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在线水质分析仪器分析(二)
发布时间:2019/7/4 阅读数:160

3、水质在线分析仪器的应用简介

在线水质分析仪器应用广泛,凡是人类活动用到水的领域,诸如水环境监测、饮用水处理与安全保障、工业水处理的过程控制、污水处理等等,都是在线水质分析仪器的应用范围。

按照应用目的划分,在线水质分析仪器可以分为监测型和过程型在线分析仪器两类产品。

监测型分析仪器不参与水处理工艺过程控制,主要用于单纯的水质监测,获取水质参数数据,以判断水质是否达到法规的要求,以及环境水质(地表水、地下水、海水等)和饮用水水质安全的预警性监测。要求监测的水质参数主要是环保法规或者水质标准规定的主要污染物指标,对应用技术的需求主要是水样预处理技术以及仪器系统集成技术等。在中国,典型的监测型在线水质分析仪器应用有:

一、工业企业废水污染源及市政污水处理厂排放自动监测,主要监测参数有: COD、氨氮、Ph值、总磷、总氮、重金属(镍、六价铬、总汞、铅、镉、铜、氟离子等)。水质分析仪器能够为企业实现污染物排放自行监测,防止和及时发现可能的废水超标排放,申报环境保护税,及环保监察部门实时了解企业水污染物排放情况提供了依据。

二、地表水水质自动监测:江河湖库重要断面以及水源地的水质自动监测,江河水的主要监测参数有:常规5参数(溶解氧、水温、电导率、浊度、Ph值)、氨氮、高锰酸盐指数(CODMn)、总磷、总氮等;湖泊和水库一般会增加叶绿素a及蓝绿藻指标;水源地涉及到饮用水的安全问题,会要求增加生物毒性、大肠杆菌等水质指标以及氟离子等具有行业性/地域性特征水质污染指标的在线监测。大量地表水在线水质分析仪器的安装和应用,为全面了解国内环境水质状况,对可能的水质恶化和突发性水质污染提供预警,以及为水环境和水资源管理部门生态调水及合理使用水资源提供数据支持。

三、饮用水管网及二次供水水质自动监测,主要参数有浊度、余氯、Ph值、电导率、温度、色度等。饮用水水质在线监测,一方面对可能发生的水质超标事件进行预警,防止不合格的自来水进入居民家庭;另外,大量管网的水质数据,也可支持自来水厂优化水处理工艺以及管网输水调度决策。

四、海水监测,常规的指标是温度、盐度、深度(简称温盐深,英文缩写CTD),另外还会根据需要增加溶解氧、叶绿素a、浊度以及硝氮、有色可溶性有机物(CDOM)等综合反应海水质量状况的水质指标。

过程型分析仪器,主要用于水处理工艺过程监测与控制,测量数据参与过程控制,以优化水处理工艺、提升水处理效率, 在保证末端水质达标的前提下,实现水处理过程节能降耗的目的。过程型分析仪器对仪器的测量速度与响应时间要求较高,更多要求原位、实时,连续监测。

过程型在线水质分析仪器,被广泛应用于火力发电厂、核电厂、石油化工企业、大型冶金企业、造纸企业等为代表传统流程工业以及半导体厂、生物制药厂等新兴工业企业中,为工业水处理过程控制以及锅炉水、蒸汽、电子级超纯水等各类生产用水的品质检测提供了实时可靠的水质数据和水处理过程控制依据。

以石油化工行业为例,作为传统的流程工业,石油化工厂有着用水量大、不同用水工艺水质差异显著、涉及生产装置多的特点,其水处理流程几乎涵盖了从原水、软化水、高纯水、蒸汽到废水处理及回用的所有类型的水质特点、水处理技术和工艺,有着最全面和最具有代表性的水质在线分析仪器应用场景。目前石化企业中常用的在线水质分析仪器,根据不同工艺要求及不同用水点来分,主要有:

