Rika Sensor — производитель датчиков погоды и поставщик решений для мониторинга окружающей среды с более чем 10-летним опытом работы в отрасли.
Какие инструменты используются для мониторинга качества воды?
Анализ качества воды включает в себя оценку её химической, физической и биологической пригодности для конкретного применения. Требования к параметрам воды для рыбоводческих хозяйств будут отличаться от требований для фармацевтических производств.
Для точного мониторинга качества воды необходим целый ряд приборов . Эти приборы должны иметь различные диапазоны, разрешение, точность, время отклика и повторяемость в зависимости от конкретной области применения. Датчики — один из важнейших инструментов мониторинга качества воды. Для комплексной системы мониторинга воды вам также понадобятся тест-полоски, пробоотборники, регистраторы данных и преобразователи.
Чтобы понять важность мониторинга качества воды, ознакомьтесь с нормативными актами ВОЗ и других глобальных и региональных организаций, касающимися питьевой воды. Низкое качество воды не только приводит к производству некачественной продукции, материальному ущербу и сокращению срока службы оборудования, но в некоторых случаях также наносит серьёзный вред здоровью человека и экономике в целом. Цель этой статьи – предоставить вам информацию обо всех основных параметрах мониторинга качества воды, инструментах для измерения качества воды и их значении в различных областях применения.
Нормативные стандарты и их роль в мониторинге
Существует множество организаций, регулирующих требования к качеству воды для конкретных условий использования. Некоторые из них обеспечивают более строгий контроль по сравнению с другими. Например, если мы следуем требованиям Агентства по охране окружающей среды (EPA) (США) и Европейской комиссии (ЕС), мы также соблюдаем требования ВОЗ и ISO (глобальные). EPA и EC — это местные органы, которые обеспечивают гораздо более строгий контроль качества воды по сравнению с глобальными организациями. В промышленном секторе стандарты могут различаться в зависимости от отрасли.
Некоторым организациям может потребоваться мониторинг уровня растворенного кислорода (РК) в воде, в то время как другим может потребоваться только мониторинг pH и температуры. Нормативные стандарты гарантируют пригодность воды для конкретного применения. Вот несколько примеров:
▋Мониторинг окружающей среды
- ВОЗ и ЮНЕП: глобальные руководящие принципы и мониторинг экосистем.
- ISO (серия 5667): стандартные методы отбора проб.
- Агентство по охране окружающей среды США (Закон о чистой воде) и Рамочная директива ЕС по водным ресурсам: основные региональные регуляторы.
- Национальные агентства (например, Геологическая служба США, Министерство энергетики Китая, Центрально-политическое бюро Индии, Агентство по охране окружающей среды Пакистана, Министерство энергетики Японии): внедрять и обеспечивать соблюдение на местном уровне.
▋Питьевое водоснабжение и очистка воды
- WHO:Рекомендации по качеству питьевой воды.
- Директива Агентства по охране окружающей среды США (SDWA) и ЕС о питьевой воде: обязательные к исполнению стандарты.
- Национальные министерства/органы власти (например, Министерство здравоохранения Канады, NHMRC Australia, SASO, PSQCA, BIS): Местное принятие.
▋Сточные воды и промышленные стоки
- U.S. EPA(разрешения CWA, NPDES)
- Директива ЕС по городским сточным водам
- Национальные агентства по охране окружающей среды (Министерство по охране окружающей среды Китая, Центральное бюро по охране окружающей среды Китая, Агентство по охране окружающей среды Пакистана, Министерство охраны окружающей среды Японии): стандарты очистки сточных вод.
▋Аквакультура и сельское хозяйство
- FAO:Руководство по аквакультуре.
- Директива ЕС по нитратам и Агентство по охране окружающей среды США: стандарты сельскохозяйственной воды.
- Национальные министерства сельского хозяйства (например, ICAR India, MARA China): местное исполнение.
По данным ВОЗ, микробиологически загрязнённая питьевая вода может стать источником таких заболеваний, как диарея, холера, дизентерия, брюшной тиф и полиомиелит, которые, по оценкам, ежегодно становятся причиной около 505 000 смертей от диареи. Это лишь один из многочисленных способов, которыми качество воды может влиять на нашу жизнь.
