颗粒物计数仪在给水处理工艺中的应用

1、颗粒物计数仪在给水处理工艺中的应用北京市自来水集团公司第九水厂 崔红梅 张素霞 陈克诚 周大农北京格维恩科技有限公司 陈勇生1. 概述本文着重介绍颗粒物计数仪首次在北京水司第九水厂水处理工艺中的应用，其中包括沉淀池效果的监控、混凝剂用量的优化、滤池操作和维护的优化、滤池过滤效率的评估、定量检测出水中颗粒物的数目，为控制有害病原体提供更多的信息等。该颗粒物计数仪的实验应用成果为第九水厂工艺调整提供了科学的依据，获得了很大的社会效益和经济效益。2. 设备及测试原理2. 1 设备的主要参数及安装、运行要求通过广泛调研后，选取了国际上广泛使用的美国IBR公司生产的激光在线颗粒物计数仪。其采用高分辨率的

2、激光二极管作为检测器，量程可达18,000个/毫升，仪器内部供电电压为1214VDC，测量范围为2400微米，输入信号为240mA模拟信号，输出信号为RS232通信协议、RS485通信协议或240mA模拟信号，可同时测定出8个粒度范围的颗粒物分布。 在安装粒度仪堰管系统时，要保证水管不发生扭结及从乱。任何大于2psi的水线压力都会使堰管将水分流通过堰管顶部溢漏，这种溢漏是必要的，这样可以保证稳定的水流，但应防止堰管过多溢水。运行过程中，粒度仪机体内的干燥剂需要进行定期的再生以恢复其去湿性能，当机体内的相对湿度达到30时，干燥剂就需要进行再生了。由于被测水质不纯净的原因，滤杯需要根据水质的情况进

3、行定期的检查及清洗。2. 2 测试原理颗粒物计数仪使用精确的激光二极管光源，形成一束非常狭小又非常明亮的激光，其与被检测的液体流向垂直。入射光束由于被液体中的粒子阻挡而减弱。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。与在线浊度仪不同，在线颗粒物计数仪具有无滞后性和高精确性，其测定结果直接反映了工艺出水中颗粒物的物理参数，即颗粒物的总量（个/毫升）和粒径分布，而在线浊度仪的测试原理决定了它所测试的水样是滞后于工艺出水的，且浊度值主要能

4、反映小于1m的颗粒含量，对于大于1m的颗粒检测精度显著下降。3. 应用与讨论3. 1 沉淀池效果的监控被测试水厂采用侧向流大波形斜板沉淀池。在运行过程中，其沉淀效果波动较大，由此加重了后续工艺过程中滤池的负担，滤池过滤周期缩短。同时，还使滤池反洗频率和反洗用水量均大大增加。为了找出产生该结果的原因，我们在沉淀池的上部出水和下部出水各安装了一台在线颗粒物计数仪。其安装示意图如图 1。沉淀池计数仪颗粒物计数仪计数仪颗粒物进水上部下部图 1 颗粒物计数仪测定沉淀池效果示意图根据图 1的设计，对沉淀池测试的结果见图 2。比较图中不同水样的粒度分布可以看出：颗粒物的粒度在不同粒径上的分布是沉淀池上部出水

5、明显高于沉淀池下部出水。但是，同期烧杯实验的结果（加入10mg/L混凝剂）没有发现上述现象。这说明沉淀池中絮体的沉淀效果不佳或斜板间被污泥堵塞。通过加强沉淀池清洗，其出水有了明显改善。3. 2 混凝剂投加量对过滤效果的影响大量的实验研究表明：混凝剂投加量不足和过量，都会使滤池出水中颗粒物浓度增加。因此，选择优化混凝剂的投加量对于保证水质，减少浪费具有重要意义。为研究混凝剂用量对煤滤池过滤效果的影响，我们在第九水厂三期煤滤池出水取样口安装了一台在线颗粒物计数仪，并用该粒度仪在线检测不同混凝剂投加量时煤滤池出水中不同粒径范围的颗粒物的量（采集数据可通过与在线颗粒物计数仪配套的微型打印机输出），其检

