Ścieki stanowią produkt uboczny praktycznie wszystkich naszych działań. Zawierają w związku z tym liczne zanieczyszczenia, które różnie wpływają na środowisko i wymagają różnych sposobów usuwania lub neutralizacji. Generalnie klasyfikuje się je na: komunalne i przemysłowe. W obrębie tych grup wprowadza się dalszy podział na: ścieki z gospodarstw domowych, medyczne, rolnicze i radioaktywne. Pierwsze, tzw. bytowe, wytwarzamy podczas codziennych czynności, takich jak korzystanie z toalety, wanny, prysznica, mycie rąk, pranie, gotowanie, zmywanie. Zależnie od źródła wyróżnia się ścieki czarne z toalet, zlewów kuchennych i zmywarek, zawierające fekalia i resztki żywności oraz szarą wodę z wanien, umywalek i pralek, stanowiącą mieszaninę wody i środków chemicznych.
Ścieki z gospodarstw domowych i obiektów użyteczności publicznej – szkół, urzędów, dworców – oraz ze studzienek odpływowych są zbiorczo określane jako komunalne. Przemysłowe powstają z kolei w wyniku prowadzonej działalności gospodarczej. Ich źródła to m.in. zakłady przemysłowe, lokale gastronomiczne i warsztaty samochodowe. Klasyfikacja ta nie jest ścisła, ale pokazuje, jak różne ścieki – zawierające m.in. ekskrementy, odpady żywnościowe, detergenty, pestycydy i substancje toksyczne – trafiają do oczyszczalni.
Parametry ścieków – etapy oczyszczania
Mieszanka ta staje się skupiskiem bakterii, drobnoustrojów chorobotwórczych i trucizn, np. metali ciężkich, które stwarzają zagrożenie sanitarno-epidemiologiczne. Ścieki można zatem wprowadzić z powrotem do zbiorników wodnych dopiero po podaniu ich obróbce – o ile wynikowe parametry jakościowe charakteryzujące ich fizyczne, chemiczne i biologiczne właściwości będą się mieścić w bezpiecznych granicach. Przykładami takich wskaźników są: kolor, zapach, temperatura, mętność, pH, biochemiczne oraz chemiczne zapotrzebowanie tlenu, ogólny węgiel organiczny, zawartość metali, zasolenie, liczba wirusów i bakterii.
Proces usuwania zanieczyszczeń ze ścieków składa się z etapów. Główne jego fazy to: oczyszczanie wstępne, pierwszego, drugiego i trzeciego stopnia, podczas których wykorzystuje się różne metody – mechaniczne, chemiczne oraz biologiczne.
Separacja dużych zanieczyszczeń
W ramach oczyszczania wstępnego i pierwszego stopnia ścieki przygotowuje się do dalszej obróbki, usuwając z nich większe zanieczyszczenia (skratki), mogące uszkodzić albo unieruchomić elementy instalacji na dalszych etapach przetwarzania. Chodzi np. o kawałki jedzenia, tkaniny, bryły piachu i żwiru, kamienie, liście, patyki. Żeby je wychwycić, na drodze przepływających ścieków instaluje się kraty, sita, płyty perforowane. Osadzające się na nich zanieczyszczenia co jakiś czas są usuwane, tak aby nie doszło do zablokowania przepływu.
Przykład stanowią zmechanizowane kraty o regulowanej szerokości, przeznaczone do montażu w kanale. Płynące nim ścieki trafiają na przegrodę wykonaną ze stali nierdzewnej z prześwitami o średnicy od kilku do kilkudziesięciu milimetrów, w zależności od spodziewanego rozmiaru skratek. Zatrzymane na kracie zanieczyszczenia transportuje do góry system zgrzebeł zgarniających. W tym czasie są opłukiwane ze szlamu i odcedzane, co zmniejsza ich wagę. Kratki wyposaża się także w system automatycznego czyszczenia zgrzebeł. W górnej części urządzenia montowany jest zsyp, z którego skratki trafiają do kontenera – luzem albo już zapakowane w worki.
Dostępne są także urządzenia do mechanicznej separacji dużych zanieczyszczeń, do których ścieki doprowadzane są rurami. Wpływają one na perforowany element cedzący, na którym zatrzymują się skrawki. Oczyszczone ścieki spływają w dół, do rynny pod kratką i dalej, do odpływu. Skrawki z sitka są usuwane za pomocą szczotek obrotowych, automatycznie oczyszczanych przez zgarniacz. Zanieczyszczenia trafiają do zsypu, a stamtąd do prasy, w której są zgniatane, co ma zmniejszyć ich objętość. Element perforowany jest okresowo spłukiwany w celu usunięcia osadów, które z czasem się na nim gromadzą, jeżeli ścieki są tłuste.
Jak działają sita bębnowe?
Oprócz tego korzysta się z sit bębnowych. Ścieki wpływają w nich kanałem wlotowym do wnętrza obracającego się bębna. Jego częścią jest deflektor. Dzięki temu elementowi ścieki wytracają część energii kinetycznej, a charakter ich przepływu zmienia się na laminarny. W praktyce oznacza to, że strumień wpływa do bębna mniej gwałtownie i zostaje ukierunkowany. Zapewnia to równomierne obciążenie sitka. Skrawki zatrzymują się po jego wewnętrznej stronie, skąd zostają usunięte przez ślimacznicę, w którą wyposażony jest bęben. Trafiają do zsypu, a z niego do kontenera albo prasy. Oczyszczone ścieki spływają do rynny i dalej, do wylotu urządzenia. Bęben co jakiś czas spłukuje się wodą, by zapewnić jego drożność. Ustawienie go pod określonym kątem pozwala na odsączanie zanieczyszczeń.
