Високоточний датчик мутності для очисних споруд

У чому різниця між трьома показниками прозорості в очисних спорудах? Розрізнення між турбідністю, ЗВ (загальними завислими речовинами) та прозорістю

У станціях очищення стічних вод часто згадують три показники прозорості: мутність, прозорість та завислі речовини (SS). Вони відображають три різні аспекти оцінки прозорості: концентрацію за масою, оптичні властивості та сприйняття органами чуття. Стандартним методом визначення завислих речовин є гравіметричний метод, який передбачає фільтрування зразка води через фільтраційну мембрану з певним розміром пор і подальше висушування до постійної ваги. Одиницею вимірювання є мг/л. Теоретично цей показник концентрації за масою неможливо контролювати в режимі реального часу, оскільки його визначення вимагає висушування та зважування. До речовин, що впливають на кількість завислих речовин, належать пісок, глина та мікроорганізми великого радіуса. Мутність визначається як ступінь розсіювання світла завислими частинками у воді. Стандартним методом визначення мутності є метод розсіювання світла під кутом 90°, який оцінює здатність завислих частинок перешкоджати поширенню світла. Одиницею вимірювання є NTU (або FTU — одиниця мутності за формаліном). На мутність впливають багато речовин, зокрема пісок, мікроорганізми, водорості, органічні частинки та мікропухирки.

Чому метод розсіяного світла під кутом 90° є основним рішенням для онлайн-вимірювання мутності?

Цей метод передбачає випромінювання спрямованого паралельного пучка світла із джерела світла у водну пробу. Фотодетектор розташований під кутом 90° перпендикулярно до падаючого світла. Коли світло потрапляє на завислі частинки у водній пробі, воно розсіюється. Розсіяне світло поширюється у всіх напрямках, але фотодетектор реєструє лише інтенсивність бічного розсіяного світла, за якою обчислюється значення мутності (інтенсивність бічного розсіяного світла пропорційна концентрації завислих частинок у воді). Це найпоширеніше онлайн-рішення для вимірювання мутності, яке використовують провідні бренди на ринку моніторингу якості води, зокрема E+H, Hach, JIDE та OPTEX.

Порівняння стандартів мутності для води в різних країнах

Стандарти мутності в різних країнах охоплюють три сфери:

1. Питна вода (обов’язкові стандарти, високі вимоги);

2. Поверхневі води (класифікуються залежно від функції водного об’єкта, зазвичай контролюються разом із прозорістю);

3. Промислові стічні води (зазвичай вимірюються як завислі речовини).

Нижче наведено приклади стандартів основних країн та регіонів: Стандарт Агентства з охорони навколишнього середовища США (US EPA) передбачає, що мутність звичайних поверхневих вод, таких як річки та озера, має становити 25–150 NTU; мутність питної води має бути нижчою за 1 NTU; для промислових стоків застосовується стандарт на загальні завислі речовини (TSS), а його граничне значення становить 30–100 мг/л.

Китайські стандарти щодо поверхневих вод встановлюють граничну мутність нижче 25 NTU (клас V) та нижче 10 NTU (клас III). Для стоків міських очисних споруд показник TSS має бути нижчим за 10 мг/л (найсуворіший стандарт), а для скидання у мережі попередньої обробки — не більше 50 мг/л; гранична мутність питної води на виході — 1 NTU.

Система ЄС EN ISO 7027 встановлює граничне значення для застосовуваної води нижче 4 FNU; вимога до звичайного стічного водовипуску з міських очисних споруд, розрахована за показником TSS, становить менше 35 мг/л, а для стічних вод високого стандарту, що надходять у чутливі водні об’єкти, — менше 15 мг/л; для поверхневих вод необхідний узгоджений контроль прозорості та турбідності, а вимога до води джерельного походження, як правило, становить менше 5 NTU.

Чому ваші вимірювання турбідності завжди неточні?

Болючий пункт 1: Промислові стічні води деяких галузей забарвлені й мають низьку прозорість, зокрема коксохімічні стічні води, барвильні стічні води або стічні води з високим вмістом великих частинок. Це призводить до нестабільних показань датчиків турбідності, значних коливань і загального суттєво заниженого значення.