一.新鲜水净化处理:浊度分析仪、pH分析仪、余氯分析仪

二.软化水及脱盐水处理:硬度分析仪、电导率分析仪、pH分析仪、二氧化硅(SiO2)分析仪、钠离子分析仪、SDI(污染指数)等

三.锅炉水及蒸汽质量监测:二氧化硅(SiO2)分析仪、钠离子分析仪、微量溶解氧分析仪、磷酸根分析仪、电导率分析仪、pH分析仪、

四.循环冷却水:总磷/磷酸盐分析仪、pH分析仪、浊度分析仪、电导分析仪、余氯分析仪、总有机碳(TOC)分析仪、在线荧光示踪监测仪、水中油分析仪等

五.凝结水回用:总有机碳(TOC)分析仪、电导率分析仪等

六.工业废水处理及回用:溶解氧分析仪、pH/ORP分析仪、悬浮物分析仪、COD分析仪、氨氮分析仪、水中油分析仪等

七.厂区雨水监测及排放管理:总有机碳(TOC)分析仪、悬浮物(SS)分析仪、水中油分析仪、水面油膜监测仪等;如果仪器实时监测到雨水的水质指标超过排放标准或者有油品泄漏,就会自动关闭雨水排放口,将超标雨水排入废水处理单元或者事故池储存,以免造成对环境水体的污染,或者对废水处理单元的冲击。

在半导体厂、生物制药厂这类对水质有着极高要求的高技术新兴产业中,高精度的二氧化硅(SiO2)分析仪(检出限可达0.1µg/L)、总有机碳分析仪、水中颗粒物分析仪(可测粒径0.05µm)、高精度微量溶解氧分析仪等高性能在线水质分析仪器以及各种结构和性能的氟离子分析仪(半导体厂)、微生物分析仪(生物制药厂)都已经有了越来越多的应用。

另外,在自来水厂,各种量程的在线浊度分析仪、余氯/总氯分析仪、pH分析仪、碱度分析仪、游动电流分析仪等应用广泛,参与水厂的自动加药、加氯等工艺的过程控制,这些在线水质分析仪器的应用,极大的提高了自来水的自动化运行水平,保证了自来水出厂水质的安全可靠。

在市政污水处理厂,溶解氧分析仪、污泥浓度分析仪、pH/ORP(氧化还原电位)分析仪、硝氮分析仪、氨氮分析仪为代表的在线水质分析仪器已经获得了数十年大量的成功应用,为污水厂的稳定运行、节能降耗和达标排放提供了可靠的支持。由于用于水处理过程控制,仪器安装的数量较大,这类分析仪器通常以安装维护方便、单价较低的水质传感器形式出现。

不同类型的在线水质分析仪器有不同的技术要求,一般而言,监测型分析仪器对测量数据的准确度要求较高,数据可以作为有关部门进行执法管理的依据,对检测原理和方法的限制较多,要求是成熟的分析技术;而过程型分析仪器对仪器的可靠性和稳定性要求较高,要求仪器能够及时可靠地反应水质变化的趋势,以便为水处理过程控制提供依据。对仪器的响应时间要求较高,对仪器的检测方法和原理限制少,允许更多创新型的新原理、新方法的在线分析仪器应用。

4、水质在线分析仪器技术与市场的发展前景

全球经济社会持续发展,使用水量增加、水资源短缺以及水环境质量和生态恶化,全球对水处理工业和水环境保护产业有更高的要求和需求,将进一步推动在线水质分析仪器市场的发展。当下处于物联网、大数据和人工智能的时代,需要更多的数据,在线水质分析仪器作为物联网感知层的重要组成,其数据提供者的需求将被放大,要求出现更多高可靠性、低能耗、低维护、低成本现代在线水质分析仪器。分析化学、材料科学、通信技术、计算机、过程控制理论等多学科发展推动了现代在线水质分析仪器技术发展,这些学科的创新和发展,也将为在线水质分析仪器的创新和进步进一步提供支持。

绿色分析理念的大力推广,绿色分析技术的不断出现,会促使未来在线水质分析仪器将会尽量减少使用和产生有毒化学品,在设计上会优先考虑降低仪器的能耗和分析的用水量。

流式细胞术、生物预警技术、核酸酶重金属特异性反应、微流控技术等诸多新的测量原理,已正在或者即将被在线水质分析仪器采用;量子点、石墨烯、碳纳米管、生物芯片、水凝胶等新材料也开始进入水质监测领域;

在仪器数据处理方面,各种新算法及水质模型不断出现, 将提升各种新型在线水质分析仪器的功能及完善数据后处理,提供更多有价值的水质数据和信息-不仅是仪器硬件和分析技术,软件和数据处理技术也将成为在线水质分析仪器的重要组成部分。在未来,在线水质分析仪器将成为“硬件+材料+软件+算法”的组合。

