Analiza OWO online – ochrona środowiska i zakładu produkcyjnego

Analiza OWO online – ochrona środowiska i zakładu produkcyjnego

PRAKTYCZNE ZASTOSOWANIA – RAPORT: ANALIZA OWO
Analiza OWO online – ochrona środowiska
i zakładu produkcyjnego
Analiza OWO w oczyszczalni ścieków
Aby procesy oczyszczania ścieków był prawidłowo monitorowany, należy wykonywać pomiary odpowiednich parametrów w kolejnych punktach pomiarowych. Wyniki są generowane częściowo przy
użyciu metod laboratoryjnych na potrzeby dokumentacji, jak również metod online do celów kontrolnych. Jednym z tych parametrów jest OWO (ang. TOC: Total Organic Carbon, ogólny węgiel organiczny),
parametr sumaryczny mierzący zawartość substancji organicznych w ściekach. Możliwość określenia
wartości OWO za pomocą analizatorów na poszczególnych etapach procesu oczyszczania jest bardzo
przydatna.
Pomiar OWO online na wlocie pełni rolę systemu wczesnego ostrzegania, co jest szczególnie istotne
w przypadku oczyszczalni ścieków z wysokim udziałem ścieków przemysłowych. Dzięki zastosowaniu
odpowiednich zbiorników buforujących, osad czynny na etapie oczyszczania biologicznego może
być chroniony przed wprowadzeniem wysokich obciążeń związków organicznych (patrz przykład 1).
Pomiar ciągły OWO na tym obszarze wymaga szczególnie solidnego urządzenia pomiarowego pod
względem tolerancji problematycznych związków, takich jak tłuszcze, cząsteczki i włókna.
Pomiar podczas wstępnego osadzania może być wykorzystany do nadzoru i optymalizacji dozowania
materiałów odżywczych w ściekach o niekorzystnym stosunku C/N/P (zbyt duża ilość węgla). Pomiar
na wylocie oczyszczalni dokumentuje zgodność z oficjalnymi regulacjami przez 24 godziny na dobę
(patrz przykład 2).
Obciążenie organiczne: OWO – ChZT – BZT
Ilość związków organicznych w próbce ścieków jest zazwyczaj mierzona pośrednio na podstawie wartości BZT
(biologiczne zapotrzebowanie na tlen), ChZT (chemiczne
zapotrzebowanie na tlen) lub bezpośrednio poprzez OWO.
Znacznie krótszy czas analizy oznacza, że wartość OWO
można zmierzyć online, a co za tym idzie, jest to jedyny
z powyższych parametrów, który może być użyty bezpośrednio do kontroli całego procesu.
Wiele parametrów, wymaganych do uzyskania zgodności
z oficjalnymi regulacjami, jest regularnie analizowanych
wewnętrznie lub w zewnętrznym laboratorium. Próbki
mieszane lub reprezentatywne są jednak często poddawane
badaniom od jednego do trzech razy dziennie, a nawet
rzadziej. Wiążący wynik pomiarowy jest dostępny w najlepszym wypadku kilka godzin później, a w przypadku wartości
BZT – czasami dopiero po upływie kilku dni. Co więcej, próbki
mieszane lub reprezentatywne nie dostarczają żadnych
informacji na temat faktycznego profilu stężenia danego
parametru. Przekroczenie wartości granicznych lub potencjalne problemy w procesie są nierzadko wykrywane zbyt
późno lub wcale. Analiza online to rzetelne narzędzie do
ciągłego monitorowania przepływu ścieków. Używa się jej
jako uzupełnienia dla rutynowej analizy laboratoryjnej,
a także do sterowania procesem oczyszczania w układzie
otwartym.
Mimo że wartość ChZT jest wciąż decydującym wyznacznikiem obciążenia organicznego w ściekach, w wielu krajach
wartość graniczną ChZT można w porozumieniu z odpowiednimi organami zastąpić wartością graniczną OWO. W takim
przypadku określona wartość graniczna ChZT jest zazwyczaj
uznawana za spełniającą wymogi, o ile wartość OWO nie
przekracza jednej czwartej ChZT. Oznacza to, że pomiary
OWO online, oprócz ich wykorzystania w systemie wczesnego ostrzegania na wlocie, mogą być również wykorzystane w dokumentacji pomiarów związanych z wartością
graniczną na wylocie.
ANALIZA OWO
OWO: metody analizy
Analizatory OWO różnią się przede wszystkim zastosowaną
metodą utleniania. Podstawowa konfiguracja urządzenia
jest zasadniczo podobna: badana próbka zostaje pobrana,
a następnie zakwaszona w celu usunięcia węgla nieorganicznego. Związki węgla organicznego są następnie utleniane do postaci dwutlenku węgla (CO2), a jego ilość jest
mierzona za pomocą detektora w podczerwieni, zgodnie
z normą ISO/CEN EN 1484. Rezultatem jest wartość stężenia węgla (mg/l). Utlenianie związków organicznych
można przeprowadzić na kilka różnych sposobów:
• Poprzez rozkład w wysokiej temperaturze, podczas
którego cała materia organiczna w próbce zostaje
spalona w temperaturze od 650 °C (z zastosowaniem
katalizatora) lub 1200 °C.
• Poprzez rozkład chemiczny na mokro ze światłem UV
i zastosowaniem silnego środka utleniającego, takiego
jak nadsiarczan.
Obie metody mają jednak swoje ograniczenia, jeśli woda
zawiera pewne obciążenie, np. wskutek obecności tłuszczów, olejów, soli lub wysokiej zawartości cząsteczek.
Prowadzi to do powstania zanieczyszczenia i odkładania się
złóż na lampie UV lub piecu, co ostatecznie skutkuje dryftem pomiarowym i częstszymi pracami konserwacyjnymi.
Technologia zaawansowanego dwuetapowego utleniania
(TSAO) zastosowana w analizatorze OWO Biotector, w
którym jako silne utleniacze wykorzystywane są rodniki
hydroksylowe, nie tylko pozwala na uzyskanie całkowitego
i odtwarzalnego utlenienia próbki, ale także odporności
na zakłócenia spowodowane wyżej opisanymi substancjami. Dzięki technologii utleniania z samooczyszczaniem,
częstość przeglądów analizatora Biotector może wynosić
sześć miesięcy lub więcej, co oznacza, że ciągły proces
monitorowania oczyszczania ścieków jest zawsze zagwarantowany. Ta metoda utleