Эффективность применения автоматических анализаторов для определения элементов питания в сточных водах

Предисловие

Данная статья обобщает многолетний опыт эксплуатации промышленных анализаторов элементов питания (азота и фосфора) на очистных сооружениях Западной Европы. На основании этого опыта делаются выводы об экономической целесообразности применения сложных автоматизированных систем управления процессами очистки стоков в зависимости от масштабов сооружений и условий их эксплуатации. Подробно рассмотрены современные подходы к выбору вариантов датчиков, систем контроля и передачи данных, организации измерительных систем и сервисного обслуживания. В российских реалиях, когда практически 90% очистных сооружений нуждаются в модернизации или реконструкции, в условиях ужесточения экологических требований и постоянного роста стоимости энергоресурсов, вплотную приближающейся и даже превосходящей среднеевропейские, эти рекомендации, безусловно, помогут специалистам инжиниринговых компаний, отделов АСУ станций аэраций и водоканалов в разработке концепций автоматизации и оптимизации процессов очистки стоков. Авторы не называют конкретные модели или производителей оборудования, оставляя выбор за специалистами. Это не снижает актуальности данной статьи, поскольку подобные системы уже представлены на российском рынке различными производителями, имеющим, как правило, локальный опыт эксплуатации, необходимые сертификаты и развитую службу сервисной поддержки.

Введение

На большинстве станций водоочистки операторы ощущают возрастающие требования к увеличению безопасности и эффективности процессов очистки стоков. Наиболее критичные процессы, с точки зрения стоимости и качества очистки, это нитрификация, денитрификация и химическое удаление фосфора. Промышленные анализаторы аммонийного азота (с индофеноловым-синим или газо-селективным электродом) и фосфатного фосфора (с ванадо-молибдатом или молибденовым-синим) используются для оптимизации и мониторинга процессов на относительно больших станциях (с эквивалентом населения свыше 25000). Нитратный азот по-прежнему измеряется при помощи УФ-датчика. Простота эксплуатации и предельно малое время отклика этих датчиков делают их идеальными средствами измерения («опустил - измерил»).

Промышленные анализаторы элементов питания редко задействуются на небольших станциях (с эквивалентом от 5 до 20 тысяч человек). Как правило, здесь применяются лишь датчики растворенного кислорода для регулирования его концентрации, эффективность которых очевидна, или датчики для измерения мутности на выходе из очистных сооружений, как ключевой параметр для мониторинга эффективности работы станции. Однако небольшие и средние очистные сооружения часто сталкиваются с большими перепадами нагрузок как по составу, так и по количеству стоков по сравнению с более крупными станциями (характерные дневные перепады, ливневые пики, несанкционированные сельскохозяйственные сбросы). Поскольку небольшие станции постоянно вынуждены работать в условиях нехватки персонала (многие не имеют в штате необходимых специалистов), промышленные системы измерения в сочетании с современными средствами передачи данных и, возможно, технологиями автоматизации процессов управления, могут помочь в осуществлении надежной и эффективной работы очистных сооружений при переменной нагрузке.

Одной из причин осторожного отношения к применению промышленных анализаторов является сформировавшееся в середине 90-х мнение о высокой стоимости подобного оборудования и сложности его эксплуатации. Даже сегодня эта точка зрения в отношении промышленного контроля характерна для большинства операторов, инженеров, регулирующих органов. Учитывая все более ужесточающиеся требования к защите окружающей среды и увеличение стоимости электроэнергии и утилизации ила, с одной стороны, и постоянное снижение цен на измерительное оборудование и стоимости его эксплуатации, с другой, необходимо по-новому оценить возможности и доступность современного промышленного оборудования для контроля процессов очистки сточных вод.

Технологии промышленного контроля аммония и ортофосфата

Применение новых технологий в создании промышленных анализаторов позволило существенно сократить расходы на их приобретение и эксплуатацию. Вместе с этим уменьшилась частота их обслуживания и увеличился ресурс работы.

Анализ на месте пробоотбора

Тэнковые (погружные) промышленные анализаторы аммонийного азота и ортофосфата (Рис. 1-а) существуют уже на протяжении нескольких лет. Теперь в качестве более дешевой альтернативы, доступны и околотенковые анализаторы (Рис. 1-b). Тенковые или околотенковые анализаторы все в большей степени замещают традиционные промышленные анализаторы, требующие отдельной системы пробоподготовки и нуждающиеся в специальных окружающих условиях, которые могут быть обеспечены только в отапливаемом помещении или специальном укрытии (Рис. 1-с). В сравнении с ранее публикуемыми оценками стоимости установки промышленных анализаторов [1], новый подход позволяет сэкономить от 3 до 5 тысяч Евро для каждой точки измерения.

