第三十六章-水处理的监察及管制

• 人工监测
• 连续在线监测
• 其他监测技术

大多数工业水处理系统是动态的。由于水化学的季节性变化、工厂操作条件的变化、新的环境法律和其他因素，它们不断发生变化。正因为如此，适当的监测是必不可少的，以确保应用于锅炉、冷却、废水或其他工业用水系统的水处理程序得到满意的控制，从而达到预期的结果。

妥善监察水处理计划所带来的增值效益包括:

• 减少与化学饲料不足或过量相关的风险
• 继续遵守环境法规
• 提高了工厂运行质量
• 增加了水和能源的节约
• 提高植物生产力

工业水处理系统可以通过人工方法或采用自动仪表的连续系统进行监测。

人工监测

人工监测通常涉及工厂操作员或技术人员进行化学测试，并将结果与规定的化学控制限值进行比较。测试频率可以从每天一次到每小时一次不等，这取决于可用的工厂资源。测试可以包括pH值、电导率、悬浮固体、碱度、硬度等。根据测试结果，工厂操作员手动调整化学给料泵或排污阀，估计必要的改变程度。

人工监测对于非关键水系统或水和设备运行条件变化缓慢的系统是满意的。许多系统运行与手动监控，使用包含在第39-71章的许多测试，典型的应用包括:

• 闭式冷却水处理系统
• 开式冷却水系统具有一致的补给水特性和稳定的负载条件
• 低至中压锅炉

连续、在线监测

由于许多水处理系统的动态性以及世界范围内对提高可靠性和质量的需求，在水处理程序的监测和控制中需要比通过人工监测获得的精度更高的程度。为了达到所需的精度，需要使用自动仪器进行连续在线监测。

由于在过去十年中电子和微处理器技术的许多技术发展，有各种各样的仪器可用于监测水处理系统。下面几节介绍可用于监测电导率的系统。pH值，腐蚀速率，浊度，溶解氧。钠，污垢，生物活性和卤素。

电导率

溶解固体物质是衡量水质的基本指标。在水中，特定的电导，或携带电流的能力，与溶解固体的数量和流动性直接相关。因此，特定电导被广泛用于监测锅炉组成和冷凝水纯度，以及控制锅炉和冷却系统的排污。

最近的技术进步提高了电导率控制器的可靠性和复杂性。基于微处理器的仪器提供极其可靠和准确的测量温度补偿电导率结合复杂的控制模式。Betz Accutrak®(图36-1)是电导率控制器的一个例子。它提供可编程控制模式，如比例;开/关;比例、积分、导数(PID)控制。它还包括自我诊断和传感器或电子故障条件的显示。计算机接口提供模拟和标准通信协议信号(RS-485)，便于数据采集和通信。

在大多数电导率测量系统中，将两个金属电极浸入液体中以完成电路。这些电极型传感器在相对清洁的水中工作良好，但如果被污垢或污染污染物覆盖，会影响电流的流动，从而失去准确性。为了减少水中少量污染的干扰，探针和安装可以设计成增加流动样品的速度，最大限度地减少电极上的污垢积聚。电极型探头通常在50- 8000µmho(微西门子)的特定电导范围内具有良好的精度。

特殊的电极型探头用于高纯水的污染物检测，如蒸汽冷凝水、脱盐水、金属整理中的清水冲洗。这些探头的测量范围为1-2,000 μ mho。

对于严重污染的情况(在一些工业冷却塔和锅炉，废物处理厂，以及一些工艺，如金属处理浴中)必须使用无电极(环形)导电探头(图36-1)．环形探头利用电感感测工艺溶液中的电导率变化。

pH值

pH值的测定揭示了水中氢离子的浓度。它用来测定水的沉积和腐蚀倾向。最广泛使用的pH测量方法是电极法。图36-2中的组件显示了组成典型pH传感器的必要元件:一个玻璃pH电极，一个参考电池，一个温度补偿元件，一个前置放大器和一个传感器体。由于难以保持良好的pH控制，在许多水处理应用中，手动系统正在被连续监测和自动控制pH所取代。在冷却塔系统中，pH值尤其难以人工控制，因为pH值对酸的响应曲线不是线性的。图36-3为手动调节硫酸进料的冷却塔系统pH值变化情况．随机植物试验的结果被绘制以显示每个试验值的出现次数。

pH控制器与上面讨论的电导率控制器使用许多相同的技术。Betz Accutrak pH控制器(图36-4)采用基于微处理器的电子，可编程报警和控制模式(如时间比例控制，PID控制，自诊断，以及电子或传感器故障条件的显示)，模拟和RS-485信号用于计算机接口进行数据采集和通信。pH传感器技术已经取得了显著的进步，克服了过去遇到的许多问题，例如pH电极的快速污垢和化学侵蚀，参比电池和电解质的污染和快速耗尽，以及低水平pH信号的电噪声和环境干扰。

