Wysokoprecyzyjny czujnik zawartości zawiesiny do oczyszczalni ścieków

Jakie są różnice między trzema wskaźnikami przejrzystości w oczyszczalniach ścieków? Różnica między zawartością zawiesiny, zawartością substancji zawieszonych (SS) i przejrzystością

W oczyszczalniach ścieków często wymienia się trzy wskaźniki przejrzystości: zawartość substancji zawieszonej (turbidność), przezroczystość oraz substancje zawieszone (SS). Reprezentują one trzy różne aspekty oceny przejrzystości: stężenie masowe, właściwości optyczne oraz percepcję zmysłową. Standardową metodą badania substancji zawieszonych jest metoda grawimetryczna, polegająca na przepuszczaniu próbki wody przez membranę filtracyjną o określonej wielkości porów i suszeniu jej do stałej masy. Jednostką pomiaru jest mg/L. Teoretycznie ten wskaźnik stężenia masowego nie może być monitorowany w czasie rzeczywistym i wymaga suszenia oraz ważenia. Do substancji wpływających na zawartość substancji zawieszonych należą muł, glina oraz mikroorganizmy o dużych rozmiarach. Turbidność definiowana jest jako stopień rozpraszania światła przez cząstki zawieszone w wodzie. Standardową metodą badania turbidności jest metoda rozpraszania światła pod kątem 90°, która bada zdolność cząstek zawieszonych do zakłócania propagacji światła. Jednostką pomiaru jest NTU (lub FTU – jednostka turbidności formalinowej). Na turbidność wpływają wiele substancji, takich jak muł, mikroorganizmy, glony, organiczne cząstki stałe oraz mikropęcherzyki.

Dlaczego metoda rozproszonego światła pod kątem 90° jest głównym rozwiązaniem do pomiaru zawartości zawiesiny w wodzie w trybie online?

Metoda ta polega na wysyłaniu skierowanego, równoległego promienia światła z źródła światła do próbki wody. Fotodetektor umieszczony jest pod kątem 90° prostopadle do padającego światła. Gdy światło uderza w zawieszone cząstki w próbce wody, ulega rozproszeniu. Światło rozproszone rozchodzi się we wszystkich kierunkach, ale fotodetektor rejestruje wyłącznie natężenie światła rozproszonego w kierunku bocznym, na podstawie którego obliczana jest wartość zawartości zawiesiny (natężenie światła rozproszonego w kierunku bocznym jest proporcjonalne do stężenia cząstek zawiesiny w wodzie). Jest to najbardziej powszechne rozwiązanie do pomiaru zawartości zawiesiny w wodzie w trybie online, stosowane przez wiodące marki na rynku monitoringu jakości wody, takie jak E+H, Hach, JIDE oraz OPTEX.

Porównanie norm dotyczących zawartości zawiesiny w wodzie w różnych krajach

Normy dotyczące zawartości zawiesiny w wodzie w różnych krajach koncentrują się na trzech obszarach:

1. Woda pitna (normy obowiązkowe, o wysokim poziomie wymagań);

2. Wody powierzchniowe (klasyfikowane zgodnie z funkcją zbiornika wodnego, zwykle kontrolowane w połączeniu z przejrzystością);

3. Ścieki przemysłowe (zazwyczaj wyrażane jako zawiesina stała).

Poniżej przedstawiono przykłady norm obowiązujących w głównych krajach i regionach: amerykańska norma EPA określa, że zawartość mętności w zwykłych wodach powierzchniowych, takich jak rzeki i jeziora, powinna mieścić się w zakresie 25–150 NTU; mętność wody pitnej nie powinna przekraczać 1 NTU; norma dla odprowadzania ścieków przemysłowych określa zawiesinę stałą (TSS) z wartością graniczną w zakresie 30–100 mg/l.

Chińskie normy dotyczące wód powierzchniowych przewidują maksymalną mętność na poziomie poniżej 25 NTU (klasa V) oraz poniżej 10 NTU (klasa III). W przypadku odprowadzania ścieków z oczyszczalni ścieków miejskich, wartość graniczna zawiesiny stałej (TSS) wynosi poniżej 10 mg/l, natomiast dla odprowadzania do sieci kanalizacyjnej poddawanej wstępnemu oczyszczaniu wynosi ona 50 mg/l; maksymalna dopuszczalna mętność wody pitnej na etapie jej dystrybucji wynosi 1 NTU.