Рис. 1. Погружные, околотенковые и традиционные промышленные анализаторы

Кроме того эта концепция обеспечивает максимум гибкости в отношении выбора точки измерения, поскольку анализаторы могут использоваться так же просто, как кислородные или рН-датчики. Это особенно важно при оптимизации работы очистных сооружений. Другим решающим преимуществом является тот факт, что за счет минимального расстояния от точки пробоотбора до места анализа устраняются ошибки, связанные с протяженной линией подачи образца (процессами биоразложения).

Встроенные системы пробоподготовки

В начале 90-х произошел прорыв в непрерывном контроле элементов питания, когда за счет применения ультрафильтрации стало возможным получение постоянного потока образца активного ила, свободного от взвешенных частиц. Не смотря на значительные первоначальные вложения (не менее 6500 €, включая погружной насос) и высокую стоимость эксплуатации (до 1500 € в год), данный метод пробоподготовки фактически оставался стандартом до конца 90-х. Позже он был вытеснен специальными системами мембранной фильтрации, разработанными для работы с промышленными анализаторами. Встроенные ионные фильтры и мембраны - наиболее распространенные на данный момент способы пробоподготовки в тенковых и околотенковых анализаторах, что позволят значительно сократить время отклика.

Микроаналитические системы и необслуживаемые дозаторы

Применение микромеханики для точной дозировки и смешения потоков жидкостей в промышленных анализаторах радикальным образом сократило расход реагентов. Одновременно перистальтические насосы были заменены дозирующими устройствами, не требующими регулярной замены рабочих элементов, что сократило частоту и упростило обслуживание приборов.

Как пример этой тенденции, на рис. 2 показана динамика изменения первоначальных затрат и стоимости обслуживания анализаторов аммония и фосфата (серий AMTAX/PHOSPHAX ), приобретаемых в 1995, 2000 и 2005. Сокращение первоначальных затрат (цена оборудования) составило около 43%. Более того, стоимость эксплуатации сократилась примерно на 60%!

Рис. 2. Затраты на приобретение и обслуживание анализаторов аммония и фосфора

Применение ионоселективных электродов для анализа аммония

Погружные ионоселективные электроды для измерения содержания аммония предлагаются как весьма привлекательная альтернатива промышленным анализаторам, особенно с учетом небольших первоначальных затрат на уроне 5000 €. Однако стоимость их обслуживания может значительно варьироваться в зависимости от типа стоков, и при неблагоприятных обстоятельствах (необходимость более частой замены мембраны и сенсора) она может многократно превышать таковую для анализаторов с газо-селективными электродами. Вариации в составе сточных вод, с которыми обычно имеют дело небольшие очистные сооружения, требуют постоянной ручной калибровки и адаптации к наличию мешающих ионов. Кто будет выполнять эту работу? Но даже при постоянной калибровке результаты измерений с применением ионоселективных электродов часто имеют весьма значительную погрешность (свыше 1 мг/л NH₄-N), которую невозможно устранить и которая является неприемлемой для некоторых применений.

Передача данных

Интеллектуальные датчики

Приборы для определения рН, растворенного кислорода и др. традиционно состоят из первичного преобразователя (сенсора или электрода) и вторичного преобразователя, в котором собственно и происходит необходимая обработка аналогового сигнала. С появлением более совершенных цифровых систем обработки данных эти технологии уступили место цифровым датчикам, часто называемым интеллектуальными (smart). Эти датчики помимо самого сенсора содержат и всю систему обработки сигнала, передающую на вышестоящий уровень контроля готовый цифровой сигал, содержащий численное значение определяемого параметра, единицы измерения и информацию о состоянии датчика. Одним из преимуществ такого подхода является возможность подключения различных датчиков к одному многоканальному контроллеру. Благодаря помехоустойчивой цифровой передаче сигнала, расстояние между датчиком и контроллером теперь не важно. Использование цифровых датчиков может сэкономить до 1000 € на каждый измеряемый параметр, поскольку промышленные анализаторы могут использоваться совместно с другими датчиками и всего с одним контроллером. Кроме того, единый унифицированный контроллер может устранить проблемы взаимозаменяемости и сократить количество различных запасных частей, необходимых для поддержания работы системы, что также уменьшает расходы.