几种不同的pH传感器组件可用于不同的应用。对于相对清洁的水，广泛的污垢不是问题(例如在大多数冷却塔中)，通常使用组合pH传感器组件。如图36-2所示，单个模制阀体传感器组件结合了所有元件．

玻璃电极劣化、参考结堵塞和电解质耗尽(发生在所有pH传感器应用中)以大约相同的速率进行。在干净的水中，这种进展足够缓慢，以提供可接受的经济生活。当组合传感器磨损时，将其丢弃。

坚固耐用的模块化pH组件(图36-5)用于金属处理槽和废物系统等过程，其中污垢或化学侵蚀的玻璃电极，参考结点，和其他元件是一个问题。模块化组件允许定期维护和更换单个组件。

腐蚀速率

腐蚀速率仪器在许多不同的应用中使用，以提供每年以毫升为单位的瞬时腐蚀速率值。典型的封装包括分析器和探头，如图36-6所示．腐蚀速率仪器用于关键冷却系统，蒸汽冷凝系统，磨坊供水流和其他应用。

分析仪可用于便携式使用或连续操作。当几个探头安装在偏远地区时，通常使用便携式装置。操作员将分析仪连接到探头并读取读数，然后移动到下一个探头。当探头位于需要连续评估的关键区域时，使用连续分析仪。它们包括记录仪和控制输出，可以与其他组件接口，如过程控制器和泵。

分析仪通常有内部仪表和一种根据标准检查校准的方法。

探头容纳电极并将其暴露在测试流中。探头有许多不同的配置。常见的配置包括两个或三个电极。低碳钢、不锈钢和聚氯乙烯(PVC)是常用的探针材料。探头可作为标准和可伸缩组件，通常提供标准管道连接。

电极由许多不同的金属制成，如不锈钢、低碳钢、海军黄铜和90-10铜镍。电极固定在探头上，探头和电极组件插入测试流中。

浊度

浑浊是由悬浮物引起的，可以定义为水中缺乏透明度。浊度测量仪器用于监测和控制澄清剂和石灰软化剂，并检测蒸汽冷凝水中的腐蚀产物。

目前用于浊度连续测量的方法有两种:浊度法和表面散射法。

浊度的方法。在浊度法中，样品流过一个细胞。在细胞的中点附近，光源向移动的流体发射一束光。光接收器位于细胞内的不同位置。接收器测量从入射光90°散射的光量。光散射量随着样品浊度的增加而增加。该仪器测量散射光并产生与浊度计单位(NTU)相关的信号。

表面散射技术。表面散射技术在操作原理上与浊度法相似。然而，在这种方法中，光源向恒定水平的储层表面发射光束。光束的反射和折射部分被丢弃，散射部分由光电池感测。分散的量与样品的浊度有直接关系。由于光发射机和光电池不与样品接触，这种方法消除了污垢。

浊度测量仪器通常包括模拟或数字读数和信号输出，可以与计算机或图表记录仪接口。一个表面散射单元的示例如图36-7所示,该技术如图36-8所示．

溶解氧仪器

测量溶解氧的能力非常重要，特别是在锅炉系统中，氧气腐蚀可能非常具有破坏性。

典型的溶解氧测量仪由传感器、传感器单元和分析仪组成，如图36-9所示．传感器测量溶解氧浓度，并向分析仪发送与氧浓度成正比的信号。该分析仪提供十亿分之一或百万分之一的读数和输出，可以连接到记录器或数据记录设备。

溶解氧通常用膜隔离电化学电池测量。这个电池包含阴极、阳极和电解质溶液。气透膜允许溶解氧从样品到电极。在那里，电化学反应产生与溶解氧浓度成比例的电流。该反应可由下式总结:

O2	+	2 h2O	+	4 e-	®	4哦-
dissolvedoxygen		水		电子		氢氧根离子

对于溶解氧分析仪校准，传感器暴露在潮湿的空气中。水分中溶解氧的浓度在8到10ppm之间，取决于环境压力和温度。将分析仪读数调整到压力和温度的正确值。一些分析仪有自动校准功能，按一下按钮就能测量温度和压力。

钠

钠仪器作为测定蒸汽纯度的一种手段已变得非常重要。为了确定蒸汽的总溶解固体浓度，将冷却蒸汽样品中的钠水平与锅炉水中总固体与钠的比率进行比较。

测量钠最常用的技术是特定离子电极。钠特异离子电极对钠浓度的变化作出对数响应。影响读数的唯一其他因素是温度和ph值。温度由内部热敏电阻测量。参考电极提供测量所需的初级电位信号。在样品接触电极之前，样品通过浸入氨水的扩散管进行循环;这个过程消除了氢离子的干扰。