W innym wykonaniu ścieki wpływają do komory, w której obraca się perforowany bęben. Skrawki zatrzymują się w tym przypadku na jego zewnętrznej powierzchni. Z niej, dzięki ruchowi obrotowemu bębna, są one transportowane na zgrzebło, które je usuwa, oczyszczając sito. Ścieki tymczasem spływają przez perforacje w bębnie do wylotu urządzenia.
Alicja Olek
Endress+Hauser Polska
Jakie produkty Państwa firmy służą aplikacji inteligentnej technologii w oczyszczalni ścieków?
Kiedyś popularne było sterowanie oparte wyłącznie na sondzie tlenu. Teraz jednak – uwzględniając wymogi prawne i ceny energii elektrycznej – należy dążyć do optymalizacji procesu, w tym ograniczania zużycia energii. W tym celu – poza sondą stężenia tlenu rozpuszczonego, taką jak np. Oxymax COS61D – warto zastosować jonoselektywną sondę azotu amonowego i azotanowego ISEmax CAS40D, która umożliwi kontrolę procesu w czasie rzeczywistym i optymalizację nitryfikacji oraz denitryfikacji.
Także kontrola wlotu i wylotu ścieków realizowana przez stały monitoring parametrów takich jak mętność, ChZT czy całkowity azot i fosfor za pomocą sond spektralnych i analizatorów, umożliwia nam bezpieczniejszą pracę układu. Dodatkowo, systemy sterowania mogą być programistycznie rozbudowywane o kolejne moduły optymalizacyjne – potrzebują jednak wielu danych, które najlepiej dostarczać z odpowiednich urządzeń pomiarowych.
Silnym trendem jest maksymalizacja produkcji biogazu, przy jednoczesnym minimalizowaniu kosztów pośrednich, związanych np. z dozowaniem polimeru do odwadniania osadów. Stosując pomiar ciągły całkowitej zawartości substancji za pomocą Teqwave MW, możemy zoptymalizować dozowanie polimeru, prowadząc do oszczędności sięgających nawet 20%. Można także zastosować ciągły pomiar przepływu biogazu, wraz z pomiarem zawartości metanu dzięki ultradźwiękowemu przepływomierzowi Proline Prosonic Flow B 200.
Endress+Hauser jest dostawcą kompletnych rozwiązań pomiarowych dla oczyszczalni ścieków, także w zakresie wymagań nowoczesnych technologii opartych na uczeniu maszynowym czy sztucznej inteligencji – zarówno w przypadku sond procesowych, jak i dokładnych pomiarów za pomocą analizatorów.
Piaskowniki, tłuszczowniki, osadniki
W pierwszej fazie oczyszczania ścieków używa się również m.in. rozdrabniaczy i piaskowników. Te drugie oddzielają piasek, żwir, kamyki. W przykładowym wykonaniu takiego urządzenia ścieki wpływają do specjalnie ukształtowanego pierścienia wewnętrznego. To wprawia je w ruch wirowy. Pod wpływem działania siły odśrodkowej oraz grawitacji piasek i inne cięższe, stałe zanieczyszczenia opadają na dno piaskownika, do leja zbiorczego. Zawiesina ścieków jest odprowadzana na zewnątrz. Jeżeli piaskownik został zintegrowany z separatorem piasku, pulpa wodno-piaskowa z leja jest pompą przenoszona do komory płukania i sedymentacji. W celu wypłukania zanieczyszczeń organicznych doprowadza się do niej powietrze. Oczyszczony piasek opada na dno, a nadmiar cieczy z zawiesiną organiczną odpływa otworem przelewowym z powrotem do zewnętrznego pierścienia piaskownika. Stamtąd, wraz ze ściekami, wypływa z urządzenia. Piasek z dna separatora jest transportowany na zewnątrz za pomocą odwadniającego podajnika ślimakowego.
Kolejne urządzenia używane w oczyszczaniu wstępnym to separatory tłuszczów (tłuszczowniki) i odstojniki (osadniki). Te ostatnie służą do usuwania zanieczyszczeń samoistnie opadających na dno zbiornika, natomiast w tłuszczownikach od ścieków oddziela się m.in. oleje oraz smary. W tym celu przez otwory w dnie zbiornika, którym przepływają ścieki, wprowadza się powietrze. Jego bąbelki, unosząc się, przenoszą przylegające do nich cząstki tłuszczów, które następnie gromadzą się na powierzchni cieczy. Stamtąd są cyklicznie usuwane, np. za pomocą czerpaków.
Oczyszczanie drugiego i trzeciego stopnia
Następnie ze ścieków usuwane są zanieczyszczenia organiczne wcześniej niewychwycone. W tym celu wykorzystuje się przede wszystkim metody biologiczne, np. metodę osadu czynnego. Polega ona na wymieszaniu ścieków z kłaczkowatymi strukturami zawierającymi bakterie i inne mikroorganizmy, jak pierwotniaki, rozkładające substancje organiczne zawarte w nieczystościach.
