เซ็นเซอร์วัดความขุ่นที่มีความแม่นยำสูงสำหรับสถานีบำบัดน้ำเสีย

ความแตกต่างระหว่างตัวชี้วัดความใสทั้งสามชนิดในโรงบำบัดน้ำเสียคืออะไร? ความแตกต่างระหว่างความขุ่น ของแข็งลอยตัว (SS) และความโปร่งใส

ในสถานีบำบัดน้ำเสีย มักกล่าวถึงตัวชี้วัดความใสสามประการ ได้แก่ ความขุ่น ความโปร่งใส และของแข็งลอยอยู่ (SS) ซึ่งตัวชี้วัดทั้งสามนี้แสดงมิติที่แตกต่างกันของการประเมินความใส ได้แก่ ความเข้มข้นเชิงมวล คุณสมบัติทางแสง และการรับรู้ด้วยประสาทสัมผัส วิธีการทดสอบมาตรฐานสำหรับของแข็งลอยอยู่คือวิธีการวัดน้ำหนัก ซึ่งประกอบด้วยการผ่านตัวอย่างน้ำผ่านเมมเบรนกรองที่มีรูพรุนเฉพาะและนำไปอบแห้งจนน้ำหนักคงที่ หน่วยวัดคือ มิลลิกรัมต่อลิตร (mg/L) โดยหลักการแล้ว ตัวชี้วัดความเข้มข้นเชิงมวลนี้ไม่สามารถตรวจสอบแบบออนไลน์ได้ และจำเป็นต้องนำตัวอย่างไปอบแห้งแล้วชั่งน้ำหนัก สารที่ส่งผลต่อปริมาณของแข็งลอยอยู่ ได้แก่ ตะกอน ดินเหนียว และจุลินทรีย์ที่มีรัศมีขนาดใหญ่ ความขุ่นนิยามว่าเป็นระดับของการกระเจิงของแสงโดยอนุภาคที่ลอยอยู่ในน้ำ วิธีการทดสอบมาตรฐานคือวิธีการวัดการกระเจิงของแสงที่มุม 90 องศา ซึ่งใช้วัดความสามารถของอนุภาคที่ลอยอยู่ในการรบกวนการเดินทางของแสง หน่วยวัดคือ NTU (หรือ FTU ซึ่งย่อมาจาก formalin turbidity unit) สารหลายชนิดส่งผลต่อความขุ่น เช่น ตะกอน จุลินทรีย์ สาหร่าย สารอินทรีย์ที่อยู่ในรูปของแข็ง และฟองอากาศขนาดเล็ก

เหตุใดวิธีการวัดความขุ่นด้วยแสงกระเจิงที่มุม 90° จึงเป็นวิธีหลักสำหรับการวัดความขุ่นแบบออนไลน์

วิธีนี้ใช้แหล่งกำเนิดแสงปล่อยลำแสงขนานที่มีทิศทางเข้าสู่ตัวอย่างน้ำ จากนั้นจึงวางโฟโต้ดีเทกเตอร์ไว้ที่มุม 90° ซึ่งตั้งฉากกับลำแสงที่ตกกระทบ เมื่อแสงกระทบกับอนุภาคแขวนลอยในตัวอย่างน้ำ จะเกิดการกระเจิงของแสง ซึ่งแสงที่กระเจิงจะเดินทางไปทุกทิศทาง แต่โฟโต้ดีเทกเตอร์จะรับเฉพาะความเข้มของแสงที่กระเจิงไปทางด้านข้าง (lateral scattered light) เท่านั้น จากนั้นจึงคำนวณค่าความขุ่นจากความเข้มของแสงที่กระเจิงด้านข้างนี้ (โดยความเข้มของแสงที่กระเจิงด้านข้างสัมพันธ์โดยตรงกับปริมาณอนุภาคแขวนลอยในน้ำ) วิธีนี้เป็นวิธีการวัดความขุ่นแบบออนไลน์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด และถูกใช้งานโดยแบรนด์ชั้นนำในตลาดการตรวจสอบคุณภาพน้ำ เช่น E+H, Hach, JIDE และ OPTEX

