水质检测仪的原理及特点

一、前言

随着近年来我国经济的快速发展，城市的工业和生活垃圾大量增加，目前对垃圾进行处理的主要方法是卫生填埋，而进行填埋都是露天作业，垃圾经压实后，随着垃圾中生物的分解及遇到雨雪天气时，雨水和雪水渗入填埋区，会产生垃圾渗滤液。渗滤液属高浓度有机废水，浓度值变化范围大，其中含碳氢化合物、硝酸盐、硫酸盐及微量铜、镉、铅等重金属离子，细菌指标很高，如不进行处理直接排入水体，将严重污染当地的水环境。为了保护水环境，必须加强对污水排放的监测。检测点的设计和检测仪表（主要是水质分析仪）的质量对水环境监测起着至关重要的作用，本文结合某一污水处理厂的设计谈谈这方面体会。 
二、水质分析仪的工作原理

污水处理厂使用的分析仪有两种：pH计和溶氧分析仪。 
1、pH计的工作原理

水的pH值随着所溶解的物质的多少而定，因此pH值能灵敏地指示出水质的变化情况。pH值的变化对生物的繁殖和生存有很大影响，同时还严重影响活性污泥生化作用，即影响处理效果，污水的pH值一般控制在6.5～7之间。 水在化学上是中性的，某些水分子自发地按照下式分解：H2O=H++OH-，即分解成氢离子和氢氧根离子。在中性溶液中，氢离子H+和氢氧根离子OH-的浓度都是10-7mol/l，pH值是氢离子浓度以10为底的对数的负数：pH=-log，因此中性溶液的pH值等于7。如果有过量的氢离子，则pH值小于7，溶液呈酸性；反之，氢氧根离子过量，则溶液呈碱性。 pH值通常用电位法测量，通常用一个恒定电位的参比电极和测量电极组成一个原电池，原电池电动势的大小取决于氢离子的浓度，也取决于溶液的酸碱度。该厂采用了CPS11型pH传感器和CPM151型pH变送器。具体结构如图1所示，测量电极上有特殊的对pH反应灵敏的玻璃探头，它是由能导电、能渗透氢离子的特殊玻璃制成，具有测量精度高、抗干扰性好等特点。当玻璃探头和氢离子接触时，就产生电位。电位是通过悬吊在氯化银溶液中的银丝对照参比电极测到的。pH值不同，对应产生的电位也不一样，通过变送器将其转换成标准4～20mA输出。 
　　2、溶氧分析仪的工作原理

水中的氧含量可充分显示水自净的程度。对于使用活化污泥的生物处理厂来说，了解曝气池和氧化沟的氧含量非常重要，污水中溶氧增加，会促进除厌氧微生物以外的生物活动，因而能去除挥发性物质和易于自然氧化的离子，使污水得到净化。 测定氧含量主要有三种方法：自动比色分析和化学分析测量，顺磁法测量，电化学法测量。水中溶氧量一般采用电化学法测量。麦该厂采用了COS 4型溶氧传感器和COM252型溶氧变送器。 氧能溶于水，溶解度取决于温度、水表面的总压、分压和水中溶解的盐类。大气压力越高，水溶解氧的能力就越大，其关系由亨利（Henry）定律和道尔顿（Dalton）定律确定，亨利定律认为气体的溶解度与其分压成正比。 以COS 4氧量测量传感器为例，结构如图2所示。其中的电极由阴极（常用金和铂制成）和带电流的反电极（银）、无电流的参比电极（银）组成，电极浸没在电解质如KCl、KOH中，传感器有隔膜覆盖，隔膜将电极和电解质与被测量的液体分开，因此保护了传感器，既能防止电解质逸出，又可防止外来物质的侵入而导致污染和毒化。 向反电极和阴极之间施加极化电压，假如测量元件浸入在有溶解氧的水中，氧会通过隔膜扩散，出现在阴极上（电子过剩）的氧分子就会被还原成氢氧根离子： O2+2H2O+4e-® 4OH-。 电化学当量的氯化银沉淀在反电极上（电子不足）：4Ag+4Cl-® 4AgCl+4e-。 对于每个氧分子，阴极放出4个电子，反电极接受电子，形成电流，电流的大小与被测 图1 pH测量电极（左）和参比电极（右）的结构 图2 三电极COS溶氧传感器结构图 污水的氧分压成正比，该信号连同传感器上热电阻测出的温度信号被送入变送器，利用传感器中存储的含氧量和氧分压、温度之间的关系曲线计算出水中的含氧量，然后转化成标准信号输出。参比电极的功能是确定阴极电位。 COS 4溶氧传感器的响应时间为：3分钟后达到zui终测量值的90%，9分钟后达到zui终测量值的99%；zui低流速要求为0.5cm/s。 
三、特点 
　　1、pH计的特点

