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    Ryo Hashimoto詳述了分析測量的使用以及分析測量在確保飲用水質量和安全性方面所起的重要作用

    數量充足、質量安全的水是人類生存必不可少的。從地區來看，亞洲面臨著嚴重的供水壓力，主要原因是亞洲的人口密度高，農業和工業用水量大。

    飲用水的質量是一個健康問題，因為水是疾病傳播的媒介。在東南亞，如同其它發達地區一樣，可能存在顯著的水質問題，在這些問題中，由致病微生物導致的飲用水源污染仍然是最重要的問題。

    影響全球水處理市場的主要因素來自環境監管部門。越來越多的國家正在采取嚴格的政策法規，促進環保產品的采用，特別是涉及人體接觸的產品。

    其結果是，為了滿足全球迅速變化的環境要求，專門用于水處理產品的需求量正在呈現上升趨勢。來自亞洲和拉丁美洲的經濟體，尤其是中國、印度和巴西的需求，正在驅動整個水處理設備及服務市場的增長。

    獲取更清潔、更純凈水的需求造就了一個強有力的事實，即移動水處理裝置在亞太地區的迅速發展。移動系統可以提供一系列處理選項，包括：澄清、過濾、脫鹽、反滲透、膜分離、以及誘導空氣/氣體浮選。系統是橇裝結構，可以現場安裝或者拖車安裝，拖車包含儀器和設備，是完全自動監控操作。

    此外，水處理廠的規模也是多種多樣的，沒有兩個廠是一模一樣的。但是，無論是國有的、私有的、還是移動的水處理廠，它們都有著相同的目標——為客戶社區提供安全可靠的飲用水源。液體分析系統在維護水廠安全方面起著至關重要的作用。

    要處理所用原水水源中的污染物，自來水公司應當選擇恰當的水處理工藝組合，常用的工藝包括：預處理、凝聚、絮凝、沉淀、過濾和消毒，其它處理方法還包括離子交換、反滲透以及吸附。

    在上述每個工藝過程中，優化使用液體分析測量將為水處理廠節省時間和金錢，并有助于提高水的純度和安全性。此外，優化使用這些測量還有助于改進工藝過程和相關的副產品。

    預處理

    為了更好地定義水處理廠所用原水水源的動態特性，在進入處理過程之前，要進行一些液體分析測量。進水監測測量包括：pH值、電導率、溫度、濁度和溶解氧。

    有些水廠還需保存每個測量的永久記錄，以便今后參考，或者用于檢測源水水源的季節變化。

    在水進行澄清處理前，需要通過粗過濾器，去除較大的物體，阻止它們進入水處理廠。預處理還包括一次消毒工藝，即使用氯或臭氧，處理藻類的生長以及化學品和微生物的氧化。

    燒堿是基本化學構造塊之一，正因如此，它具有多樣化的應用，其中之一就是水處理。市政水處理設施使用燒堿調節pH值、離子交換再生和生成次氯酸鈉。特別是在控制pH值時，燒堿中和廢酸，還有其它類似的應用。燒堿可以對抗其它的堿，特別是碳酸鈉（純堿）。選擇燒堿的常見因素是其堿性更強，易于存儲和處理。

    預處理是水處理的第一步，在混合罐的濾床前面，使用環形電導率可以測量流體中是否含有燒堿，該測量結果可以表明進料泵是否正常工作。環形電導率傳感器在此應用中持久耐用，電導率值下降表明進料泵沒有往水流體中注入燒堿。

    一次消毒

    由于水是一種萬能的溶劑，它會與各種不同的病原體接觸（細菌、病毒和寄生蟲原蟲），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這些病原體污染，通過化學消毒和機械過濾處理，能夠完成讓病原體失去活性的操作。

    氯可作為飲用水的化學消毒劑，臭氧（O3）也是水處理時使用的強力消毒劑。臭氧消毒與氯消毒相比，其攻擊水中病原體化學鍵的速度更快，從而降低有機物質、鐵、‎錳和硫的濃度，減少或消除氣味和味道的問題。

