一、前言

     隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的工業(yè)和生活垃圾大量增加，目前對(duì)垃圾進(jìn)行處理的主要方法是衛(wèi)生填埋，而進(jìn)行填埋都是露天作業(yè)，垃圾經(jīng)壓實(shí)后，隨著垃圾中生物的分解及遇到雨雪天氣時(shí)，雨水和雪水滲入填埋區(qū)，會(huì)產(chǎn)生垃圾滲濾液。滲濾液屬高濃度有機(jī)廢水，濃度值變化范圍大，其中含碳?xì)浠衔铩⑾跛猁}、硫酸鹽及微量銅、鎘、鉛等重金屬離子，細(xì)菌指標(biāo)很高，如不進(jìn)行處理直接排入水體，將嚴(yán)重污染當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境。為了保護(hù)水環(huán)境，必須加強(qiáng)對(duì)污水排放的監(jiān)測(cè)。檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和檢測(cè)儀表（主要是水質(zhì)分析儀）的質(zhì)量對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)起著至關(guān)重要的作用，本文結(jié)合某一污水處理廠的設(shè)計(jì)談?wù)勥@方面體會(huì)。

二、水質(zhì)分析儀的工作原理

     污水處理廠使用的分析儀有兩種：pH計(jì)和溶氧分析儀。 

     1、pH計(jì)的工作原理

     水的pH值隨著所溶解的物質(zhì)的多少而定，因此pH值能靈敏地指示出水質(zhì)的變化情況。pH值的變化對(duì)生物的繁殖和生存有很大影響，同時(shí)還嚴(yán)重影響活性污泥生化作用，即影響處理效果，污水的pH值一般控制在6.5～7之間。 水在化學(xué)上是中性的，某些水分子自發(fā)地按照下式分解：H2O=H++OH-，即分解成氫離子和氫氧根離子。在中性溶液中，氫離子H+和氫氧根離子OH-的濃度都是10-7mol/l，pH值是氫離子濃度以10為底的對(duì)數(shù)的負(fù)數(shù)：pH=-log，因此中性溶液的pH值等于7。如果有過(guò)量的氫離子，則pH值小于7，溶液呈酸性；反之，氫氧根離子過(guò)量，則溶液呈堿性。 pH值通常用電位法測(cè)量，通常用一個(gè)恒定電位的參比電極和測(cè)量電極組成一個(gè)原電池，原電池電動(dòng)勢(shì)的大小取決于氫離子的濃度，也取決于溶液的酸堿度。該廠采用了CPS11型pH傳感器和CPM151型pH變送器。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，測(cè)量電極上有特殊的對(duì)pH反應(yīng)靈敏的玻璃探頭，它是由能導(dǎo)電、能滲透氫離子的特殊玻璃制成，具有測(cè)量精度高、抗干擾性好等特點(diǎn)。當(dāng)玻璃探頭和氫離子接觸時(shí)，就產(chǎn)生電位。電位是通過(guò)懸吊在氯化銀溶液中的銀絲對(duì)照參比電極測(cè)到的。pH值不同，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的電位也不一樣，通過(guò)變送器將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4～20mA輸出。

　　2、溶氧分析儀的工作原理

     水中的氧含量可充分顯示水自?xún)舻某潭?。?duì)于使用活化污泥的生物處理廠來(lái)說(shuō)，了解曝氣池和氧化溝的氧含量非常重要，污水中溶氧增加，會(huì)促進(jìn)除厭氧微生物以外的生物活動(dòng)，因而能去除揮發(fā)性物質(zhì)和易于自然氧化的離子，使污水得到凈化。 測(cè)定氧含量主要有三種方法：自動(dòng)比色分析和化學(xué)分析測(cè)量，順磁法測(cè)量，電化學(xué)法測(cè)量。水中溶氧量一般采用電化學(xué)法測(cè)量。麥該廠采用了COS 4型溶氧傳感器和COM252型溶氧變送器。 氧能溶于水，溶解度取決于溫度、水表面的總壓、分壓和水中溶解的鹽類(lèi)。大氣壓力越高，水溶解氧的能力就越大，其關(guān)系由亨利（Henry）定律和道爾頓（Dalton）定律確定，亨利定律認(rèn)為氣體的溶解度與其分壓成正比。 以COS 4氧量測(cè)量傳感器為例，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中的電極由陰極（常用金和鉑制成）和帶電流的反電極（銀）、無(wú)電流的參比電極（銀）組成，電極浸沒(méi)在電解質(zhì)如KCl、KOH中，傳感器有隔膜覆蓋，隔膜將電極和電解質(zhì)與被測(cè)量的液體分開(kāi)，因此保護(hù)了傳感器，既能防止電解質(zhì)逸出，又可防止外來(lái)物質(zhì)的侵入而導(dǎo)致污染和毒化。 向反電極和陰極之間施加極化電壓，假如測(cè)量元件浸入在有溶解氧的水中，氧會(huì)通過(guò)隔膜擴(kuò)散，出現(xiàn)在陰極上（電子過(guò)剩）的氧分子就會(huì)被還原成氫氧根離子： O2+2H2O+4e-® 4OH-。 電化學(xué)當(dāng)量的氯化銀沉淀在反電極上（電子不足）：4Ag+4Cl-® 4AgCl+4e-。 對(duì)于每個(gè)氧分子，陰極放出4個(gè)電子，反電極接受電子，形成電流，電流的大小與被測(cè) 圖1 pH測(cè)量電極（左）和參比電極（右）的結(jié)構(gòu) 圖2 三電極COS溶氧傳感器結(jié)構(gòu)圖 污水的氧分壓成正比，該信號(hào)連同傳感器上熱電阻測(cè)出的溫度信號(hào)被送入變送器，利用傳感器中存儲(chǔ)的含氧量和氧分壓、溫度之間的關(guān)系曲線計(jì)算出水中的含氧量，然后轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。參比電極的功能是確定陰極電位。 COS 4溶氧傳感器的響應(yīng)時(shí)間為：3分鐘后達(dá)到最終測(cè)量值的90%，9分鐘后達(dá)到最終測(cè)量值的99%；最低流速要求為0.5cm/s。

