當(dāng)前痛點(diǎn)
鐵和錳的濃度突變通?？梢杂糜诒碚髯詠硭幚磉^程中砂濾工藝的性能。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室分析儀鐵和錳的過程有延時(shí)的特點(diǎn)，難以高效準(zhǔn)確的用于指導(dǎo)砂濾工藝的管理和維護(hù)。
解決方案
hach ez系列分析儀能夠測量多達(dá)8個(gè)樣品流，短時(shí)間內(nèi)提供關(guān)于鐵或錳的連續(xù)檢測數(shù)據(jù)。丹麥的研究人員正在利用相關(guān)產(chǎn)品從根本上設(shè)計(jì)水處理的過濾工藝。
相關(guān)效益
當(dāng)進(jìn)行過濾器反清洗時(shí)，hach ez系列分析儀能夠提供快速、及時(shí)的數(shù)據(jù)或報(bào)警，從而能夠優(yōu)化工藝流程，令宕機(jī)時(shí)間小化；保護(hù)水質(zhì)且降低成本。能夠避免潛在的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，自來水廠也能夠更好的評(píng)估新的過濾器性能和相關(guān)技術(shù)。
hach® ez 系列在線比色原理分析儀能夠?yàn)橛脩羧旌驒z測各種參數(shù)。自來水工藝中的鐵和錳是非常重要的兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)，接下來就針對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)的在線監(jiān)測提供一份應(yīng)用案例分析報(bào)告。
1.背景
鐵和錳通常并存于地表水、地下水等水源中，但錳的濃度通常要低得多。
錳天然存在于土壤、大多數(shù)地表水和地下水中，由于其在酶的作用中扮演一定的角色，錳元素成為了許多生命體的基本元素。對(duì)人類來說，錳的大來源通常是食物。胃腸道吸收的錳由身體調(diào)節(jié)以維持體內(nèi)錳的平衡，因此通過口服獲得的錳通常被認(rèn)為是毒性較小的元素之一。然而根據(jù)近的研究，飲用水中的錳的參考值一直有待商榷。中國大陸針對(duì)飲用水的錳含量限值為 0.1mg/l。
鐵是地殼中一種豐富的金屬，主要以氧化物的形式存在。鐵離子 fe2+和fe3+很容易與含氧和含硫化合物化合，形成氧化物、氫氧化物、碳酸鹽和硫化物。鐵也是人體必需的微量元素，它在血液和酶中起著至關(guān)重要的作用。
自來水中的鐵和錳
河流中的鐵濃度通常較低，一般為 0.7 mg/l。處于厭氧的地下水中鐵通常以 fe2+的形式存在，濃度通常為 0.5-10 mg/l，但個(gè)別濃度可能高達(dá) 50 mg/l。飲用水中的鐵含量通常低于 0.3 mg/l，這也是中國飲用水標(biāo)準(zhǔn)中鐵含量的限值。但在使用鐵鹽作為絮凝劑的國家以及在配水管網(wǎng)中使用鑄鐵、鋼和鍍鋅鐵管的國家，其飲用水的鐵含量可能更高。
2.五大監(jiān)測緣由
居民抱怨
自來水的變色、異味和固形物是公眾投訴飲用水的常見原因。鐵和錳一方面是異味和變色的原因之一，另一方面它們也是變色和異味等問題關(guān)鍵的預(yù)警參數(shù)。處理這些投訴以及進(jìn)行調(diào)查和實(shí)施補(bǔ)救措施的成本可能非常高。濁度在自來水廠中是常見的預(yù)警指標(biāo)，通過濁度分析儀的報(bào)警信號(hào)，工作人員可以采取措施將混濁的水從配水管網(wǎng)中分流出來，避免進(jìn)一步問題升級(jí)。但渾濁可能是由各種問題引起的，而鐵和錳的增多是由特定問題引起的，因此監(jiān)測有助于查明原因并給出合適的緩解措施。
健康風(fēng)險(xiǎn)
