Измерение качественных параметров питьевых и сточных вод

Эффективное управление современными СВВ невозможно без оперативного контроля качественных параметров природных и сточных вод на всех стадиях их обработки, подачи потребителям и сброса в водоемы.

В системах водоснабжения такими параметрами являются мутность, прозрачность, цветность воды, ее солесодержание, рН, количество остаточного хлора. В системах водоотведения — это рН,
содержание растворенного кислорода, влажность осадков и др. Для
автоматического контроля этих параметров используются приборы
как общепромышленного, так и специального назначения. Для определения этих параметров различают прямой и косвенный методы.

Прямой метод основан на непосредственном выделении количества определяемого компонента X (например, химическим путем) и
нахождении его содержания в общей пробе вещества А в виде отношения

С_х = Х/А. Однако, прямые методы измерения мало пригодны для построения автоматических измерительных приборов.
В практике автоматизации контроля чаще всего используют косвенные методы измерения, основанные на существовании строго
определенных зависимостей между составом анализируемого вещества и его физико-химическими свойствами, которые могут
быть непрерывно и автоматически измерены. Соответственно,
существуют различные способы определения состава вещества:
электрохимические, кондуктометрические, термохимические,
термомагнитные, спектральные, фотоколориметрические, хроматографические, масспектрометрические, рентгеновские и др. Измерительные устройства для анализа состава и свойств жидких
сред называют анализаторами жидкости.

Массовой концентрацией компонента называется отношение
массы компонента, содержащейся в веществе, к общему объему
вещества. В Международной системе единиц СИ за единицу массовой концентрации принято число килограммов компонента,
содержащегося в 1 м³ жидкой фазы, — кг/м³. На практике измерение концентрации осуществляют в граммах на литр (г/л) и миллиграммах на литр (мг/л). Соотношение между этими единицами
следующее: 1 кг/м³ = 1 г/л = 10^-3 мг/л.

В СВВ чаще других применяют автоматические электрохимические, иономерные и кондуктометрические анализаторы жидкости.

Принцип действия иономерных анализаторов жидкости основан на измерении электродвижущей силы электродной системы,
селективно (выборочно) зависящей от активности определенного
иона.

Активность водородных ионов Н⁺ характеризуется величиной рН (по-русски произносится «пэ-аш»). Символом рН обозначается взятый с обратным знаком десятичный логарифм концентрации водородных ионов водорода водных растворов кислот, солей и щелочей: рН = -lg [Н⁺]. Для нейтральной среды рН = 7; при рН < 7 среда будет кислой, а при рН > 7 — щелочной. Приборы, измеряющие величину рН, называются рН - метрами.

Измерение величины рН производится с помощью электродной системы, погружаемой в контролируемую жидкость. При погружении одного электрода в раствор между электродом и раствором образуется разность потенциалов, возникновение которой объясняется тем, что при низких концентрациях раствора металл электрода частично растворяется, т.е. в раствор переходят положительно заряженные ионы металла и раствор заряжается положительно. На электроде при этом остаются избыточные электроны, и он заряжается отрицательно относительно раствора. При высоких концентрациях раствора положительные ионы выделяются на
электроде, заряжая его положительно по отношению к раствору.

Величина такого электродного потенциала зависит от материала
электрода, температуры раствора и концентрации в нем активных
ионов, способных обмениваться с ионами электрода. Поскольку
определить значение этого потенциала непосредственно не представляется возможным, в раствор опускают еще один электрод,
который вносит в цепь свой электродный потенциал. Таким образом, измеряется лишь разность потенциалов различных пар
электродов.

Измерительный преобразователь иономерного анализатора
жидкости состоит из двух электродов — измерительного, потенциал которого относительно раствора зависит от концентрации
контролируемых ионов в растворе, и вспомогательного, который
практически не изменяет свой потенциал относительно раствора
при изменении концентрации в нем ионов. Вспомогательный
электрод для повышения точности измерений обычно погружают
во вспомогательный раствор стабильного состава.

