水處理工藝在線水質(zhì)分析儀應用研究

王 璐

（山東萊克工程設計有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

水質(zhì)檢測主要包括對水中化學物質(zhì)、底泥、懸浮物及水生態(tài)系統(tǒng)進行統(tǒng)一的定時和不定時檢測，測定水中所含污染物的種類、濃度及變化趨勢，并對水質(zhì)狀況進行評價。主要檢測項目可分為兩大類：①反映水質(zhì)狀況的綜合指標，如溫度、濁度、pH 值、電導率、溶解氧、化學需氧量等；②一些有毒物質(zhì)，如酚、砷、鉛、鉻、汞、有機農(nóng)藥等[1]。

水質(zhì)檢測對整個水環(huán)境保護、水污染控制，及水環(huán)境健康維護等方面有重要的意義。對飲用水來說，如果水中存在傷寒、霍亂、痢疾等病菌時，會造成傳播；若水中含有某些礦鹽雜質(zhì)，如水中氟含量過多，會使牙齒產(chǎn)生斑紋，嚴重者可使牙齒潰壞。對工業(yè)用水而言，不同生產(chǎn)過程對水質(zhì)的要求也不同。如鍋爐用水應避免含有大量鈣、鎂的硫酸鹽，否則易產(chǎn)生水垢，增加燃料消耗的同時，還有可能引發(fā)鍋爐爆炸事故。對石油行業(yè)而言，油田污水處理是影響油田生態(tài)環(huán)境的重要工作，加強對油田污水相關(guān)指標的檢測對環(huán)境保護和油田行業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

1 在線水質(zhì)分析儀

1.1 定義

在線水質(zhì)分析儀是一種水質(zhì)檢測儀表，水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的核心，其運用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動測量技術(shù)、自動控制技術(shù)等，采用化學法、電化學法、光譜法等分析方法，能夠?qū)λ|(zhì)參數(shù)進行實時連續(xù)在線測量和分析。在線水質(zhì)分析儀主要監(jiān)測對象有：化學需氧量（COD）、氨氮、總氮、總磷、pH 值、電導率、濁度等。

1.2 分類

根據(jù)應用目的的不同，在線水質(zhì)分析儀可以分為兩大類：監(jiān)測型和過程型。

1）監(jiān)測型

監(jiān)測型水質(zhì)分析儀不參與水處理工藝的過程控制，僅負責水質(zhì)監(jiān)測，用來判斷水質(zhì)是否達標。它監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)主要包括COD、總磷、總氧、氨氮和重金屬等。這類分析儀的準確度要求高，其數(shù)據(jù)可以作為執(zhí)法管理的依據(jù)。

2）過程型

過程型水質(zhì)分析儀參與水處理的過程控制，測量結(jié)果可以用來優(yōu)化水處理工藝，提升水處理效率，達到節(jié)能降耗的效果。這類水質(zhì)分析儀的可靠性和穩(wěn)定性要求高，能夠準確反映水質(zhì)的變化，其數(shù)據(jù)可以作為水處理過程的依據(jù)。

1.3 典型應用

在線水質(zhì)分析儀的應用非常廣泛，在石油化工行業(yè)、制藥行業(yè)、自來水行業(yè)、市政污水處理行業(yè)等都有應用。如在線TOC 分析儀在石油化工行業(yè)凝結(jié)水回收工藝中已成為標準配置，也是制藥行業(yè)里作為制藥用水有機雜質(zhì)監(jiān)控的重要儀器。溶解氧在線檢測儀在市政污水處理行業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)能夠起到降低能耗，節(jié)省運行費用的作用。在線硬度、在線鈉離子分析儀可以對鍋爐的進水處理工藝進行優(yōu)化。

2 水處理工藝中常見的在線水質(zhì)分析儀

水處理工藝按照水的用途及涉及的水處理技術(shù)不同，大致可以分為凈水處理、污水處理以及工業(yè)純水處理3 種不同工藝，3 種工藝涉及的主要水質(zhì)工藝參數(shù)各不相同[2]。其中，濁度和余氯是凈水工藝中最為關(guān)鍵的工藝運行參數(shù)。如果采用膜處理技術(shù)，還會監(jiān)測污染指數(shù)。在生物法污水處理工藝中，溶解氧、污泥濃度、pH/ORP 儀表、有機物濃度以及氨氮、硫酸鹽是水處理工作者關(guān)心的指標。工業(yè)純水處理方面pH 值、電導率以及二氧化硅，有機碳和鈉離子是常見水質(zhì)參數(shù)。針對以上這些水質(zhì)參數(shù)都己經(jīng)有了相應的在線水分析儀器，而且為了滿足新的水處理工藝的發(fā)展和水行業(yè)用戶操作和維護方便性的要求，這些儀器的功能和易操作性還在不斷改進。

