Мониторинг на пречиствателни станции

Отчитане на замърсяванията

Повечето системи за пречистване на промишлени води са динамични. Те непрекъснато претърпяват промени заради сезонните изменения в химията на водата, различни условия на работа на инсталацията, нови закони за околната среда, както и други фактори. Поради това е от съществено значение да се гарантира правилното наблюдение, а програмата за пречистване на водите приложена към система за промишлена вода се контролира правилно, за да бъдат постигнати желаните резултати.

Текст: списание Инфрабилд

Най-важното във всички пречиствателни станции са течащата вода, твърдите вещества и газовете. Физическите свойства на трите фази заслужават мониторинг, и тъй като измерванията не са специфични за всеки биологичен процес, тези променливи се разглеждат отделно.

Мониторингът и управлението на пречиствателните станции разчита на четири градивни елемента. Това е проникването в процеса, както е обобщено в подходящия модел на процеса, сензори, които предоставят онлайн данни, подходящи алгоритми за мониторинг и управление и изпълнителни механизми, които реализират въздействията подадени от изходите на контролера. Въпреки че технологичните възможности са се увеличили значително през последните десетилетия, със значителни постижения в теория на управлението и все по-големи възможности на сензорите, проблемът с пречистването на отпадъчните води си остава все така значим. Изискванията към качеството на водата стават все по-строги, което изисква по-усъвършенствани системи за пречистване, способни да спазват стандарти не само за органичен въглерод, но също така и за нива на азот и фосфор. Следователно, трябва да се използват все по-сложни системи за третиране и добив на отпадъчни води с непрекъснато нарастващото качество. Параметрите на системите за пречистване и обработка на водата могат да се наблюдават чрез ръчни методи или от непрекъснати системи, използващи автоматична измервателна апаратура. 

Измерване на температура

Измерването на температурата е класическо измерване, осъществявано обикновено с термистор и визуализация на стойността на температурата. Измерванията на налягането са традиционни за пречиствателни станции, както и особено за алармени функции при аерация и анаеробни биореактори.

Общите принципи, използвани за наблюдение на водните нива са поплавък с вътрешен електрически ключ, превключватели за проводимост, диференциални преобразуватели за налягане, измервания на капацитет и определяне на нивото чрез ултразвук. Първите две техники са полезни само при определянето на определени прагови нива, водещи до включване или изключване и най-вече служат за алармени функции. Диференциалното налягане и ултразвуковото оборудване дава непрекъснат сигнал, като последното е по-точна, но също е чувствително към пяна.

Измерване на дебит и разход

Други важни измервания в пречиствателните станции са свързани с измерването на дебити и разходи на течности и газове. Обикновено те се базират на използването на уреди, работещи на принципа на Вентури, отчитащ разликата в наляганията в стеснен участък на тръбопровода. В допълнение се прилагат и електромагнитни сензори. За измервания на газов поток рядко се прибягва до ротаметри и по-рядко срещани, термични измерватели на масов дебит.

Специфична проводимост

Разтворените вещества във водата осигуряват основна мярка за нейното качество. Специфичната проводимост или способността да се провежда електрически ток, е пряко свързана с количеството и подвижността на разтворените твърди вещества. Като такава, специфичната проводимост се използва широко за наблюдение на състава на басейна и чистотата на кондензата, управление на изпускането от басейна и охладителната система.

Последните технологични постижения са подобрили надеждността и употребата на контролерите за проводимост. Инструментите, базирани на микропроцесори, осигуряват изключително надеждно и точно измерване на температурно компенсирана проводимост, съчетана с усъвършенствани режими на управление. 

В повечето системи за измерване на проводимост се потапят два метални електрода в течност, за да се получи електрическа верига. Този тип сензори с електрод работят добре в сравнително чиста вода, но губят точност ако са покрити с мръсотия или противни замърсители, които възпрепятстват протичането на ток. За да се намалят смущенията от малки количества замърсители на водата, сондата и монтажът могат да бъдат проектирани така, че да увеличават скоростта на течащата проба и да сведат до минимум натрупването на замърсяванията върху електродите.