    氯作為一種緩慢的氧化劑，對細菌的影響有限，隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲都十分耐氯。臭氧處理作為一種快速、有效的處理技術，在一次消毒工序日益普及。

    臭氧空氣通過接觸容器內的水，向上鼓泡，當水達到接觸容器的端部時，一次消毒完成，臭氧又轉換回氧。為了正確地進行臭氧消毒，需要合適的水接觸時間和適當的臭氧投入量。

    澄清

    在預處理和一次消毒后，原水澄清通常是一個多步驟的過程，目的是降低水的濁度和懸浮固體。澄清通常包括混凝、絮凝和沉淀工序。

    較小的顆粒物結合或“混凝”成較大的蓬松顆粒物，稱為“絮凝物”， 使原水水源中“泥沙”沉淀下來。通過加入化學混凝劑，諸如：明礬、鐵鹽或合成的有機聚合物，促進混凝過程。在加入化學品后，水流經混合通道，在混合通道進行閃混。

    絮凝物被機械攪拌，以便吸附懸浮固體和微生物。在此過程這保持合適的pH值十分重要，因為它能改善混凝過程，降低水的濁度。

    如果原水水源有異常高的硬度，則需要向水中加入石灰和蘇打灰這樣的化學品，以減少鈣和鎂的含量。石灰軟化法可以使水的硬度達到60-120 ppm，但是，該方法導致水的pH值較高，因此，處理后的水需要進行緩沖，以降低pH值，使其達到后續工藝可以接受的數值。

    絮凝物沉降到底部，在沉淀池形成污泥。由于污垢和化學試劑變得足夠重，因此沉到池子的底部，使較大的顆粒物自然地沉降或沉淀出來。污泥通過機械鏟運機除去，并妥善處置。水從沉降池的表面取出，并流入下沉的水通道。

    過濾

    沉淀工藝去除了25微米以上的顆粒物，但是該過程不是100%的有效，因此還需要進一步的過濾。進入過濾工序的水濁度是1-10 NTU。

    水流經砂過濾器，向下滲濾，順序通過砂、礫石、無煙煤的組合層，以及礫石和細砂的混合層，較大的顆粒物首先被阻攔，較小的顆粒物諸如粘土、鐵、錳、微生物、有機物、其它處理過程的沉淀物和淤泥也將被去除，從而得到清澈的水。

    過濾工藝還要將在一次消毒過程中有機化學品與微生物氧化反應產生的殘余物質去除掉，在預處理過程中耐氯消毒或耐臭氧消毒的微生物去除掉。

    過濾器必須定期進行反沖洗，以去除在過濾介質上累積的沉淀物。用濁度儀連續監測濾床的流出物，以此可作為衡量過濾器性能以及過濾器反沖洗需求的指標。濁度參數反映樣品的清澈度，外觀混濁的水是由水中微小顆粒物導致的。濁度測量還有助于監控、提高工廠的效率，濁度值高表明過濾器工作不正常，需要進行反沖洗。

    政府部門的規章制度適用于公共供水系統，其要求水處理廠要將有害的微生物和病毒降至最低。設想過濾系統通過滿足特定的濁度極限值，再結合充分的消毒，可以完成將有害的隱孢子蟲、賈第鞭毛蟲和病毒降低到最低百分比的工藝操作。

    通過測量組合過濾器出水的濁度，可以確定過濾過程的充分性以及微生物的去除情況，以便滿足政府的標準。這個標準包括：濁度監測的頻率、最大的濁度極限值、核準的濁度測量方法。

    二次消毒

    二次消毒是防止某些病原體的再次生長，這些病原體是由回流污染進入或引入處理廠的。為了符合二次剩余的消毒規定，工廠要在最后的處理步驟，用氯化處理方式進行二次消毒。當今，加氯是以氯氣（CI2）、次氯酸鈉（NaOCl）或者二氧化氯（CIO2）作為二次消毒劑。