对于特定离子分析仪的校准，两个电极都浸入已知的标准溶液中。电极也浸没在另一个标准与高十倍浓度的钠离子测定电极斜率。现代微处理器技术提供了先进的校准技术，在校准过程中验证电极的稳定性。

典型的钠仪器如图36-10所示．

污染

有几个专门的系统用于监测工业设备的结垢和腐蚀速率，包括下面几节中讨论的那些。

MonitAll®。Betz MonitAll®(图36-11)是一种便携式组件，主要用于测量加热管表面冷却水流的污垢和腐蚀电位．

MonitAll包含一个清晰的流程程序集。样品水从管子的底部流入，从顶部流出。热探头沿管的轴线插入流组件。热探头在管状金属测试截面上产生可调节的热通量。如果热流密度高于设计水平，结垢或腐蚀可能会加速。

测试部分是可拆卸和可互换的其他金属，包括低碳钢，海军部黄铜，304不锈钢，316不锈钢和90-10铜镍。

热探头包括两个温度传感器，测量探头表面温度和散装水温度。温度由一个带有发光二极管(LED)显示屏的仪表监测。该温度计有一个模拟输出记录仪或数据记录设备。

随着试验段的污染，较少的热量散发到散装水中，管表面温度降低。结果是温度差(DT)的增加，这可以通过以下公式与污垢因子Rf相关:

Rf=	DT最后- - - - - - DT最初的
	热流密度(Btu/hr/ft2）

MonitAll配备了流量控制阀，以保持恒定的流量，并配备了插入管，以提高清流式池中的流速。

冷凝器模型。贝茨模型冷凝器，如图36-12所示，是一种主要用于模拟表面冷凝器结垢和腐蚀的测试装置．它由一个水平的圆柱形不锈钢外壳和一个、两个或四个可拆卸的管子组成。管子沿着外壳的长度运行，并在管板处终止。电加热器位于壳体的底部，以产生恒定的热流。温度传感器位于壳体和管出口，以监测温差。

其工作原理与标准表面冷凝器非常相似。测试水流经管道并排出排水管。外壳内充满蒸馏水，蒸馏水覆盖在电加热器上，但在管子下面。在外壳上施加27英寸汞的真空来模拟冷凝器的条件。用电加热器加热蒸馏水。蒸馏水沸腾，蒸汽上升到管子表面。流经管道的冷水使管道表面的蒸汽凝结。冷凝物落到蒸馏水储存库中，这样循环往复。

冷凝器运行工况，如热流密度和管旁流速，通过模型进行模拟。连续监测壳体温度和管道排出温度。由于污物在管内表面积聚，通过管壁传递的热量减少。结果，管壳温度升高，管腔排气温度降低。在恒定流量下，温度差的增加可以通过与MonitAll相同的公式与结垢因子相关。通常情况下，将试管取出并送到实验室进行进一步分析。

测试热交换器。测试热交换器(图36-13)用于监测特定冷却水流的结垢和腐蚀趋势．冷却水通过圆柱形外壳内的两根可拆卸的管子。管，这是可在许多不同的材料，可以安排两个单通道或一个双通道操作。蒸汽或热冷凝水流入外壳，加热流经管道的水。冷凝液通过流量计排出外壳，流量计用于监测热量输入。

COSMOS™冷却系统监测站。关键运行参数的监测和分析是制定有效的冷却水处理方案的重要工具。贝茨冷却系统监测站(COSMOS)是一个多功能工具，可用于此目的。它可以监测pH值、电导率和腐蚀速率。此外，还可以包括一个MonitAll®热测试仪，用于评估热通量，水流速和结垢因素。各种各样的金属都可以被评估。

监测站由两个单元组成:数据采集柜和管道及仪表柜。数据采集柜如图36-14所示，面板门打开，连接管路和仪表柜．

管路和仪表柜(湿侧)包括MonitAll热测试仪、一个流量传感器、两个腐蚀探头、一个电导率传感器、一个pH传感器、压片支架、不锈钢管路和排水管路。机柜内的小型电气外壳为MonitAll和用于气候控制的空间加热器供电。

数据采集柜包含基于微处理器的控制器，它管理所有的数据采集、存储和显示。它还控制一台打印机、软盘驱动器、自动腐蚀探针切换、自动关机保护和警报，以及气候控制。该控制器具有键盘和用于操作界面的显示窗口。个人计算机可用于生成报告、图表和从获取的数据进行统计分析。

