Стратегия многопараметрического взаимосвязанного мониторинга для контроля соответствия качества воды требованиям на заключительном этапе очистки сточных вод.

Введение в передовые методы очистки сточных вод и соблюдение норм по сбросу сточных вод.

Последний этап цикла усовершенствованной очистки сточных вод – это тот момент, когда ставки для операторов очистных сооружений наиболее высоки: сброс воды в окружающую среду или ее повторное использование в городах должны быть абсолютно безопасными. Если на этом заключительном этапе не будут соблюдены строгие стандарты качества сточных вод, это может привести к экологической катастрофе, от удушья водных экосистем до неконтролируемого цветения водорослей.

Однако многие предприятия, даже при использовании передовых технологий очистки, по-прежнему применяют устаревший, ручной отбор проб. Это создает опасный информационный пробел. Качество воды — это постоянно меняющаяся задача. Поэтому следующие параметры не следует рассматривать как дискретные данные:

• pH
• DO
• Мутность
• органическая нагрузка
• Питательные вещества

По отдельности эти показатели не отражают всей картины. Для обеспечения безопасности необходимо перейти от изолированного тестирования к непрерывному мониторингу в режиме реального времени. Эти переменные связаны между собой многопараметрической стратегией мониторинга, которая обеспечивает полное и непрерывное представление о качестве воды.

Реализация этой стратегии — это уже не вопрос ответственности перед окружающей средой, а юридическая необходимость. Современное международное законодательство, основанное на многочисленных решениях Агентства по охране окружающей среды США и Законе о чистой воде (CWA), систематически устранило лазейки, которые ранее позволяли осуществлять неконтролируемые сбросы мобильных или сточных вод. В эпоху строгого надзора и жестких санкций за несоблюдение требований, постоянный комплексный мониторинг является лучшей юридической защитой предприятия.

Нормативно-правовые основы для обеспечения соответствия требованиям по очистке сточных вод.

Обязательства в соответствии с Законом о чистой воде и стандарты сброса сточных вод NPDES

В соответствии с Законом о чистой воде (CWA), любой конкретный и идентифицированный источник загрязнения, будь то очистные сооружения, находящиеся в государственной собственности, или завод, должен получить государственное разрешение (Национальная система предотвращения сброса загрязняющих веществ или NPDES). Это разрешение устанавливает ограничения на сброс сточных вод. Для обеспечения соблюдения этого требования Раздел 308 CWA юридически обязывает эти предприятия вести постоянный, подтверждаемый учет и представлять отчеты о мониторинге сбросов (DMR) властям. Федеральные правила в соответствии с 40 CFR 122.41(e) требуют, чтобы все системы очистки работали исправно и постоянно находились в хорошем состоянии. Использование автоматизированного отслеживания — отличный способ доказать, что предприятие соответствует этому стандарту.

Нарушение этих правил обходится дорого и опасно. Раздел 309 Закона о чистой воде может налагать на нарушителей штрафы до 25 000 долларов в день. Еще более суровым является то, что согласно разделу 309(c)(4) это является федеральным преступлением. Для обеспечения честности и точности испытательных лабораторий федеральная программа требует постоянной калибровки оборудования. Это должно осуществляться с использованием прослеживаемых эталонных стандартов.

Эффективность питательных и базовых методов лечения в соответствии со стандартами NSF/ANSI 40 и 245

Базовые правила для бытовых систем (Стандарт 40)

В отрасли очистки бытовых сточных вод основным стандартом для систем, обрабатывающих от 400 до 1500 галлонов в день, является стандарт NSF/ANSI Standard 40. Сертификация класса I — это наивысший уровень одобрения, требующий от системы прохождения 26 недель испытаний. В этот период входят 7,5 недель испытаний в сложных условиях, имитирующих такие ситуации, как отключения электроэнергии, отпуска и дни с большим количеством стирки. В течение этого времени очищенные сточные воды должны соответствовать следующим вторичным требованиям EPA:

• CBOD5: ≤ 25 мг/л (среднее значение за 30 дней) и ≤ 40 мг/л (среднее значение за 7 дней)
• Содержание ТСС: ≤ 30 мг/л (среднее значение за 30 дней) и ≤ 45 мг/л (среднее значение за 7 дней)
• Уровень кислотности/щелочности [pH]: от 6,0 до 9,0

Питательные вещества и фаза «роста» (Стандарт 245)

Эти основные требования лежат в основе стандарта NSF/ANSI 245. Это специальный стандарт для загрязнения питательными веществами. Он требует извлечения не менее 50% всего азота из воды. Он защищает уязвимые береговые линии от опасных вспышек водорослей. Система должна изначально соответствовать физическим ограничениям стандарта 40, прежде чем ее можно будет рассматривать для сертификации по стандарту 245.

