EZ 系列铁/锰在线分析仪在自来水过滤工艺中的应用
2021-06-03，星期四
当前痛点
铁和锰的浓度突变通常可以用于表征自来水处理过程中砂滤工艺的性能。常规的实验室分析仪铁和锰的过程有延时的特点，难以高效准确的用于指导砂滤工艺的管理和维护。
解决方案
Hach EZ系列分析仪能够测量多达8个样品流，短时间内提供关于铁或锰的连续检测数据。丹麦的研究人员正在利用相关产品从根本上设计水处理的过滤工艺。
相关效益
当进行过滤器反清洗时，Hach EZ系列分析仪能够提供快速、及时的数据或报警，从而能够优化工艺流程，令宕机时间最小化；保护水质且降低成本。能够避免潜在的水质风险，自来水厂也能够更好的评估新的过滤器性能和相关技术。
Hach® EZ 系列在线比色原理分析仪能够为用户全天候检测各种参数。自来水工艺中的铁和锰是非常重要的两个指标参数，接下来就针对这两个指标的在线监测提供一份应用案例分析报告。
1.背景
铁和锰通常并存于地表水、地下水等水源中，但锰的浓度通常要低得多。
锰天然存在于土壤、大多数地表水和地下水中，由于其在酶的作用中扮演一定的角色，锰元素成为了许多生命体的基本元素。对人类来说，锰的最大来源通常是食物。胃肠道吸收的锰由身体调节以维持体内锰的平衡，因此通过口服获得的锰通常被认为是毒性较小的元素之一。然而根据最近的研究，饮用水中的锰的参考值一直有待商榷。中国大陆针对饮用水的锰含量限值为 0.1mg/L。
铁是地壳中一种丰富的金属，主要以氧化物的形式存在。铁离子 Fe2+和Fe3+很容易与含氧和含硫化合物化合，形成氧化物、氢氧化物、碳酸盐和硫化物。铁也是人体必需的微量元素，它在血液和酶中起着至关重要的作用。
自来水中的铁和锰
河流中的铁浓度通常较低，一般为 0.7 mg/L。处于厌氧的地下水中铁通常以 Fe2+的形式存在，浓度通常为 0.5-10 mg/L，但个别极端浓度可能高达 50 mg/L。饮用水中的铁含量通常低于 0.3 mg/L，这也是中国饮用水标准中铁含量的限值。但在使用铁盐作为絮凝剂的国家以及在配水管网中使用铸铁、钢和镀锌铁管的国家，其饮用水的铁含量可能更高。
2.五大监测缘由
居民抱怨
自来水的变色、异味和固形物是公众投诉饮用水的最常见原因。铁和锰一方面是异味和变色的原因之一，另一方面它们也是变色和异味等问题关键的预警参数。处理这些投诉以及进行调查和实施补救措施的成本可能非常高。浊度在自来水厂中是最常见的预警指标，通过浊度分析仪的报警信号，工作人员可以采取措施将混浊的水从配水管网中分流出来，避免进一步问题升级。但浑浊可能是由各种问题引起的，而铁和锰的增多是由特定问题引起的，因此监测有助于查明原因并给出合适的缓解措施。
健康风险
铁和锰对健康的危害很小，但是细菌会导致腐蚀并使铁浓度升高从而出现与细菌相关的风险。对人类来说，铁的致死剂量是体重的200-250mg/kg，该剂量会导致大量的胃肠道出血，但铁中毒是非常罕见的，通过饮用饮用水的铁摄入量通常很低，不大会引发健康问题。不过，氧化铁被认为是金属和半金属的有效清除剂，这有可能会导致砷含量的增加，众所周知，砷是一种具有高健康风险的元素。
政府监管
许多政府或组织（包括饮用水供应商和饮料行业）在相关法规或标准中都会针对铁和锰的最大浓度做相关规定。