การเปรียบเทียบมาตรฐานคุณภาพน้ำด้านความขุ่นของประเทศต่าง ๆ

มาตรฐานความขุ่นของน้ำในแต่ละประเทศมุ่งเน้นที่สามด้าน ได้แก่

1. น้ำดื่ม (มาตรฐานบังคับ ซึ่งมีความเข้มงวดสูง)

2. น้ำผิวดิน (จัดประเภทตามหน้าที่ของแหล่งน้ำ โดยทั่วไปจะควบคุมร่วมกับความโปร่งใส)

3. น้ำเสียจากอุตสาหกรรม (โดยทั่วไปคำนวณจากของแข็งแขวนลอย)

ตัวอย่างมาตรฐานจากประเทศและภูมิภาคหลักมีดังนี้: มาตรฐานของสำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมสหรัฐอเมริกา (US EPA) กำหนดให้ความขุ่นของน้ำผิวดินทั่วไป เช่น แม่น้ำและทะเลสาบ ควบคุมอยู่ระหว่าง 25–150 NTU; ความขุ่นของน้ำดื่มต้องต่ำกว่า 1 NTU; มาตรฐานสำหรับจุดปล่อยน้ำเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมใช้ปริมาณของแข็งแขวนลอย (TSS) เป็นเกณฑ์ โดยมีค่าควบคุมอยู่ระหว่าง 30–100 มก./ลิตร

มาตรฐานน้ำผิวดินของจีนกำหนดให้ความขุ่นต่ำกว่า 25 NTU (น้ำประเภท V) และต่ำกว่า 10 NTU (น้ำประเภท III) สำหรับน้ำเสียที่ปล่อยจากสถานีบำบัดน้ำเสียในเขตเมือง ซึ่งคำนวณจาก TSS นั้น มาตรฐานการปล่อยสูงสุดคือต่ำกว่า 10 มก./ลิตร และขีดจำกัดสำหรับการปล่อยลงในเครือข่ายบำบัดเบื้องต้นคือ 50 มก./ลิตร; ขีดจำกัดความขุ่นสำหรับน้ำดื่มคือ 1 NTU

ระบบมาตรฐานสากลของสหภาพยุโรป EN ISO 7027 กำหนดให้ค่าจำกัดสูงสุดสำหรับน้ำที่ใช้งานอยู่ต่ำกว่า 4 FNU; ข้อกำหนดสำหรับน้ำทิ้งแบบดั้งเดิมจากสถานีบำบัดน้ำเสียในเขตเมือง ซึ่งคำนวณจากค่า TSS คือต่ำกว่า 35 มก./ลิตร และสำหรับแหล่งน้ำที่มีความอ่อนไหวสูงตามมาตรฐานที่เข้มงวดยิ่งขึ้น คือต่ำกว่า 15 มก./ลิตร; ส่วนน้ำผิวดินจำเป็นต้องควบคุมความโปร่งใสและค่าความขุ่นร่วมกัน โดยข้อกำหนดสำหรับน้ำต้นทางโดยทั่วไปคือต่ำกว่า 5 NTU

ทำไมการวัดค่าความขุ่นของคุณจึงไม่แม่นยำเสมอ?

จุดปัญหาที่ 1: น้ำเสียจากอุตสาหกรรมบางประเภทมีสีและมีความโปร่งใสต่ำ เช่น น้ำเสียจากการกลั่นถ่านโค้ก น้ำเสียจากการย้อมสี หรือน้ำเสียที่มีอนุภาคขนาดใหญ่ในปริมาณสูง ซึ่งส่งผลให้ค่าที่เซ็นเซอร์วัดค่าความขุ่นแสดงออกมามีความไม่เสถียร ผันผวนมาก และโดยรวมแล้วให้ค่าต่ำกว่าความเป็นจริงอย่างมีนัยสำคัญ

