Högpresterande turbiditetssensor för avloppsreningsanläggningar

Vad är skillnaderna mellan de tre klarhetsindikatorerna i avloppsreningsverk? Skillnaden mellan turbiditet, SS och genomskinlighet

I avloppsreningsverk nämns tre klarhetsindikatorer ofta: turbiditet, genomskinlighet och suspenderade fasta ämnen (SS). De representerar tre olika dimensioner av klarhetsbedömning: masskoncentration, optiska egenskaper och sensorisk uppfattning. Den standardiserade analysmetoden för suspenderade fasta ämnen är gravimetri, vilket innebär att man filtrerar ett vattenprov genom en filtermembran med specifika porer och torkar det till konstant vikt. Måttenheten är mg/L. Teoretiskt sett kan denna masskoncentrationsindikator inte övervakas i realtid utan måste torkas och vägas. Ämnen som påverkar mängden suspenderade fasta ämnen inkluderar slam, lera och mikroorganismer med stor radie. Turbiditet definieras som graden av ljusspridning orsakad av suspenderade partiklar i vattnet. Den standardiserade analysmetoden är 90°-ljusspridningsmetoden, som mäter hur väl suspenderade partiklar stör ljusets utbredning. Måttenheten är NTU (eller FTU, formalinturbiditetsenhet). Många ämnen påverkar turbiditeten, till exempel slam, mikroorganismer, alger, partikulärt organiskt material och mikrobubblor.

Varför är metoden för 90° spridd ljus den dominerande lösningen för online-turbiditetsmätning?

Denna metod innebär att en riktad parallell ljusstråle sänds in i ett vattenprov från en ljuskälla. En fotodetektor placeras i en vinkel på 90° vinkelrätt mot infallande ljus. När ljuset träffar suspenderade partiklar i vattenprovet sprids det. Det spridda ljuset färdas åt alla håll, men fotodetektorn samlar endast in intensiteten hos det laterala spridda ljuset, vilket används för att beräkna turbiditetsvärdet (intensiteten hos det laterala spridda ljuset är proportionell mot mängden partiklar i vattnet). Detta är den dominerande online-lösningen för turbiditetsmätning och används av ledande varumärken på marknaden för vattenkvalitetsövervakning, såsom E+H, Hach, JIDE och OPTEX.

Jämförelse av turbiditetsstandarder för vattenkvalitet i olika länder

Turbiditetsstandarder i olika länder fokuserar på tre områden:

1. Dricksvatten (obligatoriska standarder, höga krav);

2. Ytvatten (klassificerat enligt vattenkroppens funktion, vanligtvis hanterat tillsammans med transparens);

3. Industriellt avloppsvatten (vanligtvis beräknat som suspenderade ämnen).

Här är exempel på standarder från stora länder och regioner: US EPA:s standard föreskriver att turbiditeten i vanligt ytvatten, såsom floder och sjöar, ska hållas mellan 25–150 NTU; turbiditeten i dricksvatten ska vara under 1 NTU; standarden för industriella utsläppspunkter gäller suspenderade ämnen (TSS), med ett gränsvärde mellan 30–100 mg/L.

Kinas standarder för ytvatten föreskriver en turbiditet under 25 NTU (klass V) och under 10 NTU (klass III). För utsläpp från reningsverk för stadsvatten beräknas gränsvärdet enligt TSS, där det högsta tillåtna utsläppsvärdet är under 10 mg/L och gränsen för utsläpp till förbehandlingsnät är 50 mg/L; gränsen för turbiditet vid dricksvattenutsläpp är 1 NTU.

EU:s EN ISO 7027-system specificerar att gränsvärdet för tillämpat vatten ska ligga under 4 FNU; kravet på konventionellt avloppsvatten från kommunala avloppsreningsverk, beräknat utifrån TSS, är under 35 mg/L, och för högstandardkänsliga vattenområden är det under 15 mg/L; för ytvatten krävs samordnad kontroll av genomskinlighet och turbiditet, och kravet på råvatten är i allmänhet under 5 NTU.

Varför är dina turbiditetsmätningar alltid oförutsägbara?

Smärtpunkt 1: Avloppsvatten från vissa industrier är färgat och har låg genomskinlighet, exempelvis kokverksavloppsvatten, färgningsavloppsvatten eller avloppsvatten med höga halter stora partiklar. Detta leder till instabila turbiditetsgivarmätningar med kraftiga svängningar och en totalt betydligt lägre avläsning.