Приборы для измерения физических параметров
Физические параметры воды – это те, которые влияют на её внешний вид, вкус и удобство использования. Это наблюдаемые, осязаемые свойства воды. Вот некоторые ключевые физические параметры, которые можно измерить с помощью датчиков качества воды:
▪ Температура
В более широком смысле температура — это мера кинетической энергии воды. Она является ключевым показателем точки перехода воды в фазовое состояние. Мониторинг температуры воды широко применяется в промышленности.
Мониторинг температуры жизненно важен для водных организмов, химических реакций и электростанций. Простая конструкция обеспечивает высокую надёжность этих датчиков в подобных приложениях. Обычно в качестве материала для датчиков температуры используется платина, а в терморезисторах — полупроводники. Изменение температуры датчика приводит к изменению сопротивления материала. Изменение сопротивления регистрируется электронными средствами и преобразуется в показания температуры.
▪ Мутность и общее содержание взвешенных частиц (ОВВ)
В процессе очистки воды и мониторинга состояния окружающей среды датчики мутности и взвешенных частиц (TSS) определяют мутность воды. Степень мутности отражает количество взвешенных веществ в воде, включая ил, водоросли и микроскопические организмы. Присутствие этих веществ может снизить качество питьевой воды и закупорить жабры рыб, препятствуя проникновению солнечного света, необходимого для фотосинтеза водных растений.
Эти датчики используют эффект Тиндаля, то есть рассеяние света водой, содержащей взвешенные частицы. Датчик пропускает свет через воду и измеряет его количество. Низкое пропускание света означает высокую мутность и содержание взвешенных частиц в воде. Мутность и содержание взвешенных частиц измеряются в нефелометрических единицах мутности (NTU) и взвешенных частицах (TSS) (часто в мг/л) соответственно.
▪ Электропроводность (EC), соленость и общее содержание растворенных твердых веществ (TDS)
Присутствие солей в воде увеличивает её электропроводность. Поэтому один датчик, измеряющий электропроводность воды, способен определить электропроводность, соленость и общее содержание растворённых солей (TDS). Соленость — это наличие солей в воде, а TDS также является показателем растворённых солей (ионов) в воде. Поскольку все эти параметры тесно связаны, для получения результатов достаточно одного датчика.
Датчик, измеряющий электропроводность, соленость и минерализацию, использует два электрода, погруженных в воду. Они пропускают ток через воду и измеряют ее сопротивление. Чем ниже сопротивление, тем выше электропроводность, соленость и соленость. Однако они чувствительны к температуре и требуют калибровки коэффициента корреляции в зависимости от типа раствора.
▪ Уровень воды
Хотя уровень воды и не связан напрямую с качеством воды, он является важнейшим параметром для мониторинга водохранилищ и речного стока. Он часто используется для мониторинга качества воды. Вот некоторые типы датчиков уровня воды:
- Погружные гидростатические датчики уровня
- Ультразвуковые датчики уровня воды
- Радарные датчики уровня воды
- Емкостные датчики уровня
- Датчики уровня поплавкового типа
Приборы для измерения химических параметров
Помимо внешнего вида, вкуса и удобства использования, в воде присутствуют химические вещества. Они не видны человеческому глазу напрямую. Вам могут понадобиться специальные датчики, способные обнаружить наличие химических веществ в воде. Некоторые детекторы объединяют все эти параметры в одном устройстве. Существуют самые современные датчики, например, RK500-09. Однако для простоты понимания мы рассмотрим их отдельно:
♦ pH и ОВП
pH (водородный потенциал) — ключевой показатель способности воды реагировать с химическими веществами и указывать на её способность вызывать коррозию. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) — это способность воды действовать как окислитель или восстановитель. Измерение pH и ОВП играет ключевую роль в контроле качества воды, поскольку в совокупности они дают информацию о кислотности или щелочности воды, её дезинфицирующих свойствах и общем влиянии на здоровье.
В датчике pH в качестве электрода используется стеклянная трубка, проницаемая для ионов водорода, а в датчиках ОВП — измерительный электрод из благородного металла, например, платины или золота. Для обоих датчиков требуется электрод сравнения со стабильным напряжением. Разница напряжений между электродами позволяет определить pH и ОВП соответственно. Их часто объединяют в один датчик, поскольку они используют схожее оборудование и электрод сравнения.