1998 年 11 月 3 日的关于人类饮用水质量的欧盟饮用水指令98/83/EC表示：就最低要求而言，用于人类饮用的水应是健康和清洁的：（a）不含任何微生物和寄生虫，不含任何数量或浓度的对人体健康构成潜在危险的物质，（b）满足附录 I 里 A 和 B 部分中规定的最低要求。在附录 1 里 C 部分“参数指标”中包括了标准锰含量为0.05mg/L 和铁为 0.2 mg/L。不过之前的大部分指标参数已被移至附录四，该附主附录要涉及消费者的信息。理由是指标参数不提供与健康相关的信息，而是提供消费者感兴趣的信息（如味道、颜色和硬度）。
对于那些使用铁盐作为磷酸盐去除混凝剂的废水处理厂，排放批准中也会包括对铁（通常为总铁）含量的限制。
美国环保署已经确定了影响饮用水美观但不会对人类健康造成危害的污染物的二级最大污染水平（SMCLs）。SMCLs 不是联邦强制执行的，公共水处理设施不一定非要对其进行监测除非所属州有相关要求。
SMCLs规定的铁含量为0.3mg/L，潜在的外观问题包括锈色，沉淀物，金属味，以及红色和橙色的水染色。SMCLs 里的锰含量为 0.05 mg/L，潜在的外观问题为黑棕色，黑色染色 和苦涩的金属味。
美国环保署认为，如果这些污染物存在于水中并超出了标准，这些污染物可能会导致人们停止使用来自公共供水系统的水，即使水实际上是可以安全饮用的。因此，二级标准被制定出来以向公共水系统提供一些关于如何将这些化学物质去除到低于大多数人会注意到的水平的指导。此外，一些动物也会拒绝饮用这些气味或者颜色有异常的水源。
结垢和腐蚀
处理蒸汽或冷却水的工业装置所使用的铸铁管道和设备易受多种腐蚀机制的影响。机械和化学腐蚀可以从钢表面剥离和溶解铁，而这种未结合的铁可以沉积在水处理系统的其他点的表 面上，从而导致进一步的腐蚀。通过监测水样中铁的含量能够及时了解管道或锅炉的腐蚀情况 或针对性处理。
降低成本
对于使用铁盐作为絮凝剂的水处理厂来说，这些化学物质可能会带来巨大的成本。因此，尽管使用足够的混凝剂来去除固体很重要，但铁盐也不能被过量投放，因为这样会使过滤器过载，并将残留的铁盐留在水中，这将导致处理成本上升。
3.持续监控-工作原理
HACH® EZ 系列分析仪采用在线比色技术，能够准确可靠地测量关键水质参数。智能，自动化的操作和功能有助于提高分析仪的的分析性能。最小化停机时间并无需操作员干预。机器清洗是自动的，校准和验证频率都可以由用户设置。EZ1000 系列能够同时测量最多 8 个样品流。这样就降低了每个采样点的成本，但是在下达指令时需要保证指令精准详细。
EZ1000 铁分析仪使用 TPTZ 试剂，其在反应时会形成很深的蓝紫色，以此测量溶解铁（II）、铁（III）和总溶解铁（II+III），循环时间为 15 分钟，标准测量范围为 0-1 mg/L。但可以通过校准曲线的设置或稀释功能来测量低浓度（0-0.1mg/L）或高浓度（0-10mg/L）的样品。
EZ1000 锰分析仪使用甲醛肟法在 450nm 处测量溶解的锰 Mn（II），标准测量范围为 0-1 mg/L Mn，量程同样可以有多种可选，循环时间为 10 分钟。
如果客户对于总铁或总锰的含量比较关注，可以选择 EZ2000 系列对应的总铁或总锰分析仪。EZ2000 系列分析仪具有一个内部样品消化装置，能够在分析前提供一个额外步骤用于消解不溶性或复合型金属，从而达到总铁或总锰的分析。
4.连续监测的优点
一般来说，实验室分析水质指标数据具有较高的可信度。然而，在采样和传递结果之间存在一个时间延迟，并且偶尔采样可能会因为错过了浓度峰值而监测不出风险。在线分析仪由于取样的及时性和分析时间较短的特点，因而能够大大降低这种风险。此外，EZ 系列分析仪提供标准的 4-20mA 信号输出并配有报警程序，正常情况下在量程内的异常浓度都可以被监测到，并将报警信号发送至控制中心。
