水處理工藝在線水質分析儀應用研究

王 璐

（山東萊克工程設計有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

水質檢測主要包括對水中化學物質、底泥、懸浮物及水生態系統進行統一的定時和不定時檢測，測定水中所含污染物的種類、濃度及變化趨勢，并對水質狀況進行評價。主要檢測項目可分為兩大類：①反映水質狀況的綜合指標，如溫度、濁度、pH 值、電導率、溶解氧、化學需氧量等；②一些有毒物質，如酚、砷、鉛、鉻、汞、有機農藥等[1]。

水質檢測對整個水環境保護、水污染控制，及水環境健康維護等方面有重要的意義。對飲用水來說，如果水中存在傷寒、霍亂、痢疾等病菌時，會造成傳播；若水中含有某些礦鹽雜質，如水中氟含量過多，會使牙齒產生斑紋，嚴重者可使牙齒潰壞。對工業用水而言，不同生產過程對水質的要求也不同。如鍋爐用水應避免含有大量鈣、鎂的硫酸鹽，否則易產生水垢，增加燃料消耗的同時，還有可能引發鍋爐爆炸事故。對石油行業而言，油田污水處理是影響油田生態環境的重要工作，加強對油田污水相關指標的檢測對環境保護和油田行業的發展都具有重要意義。

1 在線水質分析儀

1.1 定義

在線水質分析儀是一種水質檢測儀表，水質在線自動監測系統的核心，其運用現代傳感器技術、自動測量技術、自動控制技術等，采用化學法、電化學法、光譜法等分析方法，能夠對水質參數進行實時連續在線測量和分析。在線水質分析儀主要監測對象有：化學需氧量（COD）、氨氮、總氮、總磷、pH 值、電導率、濁度等。

1.2 分類

根據應用目的的不同，在線水質分析儀可以分為兩大類：監測型和過程型。

1）監測型

監測型水質分析儀不參與水處理工藝的過程控制，僅負責水質監測，用來判斷水質是否達標。它監測的水質參數主要包括COD、總磷、總氧、氨氮和重金屬等。這類分析儀的準確度要求高，其數據可以作為執法管理的依據。

2）過程型

過程型水質分析儀參與水處理的過程控制，測量結果可以用來優化水處理工藝，提升水處理效率，達到節能降耗的效果。這類水質分析儀的可靠性和穩定性要求高，能夠準確反映水質的變化，其數據可以作為水處理過程的依據。

1.3 典型應用

在線水質分析儀的應用非常廣泛，在石油化工行業、制藥行業、自來水行業、市政污水處理行業等都有應用。如在線TOC 分析儀在石油化工行業凝結水回收工藝中已成為標準配置，也是制藥行業里作為制藥用水有機雜質監控的重要儀器。溶解氧在線檢測儀在市政污水處理行業及水產養殖行業能夠起到降低能耗，節省運行費用的作用。在線硬度、在線鈉離子分析儀可以對鍋爐的進水處理工藝進行優化。

2 水處理工藝中常見的在線水質分析儀

水處理工藝按照水的用途及涉及的水處理技術不同，大致可以分為凈水處理、污水處理以及工業純水處理3 種不同工藝，3 種工藝涉及的主要水質工藝參數各不相同[2]。其中，濁度和余氯是凈水工藝中最為關鍵的工藝運行參數。如果采用膜處理技術，還會監測污染指數。在生物法污水處理工藝中，溶解氧、污泥濃度、pH/ORP 儀表、有機物濃度以及氨氮、硫酸鹽是水處理工作者關心的指標。工業純水處理方面pH 值、電導率以及二氧化硅，有機碳和鈉離子是常見水質參數。針對以上這些水質參數都己經有了相應的在線水分析儀器，而且為了滿足新的水處理工藝的發展和水行業用戶操作和維護方便性的要求，這些儀器的功能和易操作性還在不斷改進。