Oczyszczanie trzeciego stopnia to z kolei etap najczęściej realizowany w przetwarzaniu ścieków pochodzenia przemysłowego. W tej fazie usuwane są zanieczyszczenia nieulegające biologicznemu rozkładowi, głównie metodami chemicznymi. Przykładami są procesy: koagulacji (polega ona na łączeniu cząstek w większe skupiska aż do wytrącenia się z nich osadu), sorpcji (pochłanianie jednej substancji przez inną), ekstrakcji (wydzielanie składnika mieszaniny metodą dyfuzji do substancji go rozpuszczającej), elektrolizy i neutralizacji (zobojętnienie substancji o odczynie zasadowym przez dodanie do niej substancji o odczynie kwaśnym lub na odwrót).
Przed wprowadzeniem oczyszczonych ścieków do jeziora, rzeki czy morza trzeba je jeszcze odkazić, najczęściej przez dodanie chloru. Jeżeli zostanie zastosowany, niezbędne staje się przeprowadzenie procesu odchlorowania. Polega on na dodaniu substancji neutralizujących, usuwających ze ścieków resztki chloru, mogące wpływać na środowisko naturalne.
Uzdatnianie wody
Woda dla odbiorców komunalnych i przemysłowych jest pobierana z ujęć. Te klasyfikuje się jako: powierzchniowe, podziemne i źródlane. Pierwsze to rzeki i jeziora, a do grupy podziemnych zalicza się ujęcia poziome, np. sztolnie, oraz pionowe, takie jak studnie kopane i głębinowe. Woda z tych źródeł wymaga uzdatniania, polegającego na usunięciu zanieczyszczeń oraz dostosowaniu składu i właściwości do wymagań specyficznych dla jej przeznaczenia. Zastosowana metoda uzdatniania zależy od parametrów wody, początkowych i docelowych.
Pierwsze zależą od jakości ujęcia. Przeważnie skład wód podziemnych mniej się zmienia i dzięki temu ich uzdatnianie jest łatwiejsze niż w przypadku zazwyczaj słabszej jakości wód powierzchniowych. Jakość docelowa zależy z kolei od przeznaczenia wody. Inne wymagania stawia się tej, która jest używana do celów spożywczych i higienicznych w gospodarstwach domowych, inne zaś wodzie grzewczej i do zastosowań przemysłowych.
Uzdatnianie to proces etapowy. Przykładowe etapy uzdatniania mieszanki wód powierzchniowych i podziemnych są następujące: woda z rzeki najpierw przepływa przez kilka stopni sit o malejącej średnicy oczek, a głębinowa jest napowietrzana w instalacji ze spiętrzaniem kaskadowym i wymuszonym przepływem powietrza. Tłoczenie sprężonego powietrza do wód głębinowych powoduje ich odżelazienie i odmanganienie – zbyt duże stężenie żelaza, manganu i mętność na skutek obecności związków żelaza czynią wodę niezdatną do spożycia. Napowietrzenie umożliwia odżelazienie i odmanganienie, gdyż powoduje utlenianie rozpuszczonych w wodzie związków żelaza oraz manganu do postaci nierozpuszczalnych osadów. Te są następnie usuwane w procesie sedymentacji i filtracji.
Na czym polega dezynfekcja?
Wody z obu typów ujęć są następnie doprowadzane do jednego zbiornika. Do ich mieszanki dodaje się koagulant. W procesie koagulacji usuwa się zanieczyszczenia dzięki łączeniu się ich cząstek w większe skupiska, aż do wytrącenia się z nich osadu oddzielanego przez sedymentację i filtrowanie. Przykładem koagulantu jest siarczan żelaza tworzący zawiesinę wodorotlenków dobrze adsorbujących z wody różne zanieczyszczenia. Ponadto, aby zmienić odczyn pH wody, dodaje się do niej węglan sodu, co zmniejsza jej korozyjność. Woda, przez cały czas mieszana, doprowadzana jest do osadników. W nich osad pokoagulacyjny gromadzi się na dnie, skąd usuwają go zgarniacze mechaniczne. Z osadników woda kierowana jest do sekcji filtrów. Ostatni etap stanowi dezynfekcja. Jej celem jest zniszczenie wszystkich żywych i przetrwalnikowych form drobnoustrojów chorobotwórczych.
Dezynfekcję przeprowadza się różnymi metodami. Wymaga się od nich, by w możliwie najkrótszym czasie kontaktu wody ze środkiem odkażającym mikroorganizmy ulegały zniszczeniu w stopniu pozwalającym na spełnienie wymaganych standardów jakości mikrobiologicznej. Zarazem stężenie ubocznych produktów po dezynfekcji powinno być jak najmniejsze i nie może przekraczać wartości dopuszczalnej. Ponadto dezynfekcja nie może znacząco zmieniać smaku ani zapachu wody. Ważnymi kwestiami pozostają też bezpieczeństwo realizacji procesu odkażania i niskie koszty jego przeprowadzania.
W uzdatnianiu wody popularną metodą dezynfekcji jest odkażanie chlorem. Ponadto coraz częściej w tym celu wykorzystuje się bakteriobójcze właściwości promieniowania ultrafioletowego. Ta metoda w porównaniu z chlorowaniem ma wiele zalet.