System EU EN ISO 7027 przewiduje, że dopuszczalny próg zawartości zanieczyszczeń w wodzie nie może przekraczać 4 FNU; wymóg dotyczący konwencjonalnych ścieków z oczyszczalni ścieków miejskich, obliczany na podstawie zawartości zawiesiny ogólnej (TSS), wynosi poniżej 35 mg/L, a dla ścieków przeznaczonych do odprowadzania do wrażliwych cieku o wysokim standardzie – poniżej 15 mg/L; w przypadku wód powierzchniowych wymagane jest skoordynowane kontrolowanie przejrzystości i mętności, a dla wód surowych wymóg ten wynosi zazwyczaj poniżej 5 NTU.

Dlaczego pomiary mętności są zawsze niedokładne?

Punkt bólu 1: Ścieki przemysłowe pochodzące z niektórych gałęzi przemysłu mają barwę i niską przejrzystość, np. ścieki koksownicze, ścieki z przemysłu barwnikowego lub ścieki zawierające dużą ilość dużych cząstek. Powoduje to niestabilne wskazania czujników mętności, charakteryzujące się znacznymi wahaniemi oraz ogólnie znacznie niższymi wartościami pomiarowymi.

Mechanizm zakłóceń: Tradycyjne turbidymetry oparte na zasadzie światła rozproszonego mierzą natężenie sygnału świetlnego powracającego do detektora. Jeśli woda ma barwę, część światła rozproszonego jest wcześnie pochłaniana, co osłabia sygnał świetlny odbierany przez detektor i skutkuje niższą wartością pomiaru. Duże cząstki zawieszone mogą również powodować fluktuacje odczytów podczas przechodzenia przez ścieżkę transmisji światła.

Rozwiązanie: Turbidymetry wykorzystujące podczerwień o długości fali 860 nm skutecznie unikają zakłóceń spowodowanych barwą wody. Jednocześnie konieczne jest skonfigurowanie algorytmu, który stosuje metodę pomiaru stosunkowego w celu dostosowania algorytmu kompensacji sygnału świetlnego i eliminacji błędów wynikających z ruchu dużych cząstek oraz barwy wody. Obecnie głównymi modelami wykorzystującymi to rozwiązanie są HACH TSS-Sc, CUS51D Turbimax firmy E+H oraz WQ3000-TSS/Turb firmy JIDE.

Problem nr 2: W zaawansowanych procesach oczyszczania ścieków, takich jak oczyszczanie membranowe, bioreaktory membranowe (MBR), woda zasilająca odwróconą osmozę lub oczyszczanie w drugim zbiorniku osadnikowym, gdy odpływ jest bardzo przejrzysty (zazwyczaj zawartość mętności poniżej 1 NTU), prędkość reakcji miernika mętności spada lub wskazania gwałtownie rosną, mimo że próba wody pozostaje stabilna.

Mechanizm zakłóceń: Zakłócenia spowodowane przez pęcherzyki. Pęcherzyki powstające przy niestabilnej prędkości przepływu znacząco zakłócają pomiary mętności przy niskich wartościach mętności, co prowadzi do fałszywie wysokich wyników pomiarów. Niekalibrowane urządzenia mogą generować chaotyczne sygnały świetlne wewnątrz urządzenia, wpływając na i tak już bardzo małą ilość światła rozproszonego podczas pomiarów przy niskiej mętności, co skutkuje obniżeniem szybkości reakcji urządzenia.

Rozwiązania: Zainstalowanie zbiornika do usuwania piany (działającego na zasadzie siły ciężkości lub zasilania pod ciśnieniem) , zoptymalizowanie projektu kanału przepływowego oraz regularne kalibrowanie punktu zerowego za pomocą ultraczystej wody.

Istnieje wiele innych trudnych do rozwiązania problemów związanych z pomiarem zawartości zawiesiny na miejscu. Możesz skontaktować się z naszymi inżynierami za pośrednictwem naszej strony internetowej w celu dalszej dyskusji. Zapraszamy klientów z różnych branż do udostępniania nam przypadków zastosowania, które pomogą nam ulepszyć nasze produkty oraz poszerzyć nasze doświadczenie w zakresie zastosowań terenowych.