กลไกการรบกวน: เครื่องวัดความขุ่นแบบดั้งเดิมที่ใช้หลักการของแสงกระเจิง จะวัดความเข้มของสัญญาณแสงที่สะท้อนกลับไปยังตัวตรวจจับ หากน้ำมีสี แสงกระเจิงบางส่วนจะถูกดูดซับล่วงหน้า ส่งผลให้สัญญาณแสงที่ตัวตรวจจับรับได้อ่อนแอลง และทำให้ค่าที่วัดได้ต่ำกว่าความเป็นจริง นอกจากนี้ อนุภาคแขวนลอยขนาดใหญ่ยังอาจก่อให้เกิดความผันผวนของค่าที่อ่านได้ขณะเคลื่อนผ่านเส้นทางการส่งผ่านแสง

วิธีแก้ไข: เครื่องวัดความขุ่นที่ใช้แสงอินฟราเรดความยาวคลื่น 860 นาโนเมตร สามารถหลีกเลี่ยงการรบกวนจากสีของน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมกันนี้ จำเป็นต้องกำหนดค่าอัลกอริทึมโดยใช้วิธีการวัดแบบอัตราส่วน (ratio measurement) เพื่อปรับแต่งอัลกอริทึมการชดเชยสัญญาณแสง ซึ่งจะช่วยลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดใหญ่และสีของน้ำ ปัจจุบัน รุ่นหลักที่ใช้วิธีการนี้ ได้แก่ HACH TSS-Sc, CUS51D Turbimax ของ E+H และ WQ3000-TSS/Turb ของ JIDE

จุดปัญหาที่ 2: ในกระบวนการบำบัดน้ำเสียขั้นสูง เช่น การบำบัดด้วยเมมเบรน การบำบัดด้วยระบบ MBR การเตรียมน้ำป้อนสำหรับการแยกด้วยออสโมซิสย้อนกลับ หรือการบำบัดในถังตกตะกอนขั้นที่สอง เมื่อน้ำทิ้งมีความใสสูงมาก (โดยทั่วไปค่าความขุ่นต่ำกว่า 1 NTU) ความเร็วในการตอบสนองของเครื่องวัดความขุ่นจะลดลง หรือค่าที่อ่านได้อาจเพิ่มสูงขึ้นอย่างฉับพลันแม้ตัวอย่างน้ำจะมีความเสถียร

กลไกการรบกวน: การรบกวนจากฟองอากาศ ฟองอากาศที่เกิดขึ้นจากอัตราการไหลที่ไม่คงที่จะรบกวนการวัดค่าความขุ่นอย่างมีนัยสำคัญในระดับความขุ่นต่ำ ส่งผลให้ค่าที่วัดได้สูงผิดปกติ เครื่องมือที่ไม่ได้ปรับเทียบอาจก่อให้เกิดสัญญาณแสงภายในที่ไม่เป็นระเบียบ ซึ่งส่งผลกระทบต่อปริมาณแสงกระเจิงที่มีอยู่น้อยมากอยู่แล้วในระหว่างการวัดความขุ่นต่ำ ส่งผลให้ความเร็วในการตอบสนองของอุปกรณ์ลดลง

แนวทางแก้ไข: ติดตั้ง ถังลดฟองอากาศ (ใช้หลักการแรงโน้มถ่วงหรือแรงดัน) ปรับปรุงการออกแบบช่องทางการไหล และทำการปรับค่าศูนย์เป็นประจำโดยใช้น้ำบริสุทธิ์สูงสุด

ยังมีปัญหาการทดสอบความขุ่นที่ท้าทายอื่นๆ อีกมากมายที่เกิดขึ้นจริงในสถานที่ ท่านสามารถติดต่อวิศวกรของเราผ่านเว็บไซต์ของเราเพื่อหารือเพิ่มเติมได้ เราขอต้อนรับลูกค้าจากหลากหลายอุตสาหกรรมให้ส่งกรณีศึกษา (case studies) มาให้เรา เพื่อช่วยปรับปรุงผลิตภัณฑ์ของเราและขยายประสบการณ์การใช้งานจริงในสถานที่