Механізм перешкод: Традиційні турбідиметри, що ґрунтуються на принципі розсіяного світла, вимірюють інтенсивність світлового сигналу, що повертається до детектора. Якщо вода має забарвлення, частина розсіяного світла поглинається досрочно, що ослаблює світловий сигнал, який отримує детектор, і призводить до заниженого значення вимірювання. Великі завислі частинки також можуть спричиняти коливання показань, коли проходять через шлях проходження світла.

Рішення: Турбідиметри, що працюють на інфрачервоному світлі з довжиною хвилі 860 нм, ефективно усувають перешкоди, пов’язані з забарвленням води. Окрім того, необхідно налаштувати алгоритм, використовуючи метод вимірювання відношення, щоб скоригувати алгоритм компенсації світлового сигналу й усунути похибки, спричинені рухом великих частинок та забарвленням. Наразі до основних моделей, що застосовують це рішення, належать HACH TSS-Sc, CUS51D Turbimax компанії E+H та WQ3000-TSS/Turb компанії JIDE.

Болісна точка 2: У процесах передової очистки стічних вод, таких як мембранна обробка, MBR, підготовка води для зворотного осмосу або обробка у вторинному відстійнику, коли стічна вода є дуже прозорою (зазвичай мутність менше 1 NTU), швидкість реакції турбідиметра зменшується або показання раптово різко зростають навіть за стабільного стану води.

Механізм перешкод: вплив бульбашок. Бульбашки, що утворюються через нестабільну швидкість потоку, суттєво впливають на вимірювання мутності при низьких значеннях мутності, що призводить до помилково завищених результатів. Некалібровані прилади можуть генерувати хаотичні внутрішні світлові сигнали, що впливають на й без того дуже малу кількість розсіяного світла під час вимірювання низької мутності, в результаті чого знижується швидкість реакції обладнання.

Рішення: встановити дегазаційну проточну ємність (за принципом гравітаційного або напірного відводу) , оптимізувати конструкцію каналу потоку та регулярно проводити калібрування нульової точки за допомогою ультрачистої води.

Існує багато інших складних проблем, пов’язаних з вимірюванням турбідності на місці. Ви можете зв’язатися з нашими інженерами через наш веб-сайт для подальшого обговорення. Ми вітаємо клієнтів із різних галузей промисловості, які надають нам кейси для покращення наших продуктів та розширення досвіду їх застосування на місці.

Больовий пункт 3: Туридиметр має високу точність одразу після калібрування, але вже через менше ніж тиждень у природній воді/стічних водах показання починають коливатися й зміщуватися вгору.

Механізм завад: Поширені завади від біоплівок у природних водоймах та океанах або завади від сполук кальцію й магнію, що осідають у стічних водах з високою твердістю. Такі завади легко закривають компоненти передачі й прийому світлового сигналу, що впливає на результати вимірювань.

Рішення: виберіть турбідиметр із автоматичною щіткою для очищення. Така силіконова щітка для очищення є довговічною, легко замінюваною й може періодично очищати оптичне вікно за потреби, ефективно зменшуючи вплив біоплівки. Для стічних вод з високою твердістю частоту технічного обслуговування потрібно збільшити. Виберіть турбідиметр, корпус якого виготовлено з корозійностійких матеріалів, наприклад, титанового сплаву (у цьому випадку рекомендується дуже економічна онлайн-аналізатор турбідності JIDE WQ3000-turb-Ti з титановим сплавом і автоматичною системою очищення). Під час планового технічного обслуговування кислотне промивання ефективно розчиняє сполуки кальцію й магнію.

Больовий пункт 4: Дані турбідності, отримані в лабораторії, і дані, отримані за допомогою онлайн-аналізатора, не підлягають порівнянню, оскільки похибка перевищує 10 %, і жодна зі сторін не може довіряти результатам випробувань.

Механізми перешкод: мутність і зважені речовини є динамічними й активними параметрами, які легко осідають. Тому перед випробуванням необхідно ретельно зрушити пробу, а для забезпечення стабільності випробування може знадобитися магнітна мішалка. Крім того, під час калібрування онлайн-аналізаторів мутності в лабораторії слід використовувати калібрувальний стакан із світлозахистом, що надається виробником, а стандартний розчин формаліну слід випробовувати в повністю темному середовищі, щоб уникнути впливу навколишнього світла. У деяких складних експлуатаційних умовах, якщо потрібна точна відповідність лабораторних даних випробувань, а прилад не здатний відтворити результати випробування стандартного розчину в лабораторії (принцип лабораторного випробування може ґрунтуватися на методі лампи розжарювання, а не на інфрачервоному методі), для калібрування можна використовувати реальні зразки води, щоб забезпечити, що результати порівняння відповідають вимогам випробування.