6、测结果见图 3。从图3可以看出，增加混凝剂的量可有效地改善出水中颗粒物的量，当混凝剂的量增加到30mg/L时，煤池出水的颗粒物的量可减少到50个/毫升，其浊度为0.1NTU。在此基础上，继续增加混凝剂的投加量至40mg/L时，煤池出水浊度没有变化，而颗粒物有进一步降低，但降低幅度并不大。从水处理成本考虑，净水工艺中混凝剂的投加量选择为30mg/L较为合适。这一结果与当时的烧杯实验结果是一致的。但与烧杯实验相比，在线粒度仪检测具有不可替代的优越性，它可实时、连续反映工艺出水水质的变化，水厂工艺管理人员可根据这种变化及时调整加药率。另外，从水中病原体的控制上考虑，当出水中大于2m颗粒物的量低于50

7、个/毫升时，病原体带来的风险较低，特别是降低了对氯消毒具有抗药性的贾第鞭毛虫和隐孢子虫给饮水带来的风险。美国、加拿大及欧洲国家通常将其水厂滤池出水中大于2m的颗粒物的量控制在低于50个/毫升（在此时，若过滤效率为2，滤池进水颗粒物的量为5000个/毫升左右，此时的浊度约为2NTU）。在美国地表水厂的出厂水中大于2m的颗粒物的年平均值为30个/毫升。同时，我们对煤池进水和出水也做了GC/MS（色谱质谱）分析，其结果见图4。从图中可以看出，出水中有机物的量明显减少，因此，优化混凝剂用量对水质指标的改善是相当明显的。图 4 原水和加氯工艺出水的GC/MS分析图需要强调的是，上述对混凝剂加入量的改变幅

8、度较大（幅度为10mg/L）,若对其进行微量调节时，过滤出水中颗粒物浓度的变化也会相应变小，这种情况下，按浊度仪的测试精度，是很难反映出这种变化的。颗粒物计数仪可弥补这一缺陷，准确测量出颗粒物的浓度，为精确优化混凝剂的加入量提供可靠的技术保证。 3. 3 评估滤池过滤效率滤池是用来拦截颗粒物的，是水净化工艺中不可缺少的环节，其对颗粒拦截效率的高低直接影响着出水的水质。滤池拦截颗粒物的能力可用过滤效率来表示，其通常是用对数去除率来表达的。即：过滤效率= Log10 (进水中颗粒物总量/出水中颗粒物总量)=Log10(P进/P出)若要将其改为易理解的滤池拦截颗粒物的百分率，可进行如下变换：当过滤效

9、率为1时，即：Log10(P进/P出)=1P进=10 P出此时滤池拦截颗粒物的百分率= (P进- P出)/ P进×100 %=90%，依次类推：当过滤效率为2时，滤池拦截颗粒物的百分率为：99%当过滤效率为3时，滤池拦截颗粒物的百分率为：99.9%通常取对数值2作为标准来评估滤池的运行效率。当对数值高于2时，说明滤池处于正常运行状态；当对数值低于2时，说明滤池运行的效率太低，需要建造新的滤池。因此，利用颗粒物计数仪对滤池进、出水颗粒物实时测定的结果可用来评估过滤效率，及时发现由于滤池填料的断裂、填料粒径选择不当、填料的流失、滤池超负荷运转等所造成的过滤效率降低等问题，并通过数据分析提

10、出科学的方案来调整工艺参数，实现滤池的科学管理，以保证供水水质。通过利用颗粒物计数仪测定出了不同运行时间的滤池在运行过程中的滤池进水和出水中颗粒物的量，并对其过滤效率进行了计算，得到运行15年的煤砂双层滤料的虹吸滤池的过滤效率结果见图5(测试期间在混合井投加5mg/L的聚合氯化铝，在配水井投加23mg/L的三氯化铁)；运行8年和3年的单层均质煤滤料的普通快滤池的过滤效率结果见表1。 运行8年和3年的普通快滤池的过滤效率 表1运行8年运行3年15 mg/l20 mg/l10 mg/l20 mg/l30 mg/l1.671.871.431.382.55从图5可以清楚地看出，在滤池进水浊度小于1.0