冷却系统中的生物活性

生物膜污染监测仪(图36-15)用于确定附着在冷却系统表面的微生物水平．监视器由两端螺纹连接的支架组成。每个支架的一半包含一个屏幕，将玻璃珠固定在采样表面。

生物膜监测仪可以连接在热水回流的任何合适位置，通过监测仪的流量至少为1- 2gpm。监测仪通常在采样开始前至少1周在线。在微珠上形成稳态生物膜所需的时间取决于系统条件。当湍流去除的生物材料的数量等于微生物生长产生的新生物膜的数量时，达到稳态。达到稳态后，生物膜水平的变化反映了系统环境的变化;例如，营养水平的增加会导致更多的生物膜，而有毒物质的添加会导致生物膜水平的减少。必须对单个系统进行监测，以确定可接受的固定微生物水平。

大污染监测仪(图36-16)用于监测斑马贻贝、亚洲蛤和其他软体动物的生长速度．这些动物造成的问题在第28章．宏观污染控制监视器的战略性放置有助于量化特定区域的生长和沉降周期。它们还提供了化学处理后杀灭率的量化。

一个大污染装置包含一组污染板。水向上流过装置。贻贝或蛤蜊的幼虫附着在污染的盘子上。它们的生长速度是通过定期检查板来目测的。

卤素残差

用于监测卤素残留量的连续在线测量装置分为两类:安培法和比色法。

安培分析仪，根据使用方式，测量水样中的游离或总卤素浓度。改变样品中的卤素浓度会使传感器从阴极流向阳极的电流产生相应的变化。一些安培分析仪也校正样品温度和pH值的变化。

图36-17显示了比色分析仪，它根据样品的氯浓度改变颜色强度．小体积的样品，指示剂和缓冲溶液精确计量和混合。在显影间隔期间，指示剂氧化并产生一种品红或红色化合物，用光度法测量。将颜色强度与参考值进行比较，并用差异来表征样品的氯浓度。样品中铬酸盐、氯胺、亚硝酸盐、铁、锰和其他强氧化剂的存在会影响测量精度。仔细选择氯分析仪和正确安装应该有助于减少这些测量干扰。

连续监测是许多氯应用的重要组成部分:

• 控制饮用水的进给量
• 防止对市政和工业供水中的离子交换脱盐剂或反渗透系统造成损害
• 在冷却塔中用作抗菌剂
• 验证废水或工业流程的法规排放要求

其他监测技术

目视检查

目视检查设备通常用于检查锅炉管，冷凝器管，热交换器和涡轮机的内部表面。目视检查用于确定由于堆积物或腐蚀造成的潜在故障。

光纤。光纤设备是常用的设备巡检设备，如图36-18所示．光纤束两端各有一个透镜，提供清晰、不失真的彩色图像。视频设备和35mm摄像机可以与光纤系统一起使用。

视频检查。电视摄像机检测设备为光纤提供了另一种选择。典型的包装包括一个微型摄像机、灯、一个用于径向观看的旋转镜和一个监视器。

其他监控技术

离子色谱法。离子色谱法在实验室中得到了广泛的应用，在一些连续过程分析中也占有一席之地。它被用来检测高纯度溪流的低水平污染。集成电路的检测能力允许在十亿分之一范围内进行常规分析，在某些情况下，可以在万亿分之一范围内进行分析。集成电路在分析阴离子和阳离子时具有选择性、灵敏度和速度等优点。

离子色谱仪由阴离子或阳离子分离柱和阴离子或阳离子抑制柱组成。在分离过程中，金属用强酸(如盐酸)从分离树脂中洗脱出来。然后将金属暴露在抑制柱中，抑制柱是氢氧化物形式的强阴离子交换剂。氯离子(Cl)被阴离子树脂除去，洗脱的氢氧根与酸性质子反应生成H2O。因此，金属以金属氢氧化物的形式在极稀的水溶液中洗脱，并测量电导率。对于碱金属和许多其他金属，赋予纯水的电导率是物种浓度的简单函数。阴离子用类似的方法分离。

流动注射分析。空气分段连续过程分析仪30多年来一直是自动化工业水测试的基础。该技术已经发展到这样的系统具有成本效益和生产力，适用于各种工业过程监控应用。然而，在20世纪90年代，引入了非分段流动注射分析(FIA)作为这些应用的替代方法。

在FIA方法中，少量样品通过窄孔管运输，然后与试剂混合，形成由检测器监测的颜色。在这项新技术中，气泡不用于分离单个样品。样品被注入一个流动的、连续的试剂流中。为了保持样品的完整性，进样间隔必须足够长，以防止交叉污染。由于消除了气泡，使用精确的注射技术，恒定的流速，以及从注射到检测的精确分析反应时间，FIA具有很高的可重复性。