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新型水中濁度測量技術 - 美國經驗
新型水中濁度測量技術 - 美國經驗 New Water Turbidity Measurement Technology - the US Experience
 
應用文章 : 美國飲用水濁度測量 Application Note: US Drinking Water Turbidity Measurement  
 
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Application Note: New Water Turbidity Measurement Technology – the US Experience 
DOC043.53.30351
  English US 873 KB 2016-07 Jun16
 
飲用水中存在的不溶物質量是一個重要的品質指標。泥沙,沙子,細菌,孢子和化學沉澱物都會造成水的濁度或濁度。高度混濁的飲用水(DW)可能令人不快,並且不安全。人體即使是消耗低濃度的某些細菌和其他微生物也能夠導致嚴重的健康影響。
 
因此,準確而敏感度夠的濁度測量對於確保飲用水中不含這些污染物是至關重要的。世界各地的公共衛生和安全組織已認知到透過濁度來衡量飲用水品質的重要性。美國環保署要求對所有生產的飲用水進行濁度監測1。歐盟飲用水確認將濁度確定為幾種固定的水質監測參數之一,必須對所有人類消耗(飲用)的水進行測量2。世界衛生組織建議在整個處理過程中經常並且多點的監測濁度3。雖然法規限制因國家而異,但普遍的觀點是,可靠的濁度監測是飲用水生產的重要元素。
 
如同任何分析程序一樣,應以快速且準確的方式測量濁度。 分析儀器的這些特性,特別是為線上分析所設計的,也是同樣重要。 飲用水營運管理持續尋找能夠快速反應並讓他們對檢測結果有信心的儀器,以因應過濾設備的突破性發展。 Hach® 專門針對這些特性開發出新的濁度測量技術。 從這兩個觀點來看,此新技術提供了前所未有的好處,它並不是在單一個90°測量反射光束,而是在90° 環繞整個水樣瓶而收集一系列的(檢測)結果,如圖1所示。
 
 
在整個圓周(360⁰x90⁰)收集以90⁰反射的光線可顯著提高信噪比(S / N),這為濁度測量的精度和準確度奠定基礎,特別是在低量程範圍。
 
基於360°x 90°專利技術之新的線上濁度分析儀的概述規格總結於表格1中。
 
此外,此技術使用更小的樣品瓶,因此可以顯著減少事件檢測時間,正如採用膜過濾或常見過濾的飲用水廠的一連串測試中所確定的那樣。 這些研究是透過具代表性的FT660 sc和新型TU5400 sc濁度分析儀來進行的,以評估採用這項新技術的儀器對照知名雷射濁度分析儀之性能。
 
圖2中的數據說明是基於現有技術和新技術的線上濁度計之性能,並比較這些儀器檢測濁度峰值的時間。 此測試設定確保將非常準確的Formazin標準液用量添加到真實的過濾器排放水樣流中。
 
為消除已知之不確定性,被測儀器皆透過嚴格控制流速來測量同一水樣。 每個測試分析儀的數據記錄設定為5秒時間間隔。 數據採集的唯一區別在於信號平均; 但是,透過可用的MS Excel功能可輕鬆解決這一點以提供同等的比較。 TU5400讀值的平均事後信號顯示其反應時間沒有顯著差異(圖2,趨勢線)。
 
 
在幾個常見過濾和膜過濾飲用水設備上所進行的研究涉及三個水平的峰值:〜1.5mNTU,〜100mNTU和〜500mNTU,對所有潛在干擾測試條件進行嚴格的控制。 這些研究涉及在每個峰值水平上進行的數百個這樣的標準添加實驗。 膜過濾研究結果顯示TU5400達到90%峰值濃度(T90)的時間比現有雷射濁度分析儀快26倍(在最低峰值水平)。 圖2中的曲線表示作為在兩個常見飲用水過濾廠(美國)進行的全面三級峰值研究中的一部分較高水平的標準添加試驗。 從結果(圖2,比例)可以看出,新技術達到峰值濃度95%(T95)的時間快了15倍(比例,圖2)。
 