11、NTU时，运行15年的虹吸滤池的效率都十分低，大概在0.5左右，相当于66%左右的拦截百分率（此时的浊度去除率大约为50%）。继续在此过滤条件下运行，当工艺有所波动时，是很难保证出水水质的。为了进一步考察该滤池滤料过滤的有效性，我们对部分滤池的滤料进行了更换，同时采用在线颗粒物计数仪对更换后的滤池和未更换的滤池进行严格的监控，发现更换滤料并没有提高滤池的过滤效率，但滤池的反冲周期延长了。因此还应对滤料的级配及滤池的反冲强度等进行进一步考察。 从表1的结果可以看出，运行8年和3年的单层均质煤滤料的普通快滤池处于较为正常的运行状态。3. 4 过滤过程的监控 为系统地了解过滤的全过程，我们选取了一个

12、普通快滤池进行了全过程监控，其测试结果见图 6。从上图可以看出，滤池在整个运行过程（包括反冲洗过程）中，颗粒物的数目除反冲过程和初滤水的颗粒物数目有上升的趋势外，其在正常过滤时，滤池性能比较稳定。4. 结论颗粒物计数仪技术首次应用在北京第九水厂，并发现了一些工艺过程中的问题，为生产过程的科学管理和决策提供了一种新的手段。特别是在沉淀池、滤池和出厂水水质的监测和调控方面取得了良好的效果。在此基础上提出的建议切实可行，为优化水处理工艺，确保水质，提供了准确可靠的技术保障，已获得了良好的社会效益和一定的经济效益。具 体可归纳为以下几个方面：1在实验的基础上制定并实施了对反洗水调整的方案，包括增加混凝

13、剂用量、排泥量和定期冲洗沉淀池斜板等措施。经实践证明这些措施是经济可行的，有效地稳定和改善了工艺运行状态和出水水质。2应用颗粒物计数仪对混凝过程的优化取得了较为明显的效果。实验证明，只要混凝剂用量合理，是可以得到优质的出水水质的。3颗粒物计数仪是用来进行滤池监测和滤池效率评估的有效工具，可实时监测出水水质，并及时发现生产设施和设备出现的故障。这一现代化的管理工具，可以帮助水厂管理者在科学的基础上及时进行工艺调整，解决工艺中存在的问题，从而作出正确有效的决策。4颗粒物计数仪检测的高精确性和无滞后的特性是目前各种浊度仪所不具备的。其对出厂水的监测可提供管网是否产生污染的信息，包括传统的氯消毒不能杀

14、死的危害人类健康的某些病原体，如贾第鞭毛虫Giardia和隐孢子虫 Cryptosporidium在管网中污染的信息。在前期实验应用工作的基础上，目前第九水厂正在深入开展应用颗粒物计数仪对水厂水处理工艺过程的研究工作，这一工作必将大大推动我国水厂进行科学数字化管理和控制的进程，有利于更好地提高水厂的管理水平和出水水质，降低饮用水风险。5. 主要参考文献1 Guidance Manual for Compliance with the Filtration and Disinfection Requirements for Public Water Systems Using Surface W

15、ater Sources, USA Environmental Protection Agency, 1991 Edition.2 Microbial and Disinfection Byproduct Rules Simultaneous Compliance Guidance Manual, USA Environmental Protection Agency, Water Division, 19993 National Primary Drinking Water; Filter Backwash Recycling Rule; Final Rule, USA Environmen

16、tal Protection Agency, Federal Register / Vol. 66, No. 111 / Friday, June 8, 2001 / Rules and Regulations4 E. E. Hargesheimer et al， Tracking filter performance with particle counting, AWWA, Vol. 90, Issue 125 Erika E. Hargesheimer, et al，Fundamentals of Drinking Water Particle Counting， September 2

17、0006 Monitoring Drinking Water Supplies for Protozoan Pathogens, Joanne OToole and Christine Kaucner, 61st Annual Water Industry Engineers and Operators Conference, Civic Centre Shepparton, 2 and 3 September, 19987 Nancy E. McTigue (Editor)， National Assessment of Particle Removal by Filtration， October 19988 Zaid K. Chowdhury (Editor)，P