Мониторинг на пречиствателни станции за питейни води

Изискванията към качеството на водата стават все по-строги, което изисква по-усъвършенствани системи за пречистване. Контролът на качеството на отпадъчните води включва мониторинг на състава и физикохимичните им свойства на входа и изхода на пречиствателните станции. Параметрите на системите за пречистване и обработка на водата могат да се наблюдават чрез ръчни методи или чрез автоматична измервателна апаратура.  В статията ще разкажем за непрекъснатия експлоатационен мониторинг, за оценка на контролираните параметри на отпадъчните води, за видовете аналитичен контрол, за съвременния автоматичен контрол.

Текст: списание Инфрабилд

снимка: ВиК Ямбол

Използването на автоматизация в пречиствателните станции за води, гарантира оптимални нива на обработка с напреднали технологии за мониторинг и контрол. Собственият мониторинг на водите в пречиствателните станции има за задача, провеждане на лабораторни измервания и системни наблюдения на пречиствателните съоръжения за определяне на състоянието на входящите и изходящите води. Извършва се контрол за качество на резултатите, обработване, анализиране, визуализация и съхраняване на информацията. Собственият мониторинг на пречиствателните станции за отпадни води включва наблюдавани показатели за количество и качество на водите, за екологично, химично и количествено състояние на водоемите, които са засегнати, както и средства и методи за тяхното измерване. Важни са също честотата и продължителността на наблюденията, включително времето на наблюдение. 

Наблюденията, измерванията, вземането, консервирането и изпитванията на проби, се извършват съгласно българските или международните стандарти. Действията по измерване и анализиране се извършват с технически средства и съдове, подлежащи на периодичен метрологичен контрол или калибрирани съгласно утвърдени работни процедури и методики за вътрешно калибриране. Всички методи за анализ, включително лабораторни, полеви и онлайн методи, използвани за целите на програмите за химичен мониторинг, трябва да са валидирани/верифицирани и документирани в съответствие със стандарт БДС EN ISO/IEC-17025 или други еквивалентни международно признати стандарти.

Процедурата за мониторинг, за установяване дали се спазват емисионните норми включва следните действия. Вземане на съставна представителна проба от отпадъчните води за период 24 часа и измерване на концентрацията на опасното вещество в тази проба. Измерване на количеството на изпуснатите отпадъчни води за период 24 часа. Измерване или определяне по изчислителен способ на количеството на произведеното, обработеното или използваното опасно вещество. Опростена процедура за мониторинг може да включва вземане най-малко на 2 еднократни проби от отпадъчните води за период 24 часа с интервал между тях не по-малко от 2 часа и измерване на концентрациите на опасното вещество в пробите. Средноденонощната концентрация се определя като средноаритметична от еднократните проби. Измерване на дебита на отпадъчните води по време на вземане на еднократните проби.

Допустимите концентрации на вредни вещества в отпадните води са определени в Наредба №6 и Наредба №7 на Министерството на околната среда и водите. Наредба №6 дефинира изискванията за заустване на отпадни води в открити водоизточници. Наредба №7 се отнася за заустване на отпадни води в градската канализация. Световна тенденция е пределно допустимите стойности на вредните вещества, които е нормативно разрешено да се съдържат в отпадните води, непрекъснато да се понижават. Това налага разработването и инвестирането във все по-съвременни технологии за пречистване на водите. Според действащата в страната законова и нормативна база, спазването на изискванията за заустване на отпадните води се контролира от РИОС и съответното ВиК дружество. 

Непрекъснат експлоатационен мониторинг 

За контрол на ефективността на пречистването, на входа и изхода на пречиствателната станция е инсталиран набор от измервателно оборудване. То измерва редица физико-химични параметри на оттока. Операторът на пречиствателната станция в реално време следи параметрите на входящия воден поток и на пречистения отток, който се изхвърля в открития воден басейн. За да се определи обемът на замърсителите, на входа и изхода на пречиствателната станция са инсталирани ултразвукови доплерови разходомери. 

