مستشعر عكارة عالي الدقة لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي

ما الفروق بين المؤشرات الثلاثة للوضوح في محطات معالجة مياه الصرف الصحي؟ التمييز بين العكارة، والمواد الصلبة العالقة (SS)، والشفافية

في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، يُشار عادةً إلى ثلاثة مؤشرات لوضوح المياه: العكارة، والشفافية، والمواد العالقة (SS). وتمثل هذه المؤشرات ثلاثة أبعاد مختلفة لتقييم الوضوح: تركيز الكتلة، والخصائص البصرية، والإدراك الحسي. وتتمثل الطريقة القياسية لاختبار المواد العالقة في الطريقة الوزنية، التي تتضمن تمرير عينة ماء عبر غشاء ترشيح ذي مسام محددة، ثم تجفيف العينة حتى تصل إلى وزن ثابت. ووحدة القياس هي ملغم/لتر. ومن الناحية النظرية، لا يمكن قياس هذا المؤشر القائم على تركيز الكتلة بشكل مباشر عبر أنظمة المراقبة الآلية، بل يتطلب الأمر تجفيف العينة ووزنها يدويًّا. ومن المواد التي تؤثر في كمية المواد العالقة الرمال، والطين، والكائنات الدقيقة ذات الأحجام الكبيرة. أما العكارة فهي مقياس لمدى تشتت الضوء بواسطة الجسيمات العالقة في الماء. والطريقة القياسية لاختبار العكارة هي طريقة تشتت الضوء بزاوية ٩٠ درجة، والتي تقيس قدرة الجسيمات العالقة على التداخل مع انتشار الضوء. ووحدة القياس هي وحدة العكارة بالنيلوتروبين (NTU) أو وحدة العكارة بالفورمالين (FTU). وهناك العديد من المواد التي تؤثر في العكارة، مثل الرمال، والكائنات الدقيقة، والطحالب، والمادة العضوية الجسيمية، والفقاعات الدقيقة.

لماذا تُعَدُّ طريقة قياس العكارة بالضوء المتناثر بزاوية ٩٠ درجة الحلَّ السائد لاختبار العكارة عبر الإنترنت؟

تتضمن هذه الطريقة إرسال شعاع ضوئي متوازٍ موجَّهٍ إلى عيِّنة ماء من مصدر ضوئي. ويوضع كاشف ضوئي عند زاوية ٩٠ درجة عموديًّا على اتجاه الضوء الساقط. وعندما يصطدم الضوء بالجسيمات العالقة في عيِّنة الماء، يتناثر؛ ويتحرَّك الضوء المتناثر في جميع الاتجاهات، لكن الكاشف الضوئي يجمع فقط شدة الضوء المتناثر جانبيًّا، والتي تُحسب منها قيمة العكارة (حيث تكون شدة الضوء المتناثر جانبيًّا متناسبة مع كمية الجسيمات العالقة في الماء). وهذه هي الطريقة السائدة جدًّا لاختبار العكارة عبر الإنترنت، وتستخدمها أبرز العلامات التجارية في سوق مراقبة نوعية المياه مثل E+H وHach وJIDE وOPTEX.

مقارنة معايير العكارة الخاصة بنوعية المياه في مختلف الدول

تركِّز معايير العكارة في مختلف الدول على ثلاث مجالات:

١. مياه الشرب (معايير إلزامية ذات مستوى عالٍ)؛

٢. المياه السطحية (مصنَّفة وفقًا لوظيفة جسم الماء، وتُدار عادةً بالتزامن مع العكارة)؛

٣. مياه الصرف الصناعي (تحسَب عادةً على شكل المواد العالقة).

فيما يلي أمثلة على المعايير من الدول والمناطق الرئيسية: تنص معايير وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) على أن العكارة في المياه السطحية العادية مثل الأنهار والبحيرات يجب أن تكون ضمن النطاق من ٢٥ إلى ١٥٠ وحدة عكارة نيفيل (NTU)، وأن عكارة مياه الشرب يجب أن تكون أقل من ١ NTU؛ أما المعيار الخاص بمصادر التصريف الصناعي فيتعلق بالمواد العالقة الكلية (TSS)، ويبلغ الحد المسموح به ما بين ٣٠ و١٠٠ ملغم/لتر.

تشترط معايير الصين للمياه السطحية أن تكون العكارة أقل من ٢٥ NTU للمياه من الفئة الخامسة (V)، وأقل من ١٠ NTU للمياه من الفئة الثالثة (III). أما بالنسبة لتصريف محطات معالجة مياه الصرف الصحي الحضرية، فتُحسب وفقًا للمواد العالقة الكلية (TSS)، حيث يبلغ أقصى حد مسموح به للتصريف ١٠ ملغم/لتر، بينما يبلغ الحد الأقصى المسموح به لتصريف المياه في شبكات المعالجة الأولية ٥٠ ملغم/لتر؛ كما أن الحد الأقصى المسموح به لعكارة مياه الشرب عند نقاط التصريف هو ١ NTU.