♦ Растворенный кислород (РК)
Концентрация растворенного кислорода критически важна для водных организмов, поскольку является прямым индикатором наличия кислорода в воде. Однако в перерабатывающей промышленности концентрация растворенного кислорода часто нежелательна, поскольку может усилить процесс коррозии при контакте с металлами. Поэтому диапазоны и минимальные показания могут различаться в обоих случаях.
Существует два типа датчиков растворенного кислорода (РК), использующих электрохимические и оптические технологии. Электрохимические датчики используют мембрану для диффузии кислорода, который затем вступает в химическую реакцию с электродами, генерируя электрический сигнал, пропорциональный уровню РК. Оптические датчики, также известные как датчики на основе люминесценции, используют флуоресцентный краситель, который «гасится» (т.е. его свечение уменьшается) кислородом.
♦ Питательные вещества (аммоний, нитраты и нитриты)
Мониторинг содержания таких питательных веществ, как аммоний, нитраты и нитриты, имеет решающее значение в таких областях, как водоподготовка, экологический мониторинг, сельское хозяйство и аквакультура. Сброс сточных вод с очистных сооружений, эвтрофикация рек и озер, а также измерение содержания питательных веществ в почве — всё это ключевые области для мониторинга наличия питательных веществ.
Рабочими механизмами этих датчиков являются ион-селективные электроды (ИСЭ), оптические датчики и колориметрические анализаторы. Для каждого питательного вещества предусмотрен свой датчик.
♦ Химическое и биологическое потребление кислорода (ХПК/БПК)
Для разложения некоторых загрязняющих веществ в воде необходим кислород. Поэтому необходимо определить количество кислорода, необходимое для их удаления из воды и стабилизации уровня кислорода. ХПК/БПК — это количество кислорода, необходимое для разложения загрязняющих веществ в воде. Это ключевой показатель, используемый для оценки степени загрязнения воды и эффективности процессов очистки сточных вод.
Органические и неорганические вещества в воде поглощают ультрафиолетовое излучение с разной длиной волны. Пропускание ультрафиолетового излучения через образец воды и анализ его выходного сигнала на разных длинах волн позволяет получить общую картину наличия органических и неорганических веществ в воде.
♦ Остаточный хлор
При контроле качества воды в воду добавляют хлор для уничтожения патогенных микроорганизмов, которые могут представлять опасность для здоровья. Контроль содержания хлора может осуществляться на двух этапах. На начальном этапе целью является уничтожение микроорганизмов, опасных для потребления, а на поздних этапах – при подаче воды в питьевые целях. Согласно нормативным требованиям, поддержание безопасного уровня хлора имеет решающее значение для обеспечения качества питьевой воды.
Рабочий электрод датчика реагирует с ионами хлора в воде, создавая электрический ток. Затем сигнал тока передается на контроллер, который преобразует его в физические значения для устройств HMI.
Приборы для измерения биологических параметров
Присутствие некоторых живых организмов в воде может быть опасным для употребления человеком. Мониторинг этих параметров при производстве питьевой воды имеет ключевое значение. Давайте проанализируем эти параметры и способы их обнаружения:
● Цианобактерии (сине-зеленые водоросли)
Сине-зелёные водоросли, также известные как цианобактерии, образуют густое, заметное цветение в тёплой, богатой питательными веществами воде. Они представляют серьёзную проблему для здоровья, поскольку вырабатывают токсины, которые могут вызывать повреждение печени, неврологические проблемы, раздражение кожи и даже смерть.
Для обнаружения цианобактерий требуются оптические флуоресцентные датчики. Датчики излучают свет (возбуждающий) на определённой длине волны (обычно около 590–630 нм). В свою очередь, фикоцианин в цианобактериях поглощает этот свет и затем испускает флуоресценцию на более длинной длине волны (~650–660 нм). Обнаружение света свидетельствует о наличии цианобактерий в воде.
● Хлорофилл
Хлорофилл — ключевой индикатор наличия биомассы фитопланктона в воде. Он даёт общую картину качества воды и состояния экосистемы. Цветение водорослей может вызывать такие проблемы, как неприятный вкус и запах питьевой воды, дефицит кислорода и создание токсичных условий.
Он также использует оптические флуоресцентные датчики, аналогичные тем, которые используются для обнаружения цианобактерий, упомянутых ранее. Датчик обычно излучает в воду синий светодиод (~470 нм), который хлорофилл-а в водорослях поглощает и переизлучает в виде красного света (~680 нм). Интенсивность обнаруженного красного света указывает на наличие хлорофилла.