За гарантиране на ефективността при експлоатацията на пречиствателните съоръжения(винаги да има актуална проба от постъпващите и пречистените отпадъчни води), пречиствателната станция се оборудва с автоматични пробоотборници. Последните имат инсталирана система за поддържане на постоянна температура вътре в отделението със съхранени проби. Пробите могат да се вземат автоматично от предварително въведена програма или чрез сигнал от главния контролер на системата, когато посочените прагови стойности са надвишени. Най-често на контрол подлежат следните параметри: температура, рН, концентрация на суспендирани твърди вещества, електропроводимост, общ органичен въглерод, биохимична потребност от кислород (БПК), химична потребност от кислород (ХПК), общ азот и фосфор.

Оценка на контролираните параметри на отпадъчни води 

Температурата влияе на хидравличния режим на пречиствателните съоръжения и на жизнената дейност на микроорганизмите извършващи биохимичното пречистване и обработването на утайката. Оптималната температура на постъпващата за пречистване отпадъчна вода в пречиствателните станции е между 20-30°С. От нея зависи ефективната работа на първичните утаители. Степента на задържане на суспендираните вещества и БПК се увеличава от 5 до 10%, с повишаване на температурата Работата на вторичните утаители също зависи от температурата на водата. Отстраняването на суспендираните вещества през лятото е с 20-25% по-ниско, отколкото през зимата.

Измерването на рН показва концентрацията на водородните йони във водата. Стойността на pH е важен индикатор за биологичните процеси на пречистване, най-вече за анаеробното разлагане и нитрификацията. При тях се отделят значителни количества водородни йони, които водят до подкиселяване и нарушаване хода на процеса. В големите аерационни съоръжения с производителност повече от 100 000m³, рН се колебае от 7,6 до 7,8, като в процеса на пречистване се повишава до 8. В малките аерационни съоръжения вследствие на залпово изхвърляне на кисели и алкални води, се налага постоянен контрол на рН. Повишението на рН в метантанковете води до подкиселяване и нарушаване на работата им.

Суспендираните частици са един от основните санитарни показатели за замърсеност на градските отпадъчни води. Загубата на маса по време на калциниране-180°С, се използва за преценка на количеството от органични вещества. Количеството на суспендирани частици в постъпващите за пречистване отпадъчни води, се колебае в широк диапазон-от 150 до 300 mg/l. В избистрената в първичните утаители вода, суспендираните частици са 60-120mg/l. В очистената вода, по средно-месечни данни-от 5 до 20mg/l. След пясъчните филтри-от 1 до 3mg/l. Количеството на суспендираните частици зависи от времето през деня, т.е. от коефициента на неравномерност, който може достигне до 2.

Електрическата проводимост е способността да се провежда електрически ток. Тя е важен параметър, който корелира добре с такъв значителен показател, като общото съдържание на соли. То дава представа за общия състав на подвижните твърди вещества, разтворени във водата-неорганични соли и органични вещества. Рязкото превишаване на този показател индиректно показва скок в съдържанието на всеки компонент. Необходимо е вземане на проби за по-подробен анализ и идентифициране на причините за това превишение.

Общият органичен въглерод се счита за важен показател за състава на отпадъчните води. Числовият му израз служи като най-надеждния показател за насищане на водата с органични съединения. Значителното превишаване на общата концентрация на органични вещества, е предпоставка за по-подробно проучване на органичното замърсяване на отпадъчните води и за установяване на причините, довели до увеличаване на съдържанието.

БПК е необходим на аеробните микроорганизми да усвоят разтворения във водата кислород. Нарича се още като биохимично търсене на кислород. Съществува значителна връзка между органичните замърсители, микробната популация и съдържанието на разтворен кислород във вода. Аеробните микроорганизми се нуждаят от кислород за метаболизма си. Следователно, те използват разтворен кислород и превръщат органичните замърсители в енергия. Стойността на БПК е параметър за пълното биохимично окисление на органичните замърсители в отпадната вода. Той отчита и кислорода, използван за окислението на неорганични вещества, като сулфиди и желязо. Определянето на БПК намира широко приложение при оценяване ефективността на пречиствателните съоръжения.

Изследването включва вземане на проба, която се аерира, оставя се в затворен съд на тъмно за определен период от време при 20°C. Накрая се отчита консумацията на кислород във водата. Обикновено времето на престой на пробата е 5 дни. Резултатите от определянето на БПК5 са показател за биологичната активност и разграждането на органичните замърсители. Затова параметърът се използва за оценка ефективността на биологични процеси на пречистване. Стойността на БПК5 за градските отпадни води е от 100 до 300mg/l кислород, като може да се променя в определено време през годината и в отделни часове през деня.

