Высокоточный датчик мутности для очистных сооружений

В чем разница между тремя показателями прозрачности на очистных сооружениях? Отличия между мутностью, содержанием взвешенных веществ (SS) и прозрачностью

На очистных сооружениях сточных вод часто упоминаются три показателя прозрачности: мутность, прозрачность и взвешенные вещества (SS). Они отражают три различных аспекта оценки прозрачности: концентрацию по массе, оптические свойства и сенсорное восприятие. Стандартный метод анализа взвешенных веществ — гравиметрический: пробу воды фильтруют через мембранный фильтр с заданным размером пор, а затем высушивают до постоянной массы. Единица измерения — мг/л. Теоретически этот показатель концентрации по массе невозможно контролировать в режиме онлайн: для его определения требуется высушивание и взвешивание. На содержание взвешенных веществ влияют, например, ил, глина и микроорганизмы крупного размера. Мутность определяется как степень рассеяния света взвешенными частицами в воде. Стандартный метод измерения — метод рассеянного света под углом 90°, позволяющий оценить способность взвешенных частиц нарушать распространение света. Единица измерения — NTU (или FTU — единица мутности по формалину). На мутность влияет множество веществ, включая ил, микроорганизмы, водоросли, органические частицы и микропузырьки.

Почему метод рассеянного света под углом 90° является основным решением для онлайн-измерения мутности?

В этом методе из источника света в пробу воды испускается направленный параллельный световой пучок. Фотодетектор располагается под углом 90° перпендикулярно падающему свету. Когда свет попадает на взвешенные частицы в пробе воды, он рассеивается. Рассеянный свет распространяется во всех направлениях, однако фотодетектор регистрирует только интенсивность бокового рассеянного света, по которой и вычисляется значение мутности (интенсивность бокового рассеянного света пропорциональна концентрации взвешенных частиц в воде). Это — наиболее распространённое решение для онлайн-измерения мутности, используемое ведущими брендами на рынке мониторинга качества воды, такими как E+H, Hach, JIDE и OPTEX.

Сравнение стандартов мутности для воды в различных странах

Стандарты мутности в разных странах охватывают три области:

1. Питьевая вода (обязательные стандарты, высокие требования);

2. Поверхностные воды (классифицируются в зависимости от функции водного объекта, обычно контролируются совместно с прозрачностью);

3. Промышленные сточные воды (обычно оцениваются по содержанию взвешенных веществ).

Ниже приведены примеры стандартов из ведущих стран и регионов: Стандарт Агентства по охране окружающей среды США (US EPA) устанавливает, что мутность обычных поверхностных вод, таких как реки и озёра, должна поддерживаться в диапазоне 25–150 NTU; мутность питьевой воды должна составлять менее 1 NTU; для промышленных выпусков сточных вод применяется показатель взвешенных веществ (TSS), нормативное значение которого составляет 30–100 мг/л.

В китайских стандартах на поверхностные воды установлены следующие предельные значения мутности: менее 25 NTU (V класс качества воды) и менее 10 NTU (III класс качества воды). Для сточных вод, сбрасываемых городскими очистными сооружениями, контрольный параметр — содержание взвешенных веществ (TSS): максимально допустимое значение при сбросе — менее 10 мг/л, а при поступлении в сети предварительной обработки — не более 50 мг/л; предельное значение мутности для питьевой воды на выходе из источника водоснабжения — 1 NTU.

Система ЕС EN ISO 7027 устанавливает ориентировочное предельное значение мутности для подаваемой воды ниже 4 FNU; требование к традиционным сточным водам с городских очистных сооружений, рассчитываемое по содержанию взвешенных веществ (TSS), составляет менее 35 мг/л, а для сточных вод высокого качества, сбрасываемых в чувствительные водные объекты, — менее 15 мг/л; для поверхностных вод требуется комплексный контроль прозрачности и мутности, а требование к исходной воде, как правило, составляет менее 5 NTU.

Почему ваши измерения мутности всегда неточны?

Болевая точка 1: Промышленные сточные воды некоторых отраслей окрашены и обладают низкой прозрачностью, например, коксохимические или красильные сточные воды, а также сточные воды с высоким содержанием крупных частиц. Это приводит к нестабильным показаниям датчиков мутности, значительным колебаниям значений и в целом существенно заниженным результатам.

