Sensor de turbidez de alta precisão para estações de tratamento de águas residuais

Quais são as diferenças entre os três indicadores de clareza em estações de tratamento de águas residuais? Diferenciando turbidez, SS e transparência

Em estações de tratamento de águas residuais, três indicadores de clareza são frequentemente mencionados: turbidez, transparência e sólidos em suspensão (SS). Eles representam três dimensões diferentes de avaliação da clareza: concentração em massa, propriedades ópticas e percepção sensorial. O método padrão de ensaio para sólidos em suspensão é o método gravimétrico, que envolve a passagem de uma amostra de água por uma membrana filtrante com poros específicos e sua secagem até atingir peso constante. A unidade de medida é mg/L. Teoricamente, esse indicador de concentração em massa não pode ser monitorado em tempo real e exige secagem e pesagem. As substâncias que afetam os sólidos em suspensão incluem areia fina, argila e microrganismos de grande raio. A turbidez é definida como o grau de dispersão da luz por partículas em suspensão na água. O método padrão de ensaio é o método de dispersão luminosa a 90°, que avalia a capacidade das partículas em suspensão de interferir na propagação da luz. A unidade é NTU (ou FTU, unidade de turbidez de formaldeído). Muitas substâncias afetam a turbidez, como areia fina, microrganismos, algas, matéria orgânica particulada e microbolhas.

Por que o Método de Luz Dispersa a 90° é a solução predominante para testes online de turbidez?

Este método envolve a emissão de um feixe direcional e paralelo de luz, proveniente de uma fonte luminosa, em uma amostra de água. Um fotodetector é posicionado a um ângulo de 90°, perpendicular à luz incidente. Quando a luz atinge partículas em suspensão na amostra de água, ela é dispersa. A luz dispersa propaga-se em todas as direções, mas o fotodetector capta apenas a intensidade da luz dispersa lateralmente, a partir da qual é calculado o valor de turbidez (a intensidade da luz dispersa lateralmente é proporcional à concentração de partículas em suspensão na água). Trata-se da solução online mais difundida para medição de turbidez, utilizada por marcas líderes no mercado de monitoramento de qualidade da água, tais como E+H, Hach, JIDE e OPTEX.

Comparação dos padrões de turbidez para qualidade da água em diversos países

Os padrões de turbidez em diversos países concentram-se em três áreas:

1. Água potável (padrões obrigatórios, com elevados requisitos);

2. Águas superficiais (classificadas de acordo com a função do corpo d’água, normalmente gerenciadas em conjunto com a transparência);

3. Efluentes industriais (normalmente calculados como sólidos em suspensão).

A seguir estão exemplos de normas de principais países e regiões: A norma da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) estipula que a turbidez de águas superficiais comuns, como rios e lagos, deve ser controlada entre 25 e 150 NTU; a turbidez da água potável deve ser inferior a 1 NTU; a norma para pontos de descarga industrial refere-se a sólidos em suspensão totais (TSS), com um valor de controle entre 30 e 100 mg/L.

As normas chinesas para águas superficiais estipulam turbidez inferior a 25 NTU (Classe V) e inferior a 10 NTU (Classe III). Para descargas de estações de tratamento de esgoto urbano, calculadas com base nos TSS, o padrão mais rigoroso de descarga é inferior a 10 mg/L, enquanto o limite para descarga em redes de pré-tratamento é de 50 mg/L; o limite de turbidez para pontos de saída de água potável é de 1 NTU.

O sistema EN ISO 7027 da UE estipula que o limite orientador para a água aplicada é inferior a 4 FNU; o requisito para efluentes convencionais de estações de tratamento de águas residuais urbanas, calculado com base nos SST (sólidos suspensos totais), é inferior a 35 mg/L, e, para corpos d’água sensíveis de alto padrão, é inferior a 15 mg/L; as águas superficiais exigem um controle coordenado da transparência e da turbidez, sendo o requisito para águas brutas, em geral, inferior a 5 NTU.

Por Que Suas Medições de Turbidez São Sempre Inprecisas?

Ponto Crítico 1: As águas residuais industriais de alguns setores são coloridas e apresentam baixa transparência, tipicamente como as águas residuais de coqueificação, de tingimento ou aquelas com altos níveis de partículas grandes. Isso resulta em leituras instáveis do sensor de turbidez, com flutuações significativas e uma leitura global consideravelmente mais baixa.