В зависимост от ефективната работа на вторичните утаители, БПК5 в пречистената вода след тях, е 5 mg/l и до 1-2 mg/l кислород- след пясъчните филтри. Следователно, стойността на БПК5 в замърсена вода обикновено е по-висока, на тази от прясната. Високият БПК5 може да се дължи на битови отпадни води, петролни остатъци и отпадъци от животни и растителни култури. За по-бързо определяне на показателя се използват биосензори, флуоресценция и ултравиолетова абсорбция.

Бихроматна окисляемост (ХПК) се основава на факта, че повечето органични съединения в отпадъчна вода могат да бъдат окислени от силни окислители, като калиев бихромат разтворен в сярна киселина. По този начин се окислява целия органичен въглерод до въглероден диоксид и вода. Но ХПК не само се разгражда органичните вещества, но също така се отнася и до окисляването на неорганични вещества-сулфидите, солите на металите с ниска валентност. При нормални условия на химичния анализ, степента на окисление на почти всички органични вещества достига до 95-98%. Не се окисляват само пиридин, пирол, пиролидин, пролин, никотинова киселина. Не се окисляват също и слабо разтворимите въглеводороди, като бензол и неговите хомолози, парафин и нафталин.

За трудно окисляващите вещества като катализатор се добавя сребърен сулфат. Така практически пълното окисляване на всички вещества в отпадъчните води-битови и промишлени, налага приравняване при определяне на ХПК. Стойността на ХПК за градските непречистени отпадни води е в диапазона 200-700mg/l кислород, а за пречистените-50-200mg/l кислород. След допречистване и хлориране-20-30mg/l кислород. Пробите от пречистените води се загряват до 150 °C в присъствието на бихромат. След 2 часа пробите се охлаждат и посредством спектрофотометър при дължина на вълната 600nm се определя ХПК.

Предимство при измерването на ХПК, е бързото получаване на резултатите в сравнение с определянето на БПК5. Когато с времето не се наблюдава промяна в качеството на водата, може да се изведе зависимост между стойностите на ХПК и БПК. Изчисляването на съотношението БПК/ХПК дава информация за биоразградимостта и токсичността на отпадъчните води. И двата параметъра измерват количеството кислород, необходимо за окисляване на замърсителите във вода. Също така и двете измервания показват интензитета на замърсяване на водата, т.е. количеството от замърсители в отпадъчните води.

За битовите отпадни води БПК и ХПК могат да се приемат за приблизително равни, тъй като при пречистването им кислородът се консумира основно от микроорганизми. Обикновено за битовите отпадни води, БПК се равнява на 85-90% от ХПК или средно „0.86.ХПК”. Съотношението между БПК и ХПК се използва като показател за възприемане или отхвърляне на даден метод за пречистване на отпадъчните води. Например, при съотношение БПК/ХПК по голямо от 0,5 се приема биологично пречистване на отпадъчните води. Ако обаче стойността на съотношението е по-ниска от 0,5, прилагането на този метод се смята за нецелесъобразно.

Анализът на общ азот в пречиствателните станции дава информация за съдържанието на органичния и неорганичен азот във водата. Концентрацията на нитритния и нитратния азот във водите се анализира по колориметричен метод с автоматизирана редукция с хидразин. Обхватът на метода е от 0,01 до 10mg/l нитритен/нитратен азот. Нитратите се редуцират до нитрити с хидразин сулфат, след което те се определят чрез диазотиране със сулфаниламид и нафтил-етилен-диамин дихидрохлорид до получаването на силно оцветен азо пигмент, който се изследва колориметрично.

Съдържанието на фосфор, също се анализира чрез колориметрия. Методът се базира на протичането на специфични за ортофосфатните йони, реакции. Анализът включва взаимодействие на амониев молибдат и калиев антимоно-тартарат в киселинна среда с разреден разтвор на фосфор до получаването на антимон-фосфомолибдатен комплекс. Това съединение се подлага на редукция с аскорбинова киселина до получаването на наситено син комплекс. Концентрацията на фосфор се определя пропорционално от степента на оцветяване, колориметрично. Обхватът на метода е 0,01-1mg/l фосфор. Единствено ортофосфатите водят до получаване на син цвят. Полифосфатите и някои други органични фосфорни съединения могат да бъдат приведени в ортофосфатна форма чрез хидролиза със сярна киселина или персулфатно разлагане.

