Sensor de turbidesa d'alta precisió per a plantes de tractament d'aigües residuals

Quines són les diferències entre els tres indicadors de claredat en les plantes de tractament d’aigües residuals? Diferenciació entre turbidesa, SS i transparència

En les plantes de tractament d'aigües residuals, es mencionen sovint tres indicadors de transparència: turbidesa, transparència i sòlids en suspensió (SS). Aquests representen tres dimensions diferents de l'avaluació de la transparència: concentració en massa, propietats òptiques i percepció sensorial. El mètode normalitzat per a la determinació dels sòlids en suspensió és el mètode gravimètric, que consisteix a fer passar una mostra d'aigua per una membrana filtrant amb porus específics i després assecar-la fins a obtenir un pes constant. La unitat de mesura és mg/L. Teòricament, aquest indicador de concentració en massa no es pot mesurar en línia i cal assecar-lo i pesar-lo. Les substàncies que afecten els sòlids en suspensió inclouen fangs, argiles i microorganismes de gran radi. La turbidesa es defineix com el grau de dispersió de la llum per les partícules en suspensió a l'aigua. El mètode normalitzat és el mètode de dispersió de la llum a 90°, que mesura la capacitat de les partícules en suspensió d'interferir en la propagació de la llum. La unitat és NTU (o FTU, unitat de turbidesa de formalina). Moltes substàncies afecten la turbidesa, com ara fangs, microorganismes, algues, matèria orgànica particulada i microbombolles.

Per què el mètode de llum difusa a 90° és la solució principal per a la mesura en línia de la turbidesa?

Aquest mètode consisteix a emetre un feix de llum paral·lel direccional cap a una mostra d’aigua des d’una font de llum. Un fotorreceptor es col·loca a un angle de 90°, perpendicular al feix incident. Quan la llum impacta contra les partícules en suspensió de la mostra d’aigua, es dispersa. Aquesta llum dispersa es propaga en totes les direccions, però el fotorreceptor només captura la intensitat de la llum dispersa lateral, a partir de la qual es calcula el valor de turbidesa (la intensitat de la llum dispersa lateral és proporcional a la matèria particulada present a l’aigua). Aquesta és la solució més habitual per a la mesura en línia de la turbidesa i és utilitzada per marques líderes del mercat de monitoratge de la qualitat de l’aigua, com ara E+H, Hach, JIDE i OPTEX.

Comparació de les normes de turbidesa sobre la qualitat de l’aigua a diversos països

Les normes de turbidesa de diversos països es centren en tres àmbits:

1. Aigua potable (normes obligatòries, exigents);

2. Aigües superficials (classificades segons la funció del cos d’aigua, normalment gestionades conjuntament amb la transparència);

3. Aigües residuals industrials (normalment calculades com a sòlids en suspensió).

A continuació es mostren exemples d’estàndards de països i regions importants: L’estàndard de l’EPA dels EUA estableix que la turbidesa de les aigües superficials habituals, com ara rius i llacs, ha de controlar-se entre 25 i 150 NTU; la turbidesa de l’aigua potable ha de ser inferior a 1 NTU; l’estàndard per als emissaris industrials es basa en els sòlids en suspensió (TSS), amb un valor de control entre 30 i 100 mg/L.

Els estàndards xinesos per a les aigües superficials estableixen una turbidesa inferior a 25 NTU (aigua de classe V) i inferior a 10 NTU (aigua de classe III). Per als emissaris de les plantes depuradores d’aigües residuals urbanes, calculats mitjançant TSS, l’estàndard de descàrrega més restrictiu és inferior a 10 mg/L, i el límit per a la descàrrega a xarxes de pretractament és de 50 mg/L; el límit de turbidesa per als emissaris d’aigua potable és de 1 NTU.

El sistema europeu EN ISO 7027 estableix que el límit orientatiu per a l’aigua tractada ha de ser inferior a 4 FNU; el requisit per als efluents convencionals de les depuradores d’aigües residuals urbana, calculat mitjançant SST, és inferior a 35 mg/L, i per a cossos d’aigua sensibles d’alta qualitat és inferior a 15 mg/L; en el cas de les aigües superficials, cal un control coordinat de la transparència i la turbidesa, i el requisit per a les aigües brutes sol ser inferior a 5 NTU.

Per què les mesures de turbidesa sempre són inexactes?

Punt crític 1: Les aigües residuals industrials de determinades indústries tenen color i baixa transparència, com ara les aigües residuals del procés de coquizació, les aigües residuals del tèxtil o les aigües residuals amb alts nivells de partícules grosses. Això provoca lectures inestables del sensor de turbidesa, amb fluctuacions importants i una lectura globalment molt més baixa.

Mecanisme d'interferència: Els turbidímetres tradicionals, basats en el principi de llum dispersa, mesuren la intensitat del senyal lluminós que torna al detector. Si l'aigua és de color, part de la llum dispersa s'absorbeix prematurament, debilitant el senyal lluminós rebut pel detector i donant com a resultat un valor de mesura inferior. Les partícules en suspensió grosses també poden provocar fluctuacions de la lectura quan passen per la trajectòria de transmissió de la llum.

Solució: Els turbidímetres basats en llum infraroja de 860 nm eviten eficaçment les interferències causades pel color. Al mateix temps, cal configurar un algorisme que utilitzi un mètode de mesura per ràtio per ajustar l'algorisme de compensació del senyal lluminós i eliminar els errors provocats pel moviment de partícules grosses i pel color. Actualment, els models principals que utilitzen aquesta solució inclouen el HACH TSS-Sc, el CUS51D Turbimax d'E+H i el WQ3000-TSS/Turb de JIDE.

Punt de dolor 2: En processos avançats de tractament d’aigües residuals, com ara el tractament per membrana, els reactors biològics de membrana (MBR), l’aigua d’alimentació per òsmosi inversa o el tractament en el decantador secundari, quan l’efluït és molt clar (normalment amb una turbidesa inferior a 1 UTN), la velocitat de resposta del turbidímetre disminueix o la lectura puja bruscament quan la mostra d’aigua és estable.

Mecanisme d’interferència: interferència per bombolles. Les bombolles generades per fluxos inestables interfereixen significativament en les mesures de turbidesa a nivells baixos de turbidesa, provocant valors de prova falsament alts. Els instruments no calibrats poden introduir senyals interns de llum caòtics, afectant la quantitat ja molt petita de llum dispersa durant les mesures de turbidesa baixa, cosa que redueix la velocitat de resposta de l’equipament.

Solucions: instal·lar un dipòsit desfomentador de flux (per gravetat o per pressió) , optimitzar el disseny del canal de flux i realitzar periòdicament la calibració del punt zero amb aigua ultrapura.

Hi ha molts altres problemes difícils de mesurament de la turbidesa in situ. Podeu posar-vos en contacte amb els nostres enginyers a través del nostre lloc web per discutir-ne més a fons. Donem la benvinguda als clients de diversos sectors que ens proporcionin casos d’ús per millorar els nostres productes i ampliar la nostra experiència d’aplicació in situ.

Punt crític 3: El turbidímetre és molt precís immediatament després de la calibració, però després de menys d’una setmana en aigua natural o aigües residuals, les lectures fluctuen i es desvien cap amunt.

Mecanisme d’interferència: Interferències habituals causades per biofilms en masses d’aigua naturals i oceans, o interferències causades per compostos de calci i magnesi que s’adhereixen a causa de l’alta duresa de les aigües residuals. Aquestes interferències poden ocultar fàcilment els components emissors i receptors del senyal lluminós, afectant així els resultats de les proves.

Solució: Seleccioneu un turbidímetre amb una brosca de neteja automàtica. Aquest tipus de brosca de neteja de silicona és duradora, fàcil de substituir i pot netejar periòdicament la finestra òptica segons sigui necessari, reduint eficaçment la interferència causada per la biopel·lícula. Per a les aigües residuals amb alta duresa, cal augmentar la freqüència de manteniment. Trieu un turbidímetre encapsulat en materials resistents a la corrosió, com ara l'aliatge de titani (en aquest cas, es recomana l'analisador en línia de turbiditat JIDE WQ3000-turb-Ti, versió amb neteja automàtica en aliatge de titani, molt rendible). Durant el manteniment habitual, el rentat amb àcid pot dissoldre eficaçment els compostos de calci i magnesi.

Punt crític 4: Les dades de turbidesa obtingudes en proves de laboratori i les dades de l’analitzador en línia no es poden comparar, amb un error superior al 10 %, cosa que fa impossible que cap de les dues parts confiï en els resultats de les proves.

Mecanismes d'interferència: La turbidesa i els sòlids en suspensió són paràmetres dinàmics i actius que sedimenten fàcilment. Per tant, és essencial agitar vigorosament abans de fer la prova, i pot ser necessari utilitzar un agitador magnètic per mantenir l’estabilitat de la prova. A més, quan es calibren analitzadors de turbidesa en línia al laboratori, cal fer servir una copa de calibració amb protecció contra la llum subministrada pel fabricant, i la solució estàndard de formalina s’ha de provar en un entorn totalment fosc per evitar la interferència de la llum ambiental. En algunes condicions operatives complexes, si es requereix una coincidència exacta amb les dades de les proves de laboratori i l’instrument no pot reproduir la prova amb la solució estàndard del laboratori (el principi de prova del laboratori pot ser el mètode de làmpada incandescent, en lloc del mètode de llum infraroja), es poden utilitzar mostres d’aigua reals per a la calibració, assegurant així que els resultats de comparació superin la prova.