Interferensmekanism: Traditionella turbidimetrar som bygger på spridd ljusprincipen mäter intensiteten hos det ljussignal som återvänder till detektorn. Om vattnet är färgat absorberas en del av det spridda ljuset i förväg, vilket försvagar ljussignalen som mottages av detektorn och resulterar i ett lägre mätvärde. Stora suspenderade partiklar kan också orsaka fluktuationer i avläsningen när de passerar genom ljusstrålens transmissionsbana.

Lösning: Turbidimetrar som använder infrarött ljus vid 860 nm undviker effektivt interferensen från färg. Samtidigt krävs en algoritm som är konfigurerad med en förhållande-mätmetod för att justera ljussignalens kompensationsalgoritm och eliminera fel som orsakas av rörelse hos stora partiklar och färg. För närvarande inkluderar de vanligaste modellerna som använder denna lösning HACH TSS-Sc, E+H:s CUS51D Turbimax och JIDE:s WQ3000-TSS/Turb.

Smärtpunkt 2: Vid avancerade processer för avloppsvattenrening, till exempel membranrening, MBR, försättningsvatten till omvänd osmos eller rening i sekundära avsättningstankar, minskar turbiditetsmätarens svarshastighet – eller visar plötsligt ett kraftigt ökat värde – när utsläppsvattnet är mycket klart (vanligtvis med turbiditet under 1 NTU).

Störningsmekanism: Störning orsakad av bubblor. Bubblor som bildas vid instabila flödeshastigheter stör kraftigt turbiditetsmätning vid låga turbiditetsnivåer, vilket leder till felaktigt höga mätvärden. Okalibrerade instrument kan ge kaotiska interna ljussignaler, vilket påverkar den redan mycket lilla mängden spridda ljuset vid mätning av låg turbiditet och resulterar i en minskad svarshastighet hos utrustningen.

Lösningar: Installera en avskummningsflödesbehållare (med gravitations- eller tryckprincip) , optimera flödeskanalens design och utför regelbunden nollpunktskalibrering med ultrarent vatten.

Många andra utmanande problem vid turbiditetsmätning finns på plats. Du kan kontakta våra ingenjörer via vår webbplats för ytterligare diskussion. Vi välkomnar kunder från olika branscher som vill ge oss fallstudier för att förbättra våra produkter och utöka vår erfarenhet av applikationer på plats.

Smärtpunkt 3: Turbiditetsmätaren är mycket noggrann omedelbart efter kalibrering, men efter mindre än en vecka i naturligt vatten/avloppsvatten fluktuerar avläsningarna och skiftar uppåt.

Störningsmekanism: Vanliga störningar från biofilmer i naturliga vattenmassor och hav, eller störningar från kalcium- och magnesiumföreningar som fastnar på grund av det höga hårdhetsinnehållet i avloppsvatten. Denna störning kan lätt dölja ljussignalerna till de sändande och mottagande komponenterna, vilket påverkar testresultaten.

Lösning: Välj en turbiditetsmätare med automatisk rengöringsborste. Denna typ av silikonrengöringsborste är hållbar, lätt att byta ut och kan periodiskt rengöra optiska fönster efter behov, vilket effektivt minskar påverkan av biofilm. För avloppsvatten med hög hårdhet måste underhållsfrekvensen ökas. Välj en turbiditetsmätare innesluten i korrosionsbeständiga material, t.ex. titanlegering (här rekommenderas den mycket kostnadseffektiva JIDE WQ3000-turb-Ti-titanlegeringsversionen av turbiditetsanalysatorn för kontinuerlig mätning med automatisk rengöring). Vid rutinmässigt underhåll kan sytvaskning effektivt lösa kalcium- och magnesiumföreningar.

Smärtpunkt 4: Turbiditetsdata från laboratorietester och data från onlineanalysatorn kan inte jämföras, med ett fel större än 10 %, vilket gör att ingen av parterna kan lita på testresultaten.

Interferensmekanismer: Turbiditet och suspenderade fasta ämnen är dynamiska och aktiva parametrar som lätt avsätter sig. Därför är grundlig skakning avgörande innan provning, och en magnetisk rörare kan vara nödvändig för att upprätthålla provningsstabilitet. Vid kalibrering av online-turbiditetsanalyser i laboratoriet bör dessutom en ljusskyddande kalibreringskopp som tillhandahålls av tillverkaren användas, och den standardiserade formalinlösningen bör testas i ett helt mörkt miljö för att undvika störningar från omgivande ljus. I vissa komplexa driftförhållanden, om exakt överensstämmelse med laboratorieprovdata krävs och instrumentet inte kan matcha laboratoriets standardlösningstest (laboratorieprovningens princip kan t.ex. bygga på glödlampsmetod snarare än infraröd ljusmetod), kan verkliga vattenprover användas för kalibrering för att säkerställa att jämförelseresultaten uppfyller kraven.