Видове аналитичен контрол

Според технологията на извършване, контролът може да се осъществи, като се използват следните методи за анализ на отпадъчни води. Ръчно вземане на проби за вода за лабораторен анализ. Вземане на проби от автоматични стационарни пробоотборници. Непрекъснат автоматичен контрол на съдържанието на замърсители в отпадъчните води. Ръчният метод се отнася до най-трудоемките методи за екологичен контрол, който често изисква участието на няколко екипа служители, например, когато е необходимо да се вземат проби в определен момент в няколко контролни точки. Автоматичните устройства, инсталирани на места, където е необходимо да се упражнява контрол, решават този проблем чрез съхраняване на водната проба, взета в програмирано време. Този метод обаче не елиминира необходимостта от доставка на проба от мястото на вземането й, до лабораторията.

Най-голямото удобство и обективност на резултатите се осигурява от метода на непрекъснат автоматичен контрол на вещества, съдържащи се в промишлените отпадъчни води. За неговото реализиране се използват специализирани информационно-измервателни системи, при които потопяемите сензори са постоянно разположени във водния поток на изхода от пречиствателната станция. Системите са изградени на базата на съвместими смарт модули. Модулният принцип на системната архитектура позволява да се създават различни конфигурации за гъвкаво адаптиране към характеристиките на определен обект за мониторинг. Данните за параметрите могат да бъдат предавани през компютърни мрежи и канали за мобилни телефони. Показването им става чрез специализиран софтуер и генериране на SCADA - системни команди.

Съвременен автоматичен контрол

За автоматичен контрол е необходимо да се вземат предвид показателите за замърсители, за определянето на които има подходящи сертифицирани методи и устройства, които отговарят на съвременните изисквания за чувствителност, точност и селективност. Постоянният автоматичен мониторинг на пречистените отпадни води в страните от ЕС включва измерване на редица параметри, като рН, температура и мътност, тъй като резултатите се използват за контрол на технологичния процес и са важни за ефективната работа на пречиствателните станции. Непрекъснато измерван параметър е обемният дебит на отпадъчните води. Устройствата за непрекъснат автоматичен контрол на замърсителите в отпадните води трябва да имат разрешителни документи.

В някои европейски държави, като Холандия и Франция, оборудването за вземане на проби трябва да отговаря на националните стандарти, а спазването на стандартите се следи от компетентните органи. Съвременните системи за автоматичен контрол дават възможност с помощта на един базов блок да се управляват повече от 300 сензора и няколко модулни блока. Микропроцесорната схема на блока се управлява от вградена операционна система Linux. Устройството е оборудвано със сензорен цветен дисплей с пиксели в 65000 цвята. То е затворено в алуминиев корпус, който има степен на защита IP65.

Интелигентни спектрални анализатори (ISA) позволяват да се получават данни за няколко параметъра, като се използва само един сензор, направен в малък размер. Такъв миниатюрен сензор предоставя данни за стандартни параметри на качеството на водата, както и за допълнителни компоненти, съдържащи се в нея. Спектроскопия се извършва в целия спектър-от ултравиолетово до почти инфрачервено. Спектралните анализатори предоставят пълна информация за състава на водата. В уредите се използва уникална технология за автоматично калибриране на измервателните средства, която осигурява автоматично адаптиране на устройството към отклонения на водната матрица. Така се повишава точността и надеждността на измерванията.

Спектрометрите - ISA, имат способността бързо да променят дължината на оптичния път, което не изисква използването на специален инструмент. Интелигентните модулни уреди, могат да работят и оф-лайн с управление чрез сензорен цветен дисплей, както и като част от глобална система, използваща TCP/IP протокол, стационарни, мобилни и сателитни комуникационни системи. Функционалният обхват на модулните системи включва предаване на информация за визуализация и контрол до специални диспечерски центрове, разпространение на алармени съобщения с помощта на sms и e-mail-услуги, и защитено прехвърляне на информация към външни бази данни.