Як обрати високоточний датчик мутності в умовах складної експлуатації на очисних спорудах

У всій системі процесу промислового очисного спорудження стічних вод мутність є ключовим технологічним показником, який безпосередньо відображає ефективність видалення загальних завислих речовин (TSS), властивості осадження шламу, контроль якості надходжувальної води та відповідність якості випускної води встановленим нормативам. Ручне відбір проб та їх аналіз не забезпечують точного відображення коливань якості води, що створює ризик перевищення гранично допустимих концентрацій у скидах. Турбідиметричні датчики низької точності також схильні до впливу різноманітних зовнішніх факторів, таких як забарвлення, в’язкі осади, органічні речовини та повітряні бульбашки, що може призводити до частого нестабільного функціонування при тривалому використанні, особливо в умовах складного режиму експлуатації, де рівень невизначеності значно зростає.

З іншого боку, високоточні турбідиметричні датчики розроблені з урахуванням основних принципів моніторингу та технічних деталей, спрямованих на усунення перешкод та зменшення потенційного зсуву даних і похибок. У цьому розділі наведено приклади аналізатора турбідності/забруднених речовин серії JIDE WQ3000 та низькодіапазонного турбідиметра для очисних споруд Hach 1720E.

Аналізатор турбідності/забруднених речовин серії JIDE WQ3000 оснащений світлодіодним джерелом світла в ближньому інфрачервоному діапазоні (860 нм), яке проникає у воду й не піддається впливу жовтувато-коричневого забарвлення стічних вод або колірності фарбувальних стічних вод, що дозволяє уникнути властивих похибок виявлення у видимому світловому діапазоні.

Фотоелектричний приймальний модуль розташований під кутом 90° до падаючого світла, щоб спеціально реєструвати бічне розсіяне світло, яке генерують завислі речовини та колоїдні частинки у воді.

Інтенсивність розсіяного світла лінійно пропорційна турбідності води. Мікросхема за допомогою компенсації температури та алгоритмічного фільтрування точно перетворює турбідність у стандартні одиниці турбідності NTU.

У конструкції схеми передбачено систему ізоляції для запобігання впливу навколишнього світла, що забезпечує надзвичайно високу точність вимірювання в діапазоні низької турбідності (0–50 NTU) з роздільною здатністю до 0,01 NTU.

Аналізатор мутності низького рівня Hach 1720E працює за методом розсіяння світла під кутом 90° і оснащений системою знадування та дегазації, що ефективно усуває вплив повітряних бульбашок при вимірюванні мутності в низькому діапазоні. Даний пристрій має діапазон вимірювання від 0 до 100 NTU та точність вимірювання низької мутності 0,001 NTU, що робить його придатним для контролю якості питної води надзвичайно високих стандартів та стічних вод найвищих стандартів. Цей продукт наразі має найбільшу частку ринку та високе визнання в галузі, однак деякі зразкові резервуари для польових досліджень схильні до утворення накипу й потребують частого технічного обслуговування — це проблеми, про які повідомляють у галузі. Також пристрій має певні вимоги до якості води на об’єкті.

Порівняльне керівництво та рекомендації щодо вибору

Методи вимірювання	Основні принципи	Переваги	Недоліки/обмеження	Сценарії застосування на очисних спорудах
метод розсіяння під кутом 90°	Захоплення бічного розсіяного світла під кутом 90°	Сумісний як з високим, так і з низьким діапазонами вимірювання, надзвичайно висока точність для вимірювання низької турбідності	Необхідно враховувати вплив масштабу/бульбашок.	Стандартний моніторинг якості води на вході та виході
Спосіб передачі	Вимірювання ослаблення світла, що проникає у воду	Підходить для базових вимірювань високої турбідності	Низька чутливість у діапазоні низької турбідності, висока схильність до перешкод від забарвлення.	Не підходить для точного моніторингу стічних вод
Метод зворотного розсіювання	Захоплення розсіяного світла під кутом, близьким до 180°, у широкому куті	Надзвичайно підходить для вимірювання надвисоких концентрацій	Погана лінійність у діапазоні низької турбідності.	Підходить лише для осаду з високою концентрацією та вхідної води