จุดปัญหาที่ 3: เครื่องวัดความขุ่นมีความแม่นยำสูงมากทันทีหลังการสอบเทียบ แต่เมื่อใช้งานในน้ำธรรมชาติหรือน้ำเสียเป็นเวลาไม่ถึงหนึ่งสัปดาห์ ค่าที่วัดได้จะเริ่มผันผวนและคลาดเคลื่อนสูงขึ้น

กลไกการรบกวน: การรบกวนทั่วไปที่เกิดจากไบโอฟิล์มในแหล่งน้ำธรรมชาติและมหาสมุทร หรือการรบกวนที่เกิดจากสารประกอบแคลเซียมและแมกนีเซียมที่เกาะติดบนพื้นผิวของเซนเซอร์เนื่องจากน้ำเสียมีความกระด้างสูง การรบกวนประเภทนี้ทำให้ส่วนประกอบที่ส่งและรับสัญญาณแสงถูกบดบังได้ง่าย ส่งผลต่อผลลัพธ์การวัด

วิธีแก้ไข: เลือกเครื่องวัดความขุ่นที่มีแปรงทำความสะอาดอัตโนมัติ แปรงทำความสะอาดซิลิโคนชนิดนี้มีความทนทานสูง สามารถเปลี่ยนได้ง่าย และสามารถทำความสะอาดหน้าต่างออปติกได้ตามช่วงเวลาที่กำหนด ซึ่งช่วยลดการรบกวนจากไบโอฟิล์มได้อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับน้ำเสียที่มีค่าความแข็งสูง จำเป็นต้องเพิ่มความถี่ในการบำรุงรักษา ควรเลือกเครื่องวัดความขุ่นที่ผลิตจากวัสดุต้านการกัดกร่อน เช่น โลหะผสมไทเทเนียม (ในที่นี้ขอแนะนำเครื่องวิเคราะห์ความขุ่นแบบออนไลน์รุ่น JIDE WQ3000-turb-Ti ที่ทำจากโลหะผสมไทเทเนียมพร้อมระบบทำความสะอาดอัตโนมัติ ซึ่งมีราคาคุ้มค่ามาก) ในการบำรุงรักษาตามปกติ การล้างด้วยกรดสามารถละลายสารประกอบแคลเซียมและแมกนีเซียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

จุดปัญหาที่ 4: ข้อมูลความขุ่นที่ได้จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการไม่สามารถเปรียบเทียบกับข้อมูลจากเครื่องวิเคราะห์แบบออนไลน์ได้ เนื่องจากความคลาดเคลื่อนเกิน 10% ทำให้ทั้งสองฝ่ายไม่สามารถเชื่อมั่นผลการทดสอบได้

กลไกการรบกวน: ความขุ่นและของแข็งลอยตัวเป็นพารามิเตอร์ที่มีลักษณะเปลี่ยนแปลงได้และมีปฏิกิริยาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสามารถตกตะกอนได้ง่าย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเขย่าตัวอย่างให้ทั่วถึงก่อนทำการวัด และอาจจำเป็นต้องใช้เครื่องคนด้วยแม่เหล็กเพื่อรักษาความเสถียรของการวัด นอกจากนี้ เมื่อทำการสอบเทียบเครื่องวัดความขุ่นแบบออนไลน์ในห้องปฏิบัติการ ควรใช้ภาชนะสอบเทียบที่ป้องกันแสงซึ่งผู้ผลิตจัดให้ และควรทดสอบสารละลายฟอร์มาลินมาตรฐานในสภาพแวดล้อมที่มืดสนิท เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนจากแสงรอบข้าง ทั้งนี้ ในสภาวะการใช้งานที่ซับซ้อนบางประการ หากต้องการให้ผลการวัดสอดคล้องกับข้อมูลจากการวัดในห้องปฏิบัติการอย่างแม่นยำ และหากเครื่องมือไม่สามารถให้ผลการวัดที่สอดคล้องกับสารละลายมาตรฐานที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ (หลักการวัดในห้องปฏิบัติการอาจใช้หลอดไฟไส้แทนการวัดด้วยแสงอินฟราเรด) อาจใช้ตัวอย่างน้ำจริงในการสอบเทียบเพื่อให้มั่นใจว่าผลการเปรียบเทียบจะผ่านเกณฑ์ที่กำหนด