Наконец, регулирующие органы понимают, что новой системе требуется время для роста биологической пленки или микробной культуры. В течение первого месяца тестирования временное ограничение на незрелую культуру увеличивает стандартные пределы в 1,4 раза, допуская до 35 мг/л CBOD5 и 42 мг/л TSS в среднем за 30 дней. Усовершенствованные системы мониторинга идеально отслеживают эту раннюю фазу роста, что позволяет предприятию документально подтвердить ее на законных основаниях.

Критические параметры качества воды по завершении углубленной обработки

Мониторинг ХПК (балансировка органических отходов)

Для быстрой оценки количества органических и неорганических загрязняющих веществ в воде рассчитывается общее количество кислорода, необходимое для химического разложения загрязняющих веществ, или ХПК (химическое потребление кислорода). Это быстрая альтернатива определению кислорода, используемого бактериями, или БПК (биологическое потребление кислорода). Для этого требуется короткий 5-дневный период ожидания в лаборатории. Неочищенные городские сточные воды обычно имеют ХПК от 200 до 1000 мг/л. После обработки и подготовки к сбросу значение ХПК должно резко снизиться, чтобы сравняться с незагрязненными поверхностными водами, обычно 20 мг/л или меньше, чтобы вода не забирала кислород из природных рек и озер.

Стандартные утвержденные Агентством по охране окружающей среды (EPA) методы тестирования, такие как метод 410.4, ужасно не подходят для мониторинга в режиме реального времени. Но они требуют кипячения воды в течение 2 часов в смертельно опасной смеси серной кислоты, сульфата серебра и высокотоксичных соединений, таких как шестивалентный хром или перманганат калия. Мониторинг ХПК ведется непрерывно, поскольку это позволяет быстро обнаруживать опасные химические выбросы от производителей и предотвращать их до того, как они уничтожат полезные бактерии в отстойниках предприятия.

Однако соли, такие как хлориды из морской воды, смягчителей воды или заводской мойки, могут вводить в заблуждение при проведении стандартных анализов и давать обманчиво высокие значения загрязнения. Современные системы решили эту проблему, объединив ионоселективный электрод (ИСЭ) с оптическими датчиками для автоматической корректировки расчета ХПК в режиме реального времени.

Физические меры защиты: отслеживание твердых частиц и мутность.

Ключевым моментом является измерение общего количества взвешенных твердых частиц (ОВТЧ). Эти вещества в больших количествах делают воду мутной и блокируют солнечный свет, препятствуя росту водных растений и распространяя смертельно опасные болезни.

Определение общего содержания взвешенных твердых частиц (ОВТ) — это медленный и трудоемкий процесс фильтрации и сушки. Вместо этого мы количественно оцениваем мутность. Датчики, регистрирующие рассеяние света частицами, делают это немедленно, выдавая результаты в NTU или FNU. Эти данные о рассеянии света быстро преобразуются в очень точную оценку ОВТ с помощью сложных компьютеров, использующих специальные калибровочные кривые. Если вода внезапно становится мутной, операторы понимают, что в отстойных резервуарах возникла физическая проблема.

В условиях строгих испытаний по стандарту Standard 40, которые оценивают такие системы, как SOSystems LooLoop SYS 201, фактическая масса сухих твердых веществ в сточных водах, измеренная гравиметрическим методом, постоянно поддерживается в среднем ниже 6 мг/л, даже в периоды, когда концентрация поступающих отходов достигает 350 мг/л. Для точного измерения таких малых величин эти современные оптические датчики необходимо калибровать с очень высокой чувствительностью в диапазоне ± 0,1 NTU или менее.

pH и растворенный кислород. Биологическое и химическое здоровье.

