Измерение качественных параметров питьевых и сточных вод

Нормальная эксплуатация водопроводно-канализационных сооружений невозможна без контроля качественных параметров природных и сточных вод на разных этапах их очистки, подачи потребителям или выпуска в водоем. Наиболее успешно такой контроль может осуществляться с помощью автоматических приборов в виде сигнализации предельных значений измеряемых величин или путем их регистрации (непрерывно или дискретно).

В системах водоснабжения наиболее важное значение имеет автоматический контроль мутности, прозрачности, цветности воды, ее солесодержания, рН, количества остаточного хлора в воде.

Особенно велико значение применения автоматических анализаторов качества воды цехового типа, так как они не только автоматически измеряют и дистанционно регистрируют основные качественные параметры очищае­мой воды в потоке, но и дают возможность при последующем развитии объема автоматизации перей­ти к автоматическому управлению процессами водоочист­ки по качественным показателям воды и тем самым наиболее совершенно решать проблему автоматизации водоочистных сооружений в целом.

В сооружениях очистки сточных вод к числу наиболее важных качественных параметров, измеряемых с помощью приборов, относятся рН и окислительно-восстановительный потенциал, мутность и цветность воды, содержание растворенного кислорода в воде, влажность осадков.

Большое число качественных параметров природных и сточных вод определяется в современных условиях только путем лабораторных анализов. К таким параметрам относятся: биохимическая потребность в кислороде сточных вод, содержание в них соединений азота, фосфора и калия, наличие соединений железа, кальция и запахов природной воде.

Лабораторные анализы длительны по времени, трудоемки и зачастую недостаточно точны, результаты анализов используют для оценки прошедших технологических процессов и ввиду большого запаздыва­ния не могут быть использованы для оперативного и особенно автоматического управления процессами.

Ближайшей задачей специалистов является разработ­ка датчиков для автоматического измерения тех пара­метров, которые могут быть использованы для автомати­ческого управления и интенсификации технологических процессов.

В основе работы приборов контроля качества воды используются физико-химические методы анализа. К ним в первую очередь относятся: нефелометрический метод анализа, основанный на измерении интенсивности свето­вого потока, возникающего вследствие рассеяния падающего на взвесь света; турбидиметрический метод, основанный на измерении ослабления светового потока, прошедшего через суспензию; колориметрический метод, основанный на определении концентрации вещества в жидкости по поглощению света с помощью спектрофотометров или фотометрических приборов; рефракто­метрический метод анализа, основанный на измерении преломления световых лучей в зависимости от состава и концентрации содержащихся в воде веществ; поляри­метрический метод анализа, основанный на зависимости угла вращения плоскости поляризации света от концентра­ции в воде оптически активного вещества; кондуктометрический метод анализа, основанный на изменении электропроводности в зависимости от концентрации растворенных в жидкости веществ; потенциометрический метод анализа, основанный на изменении потенциала электрода в зависимости от состава жидкости и ее свойств; полярографический метод анализа, в основе которого лежит зависимость между характером поляри­зации рабочего электрода и ионным составом и концентра­цией раствора.

При создании приборов автоматического контроля качественных параметров воды могут использоваться также кулонометрический, хроматографический и масс-спектроскопический методы физическо-химического ана­лиза.

На основе указанных методов в нашей стране и за рубежом ведется большая работа по созданию автоматических приборов — датчиков непрерывного и дискретного контроля качества воды в специфических условиях систем водоснабжения и канализации.

Для контроля качественных параметров воды исполь­зуют ряд приборов общепромышленного назначения. К их числу относятся различные конструкции плотно­меров, солемеров, рН-метров, фотокалориметров, кон-центратомеров, титрометров и полярографов. Кроме них разработаны опытные образцы или ведется выпуск приборов контроля отдельных параметров воды, пред­назначенных специально для водопроводно-канализацион-ных сооружений. Рассмотрим кратко устройство некото­рых из них.

