一种扩大在线水质检测限范围的水样稀释系统

一种扩大在线水质检测限范围的水样稀释系统

许金明

天津市华宇膜技术有限公司 天津 300100

摘要：为解决水质检测分析方法测定范围的局限性，设计了一种适用于在线分析高浓度水质指标的水样稀释系统。本文阐述了该水样稀释系统的总体方案设计思路，计算方法以及主程序控制流程，实现了在线对高浓度水样的快速、精确稀释，扩大了在线水质检测限范围，且能够根据检测结果自动判断所处区间，精准检测，减少人为干预。

关键词：自动切换；扩大；在线检测限范围；稀释系统；

A water sample dilution system for expanding the detection limit of online water quality

Xu jinming

(Tianjin Huayu Membrane Technology Co.,Ltd., Tianjin 300100, China)

Abstract：In order to solve the limitation of the determination range of water quality detection and analysis methods, a water sample dilution system suitable for on-line analysis of high concentration water quality indicators was designed. This paper describes the overall design idea, calculation method and main program control process of the water sample dilution system, realizes the rapid and accurate online dilution of high concentration water samples, expands the online water quality detection range, and can automatically judge the range according to the detection results, accurately detect and reduce human intervention.

key word：Automatic switching; expand; On line measuring range；Dilution system

引言

水资源污染是阻碍我国生态文明发展的主要因素，水质在线自动检测技术已经广泛应用于国家和地区重要河流、湖泊、水利工程等水域的实时连续监测和远程监控^[1],而水质检测设备的广泛应用对我国水资源保护、水污染治理工作有效开展意义重大^[2]。在线水质检测仪是用于监测水环境、水源质量及其污染程度的专用仪器，具有高性能、微小、快速等特点，其功能设计备受社会关注。为了加强水环境管理，及时监测河流被污染区域水质，提高突发污染事故的实时监测和应对处理能力，现场连续自动水质检测仪因快速、实时、准确而备受环保部门青睐^[3]。

自来水厂、微污染水源水质指标较低，成分简单，常规水质在线检测仪能够满足实时在线检测，用于指导实际生产。然而对于市政污水厂而言，进出水水质指标较高，超出了水质检测分析方法的测定范围，工业废水水质指标更是复杂多变，废水中成分也尤其复杂，这给在线水质检测带来了挑战，常规的水质在线监测仪表在一定程度上不能满足水质检测的需要。

1. 常规检测方法

由于技术限制在线检测仪不能对高浓度水样的水质直接进行测定，为扩大水质在线检测仪表的使用领域，常规检测方法是在水样进入水质在线检测仪之前增加预处理设备，将待测水样和稀释用的纯水分别注入稀释容器中，即进行一定倍数的稀释，混合均匀后再泵取其中一小部分混合后的水样进行检测，需将待测液反复稀释多次^[4]。

2.常规检测方法存在的问题

常规检测方法在一定程度上解决了高浓度水样的在线检测问题，对于水质常年波动较小的水样来说，可以根据人工取样检测的结果或者规律，设定稀释倍数，来实现水质在线检测仪的准确测定，但是实际水质因季节、水厂运营情况等多种因素影响，常出现较大波动的情况，且这种方式需要大量的稀释纯水，需要定期补充稀释纯水，增加了相应的运行成本、造成了一定程度的浪费，此外，增加了水质分析测定周期，步骤繁琐，本文介绍了一种扩大水质检测限范围的水样稀释系统的设计思路及自动化控制，来实现在线对高浓度水样的稀释，减少稀释水的浪费，优化检测系统，达到自动切换稀释倍数的目的。

3.扩大在线水质检测限范围的水样稀释系统

3.1总体方案设计

本水样稀释系统可集成在水质在线检测仪表内，属于水质在线检测仪表的一部分，亦即稀释操作作为水质检测的步骤之一，也可以单独设置，其通过对高浓度水样进行一定倍数的稀释来提高水质在线检测仪的检测限范围。系统配置如图1所示：

