Sensore di torbidità ad alta precisione per impianti di trattamento delle acque reflue

Quali sono le differenze tra i tre indicatori di chiarezza negli impianti di trattamento delle acque reflue? Distinzione tra torbidità, SS e trasparenza

Negli impianti di trattamento delle acque reflue vengono spesso citati tre indicatori di chiarezza: torbidità, trasparenza e solidi sospesi (SS). Essi rappresentano tre diverse dimensioni della valutazione della chiarezza: concentrazione in massa, proprietà ottiche e percezione sensoriale. Il metodo di prova standard per i solidi sospesi è il metodo gravimetrico, che prevede il passaggio di un campione d’acqua attraverso una membrana filtrante con pori specifici e la successiva essiccazione fino a peso costante. L’unità di misura è mg/L. Teoricamente, questo indicatore di concentrazione in massa non può essere monitorato in tempo reale e richiede essiccazione e pesatura. Le sostanze che influenzano i solidi sospesi includono limo, argilla e microrganismi di grande raggio. La torbidità è definita come il grado di diffusione della luce causato dalle particelle sospese nell’acqua. Il metodo di prova standard è il metodo di diffusione della luce a 90°, che misura la capacità delle particelle sospese di interferire con la propagazione della luce. L’unità di misura è NTU (o FTU, unità di torbidità formaldeidica). Molte sostanze influenzano la torbidità, ad esempio limo, microrganismi, alghe, materia organica particolata e microbolle.

Perché il metodo della luce diffusa a 90° è la soluzione più diffusa per il rilevamento online della torbidità?

Questo metodo prevede l’emissione di un fascio luminoso direzionale e parallelo, proveniente da una sorgente luminosa, all’interno di un campione d’acqua. Un fotodetettore è posizionato ad angolo di 90° rispetto al fascio incidente. Quando la luce colpisce le particelle sospese nel campione d’acqua, viene diffusa. La luce diffusa si propaga in tutte le direzioni, ma il fotodetettore raccoglie esclusivamente l’intensità della luce diffusa lateralmente, sulla base della quale viene calcolato il valore di torbidità (l’intensità della luce diffusa lateralmente è proporzionale alla concentrazione di materiale particellare presente nell’acqua). Si tratta della soluzione più diffusa per il rilevamento online della torbidità ed è utilizzata da marchi leader nel settore del monitoraggio della qualità dell’acqua, quali E+H, Hach, JIDE e OPTEX.

Confronto tra gli standard di torbidità per la qualità dell’acqua in diversi paesi

Gli standard di torbidità nei vari paesi si concentrano su tre ambiti:

1. Acqua potabile (standard obbligatori, elevati);

2. Acque superficiali (classificate in base alla funzione del corpo idrico, di solito gestite congiuntamente alla trasparenza);

3. Acque reflue industriali (di solito calcolate come solidi sospesi).

Di seguito sono riportati esempi di norme provenienti da principali paesi e regioni: lo standard dell'US EPA stabilisce che la torbidità delle acque superficiali ordinarie, come fiumi e laghi, deve essere controllata tra 25 e 150 NTU; la torbidità dell’acqua potabile deve essere inferiore a 1 NTU; lo standard per gli scarichi industriali si basa sui solidi sospesi totali (TSS), con un valore limite compreso tra 30 e 100 mg/L.

Gli standard cinesi per le acque superficiali prevedono una torbidità inferiore a 25 NTU (classe V) e inferiore a 10 NTU (classe III). Per gli scarichi degli impianti di depurazione delle acque reflue urbane, calcolati in termini di TSS, lo standard massimo di scarico è inferiore a 10 mg/L, mentre il limite per lo scarico nelle reti di pretrattamento è di 50 mg/L; il limite di torbidità per gli scarichi di acqua potabile è di 1 NTU.

Il sistema EU EN ISO 7027 stabilisce che il limite guida per l’acqua trattata è inferiore a 4 FNU; il requisito per il refluo convenzionale proveniente dagli impianti di depurazione delle acque reflue urbane, calcolato in base ai solidi sospesi totali (TSS), è inferiore a 35 mg/L, mentre per i corpi idrici sensibili di elevata qualità è inferiore a 15 mg/L; per le acque superficiali è richiesto un controllo coordinato della trasparenza e della torbidità, e il requisito per le acque di origine è generalmente inferiore a 5 NTU.

Perché le misurazioni della torbidità sono sempre inaccurate?

Punto critico 1: Le acque reflue industriali di alcuni settori sono colorate e presentano bassa trasparenza, tipicamente ad esempio le acque reflue da cokeria, da tintoria o quelle contenenti elevate concentrazioni di particelle di grandi dimensioni. Ciò comporta letture instabili del sensore di torbidità, con forti fluttuazioni e valori complessivi significativamente più bassi.