Лабораторией средств технологического контроля АКХ в содружестве с Восточной водопроводной станцией был создан комплекс приборов для определения мут­ности, цветности и остаточного хлора АМС-У, АМЦ-У и АОХ.

Автоматический анализатор типа АМС-У предназна­чается для измерения и регистрации мутности очищенной питьевой воды. Прибор основан на компенсационном принципе действия. Автоматическое измерение мутности воды, протекающей через измерительную смотровую тру­бу, производится путем периодического сравнения двух световых потоков, проходящих через контролируемую воду и измерительный оптический клин. Исполнительный механизм, управляемый измерительной системой, ре­гулирует перемещение оптического клина, приводя его в положение, соответствующее равенству световых по­токов. Стрелка, установленная на одном валу с оптиче­ским клином, указывает мутность по шкале в пределах 0...4.5 мг/л. Мутность воды также дистанционно регист­рируется вторичным самопишущим прибором ЭМД-212 с помощью реостатных датчиков, установленных в этом приборе. На базе описанного АМС-У разработан авто­матический анализатор мутности и цветности питьевой воды типа АМЦ-У.

Фотоиндалихср АOB-9 (разработан в Институте коллоидной химии и химии воды АН УССР) служит для автоматического определения мутности обрабатывае­мой и очищенной воды. Схема прибора основана на компенсационном принципе измерения (рис 74,а).

Рис. 74. Схема приборов для определения мутности воды:

а – компенсационный мутномер: 1,8 – измерительная и сравнительная кюветы; 2 – фотоэлемент; 3 – усилитель электронного моста; 4 – реохорд; 5 – вторичный прибор; 6 – реверсивный двигатель; 7 – диафрагма; 9 – призмы; 10 – линзы; 11 – лампа; 12 – световой коммутатор; 13 – зеркала, б – упрощенный мутномер: 14 – лампа; 15 – линза; 16 – кюветы; 17 – усилитель постоянного тока; 18 – измерительный прибор; 19 – фотоэлемент

Световой поток от лампы с помощью двух оптических систем, состоящих из линз и призм, направляется по двум каналам соответственно в измерительную кювету, через которую пропускается контролируемая вода, и сравнительную кювету, заполненную эталонной суспензи­ей (стандартным раствором каолина).

Рассеянный в кюветах свет с помощью зеркал направляется на фотоэлемент. Световой коммутатор производит переключение световых потоков через измери­тельную и сравнительную кюветы с частотой 50 Гц. При равенстве световых потоков, поступающих на фото­элемент по обоим световым каналам, в цепи фотоэле­мента течет постоянный ток. При разнице в величине сравниваемых потоков в цепи фотоэлемента появляется пульсирующий ток. Образующееся на нагрузочном сопро­тивлении фотоэлемента переменное напряжение с частотой 50 Гц, пропорциональное переменной составляющей фотоэлемента, подается на вход автоматического элект­ронного моста ЭМД-212. Вал реверсивного двигателя моста механически связан с диафрагмой, с помощью которой изменяется величина светового потока, проходя­щего через измерительную кювету.

По положению вала реверсивного двигателя и связан­ных с ним указательной стрелки и регистрирующего пера на шкале электронного моста судят о величине мутности воды. Реохорд автоматического электронного моста может быть использован в качестве датчика для вторичного прибора.

В упрощенном мутнометре (рис 74,6) применены неком­пенсационная схема измерения и один оптический канал. Световой поток от лампы, питаемой стабилизированным напряжением, направляется оптической системой в кюве­ту. Часть рассеянного в кювете светового потока попадает на фотоэлемент. Фототок усиливается усилителем и направляется в измерительный прибор.

Кроме этого прибора разработан спектрофотометр АОВ-10 для определения цветности воды.