Эталонным измерительным электродом для определения рН
является водородный электрод, представляющий собой покрытую платиновой чернью платиновую пластинку, которая омывается газообразным водородом. Так как пользоваться электродом
из платины в производственных условиях неудобно, то в качестве
измерительных электродов в серийных анализаторах для контроля величин рН используют стеклянный электрод (рис. 25, а),
который представляет собой толстостенную стеклянную трубку 2
с приваренным на конце тонкостенным полым шариком 1 из литиевого стекла. Трубка и шарик заполнены раствором бромистоводородной кислоты. В этот раствор помещен контактный электрод 3, представляющий собой серебряную проволоку, покрытую
слоем бромистого серебра. При погружении такого электрода в
контролируемый раствор между поверхностью шарика электрода и
раствором происходит обмен ионами, в результате которого ионы
лития в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода и стеклянный электрод приобретает свойства водородного
электрода.

Вспомогательный электрод выполнен в пластмассовом корпусе 5, в котором находится серебряный контакт 4. Полость вокруг контакта заполнена кристаллическим хлористым серебром. Хлорсеребряный электрод ввернут в сосуд 6 с раствором хлористого калия КС1, который по трубке 7, заканчивающейся микропористой перегородкой 8, непрерывно просачивается в контролируемую среду. Через хлористый калий осуществляется беспотенциальный контакт вспомогательного электрода с контролируемой средой. Кроме того, раствор КС1 защищает вспомогательный электрод от воздействия высоких температур при измерении рН горячих растворов и предотвращает диффузию посторонних ионов из контролируемой среды.

а)

a — иономерный; б — кондуктометрический

Таким образом, в такой электродной системе из всех слагаемых выходной разности потенциалов от концентрации активных ионов водорода в растворе зависит только разность потенциалов, возникающая на границе шарика стеклянного электрода с контролируемой средой. Измерение разности потенциалов электродной системы производят измерительным прибором, входящим в комплект анализатора.

Принцип действия кондуктометрических анализаторов основан
на изменении электропроводности жидкости от концентрации
и природы, содержащихся в растворе веществ, причем концентрация растворенного вещества должна быть достаточно высокой.
Анализаторы этого типа выпускают с электродными и безэлектродными преобразователями, проточными и погружными.

Работу кондуктометрических анализаторов рассмотрим на
примере четырехэлектродного преобразователя (рис. 25, б). В нем
имеются две пары электродов 9 и 10, установленных в корпусе 11
из электроизоляционного материала. При подводе к крайним
электродам 9 напряжения питания U_пит переменного тока через
контролируемый раствор потечет ток. При постоянной силе этого
тока напряжение U₁, снимаемое со средних электродов, прямо
пропорционально электрическому сопротивлению измеряемой
среды, зависящему от концентрации растворенного вещества и
температуры раствора. Погружные датчики целиком погружаются
в измеряемую среду.

Для измерения мутности очищаемой питьевой воды широко
применяется автоматический анализатор типа АМС-У, работа которого основана на компенсационном принципе измерения. На
этом же принципе работает мутномер АОВ-9 (рис. 26, а), в котором световой поток от лампы с помощью двух оптических систем,
состоящих из линз и призм, направляется по двум каналам соответственно в измерительную кювету, через которую пропускается
контролируемая вода, и сравнительную кювету, заполненную эталонной суспензией.

Рассеянный в кюветах свет с помощью зеркал направляется на
фотоэлемент. Световой коммутатор производит переключение световых потоков через измерительную и сравнительную кюветы. При
равенстве световых потоков, поступающих на фотоэлемент по
обоим световым каналам, в цепи фотоэлемента течет постоянный
ток. При разнице в величине сравниваемых потоков в цепи фото-
элемента появляется пульсирующий ток. Образующееся на нагрузочном сопротивлении напряжение, пропорциональное переменной составляющей фотоэлемента, подается на вход автоматического моста. Вал реверсивного двигателя моста механически связан с диафрагмой, с помощью которой изменяется величина светового потока, проходящего через измерительную кювету. По положению вала двигателя и связанной с ним указательной стрелки и шкале измерительного прибора судят о величине мутности воды.

