廢水處理過程監(jiān)測應(yīng)用 | WTW IQ Sensor Net 紫外-可見分光光度傳感器

廢水處理過程監(jiān)測應(yīng)用 | WTW IQ Sensor Net 紫外-可見分光光度傳感器

廢水過程監(jiān)測對于水資源回收設(shè)施（WRRF）的有效管理至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)室對人工采樣或混合樣品的測量是合規(guī)監(jiān)測的主要方法。然而，過程監(jiān)測越來越多地通過在線分析儀表來完成。連續(xù)監(jiān)測給決策制定提供關(guān)鍵信息，并減輕操作人員每天多頻采樣和測量過程參數(shù)的負(fù)擔(dān)，使污水處理廠能夠最大限度地減少化學(xué)品和能源投入，并避免工藝異常。在過去十年中，傳感器技術(shù)的選擇和可靠性已大幅提高。例如，基于分光光度法的傳感器現(xiàn)在可用于直接測量重要參數(shù)，無需使用需要經(jīng)常補(bǔ)充的昂貴試劑。

分光光度法

電位法無需試劑且相對便宜，但電極會(huì)漂移，需要定期重新校準(zhǔn)，最終還需整體更換。此外，利用紫外-可見光光度法原理，通過測量紫外線（UV）和可見光穿過樣品的透射率，可快速直接地檢測有機(jī)碳、硝酸鹽和亞硝酸鹽，無需使用試劑。

掌握電磁輻射（EMR）基礎(chǔ)知識(shí)有助于理解分光光度法在廢水監(jiān)測中的應(yīng)用原理。地球始終處于一種能量形式的EMR中。EMR的形式按波長區(qū)分，如圖4所示的電磁波譜所述。波長和能量成反比，因此波長較長的EMR能量相對較低，反之亦然。高能宇宙射線（波長為十億分之一nm及以下）位于光譜的一端，而低能無線電波（波長為10億nm及以上）位于另一端。

各種形式的EMR以多種不同方式與物質(zhì)相互作用。例如，太陽的熱量來自其波長所定義的紅外EMR。光譜法是對EMR與物質(zhì)之間相互作用的測量。分光光度法是光譜法的一個(gè)分支，是對EMR（光）的吸收或透射率隨波長變化的測量。當(dāng)應(yīng)用于測量200~800nm波長范圍內(nèi)（涵蓋紫外線輻射和可見光區(qū)域）的吸收時(shí)，它被稱為紫外-可見分光光度法。在這些范圍內(nèi)，EMR與物質(zhì)的相互作用（吸收）主要由較高能量將電子從較低基態(tài)激發(fā)到較高激發(fā)態(tài)所主導(dǎo)。所吸收的紫外或可見光的波長取決于電子激發(fā)的難易程度，而這又取決于分子結(jié)構(gòu)和電子構(gòu)型。哪些電子構(gòu)型會(huì)導(dǎo)致在紫外-可見光范圍內(nèi)的吸收，這個(gè)問題的答案很復(fù)雜。

有幾條簡單規(guī)則有助于理解：

• 在廢水樣品中，長波長可見光范圍（400~800nm）的吸光度主要由濁度引起。

• 許多有機(jī)分子在250~350nm的紫外波長范圍內(nèi)吸收。

• 簡單的碳?xì)浠衔?、糖類或醇類無法被檢測到，但這些化合物通常與其他可被檢測和關(guān)聯(lián)的吸收分子結(jié)合存在。

• 硝酸鹽和亞硝酸鹽在短（<250nm）紫外波長處吸收。

同樣需要了解的是，在紫外-可見光范圍內(nèi)，其他EMR相互作用即使不占主導(dǎo)地位，也具有重要意義。因此，任何特定物質(zhì)的吸收都發(fā)生在一個(gè)波長帶上，而非單一離散波長。

氮參數(shù)