新的分析原理、方法的出现和应用,以及各种新材料的采用,传感器对复杂水质的适应性会得到提高;物联网技术的应用,可以实现对和水样直接接触的传感器自身寿命及运行状态进行远程实时监测、管理以提高维护效率、降低维护成本。

还有,因3D打印技术的成熟应用,根据待测水样的不同水质情况,实现差异化设计、制造也将成为现实;比如:饮用水和海水、工业废水,即使是测量同一个水质指标,也可选用不同材质、结构和制造工艺来生产传感器,以满足不同水质条件的要求。

更重要的是,和所有电子产品一样,物联网时代大规模应用传感器的成本必然会出现超出想象力的下降,促使免维护的一次性在线水质传感器将成为现实。和传感器一样,结构复杂的在线水质分析仪器的成本问题也必然随着大规模的应用得到降低;仪器的维护问题也可以通过设计的优化、新材料以及耐用元器件的采用得到改进,特别是工业物联网技术的进步,可通过产品在硬件上增加必要的传感器,在测试流程中,获取过程节点的参数指标及变化曲线,智能判断拐点、斜率、峰值、积分面积等指标,转化为对应的数学模型,形成一套用于描述“仪器行为”的监控系统,通过“仪器行为”来评估在线水质分析仪器状态,以实现这种精密设备的远程管理和诊断,进行有针对性的预维护等手段降低维护量及维护费用,从而进一步推动在线水质分析仪器应用规模的扩大。

从市场发展角度来看,可借鉴其他任何一种新兴技术和行业的崛起,水质在线分析仪器市场也会经历从市场培育期到爆发期的历程。在初期,市场需求受到了两种因素的制约:其中一个主要因素是投入产出分析,相对于过低的水资源费、水价以及废水排放需要支付的费用而言,当时在线分析仪器的投资和运行成本都比较高。还有一个因素是在线水质分析仪器和技术自身的限制,当时在线水质分析仪器的稳定性、可靠性等还不能完全满足市场的要求;可以实现在线分析的水质参数也不是很多;另外,由于水质条件的多样化与复杂性,即使是面对同一个水样,测量不同水质参数时,对仪器测量方式,安装方式的要求都有不同,这对以在线水质监测系统为代表的应用技术也提出了很高的要求。这些因素造成了监管部门和行业的运行管理者以及水处理工程师对采用在线水质分析仪器都持有谨慎的态度,在当时严重制约了在线水质分析仪器的应用与推广。进入21世纪以来,由于水资源短缺、水环境污染的问题日益严重,行业同时迎来了水资源费上涨、饮用水水质标准提高、废水排放标准更加严格以及用水量及用水人口增加、水价上涨等诸多挑战和机会;在法规的压力和市场的推动下,加强水环境监测、淘汰粗放式的水处理及用水模式,采用更加先进的过程控制系统以提高水处理效率、降低水处理及用水成本就成为了人类社会必然的选择;与此同时,技术的发展使得在线水质分析仪器的稳定性与可靠性有了很大提高、可以实现在线监测的水质参数越来越多、在线水质分析仪器的功能也越来越强大;市场需求的增长和水质在线分析仪器自身的技术进步共同推动了行业的高速发展。

在我国,环保法规监管日益严格,尤以在线监测为主要技术路线的环境监测技术政策驱使下,监测型在线水质分析仪器将继续保持高速成长。同时,石油化工、冶金、火力发电等传统高耗水工业用水效率的提高以及行业自身的技术进步,半导体、生物制药等对水质要求更加严格的新兴行业的快速发展,都会进一步提高对在线水质分析仪器的需求,过程型在线水质分析仪器也将保持持续的增长。物联网、大数据、云计算以及即将到来的5G时代,需要更多的传感器类型的在线水质分析仪器,低功耗、低成本的在线水质分析传感器将会迎来爆发的机会。

在市场需求和技术进步的双轮驱动下,在线水质分析仪器及其应用技术必将得到快速发展,仪器的稳定性与可靠性会有进一步提高,可以实现在线监测的水质参数将越来越多,在线水质分析仪器的功能也将越来越强大,市场将会在很长一段时间内保持可持续的增长趋势。

 

 

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