Mecanismo de Interferência: Os turbidímetros tradicionais, baseados no princípio da luz dispersa, medem a intensidade do sinal luminoso que retorna ao detector. Se a água for colorida, parte da luz dispersa será absorvida prematuramente, enfraquecendo o sinal luminoso recebido pelo detector e resultando em um valor de medição mais baixo. Partículas suspensas grandes também podem causar flutuações na leitura à medida que passam pelo caminho de transmissão da luz.

Solução: Turbidímetros baseados em luz infravermelha de 860 nm evitam eficazmente a interferência causada pela cor. Simultaneamente, é necessário configurar um algoritmo que utilize um método de medição por razão para ajustar o algoritmo de compensação do sinal luminoso, eliminando erros causados pelo movimento de partículas grandes e pela cor. Atualmente, os modelos principais que utilizam essa solução incluem o HACH TSS-Sc, o CUS51D Turbimax da E+H e o WQ3000-TSS/Turb da JIDE.

Ponto de Dor 2: Em processos avançados de tratamento de águas residuais, como tratamento por membrana, reatores biológicos de membrana (MBR), água de alimentação para osmose reversa ou tratamento em tanques de sedimentação secundária, quando o efluente é muito claro (normalmente com turbidez inferior a 1 UTN), a velocidade de resposta do turbidímetro diminui ou a leitura aumenta bruscamente mesmo quando a amostra de água está estável.

Mecanismo de Interferência: Interferência por bolhas. Bolhas geradas por vazões instáveis interferem significativamente nas medições de turbidez em níveis baixos de turbidez, levando a valores de ensaio falsamente elevados. Instrumentos não calibrados podem introduzir sinais luminosos internos caóticos, afetando a já muito pequena quantidade de luz espalhada durante medições de baixa turbidez, resultando em diminuição da velocidade de resposta do equipamento.

Soluções: Instalar um tanque desespumante (por gravidade ou princípio de pressurização) , otimizar o projeto do canal de fluxo e realizar calibrações regulares do ponto zero utilizando água ultrapura.

Muitos outros desafios relacionados aos ensaios de turbidez existem no local. Você pode entrar em contato com nossos engenheiros por meio do nosso site para uma discussão mais aprofundada. Convidamos clientes de diversos setores a nos fornecer estudos de caso para melhorar nossos produtos e ampliar nossa experiência em aplicações no local.

Ponto problemático 3: O medidor de turbidez é altamente preciso imediatamente após a calibração, mas, após menos de uma semana em águas naturais/águas residuais, as leituras apresentam flutuações e desviam-se para cima.

Mecanismo de interferência: Interferência comum causada por biofilmes em corpos d'água naturais e oceanos, ou interferência proveniente de compostos de cálcio e magnésio que se aderem devido à alta dureza das águas residuais. Essa interferência obscurece facilmente os componentes responsáveis pela transmissão e recepção do sinal luminoso, afetando os resultados dos testes.

Solução: Selecione um turbidímetro com escova de limpeza automática. Esse tipo de escova de limpeza de silicone é durável, fácil de substituir e pode limpar periodicamente a janela óptica conforme necessário, reduzindo eficazmente a interferência causada por biofilmes. Para águas residuais com alta dureza, a frequência de manutenção deve ser aumentada. Escolha um turbidímetro encapsulado em materiais resistentes à corrosão, como liga de titânio (neste caso, recomenda-se o analisador online de turbidez altamente custo-efetivo JIDE WQ3000-turb-Ti, versão com limpeza automática em liga de titânio). Durante a manutenção rotineira, a lavagem com ácido pode dissolver eficazmente os compostos de cálcio e magnésio.

Ponto problemático 4: Os dados de turbidez obtidos nos ensaios laboratoriais e os dados do analisador online não podem ser comparados, apresentando um erro superior a 10%, o que impossibilita que qualquer das partes confie nos resultados dos ensaios.

Mecanismos de Interferência: A turbidez e os sólidos em suspensão são parâmetros dinâmicos e ativos que se sedimentam facilmente. Portanto, é essencial agitar vigorosamente antes da análise, podendo ser necessário utilizar um agitador magnético para manter a estabilidade do ensaio. Além disso, ao calibrar analisadores online de turbidez no laboratório, deve-se empregar um copo de calibração com proteção contra luz fornecido pelo fabricante, e a solução-padrão de formalina deve ser testada em um ambiente totalmente escuro para evitar interferências da luz ambiente. Em algumas condições operacionais complexas, caso seja exigida uma concordância exata com os dados obtidos nos ensaios laboratoriais — e o instrumento não consiga reproduzir os ensaios com a solução-padrão utilizada no laboratório (cujo princípio de medição pode ser o método de lâmpada incandescente, em vez do método de luz infravermelha) — podem ser utilizadas amostras reais de água para a calibração, garantindo assim que os resultados da comparação atendam aos critérios do ensaio.