 
客戶期望的另一個重要層面是實驗室儀器和線上儀器(檢測)結果之間的比較。 這是日常飲用水設施運行的重要部分,而由於美國環保署的現行要求4,可能會給營運商和管理層帶來很大的痛苦。 為了簡要說明新系統的優點,可以說新的線上和實驗室濁度分析儀都是用相同的測量系統建構的。 因此,鑑於採用360°x 90°技術和極其穩定的雷射光源,相同的樣品瓶設計可確保實驗室與線上之間的讀數能夠在正常實驗誤差範圍內保持一致。 相同的測量技術提供了額外的方法來解決潛在差異,並讓使用者安心。
 
總結來說,與現有儀器相比,採用小得多的測量樣品瓶,雷射光源和360°x 90°檢測技術的新科技已證明幾項實際優勢:針對同樣的樣本,反應時間顯著更快,精確度更高,並且設計符合線上和實驗室測量之間的一致性。 這些優勢也帶來了需要理解和考慮的權衡 – 可能更頻繁地清潔線上分析儀的樣品瓶。 有各種選項和附件可舒解這問題以取得權衡,例如使用自動清潔模組。 但是,考慮到新設計,即使是手動清潔和校正線上濁度分析儀(根據需要),使用者的使用時間也會大幅縮短。 在一項涵蓋了5個國家,18個飲用水廠,各類測試條件和應用環境的擴展現場測試計劃中,針對新儀器這一方面和其他方面之效能都進行了評估。
 
實地測試
新型TU5系列濁度分析儀的現場測試是在各種應用(從原水到成品水)和環境條件(從密西根州到加州 以及 波多黎各(美國) 以及中國,加拿大,德國,法國和英國)以解決所有主要問題。最具代表性的實地研究之一是在(美國)賓州的一家飲用水廠中進行的,該設施由美國西伯克水務局(WBWA)管理,該機構多年來一直是新技術的先期採用者。短期和長期的測試著重於新的實驗室和線上濁度分析儀的性能,符合預期的能力,功能的實用性,以及與現有已商業運行之儀器的整體比較。西伯克水務局WBWA收到了一套儀器,包括實驗室濁度分析儀(TU5200)和線上濁度分析儀(TU5300 sc),並被要求在沒有Hach監督的情況下安裝和測試儀器。安裝時間於2015年1月進行(圖3),在第一次測試後開始收集客戶印象和反饋,其中包括實驗室和線上分析儀之間的讀值匹配,校正以及維護練習。
 
飲用水廠操作員/儀器技術人員John Ruth是測試設備的幾位使用者之一,他們對每個分析儀,其功能和可用選項提供了初步反饋:
 
實驗室儀器單位:“我對精確度印象深刻,特別是在較低的濁度水準下。”
 
關於線上測量和實驗室測量之間的比較:“實驗室和過程濁度非常接近。 我們正在使用我們的成品水,而濁度比我們的其他實驗室儀器的還要更接近。“
 
線上儀器單位:“我們很喜歡流量傳感器。 當流量不足時,我們很高興看到指示燈會亮起,所以我們會知道水量不足了。“
 
在將TU5300 sc從成品水轉移到使用者認為更重要的預過濾器應用之後,Ruth表達了兩種分析儀的性能:“實驗室與線上濁度分析儀測量一致。現在我們正在預過濾水,而比較結果仍然很好。“
 
對於新儀器的一些關鍵功能和特性,Ruth也提到初步印象:“使用20NTU Stablcal®樣品瓶,線上濁度計的校正工作進展順利。 我們還使用Stablcal樣品瓶(20NTU和600NTU)校正實驗室儀器。 使用具有RFID功能的Stablcal樣品瓶讓校正過程快速簡便,而操作人員出錯的機率更小。“
 
最後,Ruth對使用RFID功能之回應:“RFID系統運作良好,在使用數種不同的濁度計和樣品時會很有用。”
 