Специални типове сонди с електроди се използват за откриване на замърсители във вода с висока чистота, като например парен кондензат, деминерализирана вода и др. При тежки условия на замърсяване трябва да се използва проба за проводимост без електроди (тороидална). Тороидалната сонда използва индуктивност за измерване на промените в проводимостта в разтвор на процес.

Измерване на рН

Измерването на рН показва концентрацията на водородни йони във водата. То се използва за определяне на тенденцията при отлагане и корозия. Най-широко използваният тип измерване на рН е метод с електрод. Поради трудността за поддържане на добър контрол на рН, ръчните системи се заместват от непрекъснат мониторинг и автоматичен контрол на рН в много приложения за обработка на вода. 

Технологията на рН сензора напредва значително, за да преодолее много от проблемите, възникнали в миналото, като например бързото разваляне и химическата атака на рН електродите, замърсяване и бързото изчерпване на референтните клетки и електролити, както и електрически шум и смущения от околната среда на рН сигнала с ниско ниво. За различните приложения са на разположение няколко варианта на конструкции на рН сензор. За относително чиста вода, където обширното замърсяване не е проблем, обикновено се използва конструкция с комбиниран рН сензор. 

Влошаването на стъкления електрод, референтната връзка на включване и недостига на електролити (което се случва при всички приложения на рН сензора) се случват с приблизително еднаква скорост. Тази прогресия е достатъчно бавна в чиста вода за осигуряване на приемлив икономичен живот. Когато комбинирания сензор се износи, той се изхвърля.

Здравата, модулна конструкция на рН се използва в процеси като вани за обработване на метали и системи за отпадъци, където замърсяването или химическата атака на стъклените електроди, референтните връзки, както и други елементи е проблем. Модулната конструкция позволява периодична поддръжка и подмяна на отделни компоненти. 

Корозия

Инструментите за степен на корозия се използват в много различни приложения, за да се осигурят моментните стойности за степента на корозия. Типичният пакет се състои от анализатор и сонди. Анализаторите са на разположение за преносимо ползване или за непрекъсната работа. Преносимите устройства обикновено се използват, когато няколко сонди са монтирани на отдалечени места. Операторът свързва анализатора към сондата и сваля отчитанията, а след това преминава към следващата сонда. Непрекъснатите анализатори се използват, когато сондата се намира в критична област, което дава основание за непрекъсната оценка. Те включват регистратор и изходи за управление, които могат да бъдат свързани с други компоненти като процесни контролери и помпи. Анализаторите обикновено имат вътрешни измерватели и средство за проверка на калибровките според стандарта.

Сондата съдържа електродите и ги излага на потока за теста. Сондите се произвеждат в различни конфигурации. Обикновените конфигурации включват два или три електрода. Материалите за сондата са мека стомана, неръждаема стомана и поливинил хлорид (PVC). Сондите са налични като стандартни и прибиращи се комплекти и обикновено са снабдени с фиксирани тръбни връзки, а електродите са закрепени върху сондата.

Утайка

За локализирането на повърхностна утайка в практиката се използват три принципа на измерване: устройства за ултразвуково поглъщане и мътност откриват допирните точки на неразтворените вещества в резултат на внезапна промяна в концентрацията на утайката, когато тя прониква в повърхностната утайка. Третият метод с ултразвуково сканиране осигурява профил на концентрацията и се счита за най-добрия принцип на измерване. Още повече, че измерването е нечувствително към петната от утайките над повърхността. Най-прилаганите са сензорите за мътност на въртящ се барабан.

Мътност

Мътността се причинява от суспендирани вещества и може да се дефинира като липса на чистота във водата. Инструментите за измерване на мътност се използват за наблюдение и контрол на утаители и варови омекотители и за откриване на корозионни продукти в парния кондензат.

За непрекъснато измерване на мътност се използват основно два метода. При нефелометричния метод пробата преминава през клетка. Близо до средата на клетката източник на светлина изпраща лъч светлина в движещата се течност. На различни позиции в клетката са разположени приемници на светлина, които измерват количеството светлина, разпръсната на 90° от падащата светлина. Количеството на разпръснатата светлина се увеличава с увеличаване на мътността в пробите. Инструментът измерва разсеяната светлина и изработва сигнал, който е свързан с нефелометър.