В упрощенном мутномере (рис. 26, б) используются некомпенсационная схема измерения и один оптический канал. Световой поток от лампы, питаемой стабилизированным напряжением, направляется оптической системой в кювету. Часть рассеянного в
кювете светового потока попадает на фотоэлемент. Фототок усиливается усилителем и направляется в измерительный прибор.

б)

а — компенсационный мутномер; б — упрощенный мутномер;

1, 8, 16 — измерительная и сравнительная кюветы; 2, 19 — фотоэлемент;

3, 17— усилитель; 4— реохорд; 5, 18 — вторичный прибор;
6 — реверсивный двигатель; 7 — диафрагма; 9 — призмы; 10 — линзы;
12 — световой коммутатор; 13 — зеркала; 14 — лампа; 15 — линза

Рис. 27. Структурная схема анализатора хлора АПК-01М

Важное значение для управления обеззараживанием питьевых
и сточных вод имеет контроль за концентрацией хлора. Автоматический анализатор хлора АПК-01М (рис. 27) содержит электрохимический преобразователь 2, оборудованный блоком дозирования реагентов 3 и блоком пробоподготовки 7, соединенными через преобразователь 2 с нормирующим узлом 23 и балансовым преобразователем 28, узлом термокоррекции 24 и блоком согласования 25, снабженным источником питания 26, и с регистрирующим прибором 30. Преобразователь 28 образован мостовой схемой 29 и нуль-органом 27.

Преобразователь 2 снабжен клапаном 8, седло 9 которого разделяет камеры перелива 7 и смешивания 77. Камера 7 гидравлически связана со сливной камерой 12, оборудованной инжектором 14с горловиной 13, чувствительным элементом 77 и обводной трубкой 18. В камере 11 установлен штуцер подачи реагентов, а в
камере 12 — штуцер слива 10. Элемент 77 образован катодом 19 и
анодом 16. Блок дозирования 3 снабжен емкостями для реагентов
6, микродозаторами 5 и смесителем 4. Блок пробоподготовки 7
имеет входной регулятор давления 34 с манометром 33, фильтром
с манометром 32, регулятором 20, сливным бочком 22 и редуктором 21, образованным последовательно включенными выходными регуляторами давления 31.

Анализируемая вода подается насосом из очистного сооружения через входной регулятор давления 34, при этом по манометру
33 устанавливается требуемое давление подаваемой воды.
В фильтре 32 удаляются взвешенные вещества и нерастворимые
примеси с периодической сменой фильтрующего патрона. Редуктором 21 стабилизируется давление воды после прохождения
фильтра 32, которая далее через инжектор 14 поступает в камеру 77.
Одновременно с водой в камеру 77 поступают реагенты из смесителя 4 блока 3. Отсюда большая часть воды проходит через трубку
18 к чувствительному элементу 77, а меньшая часть — через клапан 8 в камеры 7 и 12. Из камеры 12 вода поступает в бачок 32,
который связан с регулятором 20, обеспечивающим стабильность
гидродинамического режима в устройстве и отбор проб для химического анализа.

В чувствительном элементе 77 в результате электрохимических реакций возникает выходной сигнал, пропорциональный содержанию хлора в воде. Выходной сигнал узлом 23 приводится к нормированному значению, корректируется с учетом температуры воды узлом 24 и преобразуется блоком 25, мостовой схемой 29 и нуль-органом 27 для подачи к регистрирующему прибору.