    向水中加氯時，游離氯形成次氯酸（HOCI）和次氯酸根離子（OCI-）的混合物，每種物質相對的量取決于pH值，次氯酸（HOCI）和次氯酸根離子（OCI-）的總量定義為游離氯（余氯）。對于消毒水來說，次氯酸（HOCI）不僅比次氯酸根離子（OCI-）的反應更活躍，而且具有更強的消毒和氧化作用，次氯酸（HOCI）的效力是次氯酸根離子（OCI-）的80-100倍。

    1974年在飲用水中發現了氯化副產物。當氯與溴以及水源中存在天然有機物質反應時，便形成了氯化副產物，該物質對人類有潛在的健康影響。在分析儀器中，氯通過半透膜擴散傳感器內部，傳感器產生與氯濃度成比例的電流信號。

    目前有了替補氯的消毒方法，如氯胺。這種消毒方法要向水中加氯和氨的化合物，經適當控制，形成氯胺。

    與加氯相比，氯胺產生的氯化副產物較少，而且這些副產物以一氯胺、二氯胺和三氯胺的形式存在，一氯胺是三種形態中最理想的，因為它很少有或者沒有味道或氣味，被認為是最有效的消毒劑。采用氯胺進行消毒處理的工廠操作人員需要精確確定在水處理系統中一氯胺的用量。

    最終處理

    許多供水系統水中已經有氨，或者在處理過程中加氨，配水系統中多余的氨會促進生物生長和氮的硝化作用。如果系統位于水質退化的偏遠地區，則不好的水質會影響水的感官質量 （諸如：水的味道、氣味和顆粒物）。如果系統位于很難持續提供合格氯的地區，則可能直接導致生物生長和氮的硝化作用。

    當水中天然含有氨或者用氯胺對水進行消毒時，會用到“游離氨”這一術語。在氯胺化過程中，向水中添加氯和氨，形成一氯胺，部分沒有與氯化合的氨稱為游離氨，根據水的pH值和溫度，游離氨以NH4+或NH3的形式存在。

    水的典型pH值是7.0-7.8，溫度是12-24ºC，96%以上的氨是銨離子形式（NH4+），隨著pH值和溫度的升高，NH3的含量增加，NH4+的含量減少。

    確定處理過的水是否含有氨的唯一精確的方法是進行氨分析，如果檢測到氨，則需要在游離氨的輸配系統中探索額外的采樣裝置。地下水的含氨量是0.2-2.0mg/L。

    市政飲用水廠仔細控制游離氨（通常也描述為總氮或NH3 -N）和氯胺（通常也稱為一氯胺或MCL）的含量，
以確保水是適合人類消費的。可提供單測量系統操作面板或雙測量系統操作面板。

    水處理的無線方案

    水處理最顯著的新趨勢之一是在遠程或難以到達的位置，采用無線分析技術。pH和電導率的無線監測在市政水務市場的許多領域發揮了關鍵作用，新的無線pH和電導率變送器可以集成到水廠的網絡中，使得采用無線技術變得輕而易舉。

    新的適配器技術使無線技術可以添加到具有HART通訊能力的分析儀器里面，且無需軟件升級、電池或額外的硬件，從而使有線系統轉變為無線系統的成本效益高，可擴展性強，而且簡單易用，這種方法可以為水廠節約90%的安裝成本。

    此外，無線分析儀可以將過程變量和診斷數據傳遞給中央控制系統，減少現場人員和維護的工作量。

    新系統配備了機載數據記錄功能，允許過程數據和事件傳輸到USB存儲設備，用于計算機分析，使得水廠的控制系統更加靈活。

    在水行業，無線技術的第一個明顯好處就是無需電源，無需與主機通訊的布線。水廠和網絡可以方便地、高性價比地集成無線pH和電導率分析儀和傳感器，不用考慮難以布線的挑戰或安裝位置的偏遠。

（文章發表在2013年3月Control Engineering Asia刊物上）