（4)、預處理超濾單元（5)、手動球閥（6)、濃縮池 (7)、清水池（8)、常閉型電磁閥（9)、油分分析儀（10)、和電化學工作站（11)和物聯感知網 絡控制系統（12);其中，齒輪泵（1)是由齒輪泵（1-1)和齒輪泵（1-2)構成，數顯流量計（2) 是由數顯流量計（2-1)和數顯流量計（2-2)構成，壓力變送器（3)是由壓力變送器（3-1)和 壓力變送器（3-2)構成，常開型電磁閥（4)是由常開型電磁閥（4-1)、常開型電磁閥（4-2) 構成和常開型電磁閥（4-3)，常閉型電磁閥（9)是由常閉型電磁閥（9-1)和常閉型電磁閥 (9-2)構成； 所述的齒輪泵（1-1)的出水端與數顯流量計（2-1)的進水端連通，數顯流量計（2-1) 出水端與常開型電磁閥（4-1)的進水端連通，壓力變送器（3-1)信號採集端設置在數顯流 量計（2-1)的出水端上，常開型電磁閥（4-1)的出水端與預處理超濾單元（5)的下端進水 口連通，並與常閉型電磁閥（9-1)的進水口連通，預處理超濾單元（5)的左側出水口與常 開型電磁閥（4-3)的進水口連通，常開型電磁閥（4-3)的出水口與清水池（8)的進水口連 通，電化學工作站（11)進水口與清水池（8)的出水口連通，預處理超濾單元（5)下端的濃 縮水出水口與手動球閥（6)的進水口連通，手動球閥（6)的出水口與常開型電磁閥（4-2) 的進水口連通，常開型電磁閥（4-2)的出水口與數顯流量計（2-2)的進水口連通，數顯流量 計（2-2)的出水口與濃縮池（7)進水口連通，濃縮池（7)中放置有油分分析儀（10)，齒輪 泵（1-2)的出水口與常閉型電磁閥（9-2)的進水口連通，壓力變送器（3-2)的信號採集端 設置在常閉型電磁閥（9-2)的進水口上，常閉型電磁閥（9-2)的出水口與預處理超濾單元 (5)的右側反衝洗進水口連通，齒輪泵（1)、數顯流量計（2)、壓力變送器（3)、常開型電磁閥 (4)、預處理超濾單元（5)和常閉型電磁閥（9)的電控制端分別連接在物聯感知網絡控制系 統（12)的控制信號輸出端上，油分分析儀（10)和和電化學工作站（11)的檢測信號輸出端 分別連接到物聯感知網絡控制系統（12)的信號輸入端。
2. 使用一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的方法，其特徵在於具體步驟如下： 一、 進水線段：突發性受汙染水源通過混凝、沉澱、氣浮、砂濾技術中的一種或幾種組合 初步預處理後經由齒輪泵（1-1)泵入，流經數顯流量計（2-1)計量、壓力變送器（3-1)測壓 後，經由常開型電磁閥（4-1)控制開啟後進入預處理超濾單元（5);其中，進水流量控制在 15?30L/h，進水壓力控制在150KPa?300Kpa ; 二、 濃縮線段：突發性受汙染水源經預處理超濾單元（5)處理後，由手動球閥（6)設定 控制初始濃縮比在5?15之間，經常開型電磁閥（4-2)控制開啟後，由數顯流量計（2-2) 計量、進入濃縮池（7)，通過油分分析儀（10)進行油分測定； 三、 出水線段：突發性受汙染水源經預處理超濾單元（5)處理後，經常開型電磁閥 (4-3)控制開啟後，進入清水池（8)，通過電化學工作站（11)進行重金屬測定； 四、 反衝洗段：由齒輪泵（1-2)提供動力後，經壓力變送器（3-2)測壓，通過常閉型電磁 閥（9-2)控制開啟後進入預處理超濾單元（5)進行反衝洗後；由預處理超濾單元（5)下端 的進水口排出後經常閉型電磁閥（9-1)控制開啟後向外排放，即完成；其中，進水壓力控制 在 150KPa ?300KPa。
3. 根據權利要求2所述的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的使用方法，其特徵 在於所述的突發性受汙染水源為油分、重金屬中的一種或兩種按任意比混合。
4. 根據權利要求2所述的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的使用方法，其特徵 在於所述的突發性受汙染水源經預處理超濾單元（5)處理的處理方法是採用膜法預處理 技術對水源突發性汙染物進行濃縮、分離，消除水體背景成份。
5. 根據權利要求2所述的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的使用方法，其特徵 在於所述的水體背景成份包括天然腐殖質、蛋白質類、多聚糖類、膠體顆粒、微生物、藥品、 個人護理品和內分泌幹擾物中的一種或多種按任意比的組合。
6. 根據權利要求4所述的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的使用方法，其特徵 在於所述的膜法預處理技術是採用親水疏油膜處理，輔以混凝、沉澱、氣浮、砂濾技術中的 一種或幾種組合而成。
7. 根據權利要求6所述的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的使用方法，其特徵 在於所述的砂濾技術為普通快濾池、生物砂濾或生物活性炭濾池，所述的濾池填料為石英 砂、錳砂、活性碳中的一種或幾種按任意比組合。
8. 根據權利要求6所述的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的使用方法，其特徵 在於所述的親水疏油膜材質為聚偏氟乙烯、聚碸、聚醚碸、醋酸纖維素、聚丙烯腈、聚醯胺、 聚醯亞胺中的一種或幾種按任意比混合；親水疏油膜組件形式為平板膜、卷式膜、中空纖維 膜或管式膜。
9. 根據權利要求2所述的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的使用方法，其特徵 在於所述的混凝劑為鐵鹽、錳鹽、鋁鹽、高分子絮凝劑中的一種或幾種按任意比組合。
10. 根據權利要求2所述的一種飲用水高風險汙染物監測預警系統的使用方法，其特 徵在於步驟一和四中進水壓力為150KPa?300Kpa。
【文檔編號】G01N27/26GK104155276SQ201410418404
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2014年8月22日
【發明者】馬軍, 孫志強, 王盼盼, 鍾翔燕 申請人:哈爾濱工業大學