Należą do nich: brak wprowadzania do wody chemikaliów, niezmienność smaku i zapachu wody, brak ryzyka przedawkowania środków dezynfekujących oraz niezmienność składu fizyczno-chemicznego wody. Ograniczeniem jest z kolei to, że działanie dezynfekujące promieni UV występuje jedynie w czasie naświetlania. Konieczne jest więc dodanie środków chemicznych, które zapobiegną namnażaniu się mikroorganizmów w sieci wodociągowej – podobnie jak przy odkażaniu chlorem, ale w mniejszych ilościach.
Filtry
W stacjach uzdatniania wody, tak jak w oczyszczalniach ścieków, korzysta się ze specjalistycznych urządzeń. Przykład stanowią samoczyszczące się filtry do zatrzymywania cząstek stałych. W urządzeniach tego typu zanieczyszczona woda wpływa przez kołnierz wlotowy i, po przejściu przez sito, jako czysta wypływa kołnierzem wylotowym. Wyposaża się je w układ sterowania inicjujący i zatrzymujący płukanie. Jest ono przeprowadzane okresowo lub doraźnie, w przypadku wykrycia przez sensor ciśnienia różnicowego, że spadło ono poniżej wartości progowej. Wówczas otwiera się zawór płuczący, a większe cząstki stałe są wypłukiwane. W tym czasie tarcza płucząca kilkakrotnie wysuwa się i cofa, napędzana cylindrem skokowym. Projektuje się ją w taki sposób, by dzięki specjalnemu kształtowi prędkość przepływu w szczelinie pomiędzy nią a umieszczonym wewnątrz sitkiem zwiększała się. To wywołuje lokalny spadek ciśnienia statycznego po brudnej stronie sita, co powoduje uwolnienie cząstek stałych i ich odprowadzenie przez otwarty zawór płuczący.
Jak działa aerator?
Stacje uzdatniania wód podziemnych wyposaża się w aeratory. Są to zbiorniki ze stali nierdzewnej, do których doprowadza się wodę i sprężone powietrze. Zazwyczaj wyposaża się je w automatyczny układ regulacji poziomu wody oraz wielkości poduszki powietrznej. Składa się on z: sondy poziomu, zaworów elektromagnetycznych, spustowego i wyrzutowego, oraz zaworów regulujących przepływ powietrza, zwrotnego i odcinającego. Aerator uruchamia się po włączeniu pompy doprowadzającej wodę do stacji uzdatniania. Woda wpływa wlotem u góry, a wypływa wylotem u dołu zbiornika. Jej natlenianie to proces dwuetapowy. Najpierw jest rozpylana na poduszce powietrznej i gromadzi się na dnie zbiornika, gdzie dodatkowo napowietrza ją nawiew. Trwa to przez czas potrzebny do zajścia reakcji utleniania żelaza i manganu. Aerator jest również wyposażony w automatyczne odpowietrzniki. Jego część stanowi ponadto układ automatycznego zrzutu powietrza, aktywujący się, jeżeli odpowietrzniki nie są w stanie usunąć ze zbiornika zbyt dużej ilości gazów. Zapobiega to zapowietrzaniu się aeratora, co zanieczyściłoby już uzdatnioną wodę.
Pompy w oczyszczaniu i uzdatnianiu
Oprócz urządzeń specjalistycznych, przedstawionych powyżej, w oczyszczalniach ścieków i stacjach uzdatniania kluczową rolę odgrywają pompy oraz czujniki. Pierwsze są używane w transporcie surowych ścieków z systemu kanalizacji miejskiej do instalacji wstępnego oczyszczania, między kolejnymi etapami ich obróbki, oraz oczyszczonej wody odprowadzanej z powrotem do zbiorników wodnych. W obrębie oczyszczalni muszą być też przesyłane osady wyodrębniane ze ścieków na kolejnych etapach ich oczyszczania. Najczęściej w tym zastosowaniu są wykorzystywane pompy kawitacyjne, nurnikowe, membranowe (przeponowe).
Pierwsze składają się z wirnika umieszczonego wewnątrz stojana wyłożonego gumową uszczelką. Nie należy uruchamiać ich na sucho, a na skutek zużycia mogą się rozszczelnić. Alternatywą dla nich, zwłaszcza w transporcie osadów z dużą zawartością piasków i żwirów, są pompy nurnikowe. Jedną z ich zalet jest praca pulsacyjna, dzięki której można uzyskać bardziej zwartą konsystencję osadu tłoczonego do zbiornika. Ponadto ten typ pomp charakteryzuje duża wysokość wypływu, a w pewnych warunkach mogą one też rozbijać zbrylone osady.
Pompy membranowe. Pompy dozujące
Do oczyszczalni ścieków zalecane są pompy membranowe zasilane pneumatycznie. Zapewniają iskrobezpieczeństwo, co jest ważne, ponieważ w tych obiektach mogą gromadzić się gazy, które w połączeniu z powietrzem tworzą mieszaniny wybuchowe. Niestety, w porównaniu do innych ten typ pomp charakteryzuje mniejsza wydajność i mniejsza wysokość wypływu. Membrany ulegają poza tym łatwemu uszkodzeniu i szybko się zużywają, dlatego urządzenia tego rodzaju nie nadają się do pompowania osadów zawierających piasek i żwir.