图1稀释系统工艺路线

系统涉及水样槽、纯水箱、采样泵、稀释泵、混合排放泵、混合反应池以及控制单元等组成，水样槽用于贮存待检测水样，水样不断的由水样槽的底部进水，水满后水样从水样槽的上部溢流出，保证所测水样为实时样品，当系统检测水样水质指标超出检出限时，才会启动稀释系统，按照程序设定对水样进行稀释，水样和纯水分别通过采样泵和稀释水泵按照比例进入混合反应池，其也作为在线仪表的检测单元，混合排放泵对混合反应池内的液体进行充分混合，仪表根据程序设定进行水质检测，检测完成，混合排放泵将混合反应池内的废液排放，系统自动识别检测结果是否在检测范围内，如果仍超出检测范围，则增大稀释倍数，若在检测范围内，则根据程序设定，进行下一个水样检测流程。

3.2 水样稀释系统的计算方法

根据水质在线仪表检测结果，若检测结果超出检出限（设定在线水质仪表检测范围为[M，F]，其中M为仪表最低检出限），则在线稀释系统将根据以下算法对水样进行稀释处理：

a、a_m、b_m满足如下关系式：

；

；

其中，a——第一次水样检测采样泵的运行时间；

a_m——本次采样泵的运行时间；

Q₁——采样泵的流量；

b_m——本次稀释水泵的运行时间；

Q₂——稀释水泵的流量；

n_m——稀释倍数，n₀为不稀释，m的起始值为1，_当m=1时，n₁=5 ；_当m≥2时，_。

3.3水样稀释系统的程序控制流程

为实现高浓度水样的在线检测，根据检测结果自动调整稀释倍数，减少人为干预的目的，设计水样稀释系统的控制程序，该控制程序可为在线仪表控制程序的一部分，也可单独设计控制单元与水质在线仪表控制单元相连，根据水质在线仪表的检测结果对水样进行稀释，其具体控制流程如图2所示：

图2水样稀释系统的程序控制流程

起始水样检测时，采样泵运行a秒将固定容积水样泵至混合反应池，此时稀释系统不工作，默认为稀释倍数为0；水质在线仪表根据设定程序对混合反应池内的水样进行检测；若检测值在仪表设定检测限范围内时不进行稀释步骤；

若检测值超出仪表设定检测限范围时，根据控制单元的程序设定对水样进行n_m倍稀释，其步骤如下：

（1）采样泵运行a_m秒将一定量水样泵至混合反应池，稀释水泵运行b_m秒将一定量的纯水泵入固定容积的混合反应池；

（2）混合排放泵运行c秒，将混合反应池内的水样和出水进行充分混合后待检测；

（3）混合完成后控制单元向水质在线仪表发出检测信号，水质在线仪表对稀释水样浓度进行检测，检测完成后混合排放泵反转d秒将混合反应池内的废水排放掉；

（4）控制单元采集水质在线仪表的检测结果，与控制单元所设定的在线水质仪表检测限范围相比较，根据比较结果分为以下三种情况：

A.若控制单元判断稀释水样浓度超出水质在线仪表检测限[M，F]范围内，系统自动继续稀释水样，令m=m+1，继续扩大稀释倍数；

B.若控制单元判断稀释水样浓度在[1/2F, F]范围内，令m=m，保持该稀释倍数；

C.若控制单元判断稀释水样浓度在[M ,1/2 F）范围内，降低稀释倍数，当m≥2时，若检测结果*n_m仍在[M , 1/2F）范围内，令m=m-2，若检测结果*n_m在[1/2F, F]范围内，令m=m-1；当m=1时，水样不稀释，即稀释系统不工作。

3.4系统的实现

本文将该稀释系统与公司现有在线氨氮仪表AN12相结合，该稀释系统的混合反应池作为AN12的检测单元，将稀释系统控制单元与AN12控制单元相连接，因AN12的检测限范围为0.02～2mg/L，无法检测高浓度水样，现选择稀释5倍和10倍的两种稀释倍数的稀释系统与AN12联合对氨氮浓度20mg/L以内的水样进行检测，为避免偶然事件发生，稀释系统控制单元以水质在线仪表连续三次检测结果的分布情况与控制单元所设定的在线水质仪表检出限范围相比较，若检测结果都超出检测限[0.02，2]范围时，需要进一步扩大稀释倍数；若检测结果在[1, 2]时，保持该稀释倍数；若检测结果在[0.02，1）范围内时，降低稀释倍数或者不进行稀释。

