水質分析儀在城市垃圾污水處理中的應用
本文介紹了水質分析儀的工作原理及特點，說明了安裝和維護的注意事項。
一、前言
隨著近年來我國經濟的快速發展，城市的工業和生活垃圾大量增加，目前對垃圾進行處理的主要方法是衛生填埋，而進行填埋都是露天作業，垃圾經壓實后，隨著垃圾中生物的分解及遇到雨雪天氣時，雨水和雪水滲入填埋區，會產生垃圾滲濾液。滲濾液屬高濃度有機廢水，濃度值變化范圍大，其中含碳氫化合物、硝酸鹽、硫酸鹽及微量銅、鎘、鉛等重金屬離子，**指標很高，如不進行處理直接排入水體，將嚴重污染當地的水環境。為了保護水環境，必須加強對污水排放的監測。檢測點的設計和檢測儀表（主要是水質分析儀）的質量對水環境監測起著至關重要的作用，本文結合麥園城市垃圾污水處理廠的設計談談這方面體會。
二、水質分析儀的工作原理
麥園污水處理廠使用的分析儀有兩種：pH計和溶氧分析儀。
1、pH計的工作原理
水的pH值隨著所溶解的物質的多少而定，因此pH值能靈敏地指示出水質的變化情況。pH值的變化對生物的繁殖和生存有很大影響，同時還嚴重影響活性污泥生化作用，即影響處理效果，污水的pH值一般控制在6.5～7之間。
水在化學上是中性的，某些水分子自發地按照下式分解：H2O=H++OH-，即分解成氫離子和氫氧根離子。在中性溶液中，氫離子H+和氫氧根離子OH-的濃度都是10-7mol/l，pH值是氫離子濃度以10為底的對數的負數：pH=-log，因此中性溶液的pH值等于7。如果有過量的氫離子，則pH值小于7，溶液呈酸性；反之，氫氧根離子過量，則溶液呈堿性。
pH值通常用電位法測量，通常用一個恒定電位的參比電極和測量電極組成一個原電池，原電池電動勢的大小取決于氫離子的濃度，也取決于溶液的酸堿度。麥園污水處理廠采用了德國E+H公司的CPS11型pH傳感器和CPM151型pH變送器。具體結構如圖1所示，測量電極上有特殊的對pH反應靈敏的玻璃探頭，它是由能導電、能滲透氫離子的特殊玻璃制成，具有測量精度高、抗干擾性好等特點。當玻璃探頭和氫離子接觸時，就產生電位。電位是通過懸吊在氯化銀溶液中的銀絲對照參比電極測到的。pH值不同，對應產生的電位也不一樣，通過變送器將其轉換成標準4～20mA輸出。
2、溶氧分析儀的工作原理
水中的氧含量可充分顯示水自凈的程度。對于使用活化污泥的生物處理廠來說，了解曝氣池和氧化溝的氧含量非常重要，污水中溶氧增加，會促進除厭氧微生物以外的生物活動，因而能去除揮發性物質和易于自然氧化的離子，使污水得到凈化。
測定氧含量主要有三種方法：自動比色分析和化學分析測量，順磁法測量，電化學法測量。水中溶氧量一般采用電化學法測量。麥園污水處理廠采用的是德國E+H公司的COS 4型溶氧傳感器和COM252型溶氧變送器。
氧能溶于水，溶解度取決于溫度、水表面的總壓、分壓和水中溶解的鹽類。大氣壓力越高，水溶解氧的能力就越大，其關系由亨利（Henry）定律和道爾頓（Dalton）定律確定，亨利定律認為氣體的溶解度與其分壓成正比。
以E+H公司的COS 4氧量測量傳感器為例，結構如圖2所示。其中的電極由陰極（常用金和鉑制成）和帶電流的反電極（銀）、無電流的參比電極（銀）組成，電極浸沒在電解質如KCl、KOH中，傳感器有隔膜覆蓋，隔膜將電極和電解質與被測量的液體分開，因此保護了傳感器，既能防止電解質逸出，又可防止外來物質的侵入而導致污染和毒化。
向反電極和陰極之間施加極化電壓，假如測量元件浸入在有溶解氧的水中，氧會通過隔膜擴散，出現在陰極上（電子過剩）的氧分子就會被還原成氫氧根離子：
O2+2H2O+4e-® 4OH-。
電化學當量的氯化銀沉淀在反電極上（電子不足）：4Ag+4Cl-® 4AgCl+4e-。