Punkt bólu 3: Miernik zawartości zawiesiny charakteryzuje się bardzo wysoką dokładnością bezpośrednio po kalibracji, jednak już po mniej niż tygodniu pracy w naturalnej wodzie lub ściekach odczyty zaczynają się zmieniać i przesuwać w górę.

Mechanizm zakłóceń: Typowe zakłócenia spowodowane biofilmami występującymi w naturalnych zbiornikach wodnych i oceanach lub zakłócenia wynikające z osadzania się związków wapnia i magnezu w ściekach o wysokiej twardości. Takie zakłócenia łatwo przesłaniają sygnały świetlne przesyłane i odbierane przez komponenty urządzenia, co wpływa na wyniki pomiarów.

Rozwiązanie: Wybierz miernik zawartości zawiesiny z automatyczną szczoteczką do czyszczenia. Tego typu silikonowa szczoteczka do czyszczenia charakteryzuje się dużą trwałością, łatwą wymienialnością oraz umożliwia okresowe czyszczenie okna optycznego zgodnie z potrzebami, skutecznie zmniejszając zakłócenia spowodowane powstawaniem błony biologicznej. W przypadku ścieków o wysokiej twardości częstotliwość konserwacji należy zwiększyć. Wybierz miernik zawartości zawiesiny wykonany w obudowie ze stopów odpornych na korozję, takich jak stop tytanu (w tym przypadku zalecany jest bardzo opłacalny online’owy analizator zawartości zawiesiny JIDE WQ3000-turb-Ti z automatycznym czyszczeniem i obudową z tytanu). Podczas rutynowej konserwacji płukanie kwasem skutecznie rozpuszcza związki wapnia i magnezu.

Problem 4: Wyniki pomiarów zawartości zawiesiny uzyskane w laboratorium nie są porównywalne z danymi pochodzącymi z analizatora online; różnica wynosi ponad 10%, co uniemożliwia obu stron zaufanie uzyskanym wynikom pomiarów.

Mechanizmy zakłóceń: mętność i zawiesina są parametrami dynamicznymi i aktywnymi, które łatwo się osadzają. Dlatego przed przeprowadzeniem pomiaru konieczne jest dokładne wstrząśnięcie próbki, a do zapewnienia stabilności pomiaru może być wymagany mieszacz magnetyczny. Ponadto przy kalibracji analizatorów mętności online w laboratorium należy używać kubka kalibracyjnego z osłoną świetlną dostarczonego przez producenta oraz przeprowadzać pomiary standardowego roztworu formaliny w całkowicie ciemnym środowisku, aby uniknąć zakłóceń spowodowanych światłem otoczenia. W niektórych złożonych warunkach eksploatacyjnych, gdy wymagana jest dokładna zgodność wyników z danymi laboratoryjnymi, a urządzenie nie jest w stanie odwzorować pomiarów wykonanych w laboratorium za pomocą roztworu wzorcowego (zasada pomiaru w laboratorium może opierać się na metodzie lampy żarowej, a nie na metodzie światła podczerwonego), do kalibracji można wykorzystać rzeczywiste próbki wody, co zapewnia zgodność wyników porównań z wymaganiami testu.

Jak wybrać czujnik mętności o wysokiej precyzji w złożonych warunkach eksploatacyjnych oczyszczalni ścieków

W całym systemie procesowym oczyszczalni ścieków przemysłowych zawartość zawiesiny (turbidność) jest kluczowym wskaźnikiem procesowym, który bezpośrednio odzwierciedla skuteczność usuwania ogólnych zawiesin stałych (TSS), właściwości sedymentacji osadu, monitorowanie jakości wody dopływającej oraz zgodność jakości wody odpływającej ze standardami. Ręczne pobieranie próbek i ich badanie nie zapewniają dokładnej informacji zwrotnej na temat fluktuacji jakości wody, co wiąże się z ryzykiem przekroczenia dopuszczalnych norm odpływu. Czujniki turbidności o niskiej precyzji są również podatne na różne czynniki zakłócające, takie jak barwa wody, lepkie osady, materia organiczna oraz pęcherzyki powietrza, co może prowadzić do częstej niestabilności w trakcie długotrwałego użytkowania, szczególnie w warunkach złożonych eksploatacyjnych, gdzie niepewność znacznie wzrasta.

