水处理工艺在线水质分析仪应用研究

王 璐

（山东莱克工程设计有限公司，山东 东营 257000）

0 引言

水质检测主要包括对水中化学物质、底泥、悬浮物及水生态系统进行统一的定时和不定时检测，测定水中所含污染物的种类、浓度及变化趋势，并对水质状况进行评价。主要检测项目可分为两大类：①反映水质状况的综合指标，如温度、浊度、pH 值、电导率、溶解氧、化学需氧量等；②一些有毒物质，如酚、砷、铅、铬、汞、有机农药等[1]。

水质检测对整个水环境保护、水污染控制，及水环境健康维护等方面有重要的意义。对饮用水来说，如果水中存在伤寒、霍乱、痢疾等病菌时，会造成传播；若水中含有某些矿盐杂质，如水中氟含量过多，会使牙齿产生斑纹，严重者可使牙齿溃坏。对工业用水而言，不同生产过程对水质的要求也不同。如锅炉用水应避免含有大量钙、镁的硫酸盐，否则易产生水垢，增加燃料消耗的同时，还有可能引发锅炉爆炸事故。对石油行业而言，油田污水处理是影响油田生态环境的重要工作，加强对油田污水相关指标的检测对环境保护和油田行业的发展都具有重要意义。

1 在线水质分析仪

1.1 定义

在线水质分析仪是一种水质检测仪表，水质在线自动监测系统的核心，其运用现代传感器技术、自动测量技术、自动控制技术等，采用化学法、电化学法、光谱法等分析方法，能够对水质参数进行实时连续在线测量和分析。在线水质分析仪主要监测对象有：化学需氧量（COD）、氨氮、总氮、总磷、pH 值、电导率、浊度等。

1.2 分类

根据应用目的的不同，在线水质分析仪可以分为两大类：监测型和过程型。

1）监测型

监测型水质分析仪不参与水处理工艺的过程控制，仅负责水质监测，用来判断水质是否达标。它监测的水质参数主要包括COD、总磷、总氧、氨氮和重金属等。这类分析仪的准确度要求高，其数据可以作为执法管理的依据。

2）过程型

过程型水质分析仪参与水处理的过程控制，测量结果可以用来优化水处理工艺，提升水处理效率，达到节能降耗的效果。这类水质分析仪的可靠性和稳定性要求高，能够准确反映水质的变化，其数据可以作为水处理过程的依据。

1.3 典型应用

在线水质分析仪的应用非常广泛，在石油化工行业、制药行业、自来水行业、市政污水处理行业等都有应用。如在线TOC 分析仪在石油化工行业凝结水回收工艺中已成为标准配置，也是制药行业里作为制药用水有机杂质监控的重要仪器。溶解氧在线检测仪在市政污水处理行业及水产养殖行业能够起到降低能耗，节省运行费用的作用。在线硬度、在线钠离子分析仪可以对锅炉的进水处理工艺进行优化。

2 水处理工艺中常见的在线水质分析仪

水处理工艺按照水的用途及涉及的水处理技术不同，大致可以分为净水处理、污水处理以及工业纯水处理3 种不同工艺，3 种工艺涉及的主要水质工艺参数各不相同[2]。其中，浊度和余氯是净水工艺中最为关键的工艺运行参数。如果采用膜处理技术，还会监测污染指数。在生物法污水处理工艺中，溶解氧、污泥浓度、pH/ORP 仪表、有机物浓度以及氨氮、硫酸盐是水处理工作者关心的指标。工业纯水处理方面pH 值、电导率以及二氧化硅，有机碳和钠离子是常见水质参数。针对以上这些水质参数都己经有了相应的在线水分析仪器，而且为了满足新的水处理工艺的发展和水行业用户操作和维护方便性的要求，这些仪器的功能和易操作性还在不断改进。