鐵和錳對(duì)健康的危害很小，但是細(xì)菌會(huì)導(dǎo)致腐蝕并使鐵濃度升高從而出現(xiàn)與細(xì)菌相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)人類來說，鐵的致死劑量是體重的200-250mg/kg，該劑量會(huì)導(dǎo)致大量的胃腸道出血，但鐵中毒是非常罕見的，通過飲用飲用水的鐵攝入量通常很低，不大會(huì)引發(fā)健康問題。不過，氧化鐵被認(rèn)為是金屬和半金屬的有效清除劑，這有可能會(huì)導(dǎo)致砷含量的增加，*，砷是一種具有高健康風(fēng)險(xiǎn)的元素。
政府監(jiān)管
許多政府或組織(包括飲用水供應(yīng)商和飲料行業(yè))在相關(guān)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)中都會(huì)針對(duì)鐵和錳的大濃度做相關(guān)規(guī)定。
1998 年 11 月 3 日的關(guān)于人類飲用水質(zhì)量的歐盟飲用水指令98/83/ec表示：就低要求而言，用于人類飲用的水應(yīng)是健康和清潔的：(a)不含任何微生物和寄生蟲，不含任何數(shù)量或濃度的對(duì)人體健康構(gòu)成潛在危險(xiǎn)的物質(zhì)，(b)滿足附錄 i 里 a 和 b 部分中規(guī)定的低要求。在附錄 1 里 c 部分“參數(shù)指標(biāo)”中包括了標(biāo)準(zhǔn)錳含量為0.05mg/l 和鐵為 0.2 mg/l。不過之前的大部分指標(biāo)參數(shù)已被移至附錄四，該附主附錄要涉及消費(fèi)者的信息。理由是指標(biāo)參數(shù)不提供與健康相關(guān)的信息，而是提供消費(fèi)者感興趣的信息(如味道、顏色和硬度)。
對(duì)于那些使用鐵鹽作為磷酸鹽去除混凝劑的廢水處理廠，排放批準(zhǔn)中也會(huì)包括對(duì)鐵(通常為總鐵)含量的限制。
美國環(huán)保署已經(jīng)確定了影響飲用水美觀但不會(huì)對(duì)人類健康造成危害的污染物的二級(jí)大污染水平(smcls)。smcls 不是聯(lián)邦強(qiáng)制執(zhí)行的，公共水處理設(shè)施不一定非要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測除非所屬州有相關(guān)要求。
smcls規(guī)定的鐵含量為0.3mg/l，潛在的外觀問題包括銹色，沉淀物，金屬味，以及紅色和橙色的水染色。smcls 里的錳含量為 0.05 mg/l，潛在的外觀問題為黑棕色，黑色染色 和苦澀的金屬味。
美國環(huán)保署認(rèn)為，如果這些污染物存在于水中并超出了標(biāo)準(zhǔn)，這些污染物可能會(huì)導(dǎo)致人們停止使用來自公共供水系統(tǒng)的水，即使水實(shí)際上是可以安全飲用的。因此，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)被制定出來以向公共水系統(tǒng)提供一些關(guān)于如何將這些化學(xué)物質(zhì)去除到低于大多數(shù)人會(huì)注意到的水平的指導(dǎo)。此外，一些動(dòng)物也會(huì)拒絕飲用這些氣味或者顏色有異常的水源。
結(jié)垢和腐蝕
處理蒸汽或冷卻水的工業(yè)裝置所使用的鑄鐵管道和設(shè)備易受多種腐蝕機(jī)制的影響。機(jī)械和化學(xué)腐蝕可以從鋼表面剝離和溶解鐵，而這種未結(jié)合的鐵可以沉積在水處理系統(tǒng)的其他點(diǎn)的表 面上，從而導(dǎo)致進(jìn)一步的腐蝕。通過監(jiān)測水樣中鐵的含量能夠及時(shí)了解管道或鍋爐的腐蝕情況 或針對(duì)性處理。
降低成本
對(duì)于使用鐵鹽作為絮凝劑的水處理廠來說，這些化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)帶來巨大的成本。因此，盡管使用足夠的混凝劑來去除固體很重要，但鐵鹽也不能被過量投放，因?yàn)檫@樣會(huì)使過濾器過載，并將殘留的鐵鹽留在水中，這將導(dǎo)致處理成本上升。
3.持續(xù)監(jiān)控-工作原理