Meccanismo di interferenza: I turbidimetri tradizionali, basati sul principio della luce diffusa, misurano l'intensità del segnale luminoso che ritorna al rivelatore. Se l'acqua è colorata, parte della luce diffusa viene assorbita prematuramente, indebolendo il segnale luminoso ricevuto dal rivelatore e producendo un valore di misura più basso. Anche le particelle sospese di grandi dimensioni possono causare fluttuazioni della lettura mentre transitano lungo il percorso di trasmissione della luce.

Soluzione: I turbidimetri basati sulla luce infrarossa a 860 nm evitano efficacemente l'interferenza dovuta al colore. Contestualmente, è necessario configurare un algoritmo che utilizzi un metodo di misura basato sul rapporto per regolare l'algoritmo di compensazione del segnale luminoso ed eliminare gli errori causati dal movimento delle particelle di grandi dimensioni e dal colore. Attualmente, i modelli principali che adottano questa soluzione includono HACH TSS-Sc, CUS51D Turbimax di E+H e WQ3000-TSS/Turb di JIDE.

Punto critico 2: Nei processi avanzati di trattamento delle acque reflue, quali il trattamento con membrana, il processo MBR, l’alimentazione degli impianti di osmosi inversa o il trattamento nel bacino di sedimentazione secondaria, quando l’effluente è molto limpido (tipicamente torbidità inferiore a 1 UTN), la velocità di risposta del torbidimetro diminuisce oppure la lettura aumenta improvvisamente in modo significativo, anche quando il campione d’acqua è stabile.

Meccanismo di interferenza: interferenza da bolle. Le bolle generate da portate instabili interferiscono in modo significativo con le misurazioni della torbidità a bassi livelli di torbidità, causando valori di misura erroneamente elevati. Strumenti non tarati possono generare segnali luminosi interni caotici, influenzando la già minima quantità di luce diffusa rilevata durante le misurazioni a bassa torbidità, con conseguente riduzione della velocità di risposta dello strumento.

Soluzioni: installare un serbatoio defoamante (con principio a gravità o a pressione) , ottimizzare la progettazione del canale di flusso ed eseguire regolarmente la taratura del punto zero utilizzando acqua ultrapura.

Esistono molti altri problemi complessi relativi ai test della torbidità sul campo. Potete contattare i nostri ingegneri tramite il nostro sito web per ulteriori discussioni. Accogliamo con favore clienti provenienti da vari settori industriali che ci forniscono casi di studio per migliorare i nostri prodotti e ampliare la nostra esperienza applicativa sul campo.

Punto critico 3: Il misuratore di torbidità è estremamente preciso immediatamente dopo la calibrazione, ma dopo meno di una settimana in acqua naturale/acque reflue, le letture fluttuano e tendono a salire.

Meccanismo di interferenza: Interferenze comuni causate da biofilm presenti in corpi idrici naturali e negli oceani, oppure interferenze dovute a composti di calcio e magnesio che si depositano a causa dell’elevata durezza delle acque reflue. Queste interferenze possono facilmente oscurare i componenti di trasmissione e ricezione del segnale luminoso, influenzando i risultati dei test.

Soluzione: selezionare un torbidimetro con spazzola di pulizia automatica. Questo tipo di spazzola in silicone è durevole, facile da sostituire e può pulire periodicamente la finestra ottica secondo necessità, riducendo efficacemente l’interferenza del biofilm. Per acque reflue ad elevata durezza, la frequenza di manutenzione deve essere aumentata. Scegliere un torbidimetro incapsulato in materiali resistenti alla corrosione, come la lega di titanio (in questo caso si raccomanda il torbidimetro analizzatore online JIDE WQ3000-turb-Ti con funzione di pulizia automatica, particolarmente vantaggioso dal punto di vista dei costi). Durante la manutenzione ordinaria, il lavaggio con acido può dissolvere efficacemente i composti di calcio e magnesio.

Punto critico 4: I dati di torbidità ottenuti dai test di laboratorio e quelli rilevati dall’analizzatore online non sono confrontabili, con un errore superiore al 10%, rendendo impossibile per entrambe le parti fidarsi dei risultati dei test.

Meccanismi di interferenza: la torbidità e i solidi sospesi sono parametri dinamici e attivi che si sedimentano facilmente. Pertanto, è essenziale agitare accuratamente il campione prima dell’analisi, e potrebbe essere necessario utilizzare un agitatore magnetico per garantire la stabilità della misura. Inoltre, durante la taratura degli analizzatori di torbidità in linea in laboratorio, va utilizzato il bicchiere di taratura schermato dalla luce fornito dal produttore e la soluzione standard di formalina deve essere analizzata in un ambiente completamente al buio per evitare interferenze dovute alla luce ambientale. In alcune condizioni operative complesse, qualora sia richiesta una corrispondenza esatta con i dati ottenuti nelle analisi di laboratorio — e qualora lo strumento non sia in grado di riprodurre le condizioni di prova della soluzione standard di laboratorio (il principio di misura di laboratorio potrebbe basarsi sulla lampada a incandescenza anziché sul metodo a luce infrarossa), è possibile effettuare la taratura utilizzando campioni d’acqua reali, al fine di garantire che i risultati del confronto soddisfino i requisiti di validazione.