本文結合油田污水處理項目中常用的3 種在線水質分析儀進行著重分析介紹，包括pH 值檢測儀、電導率檢測儀、濁度檢測儀。

2.1 pH值檢測儀

pH 定義為介質中氫離子活度的負對數值，用于衡量介質酸堿程度。水中所溶解的物質的量會影響水的pH 值，所以通過pH 值可以分析水質的變化情況。pH 值的變化會影響生物的繁殖和生存，一般污水的pH 值需要控制在6.5 ～7 之間。在水處理工藝中，常見的處理方法包括物理法、化學法、物理化學法和生物法。在這些方法中，很多化學反應要在一定的pH 值下進行，否則達不到處理要求。

1）pH 檢測儀的原理

pH 值一般采用電位法進行測量，用一個恒電位的參比電極和測量電極組成一個原電池，原電池電動勢的大小受氫離子濃度和溶液酸堿度的影響[3]。測量電極上玻璃探頭，由能夠導電，能滲透氫離子的特殊玻璃加工制造而成，其對pH 的反應很靈敏。當玻璃探頭和氫離子接觸時，就產生了電位，這個電位是通過懸吊在氯化銀（AgCl）溶液中的銀絲與參比電極做對比而得到的。pH 值不同，產生的電位就不同，通過變送器將其轉換成標準的4mA ～20mA 輸出。

2）pH 檢測儀的組成

pH 檢測儀主要由參比電極、玻璃電極和變送器3 部分組成。

①參比電極

銀-氧化銀電極是有一種常用的參比電極，它可以維持恒定的電位，作為測量各種偏離電位的對照。

②玻璃電極

玻璃電極用于建立一個電位差，測量溶液中的氫離子活度變化會影響這個電位差。把玻璃電極和參比電極放在同一溶液中，會組成一個原電池，玻璃電極和參比電極電位的代數和就是電池的電位。溫度恒定條件下，該電池的電位隨待測溶液的pH 值的變化而變化。

③變送器

變送器可以在電阻極大的電路中對微小電位差進行測量，從而將原電池的電位放大，再將信號通過儀表顯示出來。

3）pH 檢測儀的安裝

pH 檢測儀的安裝不僅會影響測量的準確度，也會影響儀表的使用壽命，是檢測儀使用中的一個關鍵環節。在pH電極安裝位置的選擇上一定注意選擇在介質活動的區域，不能設置在死區。如果在流通池中安裝，要保證管路中的介質是流動的，否則不能反映真實的測量值。pH 檢測儀的安裝方式大致分為3 種：流通池安裝、插入式安裝、浸入式安裝。

①流通池安裝

流通池安裝是將介質引至流通池，使pH 電極插入到流通池里來測量。介質可通過自身壓力進入流通池，也可通過采樣泵抽進流通池。要注意，當介質操作壓力過高或操作溫度過高時，要先進行預處理，減溫減壓，達到電極的適應條件后才能進入流通池，分析完的介質可排放至就近的水池或低壓管道。分析儀在室外安裝時，通常流通池和變送器安裝在保溫箱內，還需要考慮取樣管和排放管的伴熱保溫。

圖1 流通池安裝原理圖Fig.1 Installation principle diagram of flow tank

②浸入式安裝

測量水池中介質的pH，且允許pH 探頭伸進水池時，優先選用浸入式安裝。這種安裝方式需要注意將電極始終沒入介質液面，pH 電極長時間暴露在空氣中會失效。這種方式不用將介質引出，所以不用考慮伴熱問題。

③插入式安裝

插入式安裝將電極直接插入管道或設備進行測量，pH電極與設備或管道采用螺紋或法蘭連接。這種方式不推薦，因為電極是需要定期維護的，而且是損耗品。這種安裝方式只能在停車時才能將電極取下來擦洗或更換，中途無法維護，且介質流速過快時，不停沖刷電極，會減少使用壽命。在必須使用的場合，一定要選擇質量過硬的產品。

2.2 電導率檢測儀

電導率是比較常用且重要的水質監測參數之一，水的電導率是指目標水體的水能夠導電的程度。純凈的水是不能導電的，也基本不存在百分之百純凈的水。水之所以可以導電是因為其中含有某些鹽等電解質，電解質又分為強電解質和弱電解質，弱電解質的電離與平衡常數、濃度、電離度均有關系，同樣地，對于強電解質，根據科爾勞施總結的經驗式可看出溶液電導率也與濃度相關。所以，通過測量電導率的大小，可以間接計算出溶液中所含電解質的濃度，了解水中電解質的含量，通過電導率的大小能夠初步確定水質狀況，進而采取不同的水處理方案。