В системах очистки сточных вод одним из важнейших измерений является определение концентрации растворенного кислорода
(КРК). Для этой цели разработаны два варианта кислородомеров —
К-115 и К-125, которые заменили выпускавшиеся ранее приборы
ЗГ-152-ООЗ и AKBA-JI. Кислородомер К-115 предназначен для
разовых измерений КРК в лабораторных условиях в отобранных
пробах воды. Для непрерывного измерения КРК в аэротенках

Рис. 28. Схема автоматического анализатора хлора КОХ-1:

1 — входной блок; 2 — вторичный прибор; 3 — вспомогательный
электрод; 4— корпус электродной ячейки; 5,6— положительный
ртутный и отрицательный кольцевой электроды.

применяется прибор К-125, который состоит из датчика и преобразователя с унифицированным выходом для подключения регистрирующих приборов и регулирующих устройств. В основу этого прибора положен полярографический метод измерения. Поляризационное напряжение создается внешним источником тока.

Датчик полярографического анализатора КРК (рис. 29) выполнен в виде электродной пары, состоящей из катода 1 из литой пластины сферической формы и анода 8 в виде полого свинцового цилиндра, погруженной в жидкий электролит 7 и закрытой полимер-
ной мембраной 10. Катод 1 навинчивается на корпус из оргстекла
3, где с помощью гайки 2 также крепится мембрана 10, а анод 8 крепится на цилиндрическом стержне 9. Датчик устанавливается в сосуде с по-
мощью шлифа 5 или непосредственно погружается в воду на специальной конструкции. Он подключается к электрон-
ному усилителю кабелем 4, токоотводящие провода к которому от катода 1 и
анода 8 подводятся по каналам 6.

Вначале происходит диффузия кислорода из воды через мембрану 10 к катоду 1, где он

Рис. 29. Датчик
для измерения концентрации

растворенного кислорода

восстанавливается в результате электрохимической реакции с образованием гидрооксида свинца. На выходе датчика генерируется токовый сигнал,
линейно зависящий от содержания кислорода в воде. Анод 8 служит для обеспечения потенциала катода, необходимого
для электровосстановления кислорода,
а электролит 7 — для обеспечения связи между анодом и катодом.

Кислородомеры позволяют также реализовать электрохимический метод определения биохимической потребности в кислороде (БПК) сточных и природных вод. На базе датчика, показанного на рис. 29, созданы электрохимические определители БПК, один из которых (ЭХО-1) применяется для разовых анализов, другой (ЭХО-2) — для непрерывного автоматического контроля.

При очистке сточных вод качество работы аэротенков и вторичных отстойников характеризует концентрация активного ила.
Этот важный параметр измеряется с помощью автоматического
Нефелометра JIAH-1 (рис. 30), который может одновременно контролировать работу до шести очистных сооружений. Прибор состоит: из механизма перемещения 2, служащего для передвижения датчика оптической плотности 1 от одной кюветы к другой и
для прокачивания насосами HI—Н6 жидкости через кюветы К1—
Кб; регистрирующего многоточечного потенциометра 6 типа
КСП, предназначенного для записи показаний на диаграммной
ленте и для синхронизации работы перемещения датчика оптической плотности; электронной стойки с измерителем оптической
Плотности 4 и источником питания 5, преобразующей электрические сигналы, поступающие от датчика 1, и обеспечивающей
управление механизмом перемещения 2 посредством синхронизирующего устройства 3.

К1 К2 КЗ К4 К5 Кб

Рис. 30. Структурная схема автоматического
нефелометра IAH-1

В системах очистки сточных вод одним из важнейших измерений является определение концентрации растворенного кислорода
(КРК). Для этой цели разработаны два варианта кислородомеров —
К-115 и К-125, которые заменили выпускавшиеся ранее приборы
ЗГ-152-ООЗ и AKBA-JI. Кислородомер К-115 предназначен для
разовых измерений КРК в лабораторных условиях в отобранных
пробах воды. Для непрерывного измерения КРК в аэротенках

Дата добавления: 2015-05-10