5.连续监测的优点
在一个由丹麦环境保护局资助，VIA大学管理的研究和开发项目中，研究人员正在通过重新思考饮用水的生产过程来重新设计水处理方案。该项目的合作伙伴包括Aarhus Water,Vandcenter Syd,Vand&Teknik,Amphi-Bac,Dansk Kvartsindustri 和 NIRAS。该项目的目标是建立一个小而优的自来水厂，其主要特点有：
更强大的处理能力
更高的生产效率
较短的启动时间
节省能源
改善水质
在丹麦，饮用水的供应主要来自地下水。政府的立场是饮用水应来自纯净的地下水，这些纯净的水只需要通过简单的通风处理、pH 调整，然后过滤即可进行输送至居民家中。砂滤工艺在丹麦已经使用了 100 多年，该过滤器开发项目的结果将于 2020 年在 IWA 水大会（丹麦）上公布。
世界各地的水处理厂普遍采用砂滤器，砂滤器有助于去除悬浮固体和病原体，改善味道和颜色而无需额外的化学物质。这些砂滤器需要通过定期反洗来保持最佳性能，反冲洗能够清除集聚的颗粒并提高流速。然而，反洗过程会打断水处理过程。因此有必要进行监测以优化过滤性能。目前较普遍的做法是针对浊度和流速进行检测，不过化学指标的分析能够为流程情况提供更深入的了解。
2018 年，丹麦实施了新的饮用水法规以符合欧盟关于参数、采样频率和采样地点的相关法规。在此之前要求针对出厂水（下限）和用户终端出水进行监测。欧盟法规调整后，用户终端出水不仅需要监测还针对铁和锰这两项指标设置了限值，具体为铁：0.2 mg/L，锰：0.05 mg/L。
传统的做法是不定时的采集样本，随后送至实验室分析各项参数水平，当然这也包括铁和锰。如果通过指标数据表明滤池中的污染物无法通过反冲洗来去除，则有必要对滤料进行更换，更换滤料意味着该条生产线的停机，因此是一项耗时耗财的步骤。为更加准确高效的评估和监测滤池工艺的性能，该项目研究者通过在线监测滤池水样中铁和锰的浓度水平，为更加准确掌握滤池工艺状态，他们还对不同滤料层间的水样进行分析。
该项目应用的产品有 HACH® EZ1024 总溶解铁（Fe（II） 和 Fe（III））分析仪，HACH® EZ1025 二价锰分析仪。这些仪器于 2018 年 11 月安装，每小时采样四次。项目初始，每台仪器被设置为每小时从过滤器入口和出口分别抽取两个样品。通过与实验室结果对比发现两者具有良好的相关性。
EZ1024 总溶解性铁（II+III）分析仪工作现场组件：A-工业面板 PC，B-高精度微型泵，C-取样泵，D-排水泵，E-光度
VIA 大学的项目经理，高级副教授 Loren Ramsay 说：“监测是饮用水处理研究的重要组成部分。为了保证监测的正确性，必须在处理过程中的多个位置进行频繁的测量。使用具有多通道功能的在线铁锰自动分析仪非常适合我们的需求。我们相信我们的项目成果对整个饮用水处理行业来说都非常有用。”
6.总结
随着传感器技术的进步，连续监测和实时控制系统有助于优化水行业内的各种处理工艺。在提高工艺性能的同时也可以降低相关成本。随着 HACH® EZ 系列在线分析仪的不断优化和进步，如今不仅能实时评估进厂及出厂水的铁锰含量，更重要的是通过对铁锰含量的实时监测侧面反映滤池工艺的性能和状态，这对于更加高效的安排和管理滤池反冲洗操作大有帮助。此外，正如丹麦的案例所展示的一样，锰和铁的连续监测有助于开发新的改进过滤系统。