Техниката за разсейване върху повърхност е подобна на нефелометричния метод. При този метод светлинния източник излъчва светлина към повърхността на резервоара с постоянно ниво. Отразените и пречупени части на лъча се изхвърлят, а разпръснатата част се улавя от фотоклетка. Големината на разсейването е в пряка връзка с мътността на пробата. Тъй като предавателя на светлина и фотоклетката не са в контакт с пробата, този метод елиминира замърсяването. Уредите за измерване на мътност обикновено включват аналогов или цифров екран и изходен сигнал, който може да бъде свързан с компютър или регистратор.

Разтворен кислород

Способността да се измери разтворен кислород е много важна, особено в басейните, където корозията от кислород може да бъде много вредна. Разтворен кислород обикновено се измерва чрез мембранно изолирана електрохимична клетка. Тази клетка съдържа катод, анод и електролитен разтвор. Газопропускливата мембрана пропуска разтворения кислород от пробата към електродите. Там електрохимична реакция генерира електрически ток с величина, пропорционална на концентрацията на разтворен кислород. Някои анализатори имат функция за автоматично калибриране, като измерват температурата и налягането с натискането на един бутон.

Замърсяване

Има няколко специални системи, предназначени да следят за степента на замърсяване и корозия в промишленото оборудване. Вода за проба тече в долната и излиза от горната част на тръбата. В лабораторната постановка по протежение на оста на тръбата се вкарва сонда за топлина. Сондата за топлина генерира регулируем топлинен поток през тръбната метална секция за тест. Замърсяването или корозията могат да бъдат ускорени, ако топлинният поток се повиши над проектните нива.

Сондата за топлина включва два температурни сензора, които измерват температурата на повърхността на сондата и температурата на обема на водата. Температурите се наблюдават чрез един измервател с LED дисплей. Индикаторът на температурата е с аналогов изход за регистратор или устройство за регистриране на данни. При извършване на тест на секция от мръсотията, по-малко топлина се разсейва в обема на водата, а температурата на повърхността на тръбата намалява. Резултатът е увеличение на температурната разлика, която може да бъде свързана към фактора на замърсяване Rf. Устройството може да бъде оборудвано с вентил за регулиране на дебита за да се поддържа постоянна скорост на потока и за поставяне на тръби, за да се увеличи скоростта на потока в чиста клетка.

Биофилм замърсяване

Мониторингът на биофилм замърсяване се използва за определяне нивата на микроорганизми, прикрепени към повърхности в охлаждаща система. Мониторът се състои от държач, който е с резба и от двете страни. Всяка половина на държача съдържа екран, който осигурява стъклени перли на повърхностите за вземане на проби.

Мониторът нормално е онлайн най-малко една седмица преди началото на вземане на проби. Времето, необходимо за установяване на стабилно състояние на биофилм върху перлите варира в зависимост от системата. Стационарно състояние се достига, когато количеството биологичен материал се отстранява чрез турбулентен поток, равен на размера на новия биофилм, произведен от микробен растеж. След като се постигне стабилното състояние, промените в нивата на биофилма отразяват промените в околната среда на системата. Например, повишени нива на хранителни вещества водят до по-големи количества от биофилм, докато добавянето на токсични материали води до намаляване на нивата на биофилм. Трябва да бъдат наблюдавани индивидуални системи, за да се определи какво ниво на фиксирани микроорганизми е приемливо.

Мониторите за макрозамърсяване се използват за мониторинг на темпа на растеж на зебра миди, азиатски миди и други мекотели. Стратегическото поставяне на контролни монитори за макрозамърсяване помага да се определи количествено циклите на растеж и установяване в рамките на определен район. Те също така предоставят количествено определяне на степента на унищожаване след химическо третиране.

Устройството за макрозамърсяване съдържа набор от плочи за замърсяване. Водата тече нагоре през устройството. Миди или ларви на миди се прикрепят към плочите за замърсяване. Техният темп на растеж се наблюдава визуално чрез редовни прегледи на плочите.

