Ryo Hashimoto詳述了分析測量的使用以及分析測量在確保飲用水質(zhì)量和安全性方面所起的重要作用

    數量充足、質(zhì)量安全的水是人類(lèi)生存必不可少的。從地區來(lái)看，亞洲面臨著(zhù)嚴重的供水壓力，主要原因是亞洲的人口密度高，農業(yè)和工業(yè)用水量大。

    飲用水的質(zhì)量是一個(gè)健康問(wèn)題，因為水是疾病傳播的媒介。在東南亞，如同其它發(fā)達地區一樣，可能存在顯著(zhù)的水質(zhì)問(wèn)題，在這些問(wèn)題中，由致病微生物導致的飲用水源污染仍然是最重要的問(wèn)題。

    影響全球水處理市場(chǎng)的主要因素來(lái)自環(huán)境監管部門(mén)。越來(lái)越多的國家正在采取嚴格的政策法規，促進(jìn)環(huán)保產(chǎn)品的采用，特別是涉及人體接觸的產(chǎn)品。

    其結果是，為了滿(mǎn)足全球迅速變化的環(huán)境要求，專(zhuān)門(mén)用于水處理產(chǎn)品的需求量正在呈現上升趨勢。來(lái)自亞洲和拉丁美洲的經(jīng)濟體，尤其是中國、印度和巴西的需求，正在驅動(dòng)整個(gè)水處理設備及服務(wù)市場(chǎng)的增長(cháng)。

    獲取更清潔、更純凈水的需求造就了一個(gè)強有力的事實(shí)，即移動(dòng)水處理裝置在亞太地區的迅速發(fā)展。移動(dòng)系統可以提供一系列處理選項，包括：澄清、過(guò)濾、脫鹽、反滲透、膜分離、以及誘導空氣/氣體浮選。系統是橇裝結構，可以現場(chǎng)安裝或者拖車(chē)安裝，拖車(chē)包含儀器和設備，是完全自動(dòng)監控操作。

    此外，水處理廠(chǎng)的規模也是多種多樣的，沒(méi)有兩個(gè)廠(chǎng)是一模一樣的。但是，無(wú)論是國有的、私有的、還是移動(dòng)的水處理廠(chǎng)，它們都有著(zhù)相同的目標——為客戶(hù)社區提供安全可靠的飲用水源。液體分析系統在維護水廠(chǎng)安全方面起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

    要處理所用原水水源中的污染物，自來(lái)水公司應當選擇恰當的水處理工藝組合，常用的工藝包括：預處理、凝聚、絮凝、沉淀、過(guò)濾和消毒，其它處理方法還包括離子交換、反滲透以及吸附。

    在上述每個(gè)工藝過(guò)程中，優(yōu)化使用液體分析測量將為水處理廠(chǎng)節省時(shí)間和金錢(qián)，并有助于提高水的純度和安全性。此外，優(yōu)化使用這些測量還有助于改進(jìn)工藝過(guò)程和相關(guān)的副產(chǎn)品。

    預處理

    為了更好地定義水處理廠(chǎng)所用原水水源的動(dòng)態(tài)特性，在進(jìn)入處理過(guò)程之前，要進(jìn)行一些液體分析測量。進(jìn)水監測測量包括：pH值、電導率、溫度、濁度和溶解氧。

    有些水廠(chǎng)還需保存每個(gè)測量的永久記錄，以便今后參考，或者用于檢測源水水源的季節變化。

    在水進(jìn)行澄清處理前，需要通過(guò)粗過(guò)濾器，去除較大的物體，阻止它們進(jìn)入水處理廠(chǎng)。預處理還包括一次消毒工藝，即使用氯或臭氧，處理藻類(lèi)的生長(cháng)以及化學(xué)品和微生物的氧化。

    燒堿是基本化學(xué)構造塊之一，正因如此，它具有多樣化的應用，其中之一就是水處理。市政水處理設施使用燒堿調節pH值、離子交換再生和生成次氯酸鈉。特別是在控制pH值時(shí)，燒堿中和廢酸，還有其它類(lèi)似的應用。燒堿可以對抗其它的堿，特別是碳酸鈉（純堿）。選擇燒堿的常見(jiàn)因素是其堿性更強，易于存儲和處理。

    預處理是水處理的第一步，在混合罐的濾床前面，使用環(huán)形電導率可以測量流體中是否含有燒堿，該測量結果可以表明進(jìn)料泵是否正常工作。環(huán)形電導率傳感器在此應用中持久耐用，電導率值下降表明進(jìn)料泵沒(méi)有往水流體中注入燒堿。

    一次消毒

    由于水是一種萬(wàn)能的溶劑，它會(huì )與各種不同的病原體接觸（細菌、病毒和寄生蟲(chóng)原蟲(chóng)），其中一些是公知的，且可能致命的。地表水和地下水源都可能被這些病原體污染，通過(guò)化學(xué)消毒和機械過(guò)濾處理，能夠完成讓病原體失去活性的操作。