本文结合油田污水处理项目中常用的3 种在线水质分析仪进行着重分析介绍，包括pH 值检测仪、电导率检测仪、浊度检测仪。

2.1 pH值检测仪

pH 定义为介质中氢离子活度的负对数值，用于衡量介质酸碱程度。水中所溶解的物质的量会影响水的pH 值，所以通过pH 值可以分析水质的变化情况。pH 值的变化会影响生物的繁殖和生存，一般污水的pH 值需要控制在6.5 ～7 之间。在水处理工艺中，常见的处理方法包括物理法、化学法、物理化学法和生物法。在这些方法中，很多化学反应要在一定的pH 值下进行，否则达不到处理要求。

1）pH 检测仪的原理

pH 值一般采用电位法进行测量，用一个恒电位的参比电极和测量电极组成一个原电池，原电池电动势的大小受氢离子浓度和溶液酸碱度的影响[3]。测量电极上玻璃探头，由能够导电，能渗透氢离子的特殊玻璃加工制造而成，其对pH 的反应很灵敏。当玻璃探头和氢离子接触时，就产生了电位，这个电位是通过悬吊在氯化银（AgCl）溶液中的银丝与参比电极做对比而得到的。pH 值不同，产生的电位就不同，通过变送器将其转换成标准的4mA ～20mA 输出。

2）pH 检测仪的组成

pH 检测仪主要由参比电极、玻璃电极和变送器3 部分组成。

①参比电极

银-氧化银电极是有一种常用的参比电极，它可以维持恒定的电位，作为测量各种偏离电位的对照。

②玻璃电极

玻璃电极用于建立一个电位差，测量溶液中的氢离子活度变化会影响这个电位差。把玻璃电极和参比电极放在同一溶液中，会组成一个原电池，玻璃电极和参比电极电位的代数和就是电池的电位。温度恒定条件下，该电池的电位随待测溶液的pH 值的变化而变化。

③变送器

变送器可以在电阻极大的电路中对微小电位差进行测量，从而将原电池的电位放大，再将信号通过仪表显示出来。

3）pH 检测仪的安装

pH 检测仪的安装不仅会影响测量的准确度，也会影响仪表的使用寿命，是检测仪使用中的一个关键环节。在pH电极安装位置的选择上一定注意选择在介质活动的区域，不能设置在死区。如果在流通池中安装，要保证管路中的介质是流动的，否则不能反映真实的测量值。pH 检测仪的安装方式大致分为3 种：流通池安装、插入式安装、浸入式安装。

①流通池安装

流通池安装是将介质引至流通池，使pH 电极插入到流通池里来测量。介质可通过自身压力进入流通池，也可通过采样泵抽进流通池。要注意，当介质操作压力过高或操作温度过高时，要先进行预处理，减温减压，达到电极的适应条件后才能进入流通池，分析完的介质可排放至就近的水池或低压管道。分析仪在室外安装时，通常流通池和变送器安装在保温箱内，还需要考虑取样管和排放管的伴热保温。

图1 流通池安装原理图Fig.1 Installation principle diagram of flow tank

②浸入式安装

测量水池中介质的pH，且允许pH 探头伸进水池时，优先选用浸入式安装。这种安装方式需要注意将电极始终没入介质液面，pH 电极长时间暴露在空气中会失效。这种方式不用将介质引出，所以不用考虑伴热问题。

③插入式安装

插入式安装将电极直接插入管道或设备进行测量，pH电极与设备或管道采用螺纹或法兰连接。这种方式不推荐，因为电极是需要定期维护的，而且是损耗品。这种安装方式只能在停车时才能将电极取下来擦洗或更换，中途无法维护，且介质流速过快时，不停冲刷电极，会减少使用寿命。在必须使用的场合，一定要选择质量过硬的产品。