يحدد نظام الاتحاد الأوروبي EN ISO 7027 الحد الإرشادي للماء المُستخدَم بأنه أقل من ٤ وحدات فورمازين تعكيرية (FNU)؛ أما متطلبات المياه العادمة التقليدية الخارجة من محطات معالجة مياه الصرف الصحي الحضرية، المُحسوبة وفقًا لمحتوى المواد الصلبة العالقة (TSS)، فهي أقل من ٣٥ ملغم/لتر، وفي حالة المجاري المائية الحساسة ذات المعايير العالية تكون أقل من ١٥ ملغم/لتر؛ وتتطلب المياه السطحية ضبطًا منسقًا لكلٍّ من الشفافية والتعكير، بينما يكون المتطلب الخاص بمصادر المياه عمومًا أقل من ٥ وحدات تعكير نِتْلِر (NTU).

لماذا تكون قياسات التعكير الخاصة بك دائمًا غير دقيقة؟

نقطة الألم ١: تمتلك مياه الصرف الصناعي الناتجة عن بعض الصناعات لونًا مميزًا وشفافية منخفضة، مثل مياه الصرف الناتجة عن صناعة الكوك أو صناعة الصباغة، أو تلك التي تحتوي على كميات كبيرة من الجسيمات الضخمة. ويؤدي ذلك إلى عدم استقرار قراءات أجهزة استشعار التعكير، مع تقلبات كبيرة في القيم المقروءة، وانخفاض عام ملحوظ في القراءة.

آلية التداخل: تعتمد المقياسات العكّاسية التقليدية على مبدأ الضوء المتناثر لقياس شدة إشارة الضوء العائدة إلى الكاشف. وإذا كان الماء ملوّنًا، فإن جزءًا من الضوء المتناثر يمتص مبكرًا، مما يؤدي إلى إضعاف إشارة الضوء المستقبلة بواسطة الكاشف وينتج عنها قيمة قياس أقل. كما يمكن أن تسبب الجسيمات العالقة الكبيرة تقلبات في القراءات عندما تمر عبر مسار انتقال الضوء.

الحل: تتفادى المقياسات العكّاسية التي تعتمد على ضوء الأشعة تحت الحمراء بطول موجي ٨٦٠ نانومتر التداخل الناتج عن اللون بشكل فعّال. وفي الوقت نفسه، يتطلّب الأمر تهيئة خوارزمية تستخدم طريقة القياس النسبي لضبط خوارزمية تعويض إشارة الضوء، وذلك للتخلص من الأخطاء الناجمة عن حركة الجسيمات الكبيرة واللون. ومن أبرز الطرازات السائدة حاليًّا التي تتبنّى هذا الحل: HACH TSS-Sc، وCUS51D Turbimax من شركة E+H، وWQ3000-TSS/Turb من شركة JIDE.

نقطة الألم ٢: في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي المتقدمة، مثل المعالجة بالغشاء أو وحدة الترشيح الحيوي بالغشاء (MBR) أو تغذية المياه لعملية التناضح العكسي أو معالجة خزان الترسيب الثانوي، عندما تكون المياه الخارجة شديدة الوضوح (عادةً عكارة أقل من ١ وحدة عكارة نيفيل)، فإن سرعة استجابة جهاز قياس العكارة تنخفض، أو يرتفع القراءة فجأةً ارتفاعاً حاداً رغم استقرار عينة الماء.

آلية التداخل: تداخل الفقاعات. وتؤدي الفقاعات الناتجة عن معدلات التدفق غير المستقرة إلى تداخل كبير في قياسات العكارة عند المستويات المنخفضة منها، ما يؤدي إلى قيم اختبار خاطئة مرتفعة. كما أن الأجهزة غير المعايرة قد تُدخل إشارات ضوئية داخلية فوضوية، مما يؤثر على كمية الضوء المشتت الصغيرة جداً أثناء قياس العكارة المنخفضة، فينتج عنه انخفاض في سرعة استجابة الجهاز.

الحلول: تركيب خزان لإزالة الرغوة (يعمل بمبدأ الجاذبية أو التضخيم) ، وتحسين تصميم قناة التدفق، وإجراء معايرة دورية للنقطة الصفرية باستخدام ماء فائق النقاء.