Ważny komponent stacji uzdatniania wody stanowią z kolei stacje pomp dozujących. Wykorzystuje się je do odmierzania różnego rodzaju środków chemicznych, które dodaje się do wody, takich jak chlor. W tym zastosowaniu także sprawdzają się pompy membranowe. Wstrzykują one dawkę substancji zassanej tłokiem od razu lub impulsowo. Pompy krzywkowe są mniej precyzyjne niż membranowe i nadają się tylko do odmierzania płynów o dużej lepkości. Dokładnością dozowania wyróżniają się natomiast pompy perystaltyczne.
Procesy realizowane na kolejnych etapach obróbki ścieków i uzdatniania wody cechuje ciągła zmienność. Aby móc sprawnie i efektywnie sterować ich przebiegiem, wymagana jest znajomość charakteryzujących go parametrów. Dlatego praktycznie wszystkie instalacje oczyszczalni i stacji uzdatniania są opomiarowane.
Czym jest współczynnik pH?
Wielkością, której pomiary są wymagane, jest współczynnik pH. Określa on stężenie jonów wodorowych w roztworze, charakteryzując stopień jego kwasowości albo zasadowości. Oblicza się go jako ujemny logarytm ze stężenia molowego jonów wodoru. Wyrażany jest wartością w skali od 0 do 14. Przykładowo, roztwory z 10–6 i 10–3 molami jonów wodoru na litr mają wartości pH odpowiednio 6 oraz 3. Roztwory o małym pH, w przedziale od 0 do 6, są klasyfikowane jako kwasowe, zaś te o pH w zakresie od 8 do 14 jako roztwory o odczynie zasadowym. Środkowa wartość skali, czyli pH 7, charakteryzuje chemicznie czystą wodę o odczynie obojętnym.
Skala pH jest logarytmiczna, w związku z czym nawet pozornie małe zmiany pH znacząco zmieniają właściwości roztworu. Przykładowo, roztwór o pH 4 jest dziesięć razy kwaśniejszy niż roztwór o pH 5 i aż sto razy kwaśniejszy niż roztwór o pH 6. Spadek pH z 6 na 5 oznacza zatem aż dziesięciokrotny wzrost stężenia kwasu, a zmiana o zaledwie 0,3 – jego podwojenie.
Dlaczego trzeba mierzyć pH?
Monitorowanie wartości tego współczynnika w procesach oczyszczania ścieków i uzdatniania wody jest bardzo ważne. Przykładowo, ta o zbyt niskim pH może sprzyjać rozwojowi korozji rur i kranów, czego skutkiem jest przedostawanie się produktów rdzewienia do sieci wodociągowej, a w efekcie zanieczyszczenie wody. Jeśli natomiast poziom pH jest zbyt wysoki, może spowodować pogorszenie jej smaku. Z kolei w oczyszczaniu ścieków wartości tego współczynnika muszą być kontrolowane, by zapewnić optymalne warunki do przebiegu reakcji chemicznych i procesów biochemicznych.
Wahania pH, przykładowo, wpływają negatywnie na aktywność metaboliczną mikroorganizmów i w efekcie na ich zdolność do rozkładu zanieczyszczeń organicznych w oczyszczaniu ścieków metodą osadu czynnego. Podobnie np. reakcje chemiczne prowadzące do wytrącania się metali ciężkich najefektywniej zachodzą w określonym przedziale pH, więc w razie jego przekroczenia w ściekach może pozostać większa ilość tych szkodliwych związków.
Case study: pomiary pH ścieków w fabryce tekstyliów
Pewien producent materiałów tekstylnych szukał sposobu na zmniejszenie opłat za oczyszczanie ścieków przemysłowych, wytwarzanych w jego fabryce. Zanieczyszczenia, które powstają tam podczas produkcji i barwienia tkanin, są najpierw wstępnie usuwane w przyzakładowej oczyszczalni, skąd przesyła się je do oczyszczalni miejskiej. Jakość ścieków trafiających do jednostki komunalnej warunkuje wysokość opłat, które uiszcza za to przedsiębiorstwo – konieczne jest zatem jej monitorowanie.
W tym celu wymagana była instalacja czujnika pH. Zamontowano go na wylocie z oczyszczalni ścieków w zakładzie. Wybrany został pH-metr z wbudowanym sensorem Pt1000 do kompensacji temperatury. Czujnik ma wzmocnioną konstrukcję, dzięki której sprawdza się w warunkach pomiarów ścieków przemysłowych. Został również zintegrowany z modułem komunikacji przewodowej. To umożliwia przesyłanie wyników pomiarów bezpośrednio do systemu sterowania pompami dozującymi środki neutralizujące odczyn ścieków w oczyszczalni przyzakładowej. W razie przekroczenia dozwolonej wartości pH automatycznie ilość tych chemikaliów jest zwiększana. Obniża to koszty opłat za korzystanie z oczyszczalni komunalnej. Czujnik wyposażono też w wyświetlacz, który umożliwia lokalny odczyt wartości pH i system automatycznego czyszczenia, usuwający zabrudzenia gromadzące się na elektrodach podczas użytkowania.
Jak się mierzy pH?