hach® ez 系列分析儀采用在線比色技術(shù)，能夠準(zhǔn)確可靠地測量關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)。智能，自動(dòng)化的操作和功能有助于提高分析儀的的分析性能。小化停機(jī)時(shí)間并無需操作員干預(yù)。機(jī)器清洗是自動(dòng)的，校準(zhǔn)和驗(yàn)證頻率都可以由用戶設(shè)置。ez1000 系列能夠同時(shí)測量多 8 個(gè)樣品流。這樣就降低了每個(gè)采樣點(diǎn)的成本，但是在下達(dá)指令時(shí)需要保證指令精準(zhǔn)詳細(xì)。
ez1000 鐵分析儀使用 tptz 試劑，其在反應(yīng)時(shí)會(huì)形成很深的藍(lán)紫色，以此測量溶解鐵(ii)、鐵(iii)和總?cè)芙忤F(ii+iii)，循環(huán)時(shí)間為 15 分鐘，標(biāo)準(zhǔn)測量范圍為 0-1 mg/l。但可以通過校準(zhǔn)曲線的設(shè)置或稀釋功能來測量低濃度(0-0.1mg/l)或高濃度(0-10mg/l)的樣品。
ez1000 錳分析儀使用甲醛肟法在 450nm 處測量溶解的錳 mn(ii)，標(biāo)準(zhǔn)測量范圍為 0-1 mg/l mn，量程同樣可以有多種可選，循環(huán)時(shí)間為 10 分鐘。
如果客戶對(duì)于總鐵或總錳的含量比較關(guān)注，可以選擇 ez2000 系列對(duì)應(yīng)的總鐵或總錳分析儀。ez2000 系列分析儀具有一個(gè)內(nèi)部樣品消化裝置，能夠在分析前提供一個(gè)額外步驟用于消解不溶性或復(fù)合型金屬，從而達(dá)到總鐵或總錳的分析。
4.連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)
一般來說，實(shí)驗(yàn)室分析水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)具有較高的可信度。然而，在采樣和傳遞結(jié)果之間存在一個(gè)時(shí)間延遲，并且偶爾采樣可能會(huì)因?yàn)殄e(cuò)過了濃度峰值而監(jiān)測不出風(fēng)險(xiǎn)。在線分析儀由于取樣的及時(shí)性和分析時(shí)間較短的特點(diǎn)，因而能夠大大降低這種風(fēng)險(xiǎn)。此外，ez 系列分析儀提供標(biāo)準(zhǔn)的 4-20ma 信號(hào)輸出并配有報(bào)警程序，正常情況下在量程內(nèi)的異常濃度都可以被監(jiān)測到，并將報(bào)警信號(hào)發(fā)送至控制中心。
5.連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)
在一個(gè)由丹麥環(huán)境保護(hù)局資助，via大學(xué)管理的研究和開發(fā)項(xiàng)目中，研究人員正在通過重新思考飲用水的生產(chǎn)過程來重新設(shè)計(jì)水處理方案。該項(xiàng)目的合作伙伴包括aarhus water,vandcenter syd,vand&teknik,amphi-bac,dansk kvartsindustri 和 niras。該項(xiàng)目的目標(biāo)是建立一個(gè)小而優(yōu)的自來水廠，其主要特點(diǎn)有：
更強(qiáng)大的處理能力
更高的生產(chǎn)效率
較短的啟動(dòng)時(shí)間
節(jié)省能源
改善水質(zhì)
在丹麥，飲用水的供應(yīng)主要來自地下水。政府的立場是飲用水應(yīng)來自純凈的地下水，這些純凈的水只需要通過簡單的通風(fēng)處理、ph 調(diào)整，然后過濾即可進(jìn)行輸送至居民家中。砂濾工藝在丹麥已經(jīng)使用了 100 多年，該過濾器開發(fā)項(xiàng)目的結(jié)果將于 2020 年在 iwa 水大會(huì)(丹麥)上公布。