Коммуникационные возможности

Коммуникационные возможности современных контроллеров позволяют с минимальными затратами объединить распределенные точки измерений друг с другом, образуя единую сеть. На рис. 3 показана схема подобной сети. Каждая точка измерений оборудована модулем датчиков, к которому подключены сенсоры, используемые в этой точке. Все модули связаны друг с другом сетевым кабелем. Вся сеть управляется при помощи одного контроллера, подключаемого к любому из модулей датчиков. Последние могут быть дополнительно оснащены релейными контактами, токовыми выходами и источником питания для анализаторов. Однако наиболее важным с экономической точки зрения является тот факт, что все сигналы и интерфейсы сведены в единое место, например, на центральный пульт управления, где происходит управление процессом очистки стоков. Это сокращает количество необходимых кабелей и упрощает интеграцию в общую сеть всех существующих и подключаемых в будущем датчиков. При необходимости вся измерительная сеть может быть подключена к промышленной шине передачи данных через любой из модулей датчиков.

Рис. 3. Сетевые возможности современных контроллеров.

Передача данных

Enternet возможности современного промышленного контроллера означают, что при наличии на очистных сооружениях простейшей беспроводной локальной сети (WLAN), сигналы всех датчиков измерительной сети можно увидеть в любое время в любом месте станции на экране обычных портативных устройств или карманного компьютера. При помощи GSM-модуля результаты измерений и информацию о состоянии датчиков можно получать в любом месте, где работает сотовая связь. Кроме того, настройка параметров измерительной сети, конфигурации датчиков и обновление программного обеспечения тоже может производиться удаленно. Результаты и аварийные сигналы могут передаваться в виде SMS или по электронной почте (рис. 4).

Рис. 4. Передача данных и удаленное управление современными контроллерами

Новая сервисная стратегия

Вышеописанные возможности контроллеров позволяют осуществить новую идею сервисного обслуживания промышленного оборудования. До сих пор сервис измерительных приборов основывался на концепции планового и превентивного обслуживания (например, 2 плановых визита инженера в год). Теперь эта концепция может быть дополнена новыми сервисными возможностями, сочетающими плановое обслуживание с моментальной реакцией на внештатные ситуации, увеличивая общую эффективность сервиса. В этом случае промышленные анализаторы будут оповещать оператора очистных сооружений и, при желании станции, сервисный центр производителя оборудования о текущем состоянии приборов (рис. 4). При возникновении предупреждения сразу же можно провести удаленное квалифицированное обслуживание прибора во избежание его аварийной остановки. За счет этого можно снизить количество плановых визитов в пользу выполнения удаленного сервиса, осуществляемого только при его необходимости. Новая стратегия, использующая современные коммуникационные возможности, увеличивает надежность измерительных систем и делает обслуживание более эффективным вне зависимости от их географического положения.

Открытая система / Модули автоматизации

Традиционные преобразователи имеют платы токовых выходов 0/4-20 мА для передачи измеряемого сигнала и релейные платы для индикации максимальных и минимальных значений и ошибок. Новое поколение контроллеров позволяет также считывать аналоговые и/или цифровые сигналы измерительных устройств, которые могут быть математически связаны с измеряемыми значениями от подключенных датчиков для создания дополнительных сигналов или контролируемых переменных (тем же образом, как это происходит в программируемых контроллерах, но более удобно и без знания специализированного программирования). Например, контроллер может регистрировать сигналы потока и содержания компонента с последующим расчетом нагрузки и, при необходимости, управлять приводом задвижки через цифровые или аналоговые выходы. ПИД контроллеры, специально разработанные для процессов очистки стоков, особенно важны для небольших очистных сооружений. Например, теперь очень просто создать эффективную программу автоматического управления прерывистой денитрификацией на основе датчиков растворенного кислорода и нитратов, подключаемых к одному небольшому контроллеру.

Увеличение экономического эффекта очистки стоков

Описываемые характеристики и стоимость промышленных анализаторов для определения аммония и фосфатов необходимо рассмотреть с точки зрения того экономического эффекта, который может быть достигнут при их использовании. Сэкономленные средства, определяемые в зависимости от мощности очистных сооружений, могут подсказать адекватный уровень необходимых инвестиций.

