在线激光颗粒计数仪在水处理中的应用_王东升

在线激光颗粒计数仪在水处理中的应用王东升1,陈勇生2(1.中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室,北京100085;2.北京格维思科技有限公司,北京100074)摘要:颗粒计数仪的独特设计使之比现有的浊度测定仪和混凝烧杯试验法的灵敏度高,为优化和控制水处理过程提供了不可缺少的数据。颗粒计数仪可用于优化絮凝剂的加入量、优化絮凝器的设计和操作条件、监测和评估过滤器的过滤效率、优化过滤器的操作和维护(如反洗频率)、定量监测出水颗粒物以及为控制有害病原体提供更多的信息。它对于控制生产过程、提高出水水质、降低原材料的消耗都起到了十分重要的作用。关键词:水质检测;激光颗粒计数仪;颗粒物中图分类号:TU991.21文献标识码:B文章编号:1000-4602(2003)09-0029-03基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2002AA601120);国家自然科学基金资助项目(50078051)随着各种先进水处理工艺的推广应用,越来越趋严格化的水质标准使得浊度仪的测定已达到了其灵敏度的极限,因此以颗粒计数方式对水处理工艺过程与出水中的水体颗粒物进行监测与表征得到越来越广泛的应用。目前颗粒计数仪已广泛应用于油田废水处理、半导体、过滤设备生产、航天、军工以及医药化工等行业。在美国约有500多家水处理厂采用这种仪器,几乎所有的油田下注水的质量控制都采用这种仪器,欧洲、日本、韩国和印度等也开始将颗粒计数仪应用于水处理中。在我国北京第九水厂已有应用。1颗粒计数仪与浊度仪的区别颗粒计数仪的独特设计使之比现有的浊度测定仪和混凝烧杯试验法的灵敏度高,为水处理过程的优化和监控提供了不可缺少的数据。浊度仪是用来测量水的相对澄清程度,它不直接反映颗粒物的物理参数。大多数浊度仪是用钨灯照射水样,然后用光电二极管在一定角度上测定来自颗粒物“云”的散射,用颗粒物云的亮度作为仪器的电输出信号。浊度仪的测量结果受颗粒物对光的散射能力的影响,深色颗粒物(如碳粒)或对光散射能力低的颗粒物(如生物颗粒、藻类)会导致光信号减弱,使测量结果偏低,而测量体系中散射能力强的超细颗粒物会导致光信号被夸大,使测量结果偏高。颗粒计数仪使用更精确的激光二极管光源,形成一束与被检测的液体流向垂直的非常狭小而明亮的激光,入射光束由于被液体中的粒子阻挡而减弱(见图1),这种瞬时的光强变化引起光电二极管接收电压信号的变化,该变化与粒子通过光束时的截面积成正比。每一个粒子通过光束时均引起一个电压脉冲信号,脉冲信号的多少反映了粒子的数量,不同粒径的颗粒物数目由不同的测量频道获得。与浊度仪不同,颗粒计数仪的测定结果直接反映了颗粒物的物理参数,即颗粒物的总量(个mL)和粒径分布。图1颗粒计数仪的测量原理·29·中国给水排水2003Vol.19CHINAWATER&WASTEWATERNo.92在水处理中的应用2.1优化絮凝剂加入量在对絮凝剂加入量进行微量调节时,因过滤器出水中颗粒物浓度较低,而使浊度仪和混凝烧杯试验法精度不够,颗粒计数仪则可准确测量此时的颗粒物浓度,为优化絮凝剂投量提供了必不可少的技术保证。Bearspaw水厂利用颗粒计数仪在1997年7月—9月间对该厂絮凝剂的加入量进行了优化。颗粒计数仪的高灵敏度是测量成功的关键(出水中粒径>2μm的颗粒物总量可低至10个mL)。试验结果表明,当加入量为10mgL时出水中颗粒物的总量可高达300个mL,而当加入量为6mgL时出水中颗粒物的总量为40个mL,而且过滤器出水的颗粒物总量最稳定。若将絮凝剂加入量由10mgL减至6mgL则该厂可节省药剂费为2.4万美元月。2.2改进絮凝器的设计和操作传统絮凝过程的设计、操作以及评估是以停留时间和搅拌强度或G×t值为依据,但是由于该值的选择范围很宽,难以找出符合个别水处理厂特定条件的最佳值,而且难以指导找出设计中的失误。例如在絮凝器的设计中,虽然存在一些选择旋转方向和搅拌速度的经验方法,但这些方法的可重现性和量化程度尚有疑问。沉淀池的浊度虽可作参考,但浊度的测量原理决定其本身并不能很好地表征颗粒物数量和动力学特性,特别是不能表征絮凝中颗粒物是否从小变大的过程,另外浊度测量的滞后性也使其不能及时反映絮凝效果。而颗粒计数仪可用来实时监测絮凝过程中颗粒物的动力学变化结果,为优化絮凝过程的设计和操作提供可靠的依据。2.3确定絮凝反应器的最佳操作条件韩国Shaewoon水处理厂采用颗粒计数仪对絮凝过程中颗粒物大小的动态变化进行了监控,并用来指导选择絮凝器的最佳操作条件。该厂设计处理能力为2×104m3d。絮凝器采用三级划桨式搅拌器,各级之间由带孔的墙分隔。试验开始时,絮凝器在传统的优化条件下操作:三级的旋转方向分别为逆时针、顺时针和顺时针,旋转速度分别为2.9、2.2和0.6rmin。但是,用颗粒计数仪对絮