วิธีการเลือกเซนเซอร์วัดความขุ่นที่มีความแม่นยำสูงภายใต้สภาวะการใช้งานที่ซับซ้อนในโรงงานบำบัดน้ำเสีย

ในระบบกระบวนการทั้งหมดของโรงงานบำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรม ความขุ่นเป็นตัวชี้วัดกระบวนการหลักที่สะท้อนโดยตรงถึงประสิทธิภาพในการกำจัดของแข็งแขวนลอยรวม (TSS) สมรรถนะการตกตะกอนของตะกอน การตรวจสอบคุณภาพน้ำดิบที่เข้าสู่ระบบ และการประเมินว่าน้ำทิ้งที่ปล่อยออกมามีคุณภาพสอดคล้องตามมาตรฐานหรือไม่ การเก็บตัวอย่างและวิเคราะห์ด้วยวิธีการแบบใช้มือไม่สามารถให้ข้อมูลย้อนกลับที่แม่นยำเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของคุณภาพน้ำได้ ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการปล่อยน้ำทิ้งที่เกินเกณฑ์มาตรฐานได้ เซ็นเซอร์วัดความขุ่นที่มีความแม่นยำต่ำก็ยังไวต่อปัจจัยรบกวนต่างๆ ได้ง่าย เช่น สีของน้ำ คราบสิ่งสกปรกที่มีความหนืด สารอินทรีย์ และฟองอากาศ ซึ่งอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรบ่อยครั้งเมื่อใช้งานเป็นเวลานาน โดยเฉพาะภายใต้สภาวะการดำเนินงานที่ซับซ้อน ซึ่งจะยิ่งเพิ่มระดับความไม่แน่นอนให้สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

เซ็นเซอร์วัดความขุ่นแบบความแม่นยำสูง ออกแบบโดยใช้หลักการตรวจสอบหลักและรายละเอียดเชิงเทคนิคที่มุ่งเน้นการกำจัดสิ่งรบกวน และลดปัญหาการเบี่ยงเบนของข้อมูลหรือข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น บทนี้ยกตัวอย่างเครื่องวิเคราะห์ความขุ่น/ของแข็งลอยตัวรุ่น WQ3000 ของบริษัท JIDE และเครื่องวัดความขุ่นช่วงต่ำรุ่น 1720E ของบริษัท Hach ซึ่งเป็นมาตรฐานอ้างอิงสำหรับสถานีบำบัดน้ำเสีย

เครื่องวิเคราะห์ความขุ่น/ของแข็งลอยตัวรุ่น WQ3000 ของ JIDE ใช้แหล่งกำเนิดแสง LED ใกล้อินฟราเรดความยาวคลื่น 860 นาโนเมตร ส่องผ่านน้ำ โดยไม่ได้รับผลกระทบจากสีเหลืองน้ำตาลของน้ำเสีย หรือสีของน้ำเสียจากกระบวนการย้อม จึงหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดโดยธรรมชาติที่เกิดจากการตรวจวัดด้วยแสงที่มองเห็นได้

โมดูลรับแสงแบบโฟโตอิเล็กทริกติดตั้งอยู่ในแนวตั้งฉาก 90 องศาเทียบกับแสงตกกระทบ เพื่อรับเฉพาะแสงกระเจิงด้านข้างที่เกิดจากของแข็งลอยตัวและอนุภาคโคลลอยด์ในน้ำ