Hur man väljer en högprecisionsturbiditetssensor under komplexa driftförhållanden på avloppsreningsverk

I hela processsystemet för en industriell avloppsreningsanläggning är turbiditet en central processindikator som direkt återspeglar borttagningseffekten av totalt suspenderade fasta ämnen (TSS), slamavskiljningsprestanda, övervakning av inkommande vattenkvalitet samt om utgående vattenkvalitet uppfyller kraven. Manuell provtagning och analys kan inte ge exakt feedback om vattenkvalitetsvariationer, vilket innebär en risk för att utsläppskraven överskrids. Turbiditetssensorer med låg precision är också känsliga för olika störningsfaktorer, såsom färg, viskösa avlagringar, organiskt material och luftbubblor, vilket potentiellt kan leda till frekventa instabiliteter vid långtidsanvändning, särskilt under komplexa driftförhållanden där osäkerheten ökar betydligt.

Högpålitliga turbiditetsensorer är å andra sidan utformade med kärnövervakningsprinciper och tekniska detaljer som syftar till att eliminera störningar och minska potentiell dataavdrift och fel. Detta avsnitt använder JIDE:s WQ3000-serie för turbiditet/suspenderade ämnen och Hachs 1720E-lågintervallturbiditetsmätare för reningsverk som exempel.

JIDE WQ3000-seriens turbiditetsanalysator för suspenderade ämnen använder en 860 nm nära infraröd LED-ljuskälla som skiner in i vattnet, utan att påverkas av det gult-bruna färgtonet i avloppsvatten eller färgtonen i färgvatten, vilket undviker de inneboende felen vid detektering med synligt ljus.

En fotoelektrisk mottagarmodul placeras 90° vinkelrätt mot infallande ljus för att specifikt fånga upp det laterala spridda ljuset som genereras av suspenderade partiklar och kolloidala partiklar i vattnet.

Intensiteten hos det spridda ljuset är linjärt proportionell mot vattnets turbiditet. Kretsen konverterar turbiditeten noggrant till standardturbiditetsenheter (NTU) genom temperaturkompensation och algoritmfiltrering.

Kretskonstruktionen inkluderar ett isoleringssystem för att förhindra störningar från omgivande ljus, vilket ger extremt hög detektionsnoggrannhet i det låga turbiditetsintervallet (0–50 NTU), med en upplösning på upp till 0,01 NTU.

Hach 1720E-analysatorn för låg turbiditet fungerar enligt metoden för 90° spridd ljus och är utrustad med ett avskum- och avgasningssystem för att effektivt eliminera störningar från luftbubblor vid turbiditetsmätning i låga koncentrationer. Denna apparat har ett mätområde på 0–100 NTU och en noggrannhet vid låg turbiditet på 0,001 NTU, vilket gör den lämplig för övervakning av dricksvatten med extremt höga krav samt utsläpp med högsta kravnivå. Denna produkt har för närvarande störst marknadsandel och hög erkännande inom branschen, men vissa fältprovbehållare tenderar att kalka upp och kräver ofta underhåll – problem som rapporterats av branschen. Den ställer fortfarande vissa krav på kvaliteten hos det lokala vattnet.

Jämförelse- och urvalsguide

Mätmetoder	Kärnprinciper	Fördelar	Nackdelar/begränsningar	Användningsområden på avloppsreningsverk
metod för 90° spridning	Detektering av 90° vertikalt sidospritt ljus	Kompatibel med både höga och låga mätområden, extremt hög noggrannhet för mätning av låg turbiditet	Skalans/bubblornas påverkan måste beaktas.	Standardövervakning av inflöde och utflöde av vattenkvalitet
Transmitteringsmetod	Mätning av ljusets svagning när det tränger igenom vatten	Lämplig för grundläggande mätning av hög turbiditet	Dålig känslighet i området med låg turbiditet, mycket känslig för färgpåverkan.	Inte lämplig för fin övervakning av utsläppsvatten
Bakscatteringmetod	Fångar in spritt ljus i ett brett vinkelområde nära 180°	Mycket lämplig för mätning av ultra-höga koncentrationer	Dålig linjäritet i det låga turbiditetsområdet.	Endast lämplig för slam med hög koncentration och inkommande vatten