饮用水的纯度分析

• 摘要：Ryo Hashimoto详述了分析测量的使用以及分析测量在确保饮用水质量和安全性方面所起的重要作用

Ryo Hashimoto详述了分析测量的使用以及分析测量在确保饮用水质量和安全性方面所起的重要作用

数量充足、质量安全的水是人类生存必不可少的。从地区来看，亚洲面临着严重的供水压力，主要原因是亚洲的人口密度高，农业和工业用水量大。

饮用水的质量是一个健康问题，因为水是疾病传播的媒介。在东南亚，如同其它发达地区一样，可能存在显著的水质问题，在这些问题中，由致病微生物导致的饮用水源污染仍然是最重要的问题。

影响全球水处理市场的主要因素来自环境监管部门。越来越多的国家正在采取严格的政策法规，促进环保产品的采用，特别是涉及人体接触的产品。

其结果是，为了满足全球迅速变化的环境要求，专门用于水处理产品的需求量正在呈现上升趋势。来自亚洲和拉丁美洲的经济体，尤其是中国、印度和巴西的需求，正在驱动整个水处理设备及服务市场的增长。

获取更清洁、更纯净水的需求造就了一个强有力的事实，即移动水处理装置在亚太地区的迅速发展。移动系统可以提供一系列处理选项，包括：澄清、过滤、脱盐、反渗透、膜分离、以及诱导空气/气体浮选。系统是橇装结构，可以现场安装或者拖车安装，拖车包含仪器和设备，是完全自动监控操作。

此外，水处理厂的规模也是多种多样的，没有两个厂是一模一样的。但是，无论是国有的、私有的、还是移动的水处理厂，它们都有着相同的目标——为客户社区提供安全可靠的饮用水源。液体分析系统在维护水厂安全方面起着至关重要的作用。

要处理所用原水水源中的污染物，自来水公司应当选择恰当的水处理工艺组合，常用的工艺包括：预处理、凝聚、絮凝、沉淀、过滤和消毒，其它处理方法还包括离子交换、反渗透以及吸附。

在上述每个工艺过程中，优化使用液体分析测量将为水处理厂节省时间和金钱，并有助于提高水的纯度和安全性。此外，优化使用这些测量还有助于改进工艺过程和相关的副产品。

预处理

为了更好地定义水处理厂所用原水水源的动态特性，在进入处理过程之前，要进行一些液体分析测量。进水监测测量包括：pH值、电导率、温度、浊度和溶解氧。

有些水厂还需保存每个测量的永久记录，以便今后参考，或者用于检测源水水源的季节变化。

在水进行澄清处理前，需要通过粗过滤器，去除较大的物体，阻止它们进入水处理厂。预处理还包括一次消毒工艺，即使用氯或臭氧，处理藻类的生长以及化学品和微生物的氧化。

烧碱是基本化学构造块之一，正因如此，它具有多样化的应用，其中之一就是水处理。市政水处理设施使用烧碱调节pH值、离子交换再生和生成次氯酸钠。特别是在控制pH值时，烧碱中和废酸，还有其它类似的应用。烧碱可以对抗其它的碱，特别是碳酸钠（纯碱）。选择烧碱的常见因素是其碱性更强，易于存储和处理。

预处理是水处理的第一步，在混合罐的滤床前面，使用环形电导率可以测量流体中是否含有烧碱，该测量结果可以表明进料泵是否正常工作。环形电导率传感器在此应用中持久耐用，电导率值下降表明进料泵没有往水流体中注入烧碱。

一次消毒

由于水是一种万能的溶剂，它会与各种不同的病原体接触（细菌、病毒和寄生虫原虫），其中一些是公知的，且可能致命的。地表水和地下水源都可能被这些病原体污染，通过化学消毒和机械过滤处理，能够完成让病原体失去活性的操作。

