廢水處理過程監測應用 | WTW IQ Sensor Net 紫外-可見分光光度傳感器

廢水過程監測對于水資源回收設施（WRRF）的有效管理至關重要。實驗室對人工采樣或混合樣品的測量是合規監測的主要方法。然而，過程監測越來越多地通過在線分析儀表來完成。連續監測給決策制定提供關鍵信息，并減輕操作人員每天多頻采樣和測量過程參數的負擔，使污水處理廠能夠最大限度地減少化學品和能源投入，并避免工藝異常。在過去十年中，傳感器技術的選擇和可靠性已大幅提高。例如，基于分光光度法的傳感器現在可用于直接測量重要參數，無需使用需要經常補充的昂貴試劑。

分光光度法

電位法無需試劑且相對便宜，但電極會漂移，需要定期重新校準，最終還需整體更換。此外，利用紫外-可見光光度法原理，通過測量紫外線（UV）和可見光穿過樣品的透射率，可快速直接地檢測有機碳、硝酸鹽和亞硝酸鹽，無需使用試劑。

掌握電磁輻射（EMR）基礎知識有助于理解分光光度法在廢水監測中的應用原理。地球始終處于一種能量形式的EMR中。EMR的形式按波長區分，如圖4所示的電磁波譜所述。波長和能量成反比，因此波長較長的EMR能量相對較低，反之亦然。高能宇宙射線（波長為十億分之一nm及以下）位于光譜的一端，而低能無線電波（波長為10億nm及以上）位于另一端。

各種形式的EMR以多種不同方式與物質相互作用。例如，太陽的熱量來自其波長所定義的紅外EMR。光譜法是對EMR與物質之間相互作用的測量。分光光度法是光譜法的一個分支，是對EMR（光）的吸收或透射率隨波長變化的測量。當應用于測量200~800nm波長范圍內（涵蓋紫外線輻射和可見光區域）的吸收時，它被稱為紫外-可見分光光度法。在這些范圍內，EMR與物質的相互作用（吸收）主要由較高能量將電子從較低基態激發到較高激發態所主導。所吸收的紫外或可見光的波長取決于電子激發的難易程度，而這又取決于分子結構和電子構型。哪些電子構型會導致在紫外-可見光范圍內的吸收，這個問題的答案很復雜。

有幾條簡單規則有助于理解：

• 在廢水樣品中，長波長可見光范圍（400~800nm）的吸光度主要由濁度引起。

• 許多有機分子在250~350nm的紫外波長范圍內吸收。

• 簡單的碳氫化合物、糖類或醇類無法被檢測到，但這些化合物通常與其他可被檢測和關聯的吸收分子結合存在。

• 硝酸鹽和亞硝酸鹽在短（<250nm）紫外波長處吸收。

同樣需要了解的是，在紫外-可見光范圍內，其他EMR相互作用即使不占主導地位，也具有重要意義。因此，任何特定物質的吸收都發生在一個波長帶上，而非單一離散波長。

氮參數

硝酸鹽（NO3?）可在紫外范圍內直接檢測，濃度根據朗伯-比爾定律計算。硝酸鹽的單波長檢測峰值吸收附近的波長處實現，該波長處硝酸鹽的信號占主導。所使用的確切波長因儀器而異，但通常在220nm左右。根據單波長測量，亞硝酸鹽會干擾硝酸鹽的測定，因為兩種物質的吸光度光譜非常相似且嚴重重疊。不存在單一波長可將硝酸鹽和亞硝酸鹽的光譜分離到足以直接測定其中一種而不受另一種干擾的程度。針對硝酸鹽優化的單波長傳感器將僅捕獲樣品中亞硝酸鹽的一部分，導致在亞硝酸鹽含量較高的樣品中低估NOx。因此，當亞硝酸鹽也很重要時，用戶在使用單波長硝酸鹽檢測時必須謹慎。除亞硝酸鹽外，還存在由有機物引起的干擾。

同樣，提供更精確的硝酸鹽測量的解決方案是使用光譜傳感器掃描多個波長。此外，為了區分并單獨報告硝酸鹽和亞硝酸鹽，理想的波長間隔應小于1nm。計算氮參數的算法比計算碳綜合參數所需的算法更簡單——硝酸鹽和亞硝酸鹽的光譜與樣品類型無關。也就是說，當校準光譜和樣品光譜指紋合理匹配時，將實現最佳性能。

紫外-可見分光光度傳感器的設計

表1總結了WTW IQ SensorNet紫外-可見和紫外分光光度傳感器的各種類型。SAC（UVT-254）和NOx傳感器是單波長通用傳感器。CarboVis®、NitraVis®和NiCaVis®是用于市政廢水應用的多波長光譜傳感器。TS版本還將報告總懸浮固體（TSS）。NI版本報告硝酸鹽和亞硝酸鹽。有兩種測量光程選項：1 mm和5 mm。1 mm光程用于監測未處理廢水和混合液懸浮固體（MLSS）。5 mm光程用于監測低濁度的處理后出水廢水。

紫外-可見分光光度傳感器如圖9所示。該傳感器由外殼、內部光學元件和固件所在的電子元件組成。外殼由可浸入水中的圓柱形主體構成，用于保護內部光學元件。IQ SensorNet紫外-可見傳感器由直徑60 mm的鈦金屬制成，以實現最大耐用性。

透鏡位于傳感器一側切割出的測量窗口的兩側。當傳感器浸入廢水中時，測量窗口充滿樣品。或者，流通池圍繞測量窗口安裝在傳感器上。IQ SensorNet紫外-可見傳感器的透鏡由藍寶石制成，具有更強的耐用性和更好的光學性能。自動清潔系統對于防止透鏡外部結垢至關重要，結垢會干擾傳感器，導致不可接受的誤差。IQ SensorNet紫外-可見傳感器包括內置的超聲波清潔系統UltraClean™。

紫外-可見傳感器的主要光學組件是用于獲取原始吸光度測量值的分光光度計。IQ SensorNet紫外-可見傳感器的光學組件如圖10所示。光源是氙氣閃光燈（1），其發射從紫外到可見光的波長范圍內的光。氙氣燈的壽命極長。光學系統的發送器（2）將燈的輸出分開，引導測量光束（6）穿過藍寶石透鏡和測量間隙（3）中的樣品。第二束光，即參考光束（8），在傳感器主體內無樣品的路徑上傳播。分光束設計是最常見的典型設計。然而，IQ SensorNet中測量通道和參考通道的光學組件相同，可提供自動漂移補償和長期穩定性。光學系統的接收器（4）將測量光束和參考光束引導至由一個或多個固定光電二極管組成的檢測器（5）。單波長配置測量紫外范圍內單一波長的吸光度。來自可見光范圍內約550nm的第二波長的吸光度用于補償濁度。