Sensory pH zbudowane są z elektrody jonoselektywnej i elektrody odniesienia – obu w postaci szklanych rurek, wypełnionych odpowiednio roztworem obojętnym oraz elektrolitem. Obudowa elektrody pomiarowej jest wykonana z porowatego, przepuszczalnego szkła. W obu rurkach umieszczone są srebrne druty. Po zanurzeniu elektrody pomiarowej w mierzonym roztworze przez jej obudowę przenikają jony. Kierunek ich ruchu zależy od jego odczynu. Powoduje to przepływ prądu w obwodzie zamykającym się przez wewnętrzne roztwory elektrod, mierzony roztwór, druty i pH-metr, mierzący różnicę między potencjałami – stałym elektrody odniesienia i zmiennym elektrody pomiarowej. Jest ona proporcjonalna do poziomu pH mierzonego roztworu.
Elektrody pomiarowa i odniesienia znajdują się zazwyczaj w jednym korpusie. Dostępne są również sensory w wersji różnicowej z trzema elektrodami: pomiarową, odniesienia i uziemiającą. Wyróżnia je duża precyzja, nawet w bardzo trudnych warunkach występujących w oczyszczalniach ścieków. Wymaganą w pomiarach pH kompensację temperatury zapewnia natomiast wbudowany w elektrodę pomiarową czujnik tej wielkości.
Case study: automatyzacja czyszczenia sondy pH w fabryce papieru
Zakłady papiernicze zużywają ogromne ilości wody wykorzystywanej do produkcji pulpy (miazgi), jej wybielania, produkcji papieru, recyklingu. W ramach oczyszczania powstałych przy tej okazji ścieków należy usunąć z nich zawiesiny włókien. Realizuje się to przez ich wytrącanie w zbiorniku, dodając do zawiesiny środki flokujące. Powodują one łączenie się włókien w łatwiejsze do usunięcia kłaczki. Na skuteczność tego procesu wpływa wartość pH. Odczyn musi być utrzymywany na odpowiednim poziomie, jego wartość należy zatem monitorować. Niestety, ze względu na specyfikę zawiesiny, pH-metry trzeba często wymieniać, ponieważ z czasem oblepiają je włókna, kłaczki i same środki flokujące.
W pewnym zakładzie, by wydłużyć żywotność sond pomiarowych, codziennie czyszczono je ręcznie. Angażowanie personelu w tym celu było jednak wysoce nieefektywne, dlatego zdecydowano się na zakup nowego modelu pH-metru. Czujnik ten jest zintegrowany z uchwytem z wbudowaną myjką ultradźwiękową oraz przedmuchem strumieniem powietrza. Pozwala to na zautomatyzowanie zadania czyszczenia pH-metru. Dzięki temu gruntowne ręczne usuwanie osadów jest już obecnie wymagane tylko raz na dwa miesiące.
Pomiary mętności
Mętność stanowi miarę przejrzystości płynów (patrz ramka "Mętność w praktyce"). Jest to krytyczny wskaźnik jakości, który należy monitorować podczas oczyszczania ścieków i uzdatniania wody. Na jej podstawie można np. ocenić skuteczność wytrącania się zanieczyszczeń ze ścieków w procesie koagulacji i odpowiednio zmienić dawkę środków chemicznych, które są dozowane w celu zlepienia cząstek. Pomiar mętności pozwala również określić stopień czystości wody. Wielkość tę zazwyczaj monitoruje się w czasie rzeczywistym, w ramach pomiarów in-line. Umożliwia to szybką reakcję w przypadku wykrycia odchyleń zmętnienia, wskazujących na niską skuteczność procesów realizowanych w zakładzie.
Wyróżnia się dwie techniki pomiaru mętności: nefelometrię i turbidymetrię. Obie zaliczane są do grupy metod nieniszczących, a polegają na oświetleniu badanej próbki i pomiarze natężenia światła po jego przejściu przez zawiesinę cząstek stałych. Chociaż te dwa terminy są czasami używane zamiennie, w praktyce chodzi o dwie różne techniki. W turbidymetrii źródło światła i fotodetektor umieszcza się w jednej linii, a ten drugi mierzy spadek natężenia światła na skutek jego tłumienia przez cząstki zawiesiny. W przypadku nefelometrii detektor jest natomiast ustawiony pod kątem w stosunku do źródła światła, by mierzyć natężenia światła rozproszonego w wyniku odbić od cząstek unoszących się w płynie (rys. 1).
Wybór pomiędzy nefelometrią a turbidymetrią jest podyktowany głównie dwoma czynnikami.
Pierwszym jest ilość rozpuszczonych cząstek i wynikająca z tego różnica w natężeniu światła – ze źródła i tego, które dociera do detektora. Jeżeli jest ich mało, światło nie będzie silnie tłumione, a różnica okaże się niewielka, a zatem i trudno mierzalna. W takim przypadku lepiej sprawdzi się nefelometria. Turbidymetria staje się odpowiedniejsza, gdy światło jest silnie absorbowane przez dużą ilość rozpuszczonych cząstek.
Drugim parametrem, który należy wziąć pod uwagę, jest rozmiar drobin rozpraszających, gdyż wpływa na ilość odbijanego światła. Generalnie nefelometria najlepiej sprawdza się w pomiarach zawiesin małych cząstek. W turbidymetrii z kolei ich rozmiar ma mniejsze znaczenie.