Однако в силу ряда причин указанные приборы не нашли широкого применения. К этим причинам относятся как недостатки методов измерений, так и конструктивные особенности, вызывающие нестабильность показаний и чрезмерную сложность приборов.

На Рублевской водопроводной станции (Москва) был испытан прибор для контроля мутности воды после фильтров посредством автоматического определения счет­ной концентрации микрочастиц в воде с помощью фотоэлектронного поточного ультрамикроскопа.

Длительное время ведутся работы по созданию простых и надежных приборов контроля мутности, цветности воды и содержания в ней остаточного хлора. Накопленный опыт выявляет преимущества электрометрического метода измерения этих параметров воды перед колориметриче­ским методом.

Большая работа по созданию приборов контроля качества воды проводится в научно-производственном объединении «Аналитприбор» (г. Тбилиси).

Для контроля мутности и содержания взвешенных веществ в воде используются методы турбидиметрии и нефелометрии. Начат выпуск турбидиметра ТВ-205 для контроля взвеси в сточных водах в диапазоне 0...30 и 0...500 мг/л с приведенной погрешностью до 1,5%. Все элементы прибора размещаются на одном общем стенде. Анализируемая вода автоматически подается в бачок-измельчитель взвешенных веществ с регулируемой мешалкой, затем вода проходит газоотделитель и измерительную кювету фотометра. В фотометре оптический параметр преобразуется в электрический сигнал, уни­фицированный по току и напряжению. К выходу элек­тронного блока подключен регистрирующий прибор типа КСП2-11. Для автоматизации всех операций турбидиметр снабжен командно-электрическим прибором типа КЭП-12У. Оптическая схема двухканальная. Оценка оптической плотности исследуемой воды производится по разности напряжений в компараторах оптических каналов.

В НПО «Аналитприбор» разработано несколько типов кондуктометрических концентратомеров.

С помощью кондуктомеров оценивается концентрация рабочих растворов коагулянтов, регенерационных раст­воров ионообменных смол, уровень минерализации в при­родных водах и в воде оборотных систем, суммарные концентрации некоторых характерных веществ в сточных водах, например содержание серной кислоты и железа в травильных сточных водах. В ряде случаев, кондуктометрические концентратомеры используются как первич- ные звенья систем регулирования процессов очистки воды от кислот, щелочей, тяжелых металлов. Наибольшее применение находят общепромышленные кондуктометры серии КК, выпускаемые Горийским опытным заводом аналитических приборов.

Кондуктометры состоят из датчика и преобразователя (электронного моста типа КСМ-3). Датчик выполнен так, что может работать в проточном и погружном вариантах. Кондуктометр КК-1 имеет два датчика, включенных на вычитание своих сигналов. Преобразователь имеет схему температурной компенсации и унифицированный выход для подключения регулирующих приборов.

В последнее время создан новый многопредельный кондуктометр АКК-201.

Контроль за концентрацией хлора и его производных имеет важное значение для управления процессом обез­зараживания питьевых и сточных вод.

Автоматический анализатор хлора АПК-01М. Анали­затор содержит электрохимический преобразователь 2 (рис. 75), оборудованный блоком дозирования реагентов 3 и блоком пробоподготовки 1, соединенными через преобразователь 2 с нормирующим узлом 23 и балансным преобразователем 28, узлом термокоррекции 24 и блоком согласования 25, снабженным источником питания 26, и с регистрирующим прибором 30. Преобразователь 28 образован мостовой схемой и нуль-органом 27.

Рис. 75. Структурная схема анализатора хлора АПК-01М

Электрохимический преобразователь 2 снабжен перепускным клапаном 8, седло 9 ко­торого разделяет каме­ру перелива 7 и камеру смешивания 11. Камера 7 гидравлически связа­на со сливной камерой 12, оборудованной и­нжектором 14с горловиной 13, чувствительным элементом 17 и обводной трубкой 18. В каме­ре 11 установлен шту­цер подачи реагентов 15, а в камере 12 — штуцер слива 10. Эле­мент 17 образован като­дом 19 и анодом 16. Блок

дозирования реа­гентов 3 снабжен ем­костями для реагентов 6, микродозаторамн 5 и смесителем 4.