ความเข้มของแสงที่กระเจิงมีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับความขุ่นของน้ำ ชิปนี้ใช้การชดเชยอุณหภูมิและตัวกรองอัลกอริทึมเพื่อแปลงค่าความขุ่นให้เป็นหน่วยความขุ่นมาตรฐาน (NTU) อย่างแม่นยำ

การออกแบบวงจรรวมระบบแยกสัญญาณเพื่อป้องกันการรบกวนจากแสงแวดล้อม ทำให้สามารถตรวจวัดความขุ่นได้อย่างแม่นยำสูงมากในช่วงความขุ่นต่ำ (0~50 NTU) โดยมีความละเอียดสูงสุดถึง 0.01 NTU

เครื่องวิเคราะห์ความขุ่นแบบต่ำรุ่น Hach 1720E ใช้หลักการวัดแสงที่กระเจิงที่มุม 90° และมีระบบกำจัดฟองและกำจัดอากาศเพื่อกำจัดการรบกวนจากฟองอากาศในการวัดความขุ่นระดับต่ำอย่างมีประสิทธิภาพ อุปกรณ์นี้มีช่วงการวัด 0–100 NTU และความแม่นยำในการวัดความขุ่นระดับต่ำที่ 0.001 NTU จึงเหมาะสำหรับการตรวจสอบคุณภาพน้ำดื่มที่มีมาตรฐานสูงมากที่สุด และน้ำทิ้งที่มีมาตรฐานสูงสุดในอุตสาหกรรม ผลิตภัณฑ์นี้มีส่วนแบ่งตลาดมากที่สุดในปัจจุบันและได้รับการยอมรับสูงในอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม ถังตัวอย่างบางชนิดที่ใช้งานจริงมีแนวโน้มเกิดคราบตะกรันและต้องบำรุงรักษาบ่อย ซึ่งเป็นปัญหาที่อุตสาหกรรมรายงานไว้ นอกจากนี้ยังมีข้อกำหนดบางประการเกี่ยวกับคุณภาพน้ำบริเวณสถานที่ติดตั้ง

คู่มือเปรียบเทียบและเลือกใช้งาน

วิธีการวัด	หลักการสำคัญ	ข้อได้เปรียบ	ข้อเสีย/ข้อจำกัด	สถานการณ์การใช้งานในโรงบำบัดน้ำเสีย
วิธีการกระเจิงแสงที่มุม 90°	การตรวจจับแสงที่กระเจิงด้านข้างในแนวตั้งที่มุม 90°	เข้ากันได้ทั้งช่วงการวัดระดับสูงและต่ำ มีความแม่นยำสูงมากสำหรับการวัดค่าความขุ่นในระดับต่ำ	ต้องพิจารณาผลกระทบจากคราบสกปรกหรือฟองอากาศบนผิวกระจก	การตรวจสอบคุณภาพน้ำที่ไหลเข้าและไหลออกตามมาตรฐานทั่วไป
วิธีการส่ง	การวัดการลดลงของความเข้มแสงที่ผ่านเข้าไปในน้ำ	เหมาะสำหรับการวัดค่าความขุ่นในระดับสูงแบบพื้นฐาน	มีความไวต่ำในการวัดค่าความขุ่นในระดับต่ำ และได้รับผลกระทบจากสีของตัวอย่างได้ง่ายมาก	ไม่เหมาะสำหรับการตรวจสอบคุณภาพน้ำทิ้งอย่างละเอียด
วิธีการวัดการกระเจิงย้อนกลับ	การตรวจจับแสงที่กระเจิงในมุมกว้างใกล้เคียง 180°	เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดความเข้มข้นสูงพิเศษ	ความเป็นเชิงเส้นต่ำในช่วงความขุ่นต่ำ	เหมาะสำหรับการวัดตะกอนที่มีความเข้มข้นสูงและน้ำที่ไหลเข้าเท่านั้น