Кислотность или щелочность воды должны должным образом контролироваться в пределах от 6,0 до 9,0. Вода ниже этого уровня обжигает жабры рыб и нарушает ионное равновесие реки или озера, в которое она впадает.

Еще одним важным фактором является количество растворенного кислорода (ДО). В разрешениях часто требуется минимальное содержание ДО в очищенной воде на уровне 2,0 мг/л, чтобы избежать образования удушающих «мертвых зон» в природе. Непрерывный мониторинг ДО является методом раннего предупреждения. Снижение уровня кислорода означает, что бактерии, разлагающие отходы в аэрационных резервуарах, перестали справляться со своей задачей или же в резервуарах остается слишком много отходов, которые поглощают слишком много кислорода. Благодаря обнаружению pH в режиме реального времени, насосы могут автоматически подавать щелочные вещества, такие как гидроксид натрия или известь, чтобы предотвратить сбои в работе системы, поскольку бактерии, перерабатывающие азот, очень чувствительны к кислоте.

Старые полярографические датчики растворенного кислорода быстро выходят из строя в загрязненной воде и требуют постоянного ремонта. В современных устройствах используются интеллектуальные датчики на основе света, которые отслеживают отражение синего и красного света от уникального покрытия, называемого рутениевым покрытием чувствительного колпачка. Они не требуют кислорода, не измеряют сероводород и тяжелые металлы и точно калибруются в течение двух лет.

Контроль содержания азота: распознавание токсичных аммиака и нитратов.

Общее содержание азота в воде [TN] состоит из трех частей:

• Общий азот по Кьельдалю или TKN
• Нитрит (NO2-)
• Нитраты (NO3–)

Аммиак очень опасен, потому что он постоянно переходит из очень ядовитой газообразной формы [неионизированный аммиак, NH3] в безопасную, неядовитую форму [аммоний, NH4+] в зависимости от pH воды. Даже при низких концентрациях смертельно опасной формы (≥ 0,2 мг/л) рыба быстро погибает. Поэтому определение типов азота в режиме реального времени представляет собой огромную проблему для регулирующих органов.

После того, как полезные бактерии поглощают аммиак, последним побочным продуктом является нитрат. Высокий уровень нитрата менее опасен для рыб, но вызывает взрывное разрастание водорослей в озерах, которые затем поглощают весь кислород из воды. Постоянно отслеживая эти различные типы азота, операторы могут определить, работают ли бактерии. Высокий уровень аммиака и низкий уровень нитрата указывают на то, что бактерии не переработали отходы. Высокий уровень нитрата указывает на то, что установка не избавилась от конечного продукта в бескислородной среде.

Реализация стратегии взаимосвязанного мониторинга

Эффективная доставка проб воды (тандемный анализ потока)

Не рекомендуется устанавливать типичное многосенсорное оборудование непосредственно в загрязненные сточные воды, поскольку оно немедленно подвергнется быстрому биологическому обрастанию, образованию накипи и повреждению физическими частицами, что приведет к выходу датчиков из строя.

Система тандемного анализа потока делает это, забирая небольшой боковой поток воды в компактный закрытый шкаф. Вода проходит через точно спроектированную последовательность камер, что позволяет использовать один крошечный поток воды для одновременного тестирования десятка различных параметров, экономя огромное количество воды по сравнению с использованием отдельных обводных линий. Запатентованный метод обеспечивает получение датчиками чистых показаний даже при сильных скачках давления воды на предприятии. Ламинарный поток воды поддерживается с помощью компактной гидравлической декомпрессионной камеры и регулирующего клапана. Эти системы автоматически очищают биологическую слизь с помощью сжатого воздуха, механических очистителей или циклов обратной промывки водой, сводя ручное обслуживание практически к нулю.

ИК-спектроскопия и усовершенствованный мониторинг с использованием искусственного интеллекта

ИК-спектроскопия обеспечивает быстрый, неразрушающий и не требующий применения химических реагентов анализ сложных загрязняющих веществ, таких как ХПК. В функционирующем промышленном комплексе колебания температуры, плавающие частицы и рассеяние света делают прямое измерение невозможным.