Mętność w praktyce
Mętny płyn jest nieprzejrzysty – z powodu obecności materiałów rozpraszających i/albo absorbujących światło. Rozpraszanie polega na zmianie kierunku światła padającego na próbkę, na skutek jego odbicia od cząstek unoszących się w płynie, natomiast w wyniku absorpcji po przejściu przez próbkę maleje natężenie światła. Zasadniczo jest ono rozpraszane przez cząstki zawieszone, takie jak piasek, materia organiczna, mikroorganizmy, zaś jego pochłanianie jest skutkiem obecności substancji rozpuszczonych. Na tę ostatnią zwykle wskazuje zabarwienie próbki, co wynika stąd, że dany płyn zazwyczaj silniej absorbuje światło o określonej długości fali. Efektem tej selektywności jest np. brązowe zabarwienie wody zawierającej rozpuszczoną materię organiczną, która pochłania światło niebieskie, a przepuszcza czerwone. Ilość światła rozpraszanego zależy natomiast od różnicy wartości współczynników załamania światła między cząstkami a płynem, liczby cząstek w zawiesinie i długości fali światła. Te krótsze są silniej rozpraszane. Z kolei na kątowy rozkład intensywności światła rozpraszanego wpływa rozmiar cząstek w stosunku do długości jego fali. Rzeczywiste płyny stanowią mieszaninę materiałów o różnych współczynnikach załamania światła i rozkładach wielkości cząstek, z substancjami rozpuszczonymi, absorbującymi światło. Ich mętność wyznacza się, naświetlając próbkę i mierząc natężenie światła, które przez nią przechodzi.
Pomiary poziomu
Kolejną wielkością mierzoną w oczyszczalniach ścieków i stacjach uzdatniania wody jest poziom. Musi być monitorowany w sposób ciągły, a wykrywać trzeba m.in. przekroczenia jego granicznych wartości. Jest to wymagane do prawidłowego przebiegu procesów i bezpieczeństwa, np. aby uniknąć przepełnienia zbiorników. Wybór metody pomiaru zależy od wielu czynników, w tym głównie specyfiki mierzonego medium, warunków procesowych i środowiskowych. Ważne są także możliwości instalacji sensora i jego koszt. W pomiarach poziomu w branży wodno-kanalizacyjnej – ze względu na właściwości mierzonych płynów, które są często lepkie i/lub agresywne chemicznie – najczęściej stosuje się czujniki bezkontaktowe, ultradźwiękowe albo radarowe.
Zasada działania sensorów pierwszego typu polega na transmisji, np. do wnętrza zbiornika, sygnału akustycznego o częstotliwości do kilkudziesięciu kHz, który po odbiciu się od powierzchni medium powraca do detektora w czujniku. Na podstawie pomiaru czasu, który minął od wysłania impulsu do zarejestrowania jego powrotu, wyznaczana jest odległość dzieląca czujnik od medium. Znając całkowitą wysokość zbiornika, można na tej podstawie wyznaczyć poziom jego napełnienia. Zwykle na etapie montażu sensora w jego pamięci zapisuje się odległość, jaka dzieli go od dna zbiornika. Od niej następnie odejmuje się zmierzony dystans, żeby obliczyć poziom medium.
Na takiej samej zasadzie działają sensory radarowe. Od ultradźwiękowych różni je jednak długość fali sygnału pomiarowego – emitują impulsy mikrofalowe, czyli o częstotliwości z zakresu od 1 do 300 GHz, przy czym większość radarowych poziomomierzy pracuje w przedziale częstotliwości 6‒26 GHz. Ma to swoje konsekwencje w ograniczeniach i zaletach obu typów sensorów poziomu.
Czujniki poziomu w branży wod-kan
Czujniki ultradźwiękowe w branży wodno-kanalizacyjnej są popularne ze względu na elastyczność instalacji i minimalne wymagania konserwacyjne. W związku z problemami z kondensacją nowsze modele sensorów tego typu mają w standardzie wbudowane rozwiązania automatycznego usuwania skroplin. Realizuje się to przez monitorowanie sygnału emitowanego przez źródło ultradźwięków. Jego stłumienie oznacza wystąpienie kondensacji. Wówczas częstotliwość sygnału jest zwiększana, co skutkuje samooczyszczeniem się czujnika.
Przykładowe zastosowanie sensorów tego typu stanowi monitorowanie sit, na których osadzają się większe zanieczyszczenia na wstępnym etapie oczyszczania ścieków. Czujniki montuje się po obu stronach kratki. Jeżeli przepływ nie jest blokowany, wskazują one podobne poziomy wypełnienia kanału. Kiedy poziom ścieków przed sitem rośnie, oznacza to, że konieczne staje się oczyszczenie kratki z nagromadzonych na niej zanieczyszczeń.
Sensory radarowe natomiast sprawdzają się tam, gdzie możliwe jest wystąpienie piany, oparów oraz nagromadzenie się gazów nad mierzonym medium. Przykładem są zbiorniki, w których ścieki są oczyszczane metodą osadu czynnego, nad którymi unoszą się gazy będące produktami rozkładu zanieczyszczeń przez bakterie (metan, dwutlenek węgla) oraz zbiorniki wypełnione chlorem używanym do uzdatniania wody.