Блок пробоподготовки 1 имеет входной регулятор давления 34 с манометром 33, филь­тром 32 из металличе­ской сетки, регулятором динамической дозировки 20, сливным бачком 22 и ре­дуктором 21, образованным последовательно вклю­ченными выходными регуляторами давления 31.

Анализируемая сточная или природная вода подается насосом из очистного сооружения через входной регуля­тор давления 34, при этом по манометру 33 устанавливает­ся требуемое давление подаваемой воды. В фильтре 32 удаляются взвешенные вещества и различные нерастворенные примеси с периодической сменой фильтрующего патрона. Редуктором 21 стабилизируется давление воды после прохождения фильтра 32, которая поступает далее через инжектор 14 в камеру 11. Одновременно с анализи­руемой водой в камеру 11 поступают соответствующие реагенты из смесителя 4 блока 3. Отсюда большая часть воды проходит через трубку 18 к чувствительному элементу 17, а меньшая часть – через клапан 8, под­держивающий постоянное давление воды в камере 11, в, камеры 7 и 12.

Вода из камеры 12 поступает в бачок 22, который связан с регулятором 20, обеспечивающим общую стабили­зацию гидродинамического режима в устройстве и отбор для химико-аналитических определений.

В чувствительном элементе 17 в результате электро­химических реакций возникает выходной сигнал, пропор­циональный содержанию хлора в анализируемой воде. Выходной сигнал узлом 23 приводится к нормированному значению, корректируется с учетом температуры анализи­руемой воды узлом 24 и преобразуется блоком 25, мостовой схемой 29 и нуль-органом 27 для подачи к регистрирующему прибору.

Приборы АПК-01М используются на многих станциях очистки воды систем водоснабжения.

Новой модификацией прибора для контроля остаточно­го хлора является АХ С-203. Прибор предназначен для непрерывного измерения остаточного хлора не только в природной, но и в очищенной сточной воде. Диапазоны измерения 0...1; 0...2; 0...5; 0...10 мг./л. Приведенная погрешность ±4%. Анализатор проточного типа с расхо­дом контролируемой воды 5 л/ч.

Анализатор АХС-203 основан на амперметрическом методе определения хлора. Измеряется предельный диф­фузионный ток, возникающий вследствие окислительно-восстановительных реакций частиц активного хлора, происходящих на поверхности поляризованного электрода. Необходимое поляризационное напряжение создается внутренним источником — стандартными потенциалами двух металлических электродов. При измерении свободно­го хлора анализатор работает без применения вспомо­гательных реагентов или только с одним буферные раствором. При измерении общего хлора (свободный + связанный) в электрохимическую ячейку прибора добавляются иодид калия и буферный раствор.

Анализатор состоит из двух блоков: гидроэлектрохимического, смонтированного вместе с преобразователем, и регистрирующего потенциометра типа КСП-4. Частью прибора является также дублирующий показывающий прибор. Преобразователь формирует выходной унифици­рованный сигнал О...5 mA для подключения регистрирующих и регулирующих приборов.

Другим прибором для определения концентрации хлора в воде на основе полярографического метода измерения является автоматический концентратомер KOX-I, разработанный институтом УНИХИМ (Сверд­ловск).

Принцип действия прибора заключается в измерении силы тока на поляризованном ртутном электроде. Этот ток однозначно связан с концентрацией хлора в контролируемой воде. Измерение производится автома­тически и записывается вторичным прибором типа ЭПД. Схема прибора представлена на рис. 76.