Механизм помех: Традиционные турбидиметры, основанные на принципе рассеянного света, измеряют интенсивность светового сигнала, возвращающегося к детектору. Если вода окрашена, часть рассеянного света поглощается преждевременно, что ослабляет световой сигнал, поступающий на детектор, и приводит к занижению измеряемого значения. Крупные взвешенные частицы также могут вызывать колебания показаний при прохождении через путь светового луча.

Решение: Турбидиметры, работающие в инфракрасном диапазоне с длиной волны 860 нм, эффективно исключают влияние окраски воды. Одновременно требуется настройка алгоритма, использующего метод измерения отношения сигналов для корректировки алгоритма компенсации светового сигнала и устранения погрешностей, вызванных движением крупных частиц и окраской воды. В настоящее время основными моделями, использующими данное решение, являются HACH TSS-Sc, CUS51D Turbimax от E+H и WQ3000-TSS/Turb от JIDE.

Проблема 2: В процессах доочистки сточных вод, таких как мембранная очистка, очистка методом мембранно-биореактора (MBR), подготовка воды для обратного осмоса или доочистка в вторичных отстойниках, когда сток имеет очень высокую прозрачность (обычно мутность менее 1 ЕМП), скорость отклика турбидиметра снижается либо показания резко возрастают при стабильном состоянии пробы воды.

Механизм помех: влияние пузырьков. Пузырьки, образующиеся при нестабильной скорости потока, существенно искажают измерения мутности при низких значениях мутности, приводя к завышенным результатам анализа. Неоткалиброванные приборы могут генерировать хаотичные внутренние световые сигналы, что дополнительно нарушает уже крайне слабый сигнал рассеянного света при измерении низкой мутности и снижает скорость отклика оборудования.

Решения: установка дегазационной проточной емкости (принцип действия — гравитационный или под давлением) , оптимизация конструкции проточного канала и регулярная калибровка «нулевой точки» с использованием ультраочищенной воды.

На объекте возникает множество других сложных проблем при измерении мутности. С нашими инженерами можно связаться через наш веб-сайт для дальнейшего обсуждения. Мы приветствуем клиентов из различных отраслей, которые предоставляют нам кейсы для улучшения нашей продукции и расширения практического опыта применения на объектах.

Проблема 3: Турбидиметр обеспечивает высокую точность сразу после калибровки, однако уже через менее чем неделю эксплуатации в природной воде или сточных водах показания начинают колебаться и смещаться вверх.

Механизм помех: типичные помехи вызываются биопленками в природных водоемах и океанах либо соединениями кальция и магния, оседающими в сточных водах с высокой жесткостью. Такие помехи легко загрязняют оптические компоненты передачи и приема светового сигнала, что влияет на результаты измерений.

Решение: выберите турбидиметр с автоматической щеткой для очистки. Такая силиконовая щетка для очистки отличается высокой прочностью, простотой замены и способна периодически очищать оптическое окно по мере необходимости, эффективно снижая влияние биопленки. Для сточных вод с высокой жесткостью частоту технического обслуживания необходимо увеличить. Выберите турбидиметр в корпусе из коррозионностойких материалов, например, из титанового сплава (в данном случае рекомендуется высокоэффективный по соотношению цена/качество онлайн-анализатор мутности JIDE WQ3000-turb-Ti с автоматической очисткой на основе титанового сплава). Во время планового технического обслуживания кислотная промывка эффективно растворяет соединения кальция и магния.

Проблема 4: Данные мутности, полученные в лабораторных испытаниях, и данные, полученные с помощью онлайн-анализатора, несопоставимы — погрешность превышает 10 %, что делает невозможным доверие любой из сторон к результатам испытаний.

Механизмы помех: мутность и взвешенные вещества являются динамическими и активными параметрами, которые легко оседают. Поэтому перед анализом необходимо тщательно встряхнуть пробу, а для обеспечения стабильности измерений может потребоваться магнитная мешалка. Кроме того, при калибровке онлайн-анализаторов мутности в лаборатории следует использовать светозащитный калибровочный стакан, поставляемый производителем, а стандартный формалиновый раствор необходимо тестировать в полностью темном помещении, чтобы исключить влияние окружающего света. В некоторых сложных эксплуатационных условиях, если требуется точное совпадение с лабораторными результатами анализа, а прибор не позволяет проводить калибровку с использованием стандартного раствора, применяемого в лаборатории (принцип лабораторного анализа может основываться на методе накаливания, а не на инфракрасном методе), допускается калибровка с использованием реальных проб воды, что гарантирует соответствие результатов сравнительного анализа требованиям.