硝酸鹽（NO3?）可在紫外范圍內(nèi)直接檢測，濃度根據(jù)朗伯-比爾定律計(jì)算。硝酸鹽的單波長檢測峰值吸收附近的波長處實(shí)現(xiàn)，該波長處硝酸鹽的信號(hào)占主導(dǎo)。所使用的確切波長因儀器而異，但通常在220nm左右。根據(jù)單波長測量，亞硝酸鹽會(huì)干擾硝酸鹽的測定，因?yàn)閮煞N物質(zhì)的吸光度光譜非常相似且嚴(yán)重重疊。不存在單一波長可將硝酸鹽和亞硝酸鹽的光譜分離到足以直接測定其中一種而不受另一種干擾的程度。針對硝酸鹽優(yōu)化的單波長傳感器將僅捕獲樣品中亞硝酸鹽的一部分，導(dǎo)致在亞硝酸鹽含量較高的樣品中低估NOx。因此，當(dāng)亞硝酸鹽也很重要時(shí)，用戶在使用單波長硝酸鹽檢測時(shí)必須謹(jǐn)慎。除亞硝酸鹽外，還存在由有機(jī)物引起的干擾。

同樣，提供更精確的硝酸鹽測量的解決方案是使用光譜傳感器掃描多個(gè)波長。此外，為了區(qū)分并單獨(dú)報(bào)告硝酸鹽和亞硝酸鹽，理想的波長間隔應(yīng)小于1nm。計(jì)算氮參數(shù)的算法比計(jì)算碳綜合參數(shù)所需的算法更簡單——硝酸鹽和亞硝酸鹽的光譜與樣品類型無關(guān)。也就是說，當(dāng)校準(zhǔn)光譜和樣品光譜指紋合理匹配時(shí)，將實(shí)現(xiàn)最佳性能。

紫外-可見分光光度傳感器的設(shè)計(jì)

表1總結(jié)了WTW IQ SensorNet紫外-可見和紫外分光光度傳感器的各種類型。SAC（UVT-254）和NOx傳感器是單波長通用傳感器。CarboVis®、NitraVis®和NiCaVis®是用于市政廢水應(yīng)用的多波長光譜傳感器。TS版本還將報(bào)告總懸浮固體（TSS）。NI版本報(bào)告硝酸鹽和亞硝酸鹽。有兩種測量光程選項(xiàng)：1 mm和5 mm。1 mm光程用于監(jiān)測未處理廢水和混合液懸浮固體（MLSS）。5 mm光程用于監(jiān)測低濁度的處理后出水廢水。

紫外-可見分光光度傳感器如圖9所示。該傳感器由外殼、內(nèi)部光學(xué)元件和固件所在的電子元件組成。外殼由可浸入水中的圓柱形主體構(gòu)成，用于保護(hù)內(nèi)部光學(xué)元件。IQ SensorNet紫外-可見傳感器由直徑60 mm的鈦金屬制成，以實(shí)現(xiàn)最大耐用性。

透鏡位于傳感器一側(cè)切割出的測量窗口的兩側(cè)。當(dāng)傳感器浸入廢水中時(shí)，測量窗口充滿樣品?；蛘撸魍ǔ貒@測量窗口安裝在傳感器上。IQ SensorNet紫外-可見傳感器的透鏡由藍(lán)寶石制成，具有更強(qiáng)的耐用性和更好的光學(xué)性能。自動(dòng)清潔系統(tǒng)對于防止透鏡外部結(jié)垢至關(guān)重要，結(jié)垢會(huì)干擾傳感器，導(dǎo)致不可接受的誤差。IQ SensorNet紫外-可見傳感器包括內(nèi)置的超聲波清潔系統(tǒng)UltraClean™。

紫外-可見傳感器的主要光學(xué)組件是用于獲取原始吸光度測量值的分光光度計(jì)。IQ SensorNet紫外-可見傳感器的光學(xué)組件如圖10所示。光源是氙氣閃光燈（1），其發(fā)射從紫外到可見光的波長范圍內(nèi)的光。氙氣燈的壽命極長。光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)送器（2）將燈的輸出分開，引導(dǎo)測量光束（6）穿過藍(lán)寶石透鏡和測量間隙（3）中的樣品。第二束光，即參考光束（8），在傳感器主體內(nèi)無樣品的路徑上傳播。分光束設(shè)計(jì)是最常見的典型設(shè)計(jì)。然而，IQ SensorNet中測量通道和參考通道的光學(xué)組件相同，可提供自動(dòng)漂移補(bǔ)償和長期穩(wěn)定性。光學(xué)系統(tǒng)的接收器（4）將測量光束和參考光束引導(dǎo)至由一個(gè)或多個(gè)固定光電二極管組成的檢測器（5）。單波長配置測量紫外范圍內(nèi)單一波長的吸光度。來自可見光范圍內(nèi)約550nm的第二波長的吸光度用于補(bǔ)償濁度。