對于每個氧分子，陰極放出4個電子，反電極接受電子，形成電流，電流的大小與被測污水的氧分壓成正比，該信號連同傳感器上熱電阻測出的溫度信號被送入變送器，利用傳感器中存儲的含氧量和氧分壓、溫度之間的關系曲線計算出水中的含氧量，然后轉化成標準信號輸出。參比電極的功能是確定陰極電位。
COS 4溶氧傳感器的響應時間為：3分鐘后達到*終測量值的90%，9分鐘后達到*終測量值的99%；*低流速要求為0.5cm/s。
三、特點
1、pH計的特點
pH電極上的玻璃隨著時間推移會逐漸老化，梯度（單位pH值變化所引起的電極輸出電位的變化值）惡化，花費較長時間才能達到穩定電位。一般電極的使用壽命，以E+H公司的產品為例，可達兩年。另外，溫度對老化也有較大影響，100° C下貯存幾周的老化程度相當于室溫下貯存一年的老化程度。
pH計具有高精度、高可靠性、安裝及維護方便等優點，同時對污染也較敏感，需要經常標定，一般每隔一個到一個半月標定一次，每兩年更換一次電極。
2、溶氧儀的特點
溶氧儀具有安裝方便，標定周期長（3～4個月），對其他物質不敏感等特點，并且能監測隔膜和探頭內電解質的使用情況，一般每一至三年更換一次電解質和隔膜。
COM252型溶氧變送器屬智能化儀表，帶有HART或Profibus通訊協議，還具有自診斷功能，當發生故障時，會顯示故障代碼，提示維護人員故障所在，通過查維護手冊找出解決故障的辦法，大大降低了維護時間和工作量。
四、安裝及維護
1、pH計的安裝和維護
pH計的安裝方式有流通式和浸入式兩種。污水處理廠一般選用的是浸入式安裝，如麥園處理廠的pH計安裝在氧化溝的出口溢流槽內，此處的pH值較具有代表性，且水流平穩，對pH計不會造成大的沖擊。
定期的維護有助于儀表的準確測量和延長儀表的使用壽命。應當注意傳感器和變送器之間的專用電纜不能受潮，否則電極的高阻低壓信號將無法傳送至變送器。若電極不測量時，應將黃色保護套管套上，它能使電極處于濕潤狀態，有利于延長電極的使用壽命。每隔一個月左右，應對電極進行清洗，先用柔和的水流噴洗附著物，再將電極浸泡于清洗液中一段時間，而后用清水洗凈。傳感器支架也應清洗。每次清洗之后，要用緩沖劑溶液進行標定，目前國產的pH標定液中，pH=4的還可以，pH=7的不夠準確，將會影響標定結果。所以*好使用生產廠家的標定液，生產廠家一般提供兩瓶標準溶液，一瓶pH值等于7，用于標定儀表零點；一瓶pH等于4，用于標定儀表的信號輸出斜率。
2、溶氧儀的安裝和維護
溶氧儀一般采用浸入式安裝，在此應注意，一定要選用原廠的安裝支架。廠家配帶的安裝支架為不銹鋼制成，帶有塑料鏈條，通過調整鏈條長度可以改變傳感器的浸入深度，支架上的引導管保證了傳感器始終處于垂直位置。支架部分都經過特殊設計，它可以將水面的波動傳至浸入管，從而引起浸入管的輕微振動，使得通過浸入管在探頭的表面產生一個附加的清洗效果。有的用戶為了減少投資，自己制作安裝支架，往往導致支架上的浸入管和傳感器之間密封不嚴，污水滲入，使得專用電纜和傳感器的連接處長期浸泡在污水中，容易造成傳感器的損壞；有的甚至不做安裝支架，直接將傳感器投入水中，這樣在傳感器和電纜之間會形成較大的拉力，傳感器更容易損壞。
溶解氧探頭每周應用水輕輕清洗，發現膜頭損壞應及時更換，電解液受污染也應及時更換。當污水中含有H2S、NH3、苯或酚這些成份時，對膜頭是有害的。在這種場合下必須經常更換膜頭。判斷探頭中電極的好壞只需看顏色即可，參考電極應是黑灰色，陰極（金電極）應呈黃色，而反電極必須發亮，否則應進行清洗或再生。
五、結束語
隨著我國對水資源保護的日益重視，污水的凈化處理顯得越來越重要，而與之配套的處理過程所需的檢測儀表是必不可少的。水質分析儀作為污水處理行業中*重要的儀表，除了選型和安裝正確以外，定期的維護和標定也十分重要，而且是使儀表能夠真正發揮作用的關鍵
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