Усовершенствованная система мониторинга качества воды
Для запуска мониторинга качества воды одного датчика недостаточно. Для этого вам понадобятся следующие компоненты. В каждом компоненте системы мониторинга качества воды есть усовершенствования. Мы упомянем самые последние и лучшие из них:
- Регистратор данных/контроллер: собирает данные с датчиков и сохраняет их, используя сигналы RS-485 Modbus, SDI-12 и 4–20 мА.
- Источник питания: сеть переменного тока, батареи постоянного тока или солнечные панели
- Система телеметрии/связи: передает данные в центр мониторинга с помощью модемов GSM/4G, LoRa, Wi-Fi и спутниковых каналов связи.
- Монтаж и корпус: для погружных зондов требуются подвесные тросы или колодцы. Бесконтактные датчики (радиолокационные/ультразвуковые уровнемеры) требуют прочных креплений. Некоторые из них поставляются с защитными кожухами (антикоррозионными, противообрастающими, противоугонными).
- Калибровочные растворы и принадлежности: Вам могут понадобиться стандартные растворы (например, буферы pH 4,0, 7,0, 10,0; раствор DO с нулевым содержанием кислорода; стандарты мутности) и наборы для очистки или самоочищающиеся салфетки для обеспечения повторяемости и надежности результатов.
- Программное обеспечение и панель управления: SCADA, облачные панели управления или приложения для ПК/мобильных устройств для визуализации тенденций данных.
Возможность беспроводной передачи данных этими инструментами мониторинга качества воды на центральную станцию мониторинга позволяет собирать и анализировать данные в режиме реального времени. Органы власти могут оперативно принимать меры и обеспечивать соблюдение нормативных требований.
Рекомендуемые датчики для контроля качества воды
Параметр | Типичный диапазон обнаружения датчика | Рекомендуемый диапазон мониторинга (качество воды) | Рекомендуемый датчик Rika |
Температура | от –5 до +60 °C (точность ±0,3 °C; разрешение 0,1 °C) | 0–35 °C для большинства природных вод; до 40 °C в сточных/промышленных водах | Датчик температуры жидкости RK500-11 (также в многопараметрическом RK500-09) |
Мутность | 0–1000 NTU (разрешение 0,1 NTU; точность ±5% полной шкалы) | 0–5 NTU для питьевой воды (ВОЗ); 25–80 NTU для рек; >100 NTU для сточных вод | Датчик мутности RK500-07 |
Общее содержание взвешенных частиц (ОВЧ) | 0–1000 мг/л или выше | <10 мг/л (питьевая вода); 25–80 мг/л (реки); >100 мг/л (сточные воды) | Датчик TSS RK500-20 |
Электропроводность (ЭП) | 0–200 мСм/см (±1–2%) | 0–2 мСм/см (питьевая вода); 0–5 мСм/см (поверхностная вода); до 50 мСм/см (морская вода) | Датчик EC/солености RK500-13 |
Соленость | 0–70 ppt (на основе EC) | Пресная вода <0,5 ppt; Солоноватая вода 0,5–30 ppt; Морская вода ~35 ppt | Датчик EC/солености RK500-13 |
Общее содержание растворенных твердых веществ (TDS) | 0–1000 мг/л до >10 000 мг/л | <500 мг/л (питьевая); 2000 мг/л (орошение); >10 000 мг/л (рассол/промышленная) | Датчик электропроводности/солености RK500-13 (с преобразованием TDS) |
Уровень воды | 0–50 м (гидростатический); >70 м (радиолокационный/ультразвуковой) | Разрешение см для рек/озёр; мм–см для грунтовых вод; шкала м для водохранилищ | Погружной гидростатический, Ультразвуковые или радарные датчики уровня |
рН | 0–14 pH (±0,1 pH; разрешение 0,01) | 6,5–8,5 (питьевая вода, ВОЗ/ЕС); 6–9 (сброс сточных вод) | Датчик pH RK500-12 (различные типы A–D) |
Растворенный кислород (РК) | 0–20 мг/л (±0,1 мг/л) | >5 мг/л (здоровые реки/озера); >4 мг/л (аквакультура); >2 мг/л (сброс сточных вод) | Оптический датчик РК500-04 |
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) | –1500 до +1500 мВ (±1–6 мВ) | +200 до +400 мВ (чистая вода); <+100 мВ (загрязненная/анаэробная); >+500 мВ (окислительная обработка) | Датчик ОВП RK500-06 |