氯可作为饮用水的化学消毒剂，臭氧（O3）也是水处理时使用的强力消毒剂。臭氧消毒与氯消毒相比，其攻击水中病原体化学键的速度更快，从而降低有机物质、铁、‎锰和硫的浓度，减少或消除气味和味道的问题。

氯作为一种缓慢的氧化剂，对细菌的影响有限，隐孢子虫和贾第鞭毛虫都十分耐氯。臭氧处理作为一种快速、有效的处理技术，在一次消毒工序日益普及。

臭氧空气通过接触容器内的水，向上鼓泡，当水达到接触容器的端部时，一次消毒完成，臭氧又转换回氧。为了正确地进行臭氧消毒，需要合适的水接触时间和适当的臭氧投入量。

澄清

在预处理和一次消毒后，原水澄清通常是一个多步骤的过程，目的是降低水的浊度和悬浮固体。澄清通常包括混凝、絮凝和沉淀工序。

较小的颗粒物结合或“混凝”成较大的蓬松颗粒物，称为“絮凝物”，使原水水源中“泥沙”沉淀下来。通过加入化学混凝剂，诸如：明矾、铁盐或合成的有机聚合物，促进混凝过程。在加入化学品后，水流经混合通道，在混合通道进行闪混。

絮凝物被机械搅拌，以便吸附悬浮固体和微生物。在此过程这保持合适的pH值十分重要，因为它能改善混凝过程，降低水的浊度。

如果原水水源有异常高的硬度，则需要向水中加入石灰和苏打灰这样的化学品，以减少钙和镁的含量。石灰软化法可以使水的硬度达到60-120ppm，但是，该方法导致水的pH值较高，因此，处理后的水需要进行缓冲，以降低pH值，使其达到后续工艺可以接受的数值。

絮凝物沉降到底部，在沉淀池形成污泥。由于污垢和化学试剂变得足够重，因此沉到池子的底部，使较大的颗粒物自然地沉降或沉淀出来。污泥通过机械铲运机除去，并妥善处置。水从沉降池的表面取出，并流入下沉的水通道。

过滤

沉淀工艺去除了25微米以上的颗粒物，但是该过程不是100%的有效，因此还需要进一步的过滤。进入过滤工序的水浊度是1-10 NTU。

水流经砂过滤器，向下渗滤，顺序通过砂、砾石、无烟煤的组合层，以及砾石和细砂的混合层，较大的颗粒物首先被阻拦，较小的颗粒物诸如粘土、铁、锰、微生物、有机物、其它处理过程的沉淀物和淤泥也将被去除，从而得到清澈的水。

过滤工艺还要将在一次消毒过程中有机化学品与微生物氧化反应产生的残余物质去除掉，在预处理过程中耐氯消毒或耐臭氧消毒的微生物去除掉。

过滤器必须定期进行反冲洗，以去除在过滤介质上累积的沉淀物。用浊度仪连续监测滤床的流出物，以此可作为衡量过滤器性能以及过滤器反冲洗需求的指标。浊度参数反映样品的清澈度，外观混浊的水是由水中微小颗粒物导致的。浊度测量还有助于监控、提高工厂的效率，浊度值高表明过滤器工作不正常，需要进行反冲洗。

政府部门的规章制度适用于公共供水系统，其要求水处理厂要将有害的微生物和病毒降至最低。设想过滤系统通过满足特定的浊度极限值，再结合充分的消毒，可以完成将有害的隐孢子虫、贾第鞭毛虫和病毒降低到最低百分比的工艺操作。

通过测量组合过滤器出水的浊度，可以确定过滤过程的充分性以及微生物的去除情况，以便满足政府的标准。这个标准包括：浊度监测的频率、最大的浊度极限值、核准的浊度测量方法。

二次消毒

二次消毒是防止某些病原体的再次生长，这些病原体是由回流污染进入或引入处理厂的。为了符合二次剩余的消毒规定，工厂要在最后的处理步骤，用氯化处理方式进行二次消毒。当今，加氯是以氯气（CI2）、次氯酸钠（NaOCl）或者二氧化氯（CIO2）作为二次消毒剂。