Рис. 76. Схема автоматического анализатора остаточного хлора типа КОХ-1:

1 – входной блок; 2 – вторичный показывающий и записывающий прибор типа ЭПД; 3 – вспомогательный электрод; 4 – корпус электродной ячейки датчика; 5 – положительный ртутный электрод; 6 – отрицательный кольцевой электрод

Анали­зируемая вода из крана через дозирующий сосуд (стабилизатор расхода воды) поступает с постоянной скоростью в электродную ячейку, которая состоит из трех электродов: ртутного положительного, отрицательного, выполненного из нержавеющей стали, и вспомогатель­ного каломельного, расположенного в непосредственной близости от ртутного электрода. Вспомогательный элект­род служит для поддержания постоянства потенциала измерительного электрода. Кроме того, для поддержания постоянства потенциала измерительного электрода в сис­теме прибора применяется электродное устройство — потенциостат. Так как в приборе напряжение подается на электроды (что приводит к разложению аминов), он может измерять концентрацию всего хлора, присутст­вующего в воде, с учетом связанного хлора без введения реагента.

При очистке питьевых и сточных вод большое значение имеют измерения показателя водородных ионов рН.

Для измерения рН используют колориметрический и электрический методы. Колориметрический метод осно­ван на свойстве растворов изменять свою окраску в присутствии индикатора в зависимости от числа рН и используется в лабораторных условиях. Из электрических методов применяют кондуктометрический и потенциометрический.

Кондуктометрический метод основал на измене­нии электропроводности раствора в зависимости от значе­ния рН. Однако эта зависимость не имеет линейного характера.

Для измерения рН наибольшее распространение полу­чил кондуктометрический метод с использованием специ­альных электродных систем избирательного действия, электродвижущая сила которых зависит от активности ионов водорода в растворе.

Наиболее широко используются рН-метры, выпускае­мые Гомельским заводом измерительных приборов. В комплект рН-метров входят электродный датчик и высокоомный преобразователь рН-261.

В практике промышленного измерения рН наибольшее распространение получили электродные датчики, в кото­рых в качестве чувствительного элемента применяется стеклянный измерительный электрод. Он характеризуется прямолинейной зависимостью ЭДС от рН раствора в зоне от 0 до 10 рН. Показания его не зависят от присутствия в среде восстановителей, окислителей, коллоидов и взве­шенных частиц, что очень важно для обеспечения надежного контроля значе­ния рН в производствен­ных условиях.

Схема такой электрод­ной системы показана на рис. 77.

Рис. 77. Принципиальная схема электродного датчика pH-метра

Стеклянный электрод представляет собой труб­ку 4 с припаянным на кон­це полым шариком 3 из спе­циального электродного стекла. При погружении электрода в раствор между поверхностью стекла и рас­твора происходит обмен ионами, в результате кото­рого одновалентные ионы натрия или лития в поверх­ностных слоях стекла заме­щаются ионами водорода и стеклянный электрод при­обретает свойства водо­родного электрода. Между поверхностью стекла и контролируемым раствором возникает разность потенциалов , величина которой определяется активностью ионов водорода в растворе и его температурой.

Для создания электрической цепи при измерении ЭДС электродной системы применяют вспомогательные кон­тактные электроды: внутренний электрод 5, осуществляю­щий электрический контакт с раствором, заполняющем внутреннюю часть стеклянного электрода, и внешний так называемый электрод сравнения 1, осуществляющий электролитический контакт с контролируемым раствором через трубку 2 и пористую перегородку 6. В качестве электродов сравнения наибольшее распространение по­дучили хлорсеребряные AgCI и каломельные HgCb электроды. Электродные датчики выпускаются трех типов: погружной ДПг-4, проточный ДПр-3 и магис­тральный ДМ-5.

Преобразователь рН-261 представляет собой устройст­во, преобразующее выходную величину чувствительного элемента (электродвижущую силу электродных систем, применяемых для измерения рН) в пропорциональный и унифицированный сигнал постоянного тока. Преобразо­ватель предназначен для использования в системах непрерывного контроля и автоматического регулирова­ния кислотности и щелочности. Преобразователь рН-261 снабжается набором сменных шкал с диапазоном измере­ния рН в 1; 2,5; 5 и 10 единиц.