Химическое потребление кислорода (ХПК) | 0–500 мг/л (±5% полной шкалы) | <10 мг/л (чистая вода); 50–200 мг/л (сточные воды) | Датчик ХПК RK500-25 или многопараметрический RK500-09 |
Биологическое потребление кислорода (БПК) | 0–300 мг/л (±5% полной шкалы) | <5 мг/л (хорошая река); 10–30 мг/л (загрязнённая река); >50 мг/л (неочищенные сточные воды) | РК500-09 Многопараметрический (модуль БПК) |
Аммоний (NH₄⁺) | 0–100 / 0–1000 мг/л (±10% или ±1 мг/л) | <0,5 мг/л (питьевая вода); <1–2 мг/л (поверхностные воды); >5 мг/л (сточные воды) | Датчик ионов аммония RK500-15 |
Нитрат (NO₃⁻) | 0–1000 мг/л (±5% полной шкалы) | <50 мг/л (питьевая вода, предел ЕС); <10 мг/л (целевое качество поверхностных вод) | Датчик нитрат-ионов RK500-16 |
Нитрит (NO₂⁻) | 0–100 мг/л (±5% полной шкалы) | <0,2 мг/л (питьевая вода, ВОЗ); <1 мг/л (поверхностные воды) | RK500-09 Многопараметрический (модуль NO₂⁻) |
Хлорофилл | 0–400 мкг/л (±3%) | <25 мкг/л (здоровое озеро); >50 мкг/л (риск цветения водорослей) | Датчик хлорофилла RK500-17 |
Цианобактерии | 0–300 тыс. клеток/л (±3%) | <20 тыс. клеток/л (безопасно для рекреационного использования); >100 тыс. клеток/л (риск токсичного цветения) | RK500-09 Мультипараметрический (модуль цианобактерий) |
Остаточный хлор | 0–5 мг/л | 0,2–0,5 мг/л в питьевой воде (ВОЗ/АООС) | Датчик остаточного хлора RK500-29 |
Заключение
Поддержание качества воды требует комплексной системы оборудования, работающего в тандеме для получения точных результатов. Для обеспечения надёжных результатов необходимы датчики, регистраторы данных, средства передачи данных, монтаж, электропитание и процессы калибровки. Самое главное — это датчик. Каждый датчик может быть уникальным благодаря своему рабочему механизму и области применения. Соответствие стандартам качества воды, регламентируемым глобальными и региональными организациями, требует тщательной оценки физических, химических и биологических параметров воды. Это позволяет своевременно принимать меры для контроля или устранения наличия вредных веществ.
Если вы ищете комплексное решение для всех ваших задач по мониторингу качества воды, посетите сайт RIKA и свяжитесь с представителем. Rika Sensor предлагает самый широкий спектр услуг послепродажного обслуживания и комплексного внедрения проектов. Приборы для измерения качества воды отличаются высочайшим качеством, обеспечивают максимально точные результаты и имеют длительную гарантию. Подробнее на сайте RIKA.
Часто задаваемые вопросы
1) Может ли мониторинг качества воды предотвратить заболевания, передающиеся через воду?
Да, непрерывный мониторинг качества воды с помощью датчиков, измеряющих физические, химические и биологические параметры, может помочь предотвратить заболевания, передающиеся через воду. Обнаружение вредных микроорганизмов и химических загрязнителей позволяет заблаговременно очищать воду или отключать неисправные системы до того, как вода попадёт в руки потребителей.
2) Что такое индекс качества воды?
Для упрощения оценки качества воды индекс качества воды (ИКВ) преобразует сложные данные в единый числовой показатель. Он помогает общественности и политикам мгновенно оценить качество воды. Он отражает такие параметры, как pH, растворённый кислород и мутность.
3) В чем разница между биологическими и химическими показателями качества воды?
Биологические элементы в воде – это живые организмы, которые могут оказывать вредное воздействие на организм человека или водные организмы. Поэтому их обнаружение также является ключевым фактором качества воды. Более того, наличие таких химических веществ, как питательные вещества, хлор, растворенный кислород, pH и ОВП, также имеет решающее значение для обеспечения пригодности воды для потребления человеком.
LEAVE A MESSAGE