為說明確定線上和實驗室結果之間相匹配的最重要特徵之一,表格2列出TU5200在使用RFID標籤時記錄的比較日誌數據。
 
 
從表中可看到,為通過評估標準,可能需多次讀取自線上儀器上收集的相同樣品之讀值 - 通常這表明線上或實驗室測量樣品瓶需要清洗。但是,當讀值相差在10%以內時,TU5200實驗室濁度分析儀將顯示“匹配”訊息(表格2之評估欄)。需要指出的是,只有相同樣品之讀值才適合這種比較,並且最好的方式是確保使用由線上和實驗室儀器讀取的RFID標籤。實驗室儀器將每次讀值和校正都記錄在單獨的日誌中,以保存歷史分析的數據。與此類似,TU5300 sc線上濁度分析儀可記錄其操作過程中的所有讀值,諸如流量(如果有安裝流量傳感器選配件),以及分析儀內部的溫度和濕度以及其他對自動評估系統健康狀況至關重要的參數等附加信息。系統運作狀況可透過PROGNOSYSTM預測性診斷軟體(使用SC1000控制器)進行監控,此PROGNOSYSTM軟體在其他現代Hach線上分析儀中也可使用。
 
如上所述,新式線上分析儀的最初短期測試是針對成品水進行 - 這是低量程濁度計的主要目標應用,測試表明TU5300 sc濁度計的性能非常好。在美國2013年“安全飲用水合作夥伴”中,WBWA(西伯克水務局)是極難得的第四階段 (美國)“總統獎”獲獎者,其員工致力達成對水處理過程的最佳控管。
 
因此,線上儀器被放置於過濾器(圖4)前,也是最具挑戰性的應用,以評估其與現有分析儀的效能。 此應用程序讓使用者快速查看沉降水質的變化並能做出適當反應 - 因此,快速準確的反應和最低的維護是提供可靠過程控制的關鍵。
 
從圖4的圖表可以看出,分析儀在具挑戰性的預過濾水的情況下運作,運作了將近9個月沒有出現大的中斷,操作人員根據他們的計劃按季度以20NTU標準進行常規校正。由於分析儀沒有連接到SCADA系統,因此數據收集的自然延遲導致數據出現空白。濁度讀值的峰值與自然水質事件或與流量感測器記錄之流量不足有關。機組內部持續監測的溫度和濕度非常穩定,顯示主要系統健康指標的穩定狀態。樣品瓶清洗是在“根據需要”的基礎上進行的,視水質變化,並且通常與樣品流量的損失相對應。通常是由軟體提供警告並在控制器上顯示出樣品瓶需要清潔。手動樣品瓶清洗僅需很少的人力時間,並在總停機時間約1-2分鐘內就讓儀器恢復正常工作模式,大幅低於規定的15分鐘數據記錄間隔。
 
測試的重要部分之一是與另一台線上濁度計接收到的讀值進行比較,以及在每個班次中使用實驗室儀器進行多次採樣分析。 Ruth說:“我們每天四次對我們的原水,預處理水,預過濾水,過濾排放水,清水池和成品水樣品進行桌上型QA / QC測試。”兩種測試濁度分析儀效能數據說明於圖5中,我們可看到所有濁度讀值隨時間和相互關係標繪出。由於此應用對任何線上濁度分析儀都具有同樣的挑戰性,因此比較圖表中顯示的線上和實驗室數據似乎更有價值(圖5)。從圖5可看出,工廠操作人員使用兩台線上濁度計,與最初使用的兩台桌上型儀器進行測試。 Ruth說:“2/25我們從2100Q [現有實驗型濁度計]切換到使用[TU5200]進行QA / QC測試。你可以看到,使用[TU5200]讀值遠低於它們應該達到的水平。“
 
 
開關的結果是不言自明的,可在圖表中清楚地看到(圖5)。 從圖中還可以看出,在冬季和春季相對平靜的水體條件下,所有線上和實驗室濁度讀值都充分地相關聯,然而,一旦條件改變,根據John所提到之“繁忙的夏季”,線上監測的數值急劇增加。 對圖5所示圖表的仔細分析表明,新線上濁度計對水的變化反應比所參考之分析儀還要更快,更不用說是實驗室分析了。
 
結論
  • TU5系列濁度分析儀採用新型雷射技術的全面測試結果表明,採用更小的樣品瓶進行360°x 90°測量,在更快的反應時間方面表現出卓越的性能。
  • 新的線上濁度分析儀和實驗室濁度分析儀間的分析系統設計相同,可達成同一樣品讀值之間的一致相匹配。
  • TU5系列濁度分析儀器在各種應用和環境條件下表現出強大的效能。 即使在最具挑戰性的水質條件下也無需過多之維護。