向水中加氯时，游离氯形成次氯酸（HOCI）和次氯酸根离子（OCI-）的混合物，每种物质相对的量取决于pH值，次氯酸（HOCI）和次氯酸根离子（OCI-）的总量定义为游离氯（余氯）。对于消毒水来说，次氯酸（HOCI）不仅比次氯酸根离子（OCI-）的反应更活跃，而且具有更强的消毒和氧化作用，次氯酸（HOCI）的效力是次氯酸根离子（OCI-）的80-100倍。

1974年在饮用水中发现了氯化副产物。当氯与溴以及水源中存在天然有机物质反应时，便形成了氯化副产物，该物质对人类有潜在的健康影响。在分析仪器中，氯通过半透膜扩散传感器内部，传感器产生与氯浓度成比例的电流信号。

目前有了替补氯的消毒方法，如氯胺。这种消毒方法要向水中加氯和氨的化合物，经适当控制，形成氯胺。

与加氯相比，氯胺产生的氯化副产物较少，而且这些副产物以一氯胺、二氯胺和三氯胺的形式存在，一氯胺是三种形态中最理想的，因为它很少有或者没有味道或气味，被认为是最有效的消毒剂。采用氯胺进行消毒处理的工厂操作人员需要精确确定在水处理系统中一氯胺的用量。

最终处理

许多供水系统水中已经有氨，或者在处理过程中加氨，配水系统中多余的氨会促进生物生长和氮的硝化作用。如果系统位于水质退化的偏远地区，则不好的水质会影响水的感官质量 （诸如：水的味道、气味和颗粒物）。如果系统位于很难持续提供合格氯的地区，则可能直接导致生物生长和氮的硝化作用。

当水中天然含有氨或者用氯胺对水进行消毒时，会用到“游离氨”这一术语。在氯胺化过程中，向水中添加氯和氨，形成一氯胺，部分没有与氯化合的氨称为游离氨，根据水的pH值和温度，游离氨以NH4+或NH3的形式存在。

水的典型pH值是7.0-7.8，温度是12-24℃，96%以上的氨是铵离子形式（NH4+），随着pH值和温度的升高，NH3的含量增加，NH4+的含量减少。

确定处理过的水是否含有氨的唯一精确的方法是进行氨分析，如果检测到氨，则需要在游离氨的输配系统中探索额外的采样装置。地下水的含氨量是0.2-2.0mg/L。

市政饮用水厂仔细控制游离氨（通常也描述为总氮或NH3-N）和氯胺（通常也称为一氯胺或MCL）的含量，

以确保水是适合人类消费的。可提供单测量系统操作面板或双测量系统操作面板。

水处理的无线方案

水处理最显著的新趋势之一是在远程或难以到达的位置，采用无线分析技术。pH和电导率的无线监测在市政水务市场的许多领域发挥了关键作用，新的无线pH和电导率变送器可以集成到水厂的网络中，使得采用无线技术变得轻而易举。

新的适配器技术使无线技术可以添加到具有HART通讯能力的分析仪器里面，且无需软件升级、电池或额外的硬件，从而使有线系统转变为无线系统的成本效益高，可扩展性强，而且简单易用，这种方法可以为水厂节约90%的安装成本。

此外，无线分析仪可以将过程变量和诊断数据传递给中央控制系统，减少现场人员和维护的工作量。

新系统配备了机载数据记录功能，允许过程数据和事件传输到USB存储设备，用于计算机分析，使得水厂的控制系统更加灵活。

在水行业，无线技术的第一个明显好处就是无需电源，无需与主机通讯的布线。水厂和网络可以方便地、高性价比地集成无线pH和电导率分析仪和传感器，不用考虑难以布线的挑战或安装位置的偏远。