Для решения этой проблемы современные компьютеры используют сложную стратегию искусственного интеллекта, которая объединяет несколько различных программ машинного обучения:

• Метод опорных векторов
• Случайные леса
• Искусственные нейронные сети
• Деревья решений градиентного бустинга

Для стабилизации прогнозов по различным показателям сточных вод система автоматически корректирует свои гиперпараметры, используя методы, вдохновленные природой, такие как роевой интеллект. Для выявления скрытых химических закономерностей система применяет пять различных математических фильтров к исходным данным об освещенности:

• Сглаживание Савицкого-Голея
• Стандартная нормальная вариация
• Мультипликативная коррекция рассеяния
• Масштабирование от минимума до максимума
• Производная первого порядка Sg

Современная интеграция телеметрии и промышленной связи.

Все данные с этих современных датчиков собираются центральным контроллером в таких современных устройствах, как BOQUs MPG-6099. Он оснащен цветным сенсорным экраном, обычно 7 дюймов, который отображает данные в реальном времени, сигналы тревоги и исторические тенденции. Для обмена этими данными с существующей системой SCADA (система диспетчерского управления и сбора данных) и ПЛК (программируемый логический контроллер) предприятия система использует стандартные промышленные компьютерные языки, включая RS485 Modbus RTU, аналоговые выходы 4–20 мА и RS232.

Система локально сохраняет от 49 000 до 100 000 наборов данных во внутренней памяти, соблюдая строгие правила ведения лабораторной документации или требования GLP. Операторы могут легко загрузить эти данные через физический USB-порт для проведения аудитов. Кроме того, дополнительные беспроводные модули используют SIM-карты для прямой отправки данных в облачные базы данных, мобильные приложения или городские центры мониторинга.

Регулирующие органы тщательно проверяют отчеты о соблюдении требований Закона о чистой воде (CWA). В современных передатчиках используется криптографическое хеширование для обработки потоков данных/Modbus. Каждому зарегистрированному или переданному фрагменту данных присваивается неизменяемая метка времени и уникальный цифровой отпечаток. Этот надежный контрольный журнал показывает инспекторам, что данные не были сфабрикованы, а датчики не были подвергнуты вмешательству. Такой высокий уровень безопасности защищает оператора установки от катастрофических федеральных штрафов и уголовной ответственности.

Заключение

Жесткие критерии, установленные Законом о чистой воде (CWA), федеральными процедурами выдачи разрешений (NPDES) и национальными стандартами безопасности (стандарты NSF), сделали невозможным дальнейшее использование очистными сооружениями медленных, ручных лабораторных анализов. Вместо этого им необходимо перейти к интеллектуальным, интегрированным, многопараметрическим решениям для мониторинга в режиме реального времени. Интегрированная стратегия гарантирует сохранение легитимности. Что наиболее важно, она защищает местные реки и озера от разрушительного химического и сточного загрязнения, а также защищает операторов очистных сооружений от гражданских и уголовных последствий.

Предприятия могут быть уверены в полном спокойствии, обратившись в компанию Shanghai BOQU Instrument Co., Ltd., мирового лидера в области измерения качества воды с 2007 года. Их передовые многопараметрические анализаторы, работающие в режиме онлайн, обеспечивают именно ту высокоточную и не требующую сложного обслуживания технологию, которая необходима для строгого соблюдения норм качества сточных вод.

Предприятия могут легко модернизировать свои системы, добавив в контуры конечного сброса высококачественные приборы BOQU, в частности, многопараметрический измеритель качества воды BOQU MPG-6099 или настенный многопараметрический анализатор качества воды BOQU DCSG-2099. Эти системы сочетают запатентованное BOQU устройство тандемного анализа потока с надежными цифровыми датчиками. В их число входят специальные датчики для определения уровня кислотности (IOT-485-pH), кислорода (IOT-485-DO) и плавающих частиц (датчик взвешенных твердых частиц ZDYG-2087). Все эти приборы размещены в автоматизированном шкафу с поддержкой протокола RS485 Modbus.

Чтобы уже сегодня контролировать соответствие ваших систем водоотведения установленным стандартам, вы можете заказать индивидуальное решение для мониторинга, связавшись с компанией BOQU Instrument по адресу [указать контактные данные].michael@shboqu.com .