世界各地的水處理廠普遍采用砂濾器，砂濾器有助于去除懸浮固體和病原體，改善味道和顏色而無需額外的化學(xué)物質(zhì)。這些砂濾器需要通過定期反洗來保持佳性能，反沖洗能夠清除集聚的顆粒并提高流速。然而，反洗過程會(huì)打斷水處理過程。因此有必要進(jìn)行監(jiān)測以優(yōu)化過濾性能。目前較普遍的做法是針對(duì)濁度和流速進(jìn)行檢測，不過化學(xué)指標(biāo)的分析能夠?yàn)榱鞒糖闆r提供更深入的了解。
2018 年，丹麥實(shí)施了新的飲用水法規(guī)以符合歐盟關(guān)于參數(shù)、采樣頻率和采樣地點(diǎn)的相關(guān)法規(guī)。在此之前要求針對(duì)出廠水(下限)和用戶終端出水進(jìn)行監(jiān)測。歐盟法規(guī)調(diào)整后，用戶終端出水不僅需要監(jiān)測還針對(duì)鐵和錳這兩項(xiàng)指標(biāo)設(shè)置了限值，具體為鐵：0.2 mg/l，錳：0.05 mg/l。
傳統(tǒng)的做法是不定時(shí)的采集樣本，隨后送至實(shí)驗(yàn)室分析各項(xiàng)參數(shù)水平，當(dāng)然這也包括鐵和錳。如果通過指標(biāo)數(shù)據(jù)表明濾池中的污染物無法通過反沖洗來去除，則有必要對(duì)濾料進(jìn)行更換，更換濾料意味著該條生產(chǎn)線的停機(jī)，因此是一項(xiàng)耗時(shí)耗財(cái)?shù)牟襟E。為更加準(zhǔn)確高效的評(píng)估和監(jiān)測濾池工藝的性能，該項(xiàng)目研究者通過在線監(jiān)測濾池水樣中鐵和錳的濃度水平，為更加準(zhǔn)確掌握濾池工藝狀態(tài)，他們還對(duì)不同濾料層間的水樣進(jìn)行分析。
該項(xiàng)目應(yīng)用的產(chǎn)品有 hach® ez1024 總?cè)芙忤F(fe(ii) 和 fe(iii))分析儀，hach® ez1025 二價(jià)錳分析儀。這些儀器于 2018 年 11 月安裝，每小時(shí)采樣四次。項(xiàng)目初始，每臺(tái)儀器被設(shè)置為每小時(shí)從過濾器入口和出口分別抽取兩個(gè)樣品。通過與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者具有良好的相關(guān)性。
ez1024 總?cè)芙庑澡F(ii+iii)分析儀工作現(xiàn)場組件：a-工業(yè)面板 pc，b-高精度微型泵，c-取樣泵，d-排水泵，e-光度
via 大學(xué)的項(xiàng)目經(jīng)理，高級(jí)副教授 loren ramsay 說：“監(jiān)測是飲用水處理研究的重要組成部分。為了保證監(jiān)測的正確性，必須在處理過程中的多個(gè)位置進(jìn)行頻繁的測量。使用具有多通道功能的在線鐵錳自動(dòng)分析儀非常適合我們的需求。我們相信我們的項(xiàng)目成果對(duì)整個(gè)飲用水處理行業(yè)來說都非常有用。”
6.總結(jié)
隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，連續(xù)監(jiān)測和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)有助于優(yōu)化水行業(yè)內(nèi)的各種處理工藝。在提高工藝性能的同時(shí)也可以降低相關(guān)成本。隨著 hach® ez 系列在線分析儀的不斷優(yōu)化和進(jìn)步，如今不僅能實(shí)時(shí)評(píng)估進(jìn)廠及出廠水的鐵錳含量，更重要的是通過對(duì)鐵錳含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測側(cè)面反映濾池工藝的性能和狀態(tài)，這對(duì)于更加高效的安排和管理濾池反沖洗操作大有幫助。此外，正如丹麥的案例所展示的一樣，錳和鐵的連續(xù)監(jiān)測有助于開發(fā)新的改進(jìn)過濾系統(tǒng)。