Как выбрать высокоточный датчик мутности в сложных эксплуатационных условиях очистных сооружений

В рамках всей технологической системы промышленной очистной станции сточных вод мутность является ключевым технологическим показателем, который напрямую отражает эффективность удаления общего количества взвешенных веществ (TSS), осадочные свойства ила, контроль качества поступающей воды, а также соответствие качества очищенной воды установленным нормативам. Ручной отбор проб и их лабораторный анализ не позволяют оперативно и точно оценить колебания качества воды, что создаёт риск превышения предельно допустимых концентраций при сбросе. Датчики мутности низкой точности также подвержены влиянию различных помех, таких как окраска воды, вязкие отложения, органические вещества и воздушные пузырьки, что может приводить к частой нестабильности их работы при длительной эксплуатации, особенно в сложных условиях эксплуатации, когда уровень неопределённости значительно возрастает.

С другой стороны, высокоточные турбидиметрические датчики разработаны с учетом основных принципов мониторинга и технических деталей, направленных на устранение помех и снижение потенциального дрейфа данных и ошибок. В данном разделе в качестве примеров приводятся турбидиметр/анализатор взвешенных веществ серии WQ3000 компании JIDE и низкодиапазонный эталонный турбидиметр для очистных сооружений модели 1720E компании Hach.

Турбидиметр/анализатор взвешенных веществ серии WQ3000 компании JIDE оснащен светодиодным источником света ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны 860 нм, который направляется в воду и не подвержен влиянию желтовато-коричневого оттенка сточных вод или хроматичности красильных стоков, тем самым исключая характерные погрешности, возникающие при использовании видимого света.

Фотоэлектрический приемный модуль расположен перпендикулярно (под углом 90°) к падающему световому потоку и предназначен специально для регистрации бокового рассеянного света, генерируемого взвешенными частицами и коллоидными частицами в воде.

Интенсивность рассеянного света линейно пропорциональна мутности воды. Микросхема с помощью компенсации температуры и алгоритмической фильтрации точно преобразует значение мутности в стандартные единицы измерения мутности NTU.

В конструкции схемы реализована система изоляции, предотвращающая влияние окружающего света, что обеспечивает сверхвысокую точность измерений в диапазоне низких значений мутности (0–50 NTU) с разрешением до 0,01 NTU.

Анализатор мутности Hach 1720E низкого диапазона работает по методу рассеянного света под углом 90° и оснащён системой удаления пены и дегазации, которая эффективно устраняет помехи, вызванные воздушными пузырьками при измерении мутности в низком диапазоне. Диапазон измерений этого прибора составляет 0–100 NTU, а точность измерения при низкой мутности — 0,001 NTU, что делает его пригодным для контроля качества питьевой воды, соответствующей самым строгим требованиям, а также сточных вод, отвечающих высочайшим стандартам сброса. На данный момент этот продукт занимает наибольшую долю рынка и пользуется высоким признанием в отрасли; однако в некоторых полевых образцовых ёмкостях наблюдается склонность к образованию накипи, требующей частого технического обслуживания — об этом сообщают пользователи в отрасли. Прибор предъявляет определённые требования к качеству воды на месте эксплуатации.

Руководство по сравнению и выбору

Методы измерения	Основные принципы	Преимущества	Недостатки/ограничения	Сценарии применения на очистных сооружениях
метод рассеяния под углом 90°	Регистрация бокового рассеянного света под углом 90°	Совместимо как с высокими, так и с низкими диапазонами измерений; чрезвычайно высокая точность при измерении низкой мутности	Необходимо учитывать влияние накипи и пузырьков.	Стандартный контроль качества воды на входе и выходе
Способ передачи	Измерение ослабления света, проникающего в воду	Подходит для базовых измерений высокой мутности	Низкая чувствительность в диапазоне низкой мутности, высокая восприимчивость к помехам от окраски.	Не подходит для тонкого контроля сточных вод
Метод обратного рассеяния	Регистрация широкого угла рассеянного света, близкого к 180°	Чрезвычайно подходит для измерений сверхвысоких концентраций	Плохая линейность в диапазоне низкой мутности.	Подходит только для осадка с высокой концентрацией и поступающей воды