    氯可作為飲用水的化學(xué)消毒劑，臭氧（O3）也是水處理時(shí)使用的強力消毒劑。臭氧消毒與氯消毒相比，其攻擊水中病原體化學(xué)鍵的速度更快，從而降低有機物質(zhì)、鐵、‎錳和硫的濃度，減少或消除氣味和味道的問(wèn)題。

    氯作為一種緩慢的氧化劑，對細菌的影響有限，隱孢子蟲(chóng)和賈第鞭毛蟲(chóng)都十分耐氯。臭氧處理作為一種快速、有效的處理技術(shù)，在一次消毒工序日益普及。

    臭氧空氣通過(guò)接觸容器內的水，向上鼓泡，當水達到接觸容器的端部時(shí)，一次消毒完成，臭氧又轉換回氧。為了正確地進(jìn)行臭氧消毒，需要合適的水接觸時(shí)間和適當的臭氧投入量。

    澄清

    在預處理和一次消毒后，原水澄清通常是一個(gè)多步驟的過(guò)程，目的是降低水的濁度和懸浮固體。澄清通常包括混凝、絮凝和沉淀工序。

    較小的顆粒物結合或“混凝”成較大的蓬松顆粒物，稱(chēng)為“絮凝物”， 使原水水源中“泥沙”沉淀下來(lái)。通過(guò)加入化學(xué)混凝劑，諸如：明礬、鐵鹽或合成的有機聚合物，促進(jìn)混凝過(guò)程。在加入化學(xué)品后，水流經(jīng)混合通道，在混合通道進(jìn)行閃混。

    絮凝物被機械攪拌，以便吸附懸浮固體和微生物。在此過(guò)程這保持合適的pH值十分重要，因為它能改善混凝過(guò)程，降低水的濁度。

    如果原水水源有異常高的硬度，則需要向水中加入石灰和蘇打灰這樣的化學(xué)品，以減少鈣和鎂的含量。石灰軟化法可以使水的硬度達到60-120 ppm，但是，該方法導致水的pH值較高，因此，處理后的水需要進(jìn)行緩沖，以降低pH值，使其達到后續工藝可以接受的數值。

    絮凝物沉降到底部，在沉淀池形成污泥。由于污垢和化學(xué)試劑變得足夠重，因此沉到池子的底部，使較大的顆粒物自然地沉降或沉淀出來(lái)。污泥通過(guò)機械鏟運機除去，并妥善處置。水從沉降池的表面取出，并流入下沉的水通道。

    過(guò)濾

    沉淀工藝去除了25微米以上的顆粒物，但是該過(guò)程不是100%的有效，因此還需要進(jìn)一步的過(guò)濾。進(jìn)入過(guò)濾工序的水濁度是1-10 NTU。

    水流經(jīng)砂過(guò)濾器，向下滲濾，順序通過(guò)砂、礫石、無(wú)煙煤的組合層，以及礫石和細砂的混合層，較大的顆粒物首先被阻攔，較小的顆粒物諸如粘土、鐵、錳、微生物、有機物、其它處理過(guò)程的沉淀物和淤泥也將被去除，從而得到清澈的水。

    過(guò)濾工藝還要將在一次消毒過(guò)程中有機化學(xué)品與微生物氧化反應產(chǎn)生的殘余物質(zhì)去除掉，在預處理過(guò)程中耐氯消毒或耐臭氧消毒的微生物去除掉。

    過(guò)濾器必須定期進(jìn)行反沖洗，以去除在過(guò)濾介質(zhì)上累積的沉淀物。用濁度儀連續監測濾床的流出物，以此可作為衡量過(guò)濾器性能以及過(guò)濾器反沖洗需求的指標。濁度參數反映樣品的清澈度，外觀(guān)混濁的水是由水中微小顆粒物導致的。濁度測量還有助于監控、提高工廠(chǎng)的效率，濁度值高表明過(guò)濾器工作不正常，需要進(jìn)行反沖洗。

    政府部門(mén)的規章制度適用于公共供水系統，其要求水處理廠(chǎng)要將有害的微生物和病毒降至最低。設想過(guò)濾系統通過(guò)滿(mǎn)足特定的濁度極限值，再結合充分的消毒，可以完成將有害的隱孢子蟲(chóng)、賈第鞭毛蟲(chóng)和病毒降低到最低百分比的工藝操作。

    通過(guò)測量組合過(guò)濾器出水的濁度，可以確定過(guò)濾過(guò)程的充分性以及微生物的去除情況，以便滿(mǎn)足政府的標準。這個(gè)標準包括：濁度監測的頻率、最大的濁度極限值、核準的濁度測量方法。

    二次消毒

    二次消毒是防止某些病原體的再次生長(cháng)，這些病原體是由回流污染進(jìn)入或引入處理廠(chǎng)的。為了符合二次剩余的消毒規定，工廠(chǎng)要在最后的處理步驟，用氯化處理方式進(jìn)行二次消毒。當今，加氯是以氯氣（CI2）、次氯酸鈉（NaOCl）或者二氧化氯（CIO2）作為二次消毒劑。