pH电极上的玻璃随着时间推移会逐渐老化，梯度（单位pH值变化所引起的电极输出电位的变化值）恶化，花费较长时间才能达到稳定电位。一般电极的使用寿命，可达两年。另外，温度对老化也有较大影响，100℃下贮存几周的老化程度相当于室温下贮存一年的老化程度。 pH计具有高精度、高可靠性、安装及维护方便等优点，同时对污染也较敏感，需要经常标定，一般每隔一个到一个半月标定一次，每两年更换一次电极。 
　　2、溶氧仪的特点

溶氧仪具有安装方便，标定周期长（3～4个月），对其他物质不敏感等特点，并且能监测隔膜和探头内电解质的使用情况，一般每一至三年更换一次电解质和隔膜。 COM252型溶氧变送器属智能化仪表，带有HART或Profibus通讯协议，还具有自诊断功能，当发生故障时，会显示故障代码，提示维护人员故障所在，通过查维护手册找出解决故障的办法，大大降低了维护时间和工作量。 
四、安装及维护 
　　1、pH计的安装和维护

pH计的安装方式有流通式和浸入式两种。污水处理厂一般选用的是浸入式安装，如该污水处理厂的pH计安装在氧化沟的出口溢流槽内，此处的pH值较具有代表性，且水流平稳，对pH计不会造成大的冲击。 定期的维护有助于仪表的准确测量和延长仪表的使用寿命。应当注意传感器和变送器之间的专用电缆不能受潮，否则电极的高阻低压信号将无法传送至变送器。若电极不测量时，应将黄色保护套管套上，它能使电极处于湿润状态，有利于延长电极的使用寿命。每隔一个月左右，应对电极进行清洗，先用柔和的水流喷洗附着物，再将电极浸泡于清洗液中一段时间，而后用清水洗净。传感器支架也应清洗。每次清洗之后，要用缓冲剂溶液进行标定，目前国产的pH标定液中，pH=4的还可以，pH=7的不够准确，将会影响标定结果。所以zui好使用生产厂家的标定液，生产厂家一般提供两瓶标准溶液，一瓶pH值等于7，用于标定仪表零点；一瓶pH等于4，用于标定仪表的信号输出斜率。 
　　2、溶氧仪的安装和维护

溶氧仪一般采用浸入式安装，在此应注意，一定要选用原厂的安装支架。厂家配带的安装支架为不锈钢制成，带有塑料链条，通过调整链条长度可以改变传感器的浸入深度，支架上的引导管保证了传感器始终处于垂直位置。支架部分都经过特殊设计，它可以将水面的波动传至浸入管，从而引起浸入管的轻微振动，使得通过浸入管在探头的表面产生一个附加的清洗效果。有的用户为了减少投资，自己制作安装支架，往往导致支架上的浸入管和传感器之间密封不严，污水渗入，使得专用电缆和传感器的连接处长期浸泡在污水中，容易造成传感器的损坏；有的甚至不做安装支架，直接将传感器投入水中，这样在传感器和电缆之间会形成较大的拉力，传感器更容易损坏。 溶解氧探头每周应用水轻轻清洗，发现膜头损坏应及时更换，电解液受污染也应及时更换。当污水中含有H2S、NH3、苯或酚这些成份时，对膜头是有害的。在这种场合下必须经常更换膜头。判断探头中电极的好坏只需看颜色即可，参考电极应是黑灰色，阴极（金电极）应呈黄色，而反电极必须发亮，否则应进行清洗或再生。

五、结束语

随着我国对水资源保护的日益重视，污水的净化处理显得越来越重要，而与之配套的处理过程所需的检测仪表是必不可少的。水质分析仪作为污水处理行业中zui重要的仪表，除了选型和安装正确以外，定期的维护和标定也十分重要，而且是使仪表能够真正发挥作用的关键所在.