Аэрация

С экономической точки зрения, следует избегать излишне высокой концентрации кислорода в аэрационном тенке. В соответствии с данными [2], энергия, требуемая для аэрации активного ила, определяется из следующего соотношения:

(1) N~C_s/(C_s-C_x) где: C_s - концентрация кислорода в насыщенном растворе

C_x - текущая концентрация кислорода

Энергетические требования N или, другими словами, стоимость энергии, расходуемой на подачу кислорода в аэрационный тенк, возрастает прямо пропорционально концентрации кислорода C_x. Уменьшение концентрации кислорода с обычных 2 мг/л до 1 мг/л во время периода низкой нагрузки позволит сэкономить, исходя из уравнения (1), порядка 15%. Это подтверждается большим числом исследований, проводившихся в 90-х годах, которые показали возможность экономии от 10 до 20% электроэнергии для систем автоматического управления подачей кислорода, учитывающих содержание аммония. Если предположить, что потребление кислорода составляет около 70 г/ЭквН/д (грамм на эквивалент населения в день), а эффективность системы аэрации равна 1.5 кгO2/кВч, то ежегодное потребление электроэнергии составит примерно 17 кВч/ЭквН, а потенциальная экономия - около 2.5 кВч/ЭквН, или 0.25 €/ЭквН/год при цене 0.10 €/кВч. Это следует сопоставить со стоимостью закупки и обслуживания промышленных систем измерения аммония, которая на сегодняшний день составляет примерно 4200 €/год. Выше приведенные цифры позволяют сделать вывод об экономически оправданном применении анализаторов аммония для очистных сооружений с эквивалентом населения свыше 16800 человек. Предполагаемая стоимость анализаторов аммония в 2010 году составит 3000 €/год, что позволит снизить этот уровень до 12000, а с учетом постоянного повышения стоимости электроэнергии и до 10000 человек еще до 2010 года.

Добавка осадителя

В случае удаления фосфора стоимость осадителя и, куда более значимая величина, стоимость утилизации ила, являются ключевыми факторами в экономических расчетах. Можно рассчитать расход осадителя FM (кг Fe) и количество ила TS (кг TS), образуемого при добавке соли металла, как это показано в статье [1]:

FM = P_ges,0·β·(1-η_Bio-P)·f_sto где: P_ges,0 : общий осажденный фосфор (кг Р)

β : коэффициент β

η_Bio-P : эффективность биоразложения фосфора

f_sto : стехиометрический коэффициент

TS = FM ·f_TS где: f_TS : удельная иловая производительность

Согласно «ATV Handbuch» [3], потребление осадителя может быть уменьшено от 10 до 25% при использовании системы автоматического контроля с заданным значением, по сравнению с неконтролируемой дозировкой. Основываясь на стоимости годового владения и в зависимости от стоимости утилизации ила и степени биологического удаления фосфора, можно примерно оценить масштаб очистных сооружений (предположив, что нагрузка по фосфору составляет 2 г Р/ЭквН/д, а уровень экономии около 15%), начиная с которого применение автоматического контроля добавки осадителя будет экономически оправдано (Табл. 2).

Табл. 2. Экономическая эффективность применения промышленных анализаторов для контроля добавки осадителя

Увеличение эффективности применения промышленных анализаторов

Изменение политических, экономических и экологических требований способствует все более широкому применению промышленных систем аналитического контроля на очистных сооружениях всех масштабов.

Учет воздействия на окружающую среду

В течение последнего десятилетия было принято множество законов, директив и нормативных актов по защите водных ресурсов и окружающей среды. Целью этих нововведений было дополнение существующей законодательной базы в области экологии принципом «нулевой эмиссии» или замене его подходом, ориентированным на комплексную оценку воздействий (например BWK-Merkblatt M 3, 2001). Прежде всего, при этом возрастают требования к эффективности очистных сооружений, поскольку эти объекты часто являются источником загрязнения вод бионеразлагаемыми или трудно разлагаемыми стоками [4]. В будущем даже небольшие станции будут вынуждены адаптировать затраты на квалифицированный персонал и контрольно-измерительные системы к новым требованиям, что неизбежно приведет к увеличению данных статей расходов.