Come selezionare un sensore di torbidità ad alta precisione in condizioni operative complesse negli impianti di trattamento delle acque reflue

Nell’intero sistema di processo di un impianto di trattamento delle acque reflue industriali, la torbidità è un indicatore di processo fondamentale che riflette direttamente l’efficacia della rimozione dei solidi sospesi totali (TSS), le prestazioni di sedimentazione dei fanghi, il monitoraggio della qualità dell’acqua in ingresso e il rispetto degli standard per la qualità dell’acqua in uscita. I prelievi e i test manuali non forniscono un riscontro accurato delle fluttuazioni della qualità dell’acqua, comportando il rischio di superare i limiti di scarico. Anche i sensori di torbidità a bassa precisione sono soggetti a diversi fattori di interferenza, quali il colore, i depositi viscosi, le sostanze organiche e le bolle d’aria, con conseguente instabilità frequente nel tempo, soprattutto in condizioni operative complesse, dove l’incertezza aumenta significativamente.

I sensori di torbidità ad alta precisione, d’altra parte, sono progettati con principi fondamentali di monitoraggio e dettagli tecnici volti a eliminare le interferenze e a ridurre al minimo eventuali derive dei dati e errori. Questa sezione prende come esempi l’analizzatore di torbidità/materiale sospeso della serie WQ3000 di JIDE e il misuratore di torbidità a basso intervallo di riferimento per impianti di depurazione delle acque reflue Hach 1720E.

L’analizzatore di torbidità/materiale sospeso della serie JIDE WQ3000 incorpora una sorgente luminosa LED a infrarosso vicino a 860 nm che irradia l’acqua, rimanendo insensibile al colore giallo-bruno delle acque reflue o alla cromaticità delle acque di scarico provenienti da processi di tintura, evitando così gli errori intrinseci associati al rilevamento con luce visibile.

Un modulo ricevitore fotoelettrico è posizionato perpendicolarmente rispetto alla luce incidente, con un angolo di 90°, per captare specificamente la luce diffusa lateralmente generata dalle particelle in sospensione e dai colloidi presenti nell’acqua.

L'intensità della luce diffusa è linearmente proporzionale alla torbidità dell'acqua. Il chip, mediante compensazione della temperatura e filtraggio algoritmico, converte con precisione la torbidità in unità standard di torbidità NTU.

La progettazione del circuito incorpora un sistema di isolamento per prevenire le interferenze della luce ambientale, raggiungendo un'accuratezza di rilevamento ultra-elevata nel campo di bassa torbidità (0-50 NTU), con una risoluzione fino a 0,01 NTU.

L'analizzatore di torbidità bassa Hach 1720E funziona secondo il metodo della luce diffusa a 90° e incorpora un sistema antischiuma e disaeratore per eliminare efficacemente l'interferenza delle bolle d'aria nei test di torbidità a basso range. Questo dispositivo ha un intervallo di misura da 0 a 100 NTU e un'accuratezza nella misura di bassa torbidità pari a 0,001 NTU, rendendolo adatto al monitoraggio di standard estremamente elevati per l'acqua potabile e dei massimi standard per lo scarico degli effluenti. Attualmente questo prodotto detiene la quota di mercato più ampia e gode di elevata riconoscibilità nel settore, tuttavia alcuni campionatori da campo sono soggetti a incrostazioni e richiedono una manutenzione frequente: si tratta di problemi segnalati dal settore. Il dispositivo impone comunque determinati requisiti sulla qualità dell'acqua presente sul sito.

Guida al confronto e alla selezione

Metodi di misurazione	Principi fondamentali	Vantaggi	Svantaggi/Limitazioni	Scenari applicativi negli impianti di trattamento delle acque reflue
metodo di diffusione a 90°	Rilevamento della luce diffusa lateralmente a 90°	Compatibile sia con intervalli di misura elevati che bassi, estrema precisione nelle misurazioni di torbidità bassa	È necessario tenere in considerazione le interferenze dovute a incrostazioni o bolle.	Monitoraggio standard della qualità dell’acqua in entrata e in uscita
Metodo di trasmissione	Misurazione dell’attenuazione della luce che penetra nell’acqua	Adatto alle misurazioni di base di torbidità elevata	Sensibilità scadente nel campo di torbidità bassa, altamente suscettibile alle interferenze cromatiche.	Non adatto al monitoraggio accurato degli effluenti
Metodo di retrodiffusione	Rilevamento della luce diffusa su un ampio angolo prossimo a 180°	Altamente adatto alle misurazioni di concentrazioni ultra-elevate	Scarsa linearità nel campo di torbidità bassa.	Adatto solo per fanghi ad alta concentrazione e per acqua in ingresso