廢水處理過程監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)對(duì)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(duì)人工采樣或混合樣品的測(cè)量是合規(guī)監(jiān)測(cè)的主要方法。然而，過程監(jiān)測(cè)越來越多地通過在線分析儀表來完成。連續(xù)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)EMR與物質(zhì)之間相互作用的測(cè)量。分光光度法是光譜法的一個(gè)分支，是對(duì)EMR（光）的吸收或透射率隨波長變化的測(cè)量。當(dāng)應(yīng)用于測(cè)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衔铩⑻穷惢虼碱悷o法被檢測(cè)到，但這些化合物通常與其他可被檢測(cè)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(cè)，濃度根據(jù)朗伯-比爾定律計(jì)算。硝酸鹽的單波長檢測(cè)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(cè)量，亞硝酸鹽會(huì)干擾硝酸鹽的測(cè)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(cè)定其中一種而不受另一種干擾的程度。針對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)量光程選項(xiàng)：1 mm和5 mm。1 mm光程用于監(jiān)測(cè)未處理廢水和混合液懸浮固體（MLSS）。5 mm光程用于監(jiān)測(cè)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(cè)量窗口的兩側(cè)。當(dāng)傳感器浸入廢水中時(shí)，測(cè)量窗口充滿樣品。或者，流通池圍繞測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量光束（6）穿過藍(lán)寶石透鏡和測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器（5）。單波長配置測(cè)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。