Z drugiej strony czujniki zanieczyszczenia wody o wysokiej precyzji są zaprojektowane zgodnie z podstawowymi zasadami monitoringu oraz szczegółami technicznymi mającymi na celu eliminację zakłóceń oraz ograniczenie potencjalnego dryfu danych i błędów. W tej sekcji jako przykłady wykorzystano analizator zawiesiny/turbidności serii WQ3000 firmy JIDE oraz niskozakresowy miernik turbidności 1720E firmy Hach, stosowany jako standard odniesienia w oczyszczalniach ścieków.

Analizator turbidności/zawiesiny serii WQ3000 firmy JIDE wykorzystuje źródło światła LED w bliskiej podczerwieni o długości fali 860 nm, które przenika do wody bez wpływu barwy żółto-brunatnej ścieków ani barwności ścieków z przemysłu barwnikowego, eliminując w ten sposób błędy charakterystyczne dla detekcji światłem widzialnym.

Moduł odbiorczy fotoelektryczny umieszczony jest pod kątem 90° względem światła padającego, aby specyficznie rejestrować światło rozproszone boczne generowane przez zawiesinę i cząstki koloidalne obecne w wodzie.

Natężenie rozproszonego światła jest liniowo proporcjonalne do zawartości zawiesiny w wodzie. Układ scalony, dzięki kompensacji temperatury i filtrowaniu algorytmicznemu, dokonuje dokładnej konwersji zawartości zawiesiny na jednostki standardowe NTU.

Projekt obwodu zawiera system izolacji zapobiegający zakłóceniom pochodzącym od światła otoczenia, co zapewnia nadzwyczaj wysoką dokładność wykrywania w zakresie niskiej zawartości zawiesiny (0–50 NTU) z rozdzielczością sięgającą 0,01 NTU.

Analizator mętności o niskim zakresie Hach 1720E działa na zasadzie metody rozproszonego światła pod kątem 90° i wyposażony jest w system usuwający pianę oraz odpowietrzający, który skutecznie eliminuje zakłócenia spowodowane pęcherzykami powietrza w pomiarach mętności w niskim zakresie. Urządzenie to oferuje zakres pomiarowy od 0 do 100 NTU oraz dokładność pomiaru niskiej mętności na poziomie 0,001 NTU, co czyni je odpowiednim do monitorowania wody pitnej spełniającej najbardziej rygorystyczne normy oraz ścieków odprowadzanych zgodnie z najwyższymi wymaganiami. Obecnie produkt ten posiada największą udział w rynku oraz wysoką rozpoznawalność w branży, jednak niektóre zbiorniki próbek stosowane w terenie są podatne na osadzanie się kamienia i wymagają częstej konserwacji – są to problemy zgłaszane przez użytkowników z branży. Urządzenie nadal stawia określone wymagania dotyczące jakości wody na miejscu pomiaru.

Porównanie i przewodnik wyboru

Metody pomiaru	Podstawowe zasady	Zalety	Wady/ograniczenia	Zastosowania w oczyszczalniach ścieków
metoda rozproszenia pod kątem 90°	Rejestrowanie rozproszonego światła bocznego pod kątem 90°	Zgodny zarówno z zakresami pomiaru wysokimi, jak i niskimi; zapewnia wyjątkowo wysoką dokładność pomiarów niskiej zawartości zawiesiny	Należy uwzględnić wpływ skali/wytworzonej pęcherzykami interferencji.	Standardowe monitorowanie jakości wody dopływającej i odpływającej
Metoda transmisji	Pomiar tłumienia światła przenikającego przez wodę	Odpowiedni do podstawowych pomiarów wysokiej zawartości zawiesiny	Słaba czułość w zakresie niskiej zawartości zawiesiny, bardzo podatny na zakłócenia spowodowane barwnością.	Nie nadaje się do szczegółowego monitorowania ścieków
Metoda rozpraszania tylnego	Rejestrowanie szerokokątnego światła rozproszonego w pobliżu kąta 180°	Bardzo odpowiedni do pomiarów o ultra-wysokich stężeniach	Słaba liniowość w zakresie niskiej zawartości zawiesiny.	Przeznaczony wyłącznie do osadu o wysokim stężeniu oraz ścieków dopływających