本文結(jié)合油田污水處理項目中常用的3 種在線水質(zhì)分析儀進行著重分析介紹，包括pH 值檢測儀、電導率檢測儀、濁度檢測儀。

2.1 pH值檢測儀

pH 定義為介質(zhì)中氫離子活度的負對數(shù)值，用于衡量介質(zhì)酸堿程度。水中所溶解的物質(zhì)的量會影響水的pH 值，所以通過pH 值可以分析水質(zhì)的變化情況。pH 值的變化會影響生物的繁殖和生存，一般污水的pH 值需要控制在6.5 ～7 之間。在水處理工藝中，常見的處理方法包括物理法、化學法、物理化學法和生物法。在這些方法中，很多化學反應要在一定的pH 值下進行，否則達不到處理要求。

1）pH 檢測儀的原理

pH 值一般采用電位法進行測量，用一個恒電位的參比電極和測量電極組成一個原電池，原電池電動勢的大小受氫離子濃度和溶液酸堿度的影響[3]。測量電極上玻璃探頭，由能夠?qū)щ?，能滲透氫離子的特殊玻璃加工制造而成，其對pH 的反應很靈敏。當玻璃探頭和氫離子接觸時，就產(chǎn)生了電位，這個電位是通過懸吊在氯化銀（AgCl）溶液中的銀絲與參比電極做對比而得到的。pH 值不同，產(chǎn)生的電位就不同，通過變送器將其轉(zhuǎn)換成標準的4mA ～20mA 輸出。

2）pH 檢測儀的組成

pH 檢測儀主要由參比電極、玻璃電極和變送器3 部分組成。

①參比電極

銀-氧化銀電極是有一種常用的參比電極，它可以維持恒定的電位，作為測量各種偏離電位的對照。

②玻璃電極

玻璃電極用于建立一個電位差，測量溶液中的氫離子活度變化會影響這個電位差。把玻璃電極和參比電極放在同一溶液中，會組成一個原電池，玻璃電極和參比電極電位的代數(shù)和就是電池的電位。溫度恒定條件下，該電池的電位隨待測溶液的pH 值的變化而變化。

③變送器

變送器可以在電阻極大的電路中對微小電位差進行測量，從而將原電池的電位放大，再將信號通過儀表顯示出來。

3）pH 檢測儀的安裝

pH 檢測儀的安裝不僅會影響測量的準確度，也會影響儀表的使用壽命，是檢測儀使用中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在pH電極安裝位置的選擇上一定注意選擇在介質(zhì)活動的區(qū)域，不能設置在死區(qū)。如果在流通池中安裝，要保證管路中的介質(zhì)是流動的，否則不能反映真實的測量值。pH 檢測儀的安裝方式大致分為3 種：流通池安裝、插入式安裝、浸入式安裝。

①流通池安裝

流通池安裝是將介質(zhì)引至流通池，使pH 電極插入到流通池里來測量。介質(zhì)可通過自身壓力進入流通池，也可通過采樣泵抽進流通池。要注意，當介質(zhì)操作壓力過高或操作溫度過高時，要先進行預處理，減溫減壓，達到電極的適應條件后才能進入流通池，分析完的介質(zhì)可排放至就近的水池或低壓管道。分析儀在室外安裝時，通常流通池和變送器安裝在保溫箱內(nèi)，還需要考慮取樣管和排放管的伴熱保溫。

圖1 流通池安裝原理圖Fig.1 Installation principle diagram of flow tank

②浸入式安裝

測量水池中介質(zhì)的pH，且允許pH 探頭伸進水池時，優(yōu)先選用浸入式安裝。這種安裝方式需要注意將電極始終沒入介質(zhì)液面，pH 電極長時間暴露在空氣中會失效。這種方式不用將介質(zhì)引出，所以不用考慮伴熱問題。

③插入式安裝

插入式安裝將電極直接插入管道或設備進行測量，pH電極與設備或管道采用螺紋或法蘭連接。這種方式不推薦，因為電極是需要定期維護的，而且是損耗品。這種安裝方式只能在停車時才能將電極取下來擦洗或更換，中途無法維護，且介質(zhì)流速過快時，不停沖刷電極，會減少使用壽命。在必須使用的場合，一定要選擇質(zhì)量過硬的產(chǎn)品。