2.2 电导率检测仪

电导率是比较常用且重要的水质监测参数之一，水的电导率是指目标水体的水能够导电的程度。纯净的水是不能导电的，也基本不存在百分之百纯净的水。水之所以可以导电是因为其中含有某些盐等电解质，电解质又分为强电解质和弱电解质，弱电解质的电离与平衡常数、浓度、电离度均有关系，同样地，对于强电解质，根据科尔劳施总结的经验式可看出溶液电导率也与浓度相关。所以，通过测量电导率的大小，可以间接计算出溶液中所含电解质的浓度，了解水中电解质的含量，通过电导率的大小能够初步确定水质状况，进而采取不同的水处理方案。

1）电导率检测仪的原理

浸入在介质中的两个电极测量液体的电导率。交流电压在介质中生成电流，为电极供电。根据欧姆定律计算电阻值或电导值G（电阻值的倒数）。通过与传感器结构相关的电极常数k 确定电导值，并通过此电导值确定实际电导κ[5]。

图2 浸入式安装原理图Fig.2 Schematic diagram of immersion installation

图3 插入式安装原理图Fig.3 Schematic diagram of plug-in installation

电导率的测量需要知道溶液的电导G 和几何参数K。电导通过电流和电压测得，电导率S=K×G 可以等到电导率的数值。

电极常数为K= L /A。其中，A——测量电极的有效极板；L——两极板的距离。

如果电极间存在均匀电场，电极常数就可以通过几何尺寸计算出来。当两个面积为1cm 的方形极板之间相隔1cm 组成电极时，此电极的常数K=1cm-1。

2）电导率检测仪的组成

电导率检测仪由电导池和转换器两部分组成。

①电导池

电导池又被称为检测器或发送器，它可以将溶液的浓度变化转化为电导或电阻值的变化。电导池的电极是电导率检测仪的核心部件，制作电极的材料有很多要求，如耐腐蚀性，物理化学性质的稳定性，耐一定温度和压力等。目前，常用电极材料有铂、镍、铜镀铂、铜镀铬和不锈钢等。

②转换器

电导或电阻的变化通过转换器可以输出标准直流电压或电流信号。

3）电导率检测仪的安装

电导率检测仪的安装方式同pH 检测仪相同，分为流通式、浸入式和插入式，此处不再做具体介绍。

2.3 在线浊度检测仪

浊度，有时也被称为浑浊度。水中悬浮和胶体微粒会散射和吸收通过的光线，光散射现象会产生浊度，浊度单位为NTU。浊度的变化通常通过测量散射光的强度、透射光的强度等获得。它是一种光学效应，表现为光线透过水层时受到阻碍的程度。浊度在天然水和用水中是一项重要指标，可以通过浊度判断水的污染情况。在自来水厂滤前、滤后、沉淀和出厂水监测，市政管网水质监测；工业过程水质监测、循环冷却水、活性碳过滤器出水、膜过滤出水监测；污水处理厂也经常需要对浊度的监测，如曝气池、二次沉淀池和消化池等。

1）在线浊度检测仪的原理

浊度在线检测仪的传感器上，发射器发送的光波在经过被测物时会被吸收、反射和散射，一部分光线能够透射到180°方向的检测器上，另一部分光会散射到90°方向的检测器上。在这两个检测器上接收到的光线强度能够反映被测介质的浊度，因此可以通过测量透射光和散射光的强度来计算介质的浊度。

2）在线浊度检测仪的组成

在线浊度检测仪由光电传感器和信号处理器组成。光电传感器包括光源、透镜、光电元件等，光线通过测量介质产生的透射光和散射光作用于光电元件，产生电信号，电信号随浊度变化而变化，并与基准信号一起接到信号处理器。信号处理器有稳定的集成电路，可以对信号进行放大、滤波、运算、补偿等处理，使信号与浊度成线性关系。

3）在线浊度检测仪的安装

在线浊度检测仪的安装方式同pH 检测仪相同，分为流通式、浸入式和插入式，此处不再做具体介绍。

3 总结

本文列举了水处理工艺中常用的3 种在线水质分析仪：pH 值检测仪、电导率检测仪、在线浊度检测仪，总结梳理了3 种检测仪的检测原理及安装方式，在实际项目中可结合具体情况进行选型设计。