三、特點(diǎn)

　　1、pH計(jì)的特點(diǎn)

     pH電極上的玻璃隨著時(shí)間推移會(huì)逐漸老化，梯度（單位pH值變化所引起的電極輸出電位的變化值）惡化，花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定電位。一般電極的使用壽命，可達(dá)兩年。另外，溫度對(duì)老化也有較大影響，100℃下貯存幾周的老化程度相當(dāng)于室溫下貯存一年的老化程度。 pH計(jì)具有高精度、高可靠性、安裝及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)污染也較敏感，需要經(jīng)常標(biāo)定，一般每隔一個(gè)到一個(gè)半月標(biāo)定一次，每?jī)赡旮鼡Q一次電極。

　　2、溶氧儀的特點(diǎn)

     溶氧儀具有安裝方便，標(biāo)定周期長(zhǎng)（3～4個(gè)月），對(duì)其他物質(zhì)不敏感等特點(diǎn)，并且能監(jiān)測(cè)隔膜和探頭內(nèi)電解質(zhì)的使用情況，一般每一至三年更換一次電解質(zhì)和隔膜。 COM252型溶氧變送器屬智能化儀表，帶有HART或Profibus通訊協(xié)議，還具有自診斷功能，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)顯示故障代碼，提示維護(hù)人員故障所在，通過(guò)查維護(hù)手冊(cè)找出解決故障的辦法，大大降低了維護(hù)時(shí)間和工作量。

四、安裝及維護(hù)

　　1、pH計(jì)的安裝和維護(hù)

     pH計(jì)的安裝方式有流通式和浸入式兩種。污水處理廠一般選用的是浸入式安裝，如該污水處理廠的pH計(jì)安裝在氧化溝的出口溢流槽內(nèi)，此處的pH值較具有代表性，且水流平穩(wěn)，對(duì)pH計(jì)不會(huì)造成大的沖擊。 定期的維護(hù)有助于儀表的準(zhǔn)確測(cè)量和延長(zhǎng)儀表的使用壽命。應(yīng)當(dāng)注意傳感器和變送器之間的專(zhuān)用電纜不能受潮，否則電極的高阻低壓信號(hào)將無(wú)法傳送至變送器。若電極不測(cè)量時(shí)，應(yīng)將黃色保護(hù)套管套上，它能使電極處于濕潤(rùn)狀態(tài)，有利于延長(zhǎng)電極的使用壽命。每隔一個(gè)月左右，應(yīng)對(duì)電極進(jìn)行清洗，先用柔和的水流噴洗附著物，再將電極浸泡于清洗液中一段時(shí)間，而后用清水洗凈。傳感器支架也應(yīng)清洗。每次清洗之后，要用緩沖劑溶液進(jìn)行標(biāo)定，目前國(guó)產(chǎn)的pH標(biāo)定液中，pH=4的還可以，pH=7的不夠準(zhǔn)確，將會(huì)影響標(biāo)定結(jié)果。所以可以使用生產(chǎn)廠家的標(biāo)定液，生產(chǎn)廠家一般提供兩瓶標(biāo)準(zhǔn)溶液，一瓶pH值等于7，用于標(biāo)定儀表零點(diǎn)；一瓶pH等于4，用于標(biāo)定儀表的信號(hào)輸出斜率。

　　2、溶氧儀的安裝和維護(hù)