Fala akustyczna a elektromagnetyczna
Fala dźwiękowa jest falą mechaniczną. Oznacza to, że potrzebny staje się ośrodek, w którym może się rozchodzić. W przypadku ultradźwiękowych czujników poziomu jest nim powietrze. Na prędkość rozchodzenia się fali akustycznej wpływają jego temperatura, ciśnienie, gęstość i skład. Zmiany tych właściwości podczas pomiaru, np. podmuchy wiatru, skutkują błędami. Dlatego powinny być kompensowane np. przez wbudowane sensory temperatury i ciśnienia. Błędy powodują również wszelkie przeszkody między sensorem a powierzchnią mierzonego medium, takie jak piana.
Czujniki radarowe natomiast wykorzystują fale elektromagnetyczne. Nie wymagają zatem ośrodka (mogą rozchodzić się w próżni), którego właściwości, takie jak temperatura i ciśnienie, nie wpływają na pomiar. Znaczenie ma jednak stała dielektryczna. Materiały o jej niskiej wartości, zamiast odbijać, przepuszczają mikrofale. Generalnie cieńsze warstwy piany nie zafałszowują pomiarów poziomu czujnikiem radarowym. W ramce "Czujniki poziomu w branży wod-kan" przedstawiamy przykłady wykorzystania czujników obu typów.
Nowe technologie w sterowaniu
Wyniki pomiarów z czujników monitorujących przebieg procesów wraz z informacją o stanie pracy urządzeń wykonawczych są przesyłane do centralnego systemu nadzorującego pracę oczyszczalni lub stacji uzdatniania wody. Dane te są w nim rejestrowane oraz przetwarzane w celu wyznaczenia nastaw regulatorów sterujących poszczególnymi elementami wykonawczymi, np. pompami. Ustawienia te dobiera się tak, by uzyskać zadane wartości parametrów charakteryzujących przebieg procesów. Oprócz tego powinny być one ustalane w taki sposób, aby zapewnić maksymalną możliwość efektywność energetyczną, przy jednoczesnym zagwarantowaniu bezpieczeństwa całej instalacji.
W systemach sterowania pracą oczyszczalni ścieków i stacji uzdatniania wody wykorzystuje się głównie algorytmy ze sprzężeniem zwrotnym, takie jak regulatory dwupołożeniowe i PID. Przykładowo, pierwsze przełączają element wykonawczy między dwoma stanami na podstawie wyników pomiarów oraz zgodnie ze swoją charakterystyką przełączania. Algorytm ten znajduje zastosowanie m.in. w sterowaniu pracą pomp doprowadzających i odprowadzających ścieki ze zbiorników na podstawie pomiaru poziomu. Innym przykładem jest zamykanie i otwieranie zaworu doprowadzającego tlen w systemie dozowania powietrza do zbiornika napowietrzania mieszanki ścieków i osadu czynnego – w zależności od tego, czy stężenie rozpuszczonego tlenu spada, czy rośnie poniżej albo powyżej wymaganego poziomu.
Coraz częściej uzupełnieniem klasycznych algorytmów sterowania stają się te bazujące na sztucznej inteligencji. Sprawdzają się one przede wszystkim w zadaniach regulacji, w których kryteriów oraz parametrów optymalizacji jest wiele. Przykładowo, w sterowaniu pompami algorytmy oparte na AI nie tylko opierają się na aktualnej wartości poziomu napełnienia zbiornika, ale uwzględniają także m.in. czasy reakcji i bezwładność pomp oraz ciśnienia hydrauliczne w rurociągach.
Sterowanie pompami
Naprzeciw tym nowym możliwościom wychodzą producenci wyposażenia oczyszczalni ścieków i stacji uzdatniania, udostępniając zaawansowane funkcje sterowania. Przykład stanowią te implementowane w oprogramowaniu do obsługi przemienników częstotliwości, za pośrednictwem których zasilane i sterowane są silniki pomp. Uwzględniają one specyfikę pracy tych urządzeń w branży wodno-kanalizacyjnej.
Przykładem są różne tryby sterowania – jedną pompą albo kaskadą pomp połączonych ze sobą i obciążanych tak, aby utrzymać zadaną wartość zmiennej procesowej (ciśnienie, przepływ medium) na wyjściu. Dostępne są też funkcje ochronne i pomocnicze. Taką jest m.in. zabezpieczenie przed blokowaniem, które polega na monitorowaniu natężenia prądu silnika pompy. W przypadku jej zablokowania się będzie ono rosło. Po przekroczeniu wartości granicznej pompa zostaje na określony czas zatrzymana. Następnie jest uruchamiana ponownie, ale pracuje w przeciwnym kierunku, również przez pewien czas. Potem znów zostaje zatrzymana, a po ponownym uruchomieniu przywracany jest pierwotny kierunek obrotów. Jeżeli prąd dalej rośnie, podejmowane są kolejne próby odblokowania pompy. Gdy nie skutkują, zostaje ona zatrzymana i włącza się alarm. Podobnie działa funkcja detekcji wycieków, w której pompa jest wyłączana w reakcji na spadek ciśnienia roboczego. Kolejny przykład stanowi funkcja wykrywania suchobiegu, który skutkuje przegrzewaniem się pomp.
Monika Jaworowska