Como Selecionar um Sensor de Turbidez de Alta Precisão em Condições Operacionais Complexas em Estações de Tratamento de Águas Residuais

Em todo o sistema de processo de uma estação de tratamento de águas residuais industriais, a turbidez é um indicador de processo fundamental que reflete diretamente o efeito de remoção dos sólidos em suspensão totais (TSS), o desempenho de sedimentação dos lodos, o monitoramento da qualidade da água de entrada e se a qualidade da água de saída atende aos padrões exigidos. A coleta e análise manuais de amostras não conseguem fornecer um retorno preciso sobre as flutuações da qualidade da água, representando um risco de exceder os limites de descarga permitidos. Sensores de turbidez de baixa precisão também são suscetíveis a diversos fatores de interferência, como cor, depósitos viscosos, matéria orgânica e bolhas de ar, podendo levar a instabilidades frequentes com o uso prolongado, especialmente em condições operacionais complexas, nas quais a incerteza aumenta significativamente.

Sensores de turbidez de alta precisão, por outro lado, são projetados com princípios fundamentais de monitoramento e detalhes técnicos voltados para a eliminação de interferências e a mitigação de possíveis deriva de dados e erros. Esta seção utiliza, como exemplos, o analisador de turbidez/matéria suspensa da série WQ3000 da JIDE e o medidor de turbidez de baixa faixa de referência para estações de tratamento de águas residuais 1720E da Hach.

O analisador de turbidez/matéria suspensa da série WQ3000 da JIDE incorpora uma fonte de luz LED de infravermelho próximo de 860 nm que incide na água, sem ser afetada pela coloração amarelado-marrom do esgoto ou pela cromaticidade das águas residuais têxteis, evitando assim os erros inerentes à detecção com luz visível.

Um módulo fotoelétrico receptor é posicionado perpendicularmente a 90° em relação à luz incidente para captar especificamente a luz dispersa lateral gerada pelas partículas em suspensão e pelos coloides presentes na água.

A intensidade da luz dispersa é diretamente proporcional à turbidez da água. O chip, por meio de compensação de temperatura e filtragem por algoritmo, converte com precisão a turbidez em unidades padrão de turbidez (NTU).

O projeto do circuito incorpora um sistema de isolamento para evitar interferências provenientes da luz ambiente, alcançando uma precisão de detecção ultra-alta na faixa de baixa turbidez (0–50 NTU), com resolução de até 0,01 NTU.

O analisador de turbidez baixa Hach 1720E opera pelo método de luz dispersa a 90° e incorpora um sistema de desespumagem e desgaseificação para eliminar eficazmente a interferência de bolhas de ar em testes de turbidez de baixa faixa. Este dispositivo possui uma faixa de medição de 0–100 NTU e uma precisão de turbidez baixa de 0,001 NTU, tornando-o adequado para monitorar padrões extremamente elevados de água potável e os mais rigorosos padrões de descarga de efluentes. Atualmente, este produto detém a maior participação de mercado e alta reconhecibilidade no setor, mas alguns tanques de amostragem em campo são propensos à formação de incrustações e exigem manutenção frequente — problemas relatados pela indústria. O equipamento ainda apresenta certos requisitos quanto à qualidade da água no local.

Guia de Comparação e Seleção

Métodos de medição	Princípios Fundamentais	Vantagens	Desvantagens/Limitações	Cenários de aplicação em estações de tratamento de águas residuais
método de dispersão a 90°	Captação da luz dispersa lateral vertical a 90°	Compatível com ambas as faixas de medição alta e baixa, com precisão extremamente elevada para medições de turbidez baixa	A interferência causada por incrustações ou bolhas deve ser considerada.	Monitoramento padrão da qualidade da água de entrada e saída
Método de transmissão	Medição da atenuação da luz que penetra na água	Adequado para medições básicas de alta turbidez	Sensibilidade reduzida na faixa de baixa turbidez, altamente suscetível à interferência causada pela cor.	Não adequado para monitoramento detalhado do efluente
Método de retroespalhamento	Captação da luz espalhada em ângulo amplo próximo a 180°	Altamente adequado para medições de concentração ultraelevada	Baixa linearidade na faixa de baixa turbidez.	Adequado apenas para lodo de alta concentração e afluente