     溶氧儀一般采用浸入式安裝，在此應(yīng)注意，一定要選用原廠的安裝支架。廠家配帶的安裝支架為不銹鋼制成，帶有塑料鏈條，通過(guò)調(diào)整鏈條長(zhǎng)度可以改變傳感器的浸入深度，支架上的引導(dǎo)管保證了傳感器始終處于垂直位置。支架部分都經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，它可以將水面的波動(dòng)傳至浸入管，從而引起浸入管的輕微振動(dòng)，使得通過(guò)浸入管在探頭的表面產(chǎn)生一個(gè)附加的清洗效果。有的用戶(hù)為了減少投資，自己制作安裝支架，往往導(dǎo)致支架上的浸入管和傳感器之間密封不嚴(yán)，污水滲入，使得專(zhuān)用電纜和傳感器的連接處長(zhǎng)期浸泡在污水中，容易造成傳感器的損壞；有的甚至不做安裝支架，直接將傳感器投入水中，這樣在傳感器和電纜之間會(huì)形成較大的拉力，傳感器更容易損壞。 溶解氧探頭每周應(yīng)用水輕輕清洗，發(fā)現(xiàn)膜頭損壞應(yīng)及時(shí)更換，電解液受污染也應(yīng)及時(shí)更換。當(dāng)污水中含有H2S、NH3、苯或酚這些成份時(shí)，對(duì)膜頭是有害的。在這種場(chǎng)合下必須經(jīng)常更換膜頭。判斷探頭中電極的好壞只需看顏色即可，參考電極應(yīng)是黑灰色，陰極（金電極）應(yīng)呈黃色，而反電極必須發(fā)亮，否則應(yīng)進(jìn)行清洗或再生。

五、結(jié)束語(yǔ)

     隨著我國(guó)對(duì)水資源保護(hù)的日益重視，污水的凈化處理顯得越來(lái)越重要，而與之配套的處理過(guò)程所需的檢測(cè)儀表是必不可少的。水質(zhì)分析儀作為污水處理行業(yè)中較為重要的儀表，除了選型和安裝正確以外，定期的維護(hù)和標(biāo)定也十分重要，而且是使儀表能夠真正發(fā)揮作用的關(guān)鍵所在.

工作原理

氧傳感器的關(guān)鍵部件是氧化鋯，在氧化鋯元件的內(nèi)外兩側(cè)涂上多孔性鉑電極制成氧濃度差電池。它位于傳感器的頂端。為了使電池保持額定的工作溫度，在傳感器中設(shè)置了加熱器。用氧分析儀內(nèi)的溫度控制器控制氧化鋯溫度恒定。氧化鋯氧量分析儀的構(gòu)成是由氧傳感器(又稱(chēng)氧探頭、氧檢測(cè)器)、氧分析儀(又稱(chēng)變送器、變送單元、轉(zhuǎn)換器、分析儀)以及它們之間的連接電纜等組成。

主要原理

氧化鋯探頭是利用氧化鋯濃差電勢(shì)來(lái)測(cè)定氧含量的傳感器，其核心的氧化鋯管安置在一微型電爐內(nèi)，位于整個(gè)探頭的頂端。

氧化鋯管是由氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴，因此在高溫下它是良好的氧離子導(dǎo)體。因其這一特性，在一定高溫下，當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時(shí)，它便是一個(gè)典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實(shí)際的氧探頭中，空氣流經(jīng)外電極，煙氣流經(jīng)內(nèi)電極，當(dāng)煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0(20.6%O2)時(shí)，空氣中的氧分子從外電極上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)氧離子，發(fā)生如下電極反應(yīng):

O(P0)+4e-→2O-2

氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應(yīng):

2O-2 →O(P0)+4e-

由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢(shì)又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢(shì)信號(hào)E,該電勢(shì)信號(hào)符合"能斯特"方程:

E=(RT/4F)Ln(P0 /P) (1)

式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管溫度(K), P0是空氣氧含量(20.6%O2), P 是煙氣含量。由(1) 式可見(jiàn)，在一定的高溫條件下(一般)600℃)，一定的煙氣氧含量便會(huì)有一對(duì)應(yīng)的電勢(shì)輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢(shì)值在高溫區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)氧含量。 在理想狀態(tài)下，當(dāng)被測(cè)煙氣與參比氣濃度一樣時(shí)， 其輸出電勢(shì)E值為 0 mV, 但在實(shí)際應(yīng)用中，鋯管實(shí)際條件和現(xiàn)場(chǎng)情況均不是理想狀態(tài)。 故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上，一定氧含量鋯管輸出的電勢(shì)為理論值和本底電勢(shì)的和，我們稱(chēng)為無(wú)濃差條件下鋯管輸出的電勢(shì)值為本底電勢(shì)或稱(chēng)為零位電勢(shì)， 此值的大小又在不同溫度下呈不同的值， 并且隨鋯管使用期延長(zhǎng)而變化。 因此， 如不對(duì)此情況處理，會(huì)嚴(yán)重影響整套測(cè)氧儀的準(zhǔn)確和探頭壽命。