توجد العديد من المشكلات الصعبة الأخرى المتعلقة باختبار العكارة في الموقع. ويمكنكم الاتصال بهندسنا عبر موقعنا الإلكتروني لمناقشة المزيد من التفاصيل. ونرحب بالعملاء من مختلف القطاعات لتزويدينا بدراسات حالة تساعدنا على تحسين منتجاتنا وتوسيع خبرتنا في التطبيقات الميدانية.

النقطة المؤلمة ٣: يكون مقياس العكارة دقيقًا جدًّا فور إجراء المعايرة، لكن بعد أقل من أسبوع من الاستخدام في المياه الطبيعية أو مياه الصرف الصحي، تبدأ القراءات في التذبذب والانحراف نحو الأعلى.

آلية التداخل: ينتج التداخل الشائع عن الأغشية الحيوية في المجاري المائية الطبيعية والمحيطات، أو عن مركبات الكالسيوم والمغنيسيوم الملتصقة بمياه الصرف الصحي عالية القساوة. ويؤدي هذا التداخل بسهولة إلى حجب مكونات إرسال واستقبال الإشارة الضوئية، مما يؤثر على نتائج الاختبار.

الحل: اختر جهاز قياس العكارة المزوَّد بفرشاة تنظيف تلقائية. وتتميَّز هذه الفرشاة السيلكونية الخاصة بالتنظيف بالمتانة وسهولة الاستبدال، كما يمكنها تنظيف النافذة البصرية دوريًّا حسب الحاجة، مما يقلِّل فعاليًّا من تأثير الغشاء الحيوي. أما في مياه الصرف الصحي عالية القساوة، فيجب زيادة تكرار عمليات الصيانة. وينبغي اختيار جهاز قياس العكارة المغلف بمواد مقاومة للتآكل مثل سبيكة التيتانيوم (وفي هذه الحالة، يُوصى باستخدام جهاز تحليل العكارة عبر الإنترنت من طراز JIDE WQ3000-turb-Ti المزوَّد بفرشاة تنظيف تلقائية المصنوعة من سبيكة التيتانيوم، والذي يتميَّز بفعالية تكلفة عالية). وخلال عمليات الصيانة الروتينية، يُمكن للغسل الحمضي أن يذيب مركبات الكالسيوم والمغنيسيوم بكفاءة.

نقطة الألم ٤: لا يمكن مقارنة بيانات العكارة الناتجة عن الاختبارات المخبرية مع بيانات محلِّل العكارة عبر الإنترنت، حيث تتجاوز نسبة الخطأ ١٠٪، ما يجعل من المستحيل على أيٍّ من الطرفين الوثوق بنتائج الاختبار.

آليات التداخل: العكارة والمواد العالقة هي معايير ديناميكية ونشطة تترسب بسهولة. ولذلك، فإن الهزّ الجيد ضروري قبل الاختبار، وقد يكون استخدام الخلاط المغناطيسي ضروريًا للحفاظ على استقرار الاختبار. علاوةً على ذلك، عند معايرة أجهزة قياس العكارة الإلكترونية في المختبر، يجب استخدام كوب المعايرة المُظلِّل المقدَّم من الشركة المصنِّعة، ويجب اختبار محلول الفورمالين القياسي في بيئة مظلمة تمامًا لتفادي تداخل الضوء المحيط. وفي بعض ظروف التشغيل المعقدة، إذا كانت هناك حاجة إلى تحقيق تطابقٍ تامٍّ مع بيانات الاختبار المختبري، ولم يُمكن للجهاز أن يتوافق مع اختبار محلول المعايرة القياسي في المختبر (وقد يعتمد مبدأ الاختبار المختبري على طريقة لمبة الإضاءة الحرارية بدلًا من طريقة الضوء تحت الأحمر)، فيمكن استخدام عيّنات المياه الفعلية للمعايرة لضمان اجتياز نتائج المقارنة للاختبار.

كيفية اختيار مستشعر عكارة عالي الدقة في ظروف التشغيل المعقدة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي

في النظام الكامل لمعالجة مياه الصرف الصناعي، تُعَد العكارة مؤشّرًا أساسيًّا في عملية المعالجة، حيث تعكس بشكل مباشر كفاءة إزالة المواد الصلبة العالقة الإجمالية (TSS)، وأداء ترسيب الرواسب، ورصد جودة المياه الداخلة، وما إذا كانت جودة المياه الخارجة تتوافق مع المعايير المطلوبة. ولا يمكن أخذ العيّنات واختبارها يدويًّا أن يوفّر تغذيةً راجعةً دقيقةً حول التقلبات في جودة المياه، ما يشكّل خطرًا بتجاوز معايير التصريف. كما أن أجهزة استشعار العكارة منخفضة الدقة عرضةٌ لمختلف عوامل التشويش، مثل اللون والرواسب اللزجة والمواد العضوية والفقاعات الهوائية، وقد تؤدي إلى عدم استقرار متكرر على المدى الطويل، خاصةً في ظل ظروف التشغيل المعقدة التي تزداد فيها درجة عدم اليقين بشكل كبير.