Com seleccionar un sensor de turbidesa d’alta precisió en condicions operatives complexes a les plantes depuradores d’aigües residuals

En tot el sistema de procés d’una planta de tractament d’aigües residuals industrials, la turbidesa és un indicador de procés fonamental que reflecteix directament l’efecte de retirada de sòlids en suspensió totals (TSS), el comportament de sedimentació de les fangs, la vigilància de la qualitat de l’aigua d’entrada i si la qualitat de l’aigua de sortida compleix les normatives. L’extracció i l’anàlisi manuals de mostres no poden oferir una retroalimentació precisa sobre les fluctuacions de la qualitat de l’aigua, cosa que comporta el risc de superar els límits d’emissió establerts. A més, els sensors de turbidesa de baixa precisió són també sensibles a diversos factors d’interferència, com ara el color, els sediments viscosos, la matèria orgànica i les bombolles d’aire, podent provocar inestabilitats freqüents amb l’ús prolongat, especialment en condicions operatives complexes on la incertesa augmenta significativament.

Els sensors de turbidesa d’alta precisió, per altra banda, estan dissenyats segons els principis fonamentals de monitorització i detalls tècnics destinats a eliminar les interferències i mitigar la deriva potencial de les dades i els errors. Aquesta secció pren com a exemples l’analisador de turbidesa/matèria en suspensió de la sèrie WQ3000 de JIDE i el mesurador de turbidesa de baix rang per a plantes depuradores d’aigües residuals 1720E de Hach.

L’analisador de turbidesa/matèria en suspensió de la sèrie WQ3000 de JIDE incorpora una font de llum LED infraroja propera de 860 nm que il·lumina l’aigua sense veure’s afectada pel color groguenc-marró de les aigües residuals ni per la cromaticitat de les aigües residuals de tintoreria, evitant així els errors inherents a la detecció amb llum visible.

Un mòdul receptor fotoelèctric està col·locat perpendicularment a 90° respecte a la llum incident per captar específicament la llum dispersa lateral generada per les partícules en suspensió i els col·loides presents a l’aigua.

La intensitat de la llum dispersa és directament proporcional a la turbidesa de l'aigua. El xip, mitjançant compensació de temperatura i filtratge algorítmic, converteix amb precisió la turbidesa en unitats estàndard de turbidesa (NTU).

El disseny del circuit incorpora un sistema d’aïllament per evitar interferències de la llum ambiental, assolint una precisió de detecció extremadament elevada en l’interval de baixa turbidesa (0–50 NTU), amb una resolució d’fins a 0,01 NTU.

L’analitzador de baixa turbidesa Hach 1720E funciona segons el mètode de llum dispersa a 90° i incorpora un sistema desfomentant i desgasificant per eliminar eficaçment la interferència de les bombolles d’aire en les proves de turbidesa a baix rang. Aquest dispositiu té un interval de mesura de 0-100 NTU i una precisió a baixa turbidesa de 0,001 NTU, cosa que el fa adequat per monitoritzar estàndards extremadament elevats d’aigua potable i els estàndards més exigents de descàrrega d’efluents. Actualment, aquest producte té la quota de mercat més gran i una alta reconeixement en el sector, però alguns recipients d’mostres de camp són propensos a l’escorificació i requereixen manteniment freqüent, fet que són problemes denunciats per la indústria. Encara presenta certs requisits respecte a la qualitat de l’aigua in situ.

Guia de comparació i selecció

Mètodes de mesura	Principis fonamentals	Avantatges	Desavantatges/limitacions	Escenaris d’aplicació en plantes depuradores d’aigües residuals
mètode de dispersió a 90°	Captura de la llum dispersa lateral vertical a 90°	Compatible tant amb intervals de mesura alts com baixos, precisió extremadament elevada per a mesures de turbidesa baixa	Cal tenir en compte la interferència de l’escala o de les bombolles.	Monitoratge estàndard de la qualitat de l’aigua d’entrada i de sortida
Mètode de transmissió	Mesura de l’atenuació de la llum que penetra a l’aigua	Adequat per a mesures bàsiques de turbidesa alta	Sensibilitat deficient en l’interval de turbidesa baixa, molt sensible a la interferència del color.	No adequat per al monitoratge fi de les aigües residuals
Mètode de retrodispersió	Captura de llum dispersa en angle ampli proper a 180°	Molt adequat per a mesures d'ultraalta concentració	Linealitat deficient en l'interval de baixa turbidesa.	Només adequat per a fangs d'alta concentració i afluents