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    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(shù)量充足、質(zhì)量安全的水是人類生存必不可少的。從地區(qū)來看，亞洲面臨著嚴重的供水壓力，主要原因是亞洲的人口密度高，農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水量大。

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

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

    其結(jié)果是，為了滿足全球迅速變化的環(huán)境要求，專門用于水處理產(chǎn)品的需求量正在呈現(xiàn)上升趨勢。來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(qū)動整個水處理設(shè)備及服務(wù)市場的增長。

    獲取更清潔、更純凈水的需求造就了一個強有力的事實，即移動水處理裝置在亞太地區(qū)的迅速發(fā)展。移動系統(tǒng)可以提供一系列處理選項，包括：澄清、過濾、脫鹽、反滲透、膜分離、以及誘導(dǎo)空氣/氣體浮選。系統(tǒng)是橇裝結(jié)構(gòu)，可以現(xiàn)場安裝或者拖車安裝，拖車包含儀器和設(shè)備，是完全自動監(jiān)控操作。

    此外，水處理廠的規(guī)模也是多種多樣的，沒有兩個廠是一模一樣的。但是，無論是國有的、私有的、還是移動的水處理廠，它們都有著相同的目標——為客戶社區(qū)提供安全可靠的飲用水源。液體分析系統(tǒng)在維護水廠安全方面起著至關(guān)重要的作用。

    要處理所用原水水源中的污染物，自來水公司應(yīng)當選擇恰當?shù)乃幚砉に嚱M合，常用的工藝包括：預(yù)處理、凝聚、絮凝、沉淀、過濾和消毒，其它處理方法還包括離子交換、反滲透以及吸附。

    在上述每個工藝過程中，優(yōu)化使用液體分析測量將為水處理廠節(jié)省時間和金錢，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工藝過程和相關(guān)的副產(chǎn)品。

    預(yù)處理

    為了更好地定義水處理廠所用原水水源的動態(tài)特性，在進入處理過程之前，要進行一些液體分析測量。進水監(jiān)測測量包括：pH值、電導(dǎo)率、溫度、濁度和溶解氧。

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

    在水進行澄清處理前，需要通過粗過濾器，去除較大的物體，阻止它們進入水處理廠。預(yù)處理還包括一次消毒工藝，即使用氯或臭氧，處理藻類的生長以及化學品和微生物的氧化。

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

    預(yù)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(dǎo)率可以測量流體中是否含有燒堿，該測量結(jié)果可以表明進料泵是否正常工作。環(huán)形電導(dǎo)率傳感器在此應(yīng)用中持久耐用，電導(dǎo)率值下降表明進料泵沒有往水流體中注入燒堿。

    一次消毒

    由于水是一種萬能的溶劑，它會與各種不同的病原體接觸（細菌、病毒和寄生蟲原蟲），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，通過化學消毒和機械過濾處理，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消毒劑，臭氧（O3）也是水處理時使用的強力消毒劑。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題。

    氯作為一種緩慢的氧化劑，對細菌的影響有限，隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲都十分耐氯。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。

    臭氧空氣通過接觸容器內(nèi)的水，向上鼓泡，當水達到接觸容器的端部時，一次消毒完成，臭氧又轉(zhuǎn)換回氧。為了正確地進行臭氧消毒，需要合適的水接觸時間和適當?shù)某粞跬度肓俊?br />
    澄清

    在預(yù)處理和一次消毒后，原水澄清通常是一個多步驟的過程，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(jié)合或“混凝”成較大的蓬松顆粒物，稱為“絮凝物”， 使原水水源中“泥沙”沉淀下來。通過加入化學混凝劑，諸如：明礬、鐵鹽或合成的有機聚合物，促進混凝過程。在加入化學品后，水流經(jīng)混合通道，在混合通道進行閃混。

    絮凝物被機械攪拌，以便吸附懸浮固體和微生物。在此過程這保持合適的pH值十分重要，因為它能改善混凝過程，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(dǎo)致水的pH值較高，因此，處理后的水需要進行緩沖，以降低pH值，使其達到后續(xù)工藝可以接受的數(shù)值。

    絮凝物沉降到底部，在沉淀池形成污泥。由于污垢和化學試劑變得足夠重，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。污泥通過機械鏟運機除去，并妥善處置。水從沉降池的表面取出，并流入下沉的水通道。

    過濾

    沉淀工藝去除了25微米以上的顆粒物，但是該過程不是100%的有效，因此還需要進一步的過濾。進入過濾工序的水濁度是1-10 NTU。

    水流經(jīng)砂過濾器，向下滲濾，順序通過砂、礫石、無煙煤的組合層，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、其它處理過程的沉淀物和淤泥也將被去除，從而得到清澈的水。

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

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

    政府部門的規(guī)章制度適用于公共供水系統(tǒng)，其要求水處理廠要將有害的微生物和病毒降至最低。設(shè)想過濾系統(tǒng)通過滿足特定的濁度極限值，再結(jié)合充分的消毒，可以完成將有害的隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲和病毒降低到最低百分比的工藝操作。

    通過測量組合過濾器出水的濁度，可以確定過濾過程的充分性以及微生物的去除情況，以便滿足政府的標準。這個標準包括：濁度監(jiān)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，這些病原體是由回流污染進入或引入處理廠的。為了符合二次剩余的消毒規(guī)定，工廠要在最后的處理步驟，用氯化處理方式進行二次消毒。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，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）。對于消毒水來說，次氯酸（HOCI）不僅比次氯酸根離子（OCI-）的反應(yīng)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(xiàn)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(yīng)時，便形成了氯化副產(chǎn)物，該物質(zhì)對人類有潛在的健康影響。在分析儀器中，氯通過半透膜擴散傳感器內(nèi)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有味道或氣味，被認為是最有效的消毒劑。采用氯胺進行消毒處理的工廠操作人員需要精確確定在水處理系統(tǒng)中一氯胺的用量。

    最終處理

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

    當水中天然含有氨或者用氯胺對水進行消毒時，會用到“游離氨”這一術(shù)語。在氯胺化過程中，向水中添加氯和氨，形成一氯胺，部分沒有與氯化合的氨稱為游離氨，根據(jù)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。

    確定處理過的水是否含有氨的唯一精確的方法是進行氨分析，如果檢測到氨，則需要在游離氨的輸配系統(tǒng)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（通常也稱為一氯胺或MCL）的含量，
以確保水是適合人類消費的。可提供單測量系統(tǒng)操作面板或雙測量系統(tǒng)操作面板。

    水處理的無線方案

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

    新的適配器技術(shù)使無線技術(shù)可以添加到具有HART通訊能力的分析儀器里面，且無需軟件升級、電池或額外的硬件，從而使有線系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線系統(tǒng)的成本效益高，可擴展性強，而且簡單易用，這種方法可以為水廠節(jié)約90%的安裝成本。

    此外，無線分析儀可以將過程變量和診斷數(shù)據(jù)傳遞給中央控制系統(tǒng)，減少現(xiàn)場人員和維護的工作量。

    新系統(tǒng)配備了機載數(shù)據(jù)記錄功能，允許過程數(shù)據(jù)和事件傳輸?shù)経SB存儲設(shè)備，用于計算機分析，使得水廠的控制系統(tǒng)更加靈活。

    在水行業(yè)，無線技術(shù)的第一個明顯好處就是無需電源，無需與主機通訊的布線。水廠和網(wǎng)絡(luò)可以方便地、高性價比地集成無線pH和電導(dǎo)率分析儀和傳感器，不用考慮難以布線的挑戰(zhàn)或安裝位置的偏遠。

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