2.2 電導率檢測儀

電導率是比較常用且重要的水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)之一，水的電導率是指目標水體的水能夠?qū)щ姷某潭?。純凈的水是不能導電的，也基本不存在百分之百純凈的水。水之所以可以導電是因為其中含有某些鹽等電解質(zhì)，電解質(zhì)又分為強電解質(zhì)和弱電解質(zhì)，弱電解質(zhì)的電離與平衡常數(shù)、濃度、電離度均有關(guān)系，同樣地，對于強電解質(zhì)，根據(jù)科爾勞施總結(jié)的經(jīng)驗式可看出溶液電導率也與濃度相關(guān)。所以，通過測量電導率的大小，可以間接計算出溶液中所含電解質(zhì)的濃度，了解水中電解質(zhì)的含量，通過電導率的大小能夠初步確定水質(zhì)狀況，進而采取不同的水處理方案。

1）電導率檢測儀的原理

浸入在介質(zhì)中的兩個電極測量液體的電導率。交流電壓在介質(zhì)中生成電流，為電極供電。根據(jù)歐姆定律計算電阻值或電導值G（電阻值的倒數(shù)）。通過與傳感器結(jié)構(gòu)相關(guān)的電極常數(shù)k 確定電導值，并通過此電導值確定實際電導κ[5]。

圖2 浸入式安裝原理圖Fig.2 Schematic diagram of immersion installation

圖3 插入式安裝原理圖Fig.3 Schematic diagram of plug-in installation

電導率的測量需要知道溶液的電導G 和幾何參數(shù)K。電導通過電流和電壓測得，電導率S=K×G 可以等到電導率的數(shù)值。

電極常數(shù)為K= L /A。其中，A——測量電極的有效極板；L——兩極板的距離。

如果電極間存在均勻電場，電極常數(shù)就可以通過幾何尺寸計算出來。當兩個面積為1cm 的方形極板之間相隔1cm 組成電極時，此電極的常數(shù)K=1cm-1。

2）電導率檢測儀的組成

電導率檢測儀由電導池和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。

①電導池

電導池又被稱為檢測器或發(fā)送器，它可以將溶液的濃度變化轉(zhuǎn)化為電導或電阻值的變化。電導池的電極是電導率檢測儀的核心部件，制作電極的材料有很多要求，如耐腐蝕性，物理化學性質(zhì)的穩(wěn)定性，耐一定溫度和壓力等。目前，常用電極材料有鉑、鎳、銅鍍鉑、銅鍍鉻和不銹鋼等。

②轉(zhuǎn)換器

電導或電阻的變化通過轉(zhuǎn)換器可以輸出標準直流電壓或電流信號。

3）電導率檢測儀的安裝

電導率檢測儀的安裝方式同pH 檢測儀相同，分為流通式、浸入式和插入式，此處不再做具體介紹。

2.3 在線濁度檢測儀

濁度，有時也被稱為渾濁度。水中懸浮和膠體微粒會散射和吸收通過的光線，光散射現(xiàn)象會產(chǎn)生濁度，濁度單位為NTU。濁度的變化通常通過測量散射光的強度、透射光的強度等獲得。它是一種光學效應，表現(xiàn)為光線透過水層時受到阻礙的程度。濁度在天然水和用水中是一項重要指標，可以通過濁度判斷水的污染情況。在自來水廠濾前、濾后、沉淀和出廠水監(jiān)測，市政管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測；工業(yè)過程水質(zhì)監(jiān)測、循環(huán)冷卻水、活性碳過濾器出水、膜過濾出水監(jiān)測；污水處理廠也經(jīng)常需要對濁度的監(jiān)測，如曝氣池、二次沉淀池和消化池等。

1）在線濁度檢測儀的原理

濁度在線檢測儀的傳感器上，發(fā)射器發(fā)送的光波在經(jīng)過被測物時會被吸收、反射和散射，一部分光線能夠透射到180°方向的檢測器上，另一部分光會散射到90°方向的檢測器上。在這兩個檢測器上接收到的光線強度能夠反映被測介質(zhì)的濁度，因此可以通過測量透射光和散射光的強度來計算介質(zhì)的濁度。

2）在線濁度檢測儀的組成

在線濁度檢測儀由光電傳感器和信號處理器組成。光電傳感器包括光源、透鏡、光電元件等，光線通過測量介質(zhì)產(chǎn)生的透射光和散射光作用于光電元件，產(chǎn)生電信號，電信號隨濁度變化而變化，并與基準信號一起接到信號處理器。信號處理器有穩(wěn)定的集成電路，可以對信號進行放大、濾波、運算、補償?shù)忍幚?，使信號與濁度成線性關(guān)系。

3）在線濁度檢測儀的安裝

在線濁度檢測儀的安裝方式同pH 檢測儀相同，分為流通式、浸入式和插入式，此處不再做具體介紹。

3 總結(jié)

本文列舉了水處理工藝中常用的3 種在線水質(zhì)分析儀：pH 值檢測儀、電導率檢測儀、在線濁度檢測儀，總結(jié)梳理了3 種檢測儀的檢測原理及安裝方式，在實際項目中可結(jié)合具體情況進行選型設計。