1）電導率檢測儀的原理

浸入在介質中的兩個電極測量液體的電導率。交流電壓在介質中生成電流，為電極供電。根據歐姆定律計算電阻值或電導值G（電阻值的倒數）。通過與傳感器結構相關的電極常數k 確定電導值，并通過此電導值確定實際電導κ[5]。

圖2 浸入式安裝原理圖Fig.2 Schematic diagram of immersion installation

圖3 插入式安裝原理圖Fig.3 Schematic diagram of plug-in installation

電導率的測量需要知道溶液的電導G 和幾何參數K。電導通過電流和電壓測得，電導率S=K×G 可以等到電導率的數值。

電極常數為K= L /A。其中，A——測量電極的有效極板；L——兩極板的距離。

如果電極間存在均勻電場，電極常數就可以通過幾何尺寸計算出來。當兩個面積為1cm 的方形極板之間相隔1cm 組成電極時，此電極的常數K=1cm-1。

2）電導率檢測儀的組成

電導率檢測儀由電導池和轉換器兩部分組成。

①電導池

電導池又被稱為檢測器或發送器，它可以將溶液的濃度變化轉化為電導或電阻值的變化。電導池的電極是電導率檢測儀的核心部件，制作電極的材料有很多要求，如耐腐蝕性，物理化學性質的穩定性，耐一定溫度和壓力等。目前，常用電極材料有鉑、鎳、銅鍍鉑、銅鍍鉻和不銹鋼等。

②轉換器

電導或電阻的變化通過轉換器可以輸出標準直流電壓或電流信號。

3）電導率檢測儀的安裝

電導率檢測儀的安裝方式同pH 檢測儀相同，分為流通式、浸入式和插入式，此處不再做具體介紹。

2.3 在線濁度檢測儀

濁度，有時也被稱為渾濁度。水中懸浮和膠體微粒會散射和吸收通過的光線，光散射現象會產生濁度，濁度單位為NTU。濁度的變化通常通過測量散射光的強度、透射光的強度等獲得。它是一種光學效應，表現為光線透過水層時受到阻礙的程度。濁度在天然水和用水中是一項重要指標，可以通過濁度判斷水的污染情況。在自來水廠濾前、濾后、沉淀和出廠水監測，市政管網水質監測；工業過程水質監測、循環冷卻水、活性碳過濾器出水、膜過濾出水監測；污水處理廠也經常需要對濁度的監測，如曝氣池、二次沉淀池和消化池等。

1）在線濁度檢測儀的原理

濁度在線檢測儀的傳感器上，發射器發送的光波在經過被測物時會被吸收、反射和散射，一部分光線能夠透射到180°方向的檢測器上，另一部分光會散射到90°方向的檢測器上。在這兩個檢測器上接收到的光線強度能夠反映被測介質的濁度，因此可以通過測量透射光和散射光的強度來計算介質的濁度。

2）在線濁度檢測儀的組成

在線濁度檢測儀由光電傳感器和信號處理器組成。光電傳感器包括光源、透鏡、光電元件等，光線通過測量介質產生的透射光和散射光作用于光電元件，產生電信號，電信號隨濁度變化而變化，并與基準信號一起接到信號處理器。信號處理器有穩定的集成電路，可以對信號進行放大、濾波、運算、補償等處理，使信號與濁度成線性關系。

3）在線濁度檢測儀的安裝

在線濁度檢測儀的安裝方式同pH 檢測儀相同，分為流通式、浸入式和插入式，此處不再做具體介紹。

3 總結

本文列舉了水處理工藝中常用的3 種在線水質分析儀：pH 值檢測儀、電導率檢測儀、在線濁度檢測儀，總結梳理了3 種檢測儀的檢測原理及安裝方式，在實際項目中可結合具體情況進行選型設計。