Для регистрации показаний к преобразователю можно подключать автоматические потенциометры, которые так­же можно использовать в схемах автоматического регулирования.

На биолого-почвенном факультете МГУ разработана установка для автоматической оценки запаха воды типа УООЗ-3. Установка построена на принципе химических моделей. Летучие компоненты запаха воды изменяют физико-химические свойства химического детектора (аминокислота диоксифенилаланин). Эти изменения улав­ливает электронно-оптический колориметр ФЭК-56 и пере­дает для регистрации на электронный потенциометр КСП-4.

Промышленностью освоен выпуск прибора ФСВ-65В, предназначенного для автоматического контроля содер­жания фенола в сточной воде. Пределы измерения прибора 0…5 и 0…50 мг/л. Продолжительность цикла измерений 40…60 мин.

Действие прибора основано на измерении окраски пробы в зависимости от концентрации фенола в сточной воде при обработке ее реактивами. Изменение окраски пробы записывается автоматическим фотоабсорбциомет-ром на диаграмме. Шкала прибора градуируется по контрольным стеклам, соответствующим известной концентрации фенола.

Комплект прибора состоит из пробоотборной системы, блока подготовки пробы для автоматического дозирова­ния заданных объемов сточной воды, реактивов и сме­шивания их в определенной последовательности, датчика автоматического фотоабсорбциометра АКН-65В, блока управления и регистрирующего вторичного прибора элект­ронного потенциометра КСП.

Для контроля содержания фенола а очищенных сточ­ных водах разработан прибор типа ЛФСВ-2 с пределами измерений 0,01...0,1 мг/л.

Измерение содержания нефтепродуктов качественно характеризует работу очистных сооружений. Сложность измерения этого параметра обусловила создание в настоя­щее время лишь приборов лабораторного типа. К ним от­носится анализатор ЛУА-65ПС, предназначенный для экспрессного определения суммарного содержания нефтепродуктов в сточной воде, сбрасываемой после очистных сооружений и технологических установок нефтеперераба­тывающих заводов. В комплект прибора входят: фотометр — ультрафиолетовый анализатор ЛУА-65ПС, пробоподготовительная система (экскаватор), стабилиза­тор напряжения сети С-0,28.

Действие прибора основано на экстракционно-фотометрическом методе спектрального анализа. С помощью прибора контролируется изменение интегрального про­пускания ультрафиолетового излучения в области спектра 250..400 нм, в которой излучение поглощается нефте­продуктами, содержащимися в воде.

Положённый в основу прибора метод ультрафио- летового поглощения надежен при постоянстве состава нефтепродуктов.

В другом случае более перспективен инфракрасный экстракционно-фотометрический метод измерения. На основе этого метода разработаны полуавтоматический инфракрасный анализатор типа ЛИКА-71 и автоматиче­ский поточный инфракрасный анализатор типа АВН-73В для определения суммарного содержания нефтепродуктов в сточных водах с пределами измерений 5..100 мг/л при погрешности до 10%.

Подобный анализатор «Волна-2» имеет пределы измерений 0...20 мг/л.

В лабораториях водопроводных и канализационных очистных сооружений выполняется ежедневно много трудоемких лабораторных анализов по определению качественных показателей природных и сточных вод, осадков, реагентов. Эти анализы дают важную информа­цию для управления процессами очистки воды. Однако ввиду трудоемкости и длительности анализов по времени получаемая информация запаздывает и ее оперативное использование недостаточно эффективно. Для устранения этого недостатка весьма перспективно использование полярографов, хроматографов и масс-спектрометров.

Кроме рассмотренных приборов контроля качественных параметров воды далее освещаются созданные приборы для контроля процессов очистки сточных вод.