    向水中加氯時(shí)，游離氯形成次氯酸（HOCI）和次氯酸根離子（OCI-）的混合物，每種物質(zhì)相對的量取決于pH值，次氯酸（HOCI）和次氯酸根離子（OCI-）的總量定義為游離氯（余氯）。對于消毒水來(lái)說(shuō)，次氯酸（HOCI）不僅比次氯酸根離子（OCI-）的反應更活躍，而且具有更強的消毒和氧化作用，次氯酸（HOCI）的效力是次氯酸根離子（OCI-）的80-100倍。

    1974年在飲用水中發(fā)現了氯化副產(chǎn)物。當氯與溴以及水源中存在天然有機物質(zhì)反應時(shí)，便形成了氯化副產(chǎn)物，該物質(zhì)對人類(lèi)有潛在的健康影響。在分析儀器中，氯通過(guò)半透膜擴散傳感器內部，傳感器產(chǎn)生與氯濃度成比例的電流信號。

    目前有了替補氯的消毒方法，如氯胺。這種消毒方法要向水中加氯和氨的化合物，經(jīng)適當控制，形成氯胺。

    與加氯相比，氯胺產(chǎn)生的氯化副產(chǎn)物較少，而且這些副產(chǎn)物以一氯胺、二氯胺和三氯胺的形式存在，一氯胺是三種形態(tài)中最理想的，因為它很少有或者沒(méi)有味道或氣味，被認為是最有效的消毒劑。采用氯胺進(jìn)行消毒處理的工廠(chǎng)操作人員需要精確確定在水處理系統中一氯胺的用量。

    最終處理

    許多供水系統水中已經(jīng)有氨，或者在處理過(guò)程中加氨，配水系統中多余的氨會(huì )促進(jìn)生物生長(cháng)和氮的硝化作用。如果系統位于水質(zhì)退化的偏遠地區，則不好的水質(zhì)會(huì )影響水的感官質(zhì)量 （諸如：水的味道、氣味和顆粒物）。如果系統位于很難持續提供合格氯的地區，則可能直接導致生物生長(cháng)和氮的硝化作用。

    當水中天然含有氨或者用氯胺對水進(jìn)行消毒時(shí)，會(huì )用到“游離氨”這一術(shù)語(yǔ)。在氯胺化過(guò)程中，向水中添加氯和氨，形成一氯胺，部分沒(méi)有與氯化合的氨稱(chēng)為游離氨，根據水的pH值和溫度，游離氨以NH4+或NH3的形式存在。

    水的典型pH值是7.0-7.8，溫度是12-24ºC，96%以上的氨是銨離子形式（NH4+），隨著(zhù)pH值和溫度的升高，NH3的含量增加，NH4+的含量減少。

    確定處理過(guò)的水是否含有氨的唯一精確的方法是進(jìn)行氨分析，如果檢測到氨，則需要在游離氨的輸配系統中探索額外的采樣裝置。地下水的含氨量是0.2-2.0mg/L。

    市政飲用水廠(chǎng)仔細控制游離氨（通常也描述為總氮或NH3 -N）和氯胺（通常也稱(chēng)為一氯胺或MCL）的含量，
以確保水是適合人類(lèi)消費的?？商峁﹩螠y量系統操作面板或雙測量系統操作面板。

    水處理的無(wú)線(xiàn)方案

    水處理最顯著(zhù)的新趨勢之一是在遠程或難以到達的位置，采用無(wú)線(xiàn)分析技術(shù)。pH和電導率的無(wú)線(xiàn)監測在市政水務(wù)市場(chǎng)的許多領(lǐng)域發(fā)揮了關(guān)鍵作用，新的無(wú)線(xiàn)pH和電導率變送器可以集成到水廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )中，使得采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)變得輕而易舉。

    新的適配器技術(shù)使無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以添加到具有HART通訊能力的分析儀器里面，且無(wú)需軟件升級、電池或額外的硬件，從而使有線(xiàn)系統轉變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)系統的成本效益高，可擴展性強，而且簡(jiǎn)單易用，這種方法可以為水廠(chǎng)節約90%的安裝成本。

    此外，無(wú)線(xiàn)分析儀可以將過(guò)程變量和診斷數據傳遞給中央控制系統，減少現場(chǎng)人員和維護的工作量。

    新系統配備了機載數據記錄功能，允許過(guò)程數據和事件傳輸到USB存儲設備，用于計算機分析，使得水廠(chǎng)的控制系統更加靈活。

    在水行業(yè)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的第一個(gè)明顯好處就是無(wú)需電源，無(wú)需與主機通訊的布線(xiàn)。水廠(chǎng)和網(wǎng)絡(luò )可以方便地、高性?xún)r(jià)比地集成無(wú)線(xiàn)pH和電導率分析儀和傳感器，不用考慮難以布線(xiàn)的挑戰或安裝位置的偏遠。

（文章發(fā)表在2013年3月Control Engineering Asia刊物上）