Интегрированные контрольно-измерительные системы

Если ставить вопрос о более эффективном использовании инженерной инфраструктуры очистки сточных вод, то системы измерения и управления должны идти дальше простой оптимизации отдельных компонентов очистных сооружений и ориентироваться на оптимизацию всей станции или системы в целом (например, интегрированные контрольно-измерительные системы канализационной системы или городской станции аэрации). Данный подход может настолько увеличить экономическую и экологическую эффективность канализационных систем и очистных сооружений, что применение масштабных измерительных комплексов может быть экономически адаптировано даже для станций, рассчитанных на пятитысячное население, что демонстрирует, например, Мессельский проект очистных сооружений (Messel Sewage Treatment Plant Project [4]). Это в особенности очевидно, когда применение контрольно-измерительных технологий делает ненужным новое строительство или расширение существующих сооружений и одновременно позволяет значительно снизить счета за сброс недоочищенных стоков.

Периферийные очистные сооружения

Как результат увеличения требований к операторам очистных сооружений и быстрого прогресса в области телекоммуникаций и автоматизации, высококвалифицированный постоянный персонал на небольших станциях будет встречаться все реже. Станции станут подключаться к централизованной системе при помощи технологий удаленного управления. Сегодняшние регулярные визиты в будущем уступят место только необходимым посещениям (например, при возникновении неисправности оборудования).

Выводы

Приход технологий цифровой передачи данных и микродозирования, мембранной фильтрации и ионных мембран в индустрию приборостроения способствовал разработке новых анализаторов для измерения аммония и ортофосфатов. За истекшие 10 лет стоимость самих NH4-N и PO4-P анализаторов снизилась почти на 50%. Кроме того, стоимость их эксплуатации также уменьшилась на 63% и 54% соответственно. Если принять во внимание увеличение стоимости электроэнергии и утилизации ила, использование анализаторов стало экономически выгодным на многих небольших и средних очистных сооружениях, где ранее подобные системы не применялись. Это особенно актуально в случаях, когда промышленные системы измерения и контроля могут использоваться для снижения платежей за сброс недоочищенных стоков или стоимость приобретения самих анализаторов сопоставима со штрафами за низкое качество очистки сточных вод.

Удаленная диагностика и передача данных также открывают новые возможности. В будущем они могут использоваться для создания совершенно новых подходов к сервисной поддержке, которые позволят снизить до минимума стоимость персонала, контролирующего и обслуживающего измерительное оборудование. Эти услуги будут наиболее востребованы на малых и средних очистных сооружениях, имеющих ограниченное число квалифицированных специалистов, задействованных непосредственно на самой станции.

Ионоселективные электроды для измерения аммония известны с начала 90-х и вновь приобретают актуальность. Однако когда эти датчики устанавливаются в системах управления с обратной связью, следует помнить, что экономическая эффективность и надежность автоматизированной системы очень тесно связана с качеством (достоверностью показаний, продолжительностью эксплуатации) используемых сенсоров. Применение датчиков неадекватных условиям измерения приводит к тому, что даже после оптимизации всех процессов на очистных сооружениях недостоверные результаты измерений в итоге повышают стоимость очистки по сравнению с той, которая была до оптимизации.

Следует ожидать, что важность применения промышленных систем непрерывного мониторинга на станциях очистки сточных вод будет возрастать. С точки зрения того факта, что около 45000 из примерно 51000 очистных сооружений в Западной Европе построены для обслуживания менее 15000 жителей, можно предположить, что мы еще только на пороге масштабного перехода к применению автоматических промышленных систем контроля химического состава сточных вод.

Литература

[1]. Wedi, Detlef:
Einsatz von Messtechnik auf Klaranlagen, notwendig oder nicht Angewandte Prozess Messtechnik Nr. 16, Dr. Lange Eigenverlag (1996)

[2]. Merkblatt ATV-DVWK-M 265:
Regelung der Sauerstoffzufuhr beim Belebungsverfahren (2000)

[3]. ATV-Handbuch:
Betriebstechnik, Kosten und Rechtsgrundlagen der Abwasserreinigung, Ernst & Sohn, 4. Auflage (1995)

[4]. Wiese, Jurgen (ASA - Anlagen- und Sondermaschinen Automation GmbH):
Entwicklung von Strategien fur einen integrierten Betrieb von SBR-Klaranlagen und Mischkanalisationen – Simulation und Gro?technik, Schriftenreihe der TU Kaiserslautern, FG Siedlungswasserwirtschaft, Band 19 (2005)

Авторы

Платонов М.М., к.х.н., ООО ЭкоИнструмент, Москва