实验室配置氨氮浓度为0.5mg/L、6mg/L和15mg/L的标准水样进行验证性实验，采用稀释系统对水样进行5倍和10倍稀释后AN12的检测限范围分别为0.02～10mg/L、0.02～20mg/L，其中AN12的标准曲线回归方程式y=1.15x+0.0031，相关系数R²=0.9997。

3.4.1 0.5mg/L标准水样测试

对配置的0.5mg/L标准水样进行检测，检测结果如表1所示：

表1 0.5mg/L标准水样检测结果

从表1可以看出，六次检测结果水样浓度值均小于1mg/L，因其在在线仪表检测限范围内，故不需要稀释系统对水样进行稀释后检测处理，在线仪表可根据检测频率设定对水样进行检测。

3.4.2 6mg/L和15mg/L标准水样测试

按照0.5mg/L标准水样的测试方法，依次对 6mg/L和15mg/L标准水样进行测试，两种标准水样的九次浓度检测结果如图3所示：

图3 6mg/L和15mg/L标准水样检测结果

从图3可以看出：

1. 6mg/L标准水样九次检测结果中，前三次浓度值超出了在线仪表AN12的检测限范围[0.02，2]，前三次未稀释水样，第三次后稀释系统开始工作，对水样进行稀释5倍处理，稀释后的第四次、第五次和第六次浓度值为1.2左右，系统判断该浓度值处于在[1, 2]范围内，保持5倍稀释倍数，继续检测水样，后三次的浓度值也为1.2左右；

2. 15mg/L标准水样九次检测经历了三个阶段，刚开始检测，未对标准水样进行稀释，浓度值远大于在线仪表检测限范围，数据存在较大偏差，第四次开始进行5倍稀释，但其浓度值仍超出在线仪表的测定上限2mg/L，且三次检测结果相差不大，稀释系统自动扩大稀释倍数至10倍，最后三次检测值为1.5左右，处于在[1, 2]范围内，保持稀释10倍继续进行检测。

3.4.3 0.5mg/L替代15mg/L标准水样测试

为测试日常检测过程中水质突变情况，考察稀释系统的智能型，在3.4.2的基础上本文将0.5mg/L替代15mg/L标准水样进行测试，检测结果如图4所示：

图4 0.5mg/L替代15mg/L标准水样检测结果

从图4可以看出，第十次检测前将0.5mg/L替代15mg/L标准水样，即对0.5mg/L稀释10倍进行检测，检测结果值均在0.05mg/L左右，经过系统判断，检测值与稀释倍数的乘积0.5mg/L，在[0.02，1）范围内，下一次检测不对水样进行稀释，最后三次检测结果也验证了这一点。

4 结语

增加在线稀释系统可有效的提高水质在线检测仪表的检测限范围，提高了自动化程度，在水质波动较大的情况下，减少药剂消耗及节省检测时间，达到全天候无人值守^[5]，但检测精准度及更高的检测限范围受在线稀释系统的影响，依赖于稀释系统所用设备的精准度，随着国内设备质量的显著提高，相信在未来几年内，国产设备将在一定程度上替代进口设备。

参考文献

[1] 罗海健, 李冬梅. 水质在线监测技术在实验教学中的应用研究[J]. 实验科学与技术, 2021, 19(2): 128-131，145.

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[3]杨蕾，张珊珊.氨氮水质在线自动监测仪对比及发展趋势.镇江高专学报. 2020,33(03):36-38.

[4]闫振丽，陈鸿汉，唐杰.高浓度氨氮测试方法的探究[J]. 环境工程, 2015, 33: 184-186.

[5]尹洧.现代分析技术在水质氨氮监测中的应用[J]. 中国无机分析化学, 2013, 3(2): 4-6.