أما أجهزة استشعار العكارة عالية الدقة فهي مصممة وفق مبادئ أساسية لمراقبة الجودة وتفاصيل فنية تهدف إلى القضاء على التداخلات والتخفيف من الانحرافات المحتملة في البيانات والأخطاء. ويستعرض هذا القسم جهاز تحليل العكارة/المواد العالقة من سلسلة WQ3000 الخاص بشركة JIDE وجهاز قياس العكارة ذي المدى المنخفض، الذي يُعد معياراً مرجعياً في محطات معالجة مياه الصرف الصحي من طراز 1720E الخاص بشركة Hach.

يضم جهاز تحليل العكارة/المواد العالقة من سلسلة WQ3000 الخاص بشركة JIDE مصدر ضوء LED بالأشعة تحت الحمراء القريبة بطول موجي ٨٦٠ نانومتر، يُسلط على الماء دون أن يتأثر بلون الصرف الصحي الأصفر-البني أو درجة لون مياه الصرف الناتجة عن عمليات الصباغة، وبالتالي يجنب حدوث الأخطاء الجوهرية المرتبطة بكشف الضوء المرئي.

ويوضع وحدة استقبال كهروضوئية عند زاوية ٩٠ درجة عمودياً على اتجاه الضوء الساقط لالتقاط الضوء المتناثر جانبياً الناتج تحديداً عن المواد العالقة والجزيئات الغروية في الماء.

شدة الضوء المتناثر تتناسب طرديًّا خطيًّا مع عكارة الماء. ويقوم الرقاقة، من خلال التعويض عن درجة الحرارة والتصفية بالخوارزمية، بتحويل العكارة بدقة إلى وحدات العكارة القياسية (NTU).

يضم تصميم الدائرة نظام عزل لمنع التداخل الناجم عن الضوء المحيط، مما يحقِّق دقة كشف فائقة في نطاق العكارة المنخفض (0~50 NTU)، وبدقة تصل إلى 0.01 NTU.

يعمل جهاز تحليل العكارة المنخفضة من شركة هاش الموديل 1720E وفق طريقة الضوء المتناثر عند زاوية ٩٠ درجة، ويضم نظامًا لإزالة الرغوة والغازات لاستبعاد التداخل الناجم عن فقاعات الهواء في قياس العكارة عند النطاقات المنخفضة بكفاءة. ويبلغ مدى القياس لهذا الجهاز من ٠ إلى ١٠٠ وحدة عكارة (NTU)، وبدقة قياس عكارة منخفضة تبلغ ٠٫٠٠١ وحدة عكارة (NTU)، ما يجعله مناسبًا لمراقبة معايير المياه الصالحة للشرب الأعلى جدًّا وأعلى معايير تصريف المياه العادمة. ويحتل هذا المنتج حاليًّا الحصة السوقية الأكبر ويتسم باعتراف واسع في القطاع، لكن بعض خزانات العينات الميدانية المُستخدمة معه عُرضة للتَّرسيب وتتطلب صيانة متكررة، وهي مشكلات أبلغ عنها العاملون في المجال. كما لا يزال يتطلّب جودةً معينةً لمياه الموقع.

دليل المقارنة والاختيار

طرق القياس	المبادئ الأساسية	المزايا	العيوب/القيود	سيناريوهات تطبيق محطات معالجة مياه الصرف الصحي
طريقة التناثر عند زاوية ٩٠ درجة	استشعار الضوء المتناثر الجانبي العمودي عند زاوية ٩٠ درجة	متوافق مع نطاقات القياس العالية والمنخفضة، ودقة عالية جدًّا في قياس العكارة المنخفضة	يجب أخذ تأثير الفقاعات أو الترسبات في الاعتبار.	المراقبة القياسية لجودة المياه الداخلة والخارجة
طريقة النقل	قياس ضعف شدة الضوء الذي يخترق الماء	مناسب للقياسات الأساسية للعكارة العالية	حساسية منخفضة في نطاق العكارة المنخفض، وعرضة جدًّا للتداخل الناتج عن اللون.	غير مناسب للمراقبة الدقيقة لمياه الصرف
طريقة التبعثر الخلفي	استشعار ضوء متناثر بزاوية واسعة تقارب ١٨٠°	مناسب جدًّا لقياس التركيزات الفائقة العالية	خطية ضعيفة في نطاق العكارة المنخفض.	مناسب فقط للطين عالي التركيز والتدفق الداخل