在线水质分析仪器-比色法原理的成果

比色法,即分光光度法,在强酸性溶液中,以重铬酸钾作为氧化剂,在催化剂作用下,于一定温度加热消解水样,使水样中的还原性物质被氧化剂氧化,而重铬酸钾中的铬离子由六价被还原为三价,在一定波长下,用分光光度计测定三价铬或六价铬的含量,换算至消耗氧的质量浓度。主要的化学反应式如下:

为了达到快速测定COD 的目的,一般的快速COD 测定仪会改变反应条件,如提高酸度、加入复合催化剂、提高氧化剂重铬酸钾的浓度、提高反应温度等来缩短消解时间,由原来国标法的2 h,缩短至30 min,甚至更短的时间。

(1)在线COD 分析仪结构介绍

典型的重铬酸钾-比色法COD 在线分析仪主要结构如图8.1所示,主要由两部分组成:电气单元、分析单元。电气单元与分析单元完全分开,防止分析单元的药剂等物质腐蚀电气单元的元件。分析单元内有强酸和剧毒液体,并且在测量过程中,会产生高温、高压环境,可能会危及对人身安全。所以从安全考虑,设计安装安全面板非常重要。当仪器进行测量时,安全面板无法打开,只有在仪器处于初始状态(消解池清空、常温、常压)时才可以开启面板。

图8.1　重铬酸钾-比色法COD 在线分析仪

1—托盘;2—试剂;3—安全面板;4—废液排放管;5—进样管;6—电源线;7—屏蔽电缆口;8—仪器外壳;9—RS-232 接口;10—显示屏;11—键盘;12—仪器门

分析单元测定流程如图8.2所示。

图8.2　在线COD 分析仪测定流程

美国哈希(HACH)公司的CODmaxⅡ在线COD 分析仪基于国家标准HJ 828—2017 规定的重铬酸钾-比色法,由于其出色的准确性,已广泛用于工业和市政行业,其分析单元结构如图8.3。其关键部件为消解系统、取样系统、光学定量系统、确保安全的湿度传感器。

图8.3　HACH 公司CODmaxⅡ在线COD 分析仪的分析单元结构图

1—活塞泵;2—消解单元;3—光度计;4—高液位光度计;5—低液位光度计;6—阀单元;7—计量管

消解系统的主要特点有:

1)消解系统:

①采用强氧化剂和高温175 ℃进行高温消解,为短时间消解创造可能。

②根据实际水质可调整反应时间设置以保证100%氧化,确保测量的可靠性。

③可靠的设计使消解和测量共用测量池,从而避免因消解与测量分开进行操作时带来的误差。

2)取样系统:重铬酸钾法COD 在线分析仪的取样系统因接触的试剂和样品均是强腐蚀性,因此对取样系统的设计要求很高,一般不会采用传统的蠕动泵,而采用活塞泵。活塞泵取样系统具有如下特点:

①与样品和试剂没有直接接触,减少被腐蚀的可能性,既提高了可靠性,又减少了维护量。

②不挤压泵管,不需经常更换泵管,降低运行成本。(www.xing528.com)

3)光学定量系统:利用光学原理,定量水样和试剂,提高了水样和试剂的定量精度,在关键因素上保证了测试的准确性。

4)确保安全的湿度传感器:为了防止有毒液体发生泄漏,对人员造成伤害,破坏环境,仪器设计的湿度传感器全天候工作。当系统管路出现泄露现象时,仪器立即停止工作并报警,只有当泄漏消除且报警信息得到确认后,仪器才能重新开始测量,从而保证了人员和环境的安全。

(2)在线COD 分析仪的安装

一般来说,在线COD 分析仪的设计条件为室内运行。图8.4为HACH 公司CODmaxⅡ在线分析仪外观,图8.5为我国杭州聚光科技COD-2000 分析仪外观。在线COD 分析仪理想的位置应该是干燥、通风、易于进行温度控制的地方。同时,选择尽可能靠近样品源的位置安装分析仪,尽可能地减少分析延迟。仪器的实际安装可以根据现场情况确定,如图8.6所示为其中的一种安装方式。为使该检测过程顺利完成同时保证一定的准确度和重复性,可选择采用预处理子系统对待测水样进行前期预处理。预处理系统采集待测水样,然后对该水样进行破碎均质处理,同时还需要将泥沙等硬质颗粒从水样中分离,并且具备定期自动清洗维护的功能。

图8.4　HACH 公司CODmaxⅡ在线COD 分析仪

图8.5　杭州聚光科技COD-2000 分析仪

图8.6　HACH 公司CODmaxⅡ在线COD 分析仪的仪器安装图

1—电源插头;2—在线COD 分析仪;3—废液槽;4—样品预处理;5—泵的控制单元;6—潜水泵;7—来自继电器采样请求的控制线

(3)在线COD 分析的应用

工业废水和市政污水处理厂的排放都是连续的。以前,都是采用实验室测量方法测量COD值,一般一天只测量1 次,并认为这是一天的COD 平均值。但是,排放污水的COD值是不断变化的,一天测量1 次,只能了解某一时刻的COD值,不能代表其他时刻的COD值。所以,需要采用在线仪表进行测量,为环保监测、污水处理工艺调整以及数据统计提供更多的真实数据。

1)工业排水口监测应用:工业废水由于污染物浓度较高,不能直接排放,表现在COD值高,含有一定的重金属,且可能含有有毒物质。不同工业废水由于所含有机物不同,其降解的难易程度也不一样,所以针对不同的工业废水可以采用不同的消解时间。按照规定,工业废水必须经过处理,满足排放标准后才能排放。

为实时监测某焦化厂的废水排放,在其废水排放口安装COD 在线分析仪(图8.7),并通过数据采集仪器把数据传送到监测中心。这样,监测中心就可以实时了解该焦化厂的排污情况了。

图8.7　某焦化厂污染源监测仪器

2)市政污水处理厂进、出水口监测应用:市政污水处理厂在进、出水口都需要测量COD值。出水口的COD 检测是为了检测经污水处理厂处理后的出水水质情况,进水口的COD 检测是要了解污水负荷,调整工艺运行参数。比较进、出水口的COD值,可以知道污水处理厂的COD 处理效率。

某污水处理厂采用MBR 工艺,工艺流程如图8.8所示。设计日处理能力为6 万t 的MBR 膜处理工艺,污水经预处理,再进入MBR 膜生物反应池,去除COD、BOD、N、P 等污染物。

图8.8　MBR 工艺流程图

在该污水处理厂出水口安装重铬酸钾法COD 在线分析仪,实时监测出水水质。由于采用国标方法测量CODCr,还可以作为排水的环保监测。