Халогенни остатъци

Устройствата за непрекъснато онлайн измерване, използвани за наблюдение на халогенни остатъци, попадат в две категории - амперометрични и колориметрични. Амперометричните анализатори, в зависимост от начина на използване, измерват свободните или общите концентрации на халоген във водните проби. Промяната на халогенните концентрации в пробата произвеждат съответната промяна в електрическия ток, който протича от катода към анода на сензора. Някои амперометрични анализатори коригират изходната величина при вариации на температурата на пробата и рН.

Колориметричният анализатор променя интензивността на цветовете в зависимост от концентрацията на хлор в пробата. Малки количества от пробата, индикаторния агент и буферения разтвор се измерват и смесват прецизно. По време на интервала за получаване на резултата, индикаторът се окислява и произвежда червено съединение, което се измерва фотометрично. Интензитетът на цвета се сравнява с референтна стойност и разликата се използва за характеризиране на концентрацията на хлор в пробата. Точността на измерване може да бъде повлияна от присъствието в пробата на хромати, хлорамини, нитрити, желязо, манган и други силни оксиданти.

Визуална инспекция

Визуалната проверка на оборудването често е полезно за инспекция на вътрешни повърхности. Визуалната проверка се използва за определяне на потенциала за повреда в резултат на натрупване на утайки или корозия.

За проверка на оборудването обикновено се използва устройство с оптични влакна. На всеки край на снопа от оптични влакна обектив осигурява ясно и цветно изображение. Оборудване с телевизионна камера за инспекция осигурява алтернатива на оптичните влакна. Типичният пакет се състои от миниатюрна камера, осветление, въртящо се огледало за радиално гледане и монитор.

Допълнителни технологии за наблюдение

Йон хроматографията (IC) е широко използвана в лаборатории и е намерила място в някои приложения за анализ на непрекъснати процеси. Тя се използва за откриване на замърсяване от ниско ниво на иначе потоци с висока чистота. Предимствата на IC са нейната селективност, чувствителност и скорост при анализа на аниони и катиони.

Анализ на потока на впръскване

Въздушно сегментираните непрекъснати анализатори на процеси са били в основата на автоматизирано тестване на промишлена вода за повече от 30 години. Технологията се разви до точка, при която тези системи са разходно ефективни и продуктивни за широка гама от приложения за мониторинг на технологични процеси. Въпреки това, през 1990 като алтернативен метод за тези приложения се въвежда анализ на несегментиран поток на впръскване (FIA).

При FIA метода малки количества от пробата се транспортират през тръба с тесен отвор и след това се смесват с реагенти, за да се изработи цвят, който се контролира от детектор. При тази нова техника не се използват въздушни мехурчета за разделяне на индивидуални проби, а пробите се впръскват в течащ, с непрекъснат поток от реагент. За да се запази целостта на пробата, интервалите на впръскване трябва да бъдат достатъчно дълги, избягвайки по този начин кръстосано замърсяване. FIA е силно възпроизводим поради премахването на въздушните мехурчета, използването на точни техники на впръскване, постоянни скорости на потока и точна синхронизация с аналитична реакция от впръскване до детекция.

За да останат конкурентоспособни в днешната бизнес среда, компаниите трябва непрекъснато да намерят начини да станат по-ефективни. В подкрепа на тези усилия мениджърите на системи за отпадни води се очаква да балансират редица конкурентни изисквания, включително агресивна вода и инициативи за спестяване на химически разходи, ограничена работна ръка за поддръжка на операциите и минимална експертиза за вътрешно третиране на водата. Мениджърите могат да преодолеят тези предизвикателства, чрез поддържане на отлична производителност на системата и в съответствие с изискванията на околната среда.

Използването на автоматизация в пречиствателните станции гарантира оптимални нива на обработка с напреднали технологии за мониторинг и контрол, намаляване на изискванията за работната сила чрез автоматизиране на изпитванията и контрола на ключови параметри на системата, намаляване на общите разходи за операциите чрез свеждане до минимум използването на вода и на химикали, подобряване на времето за реакция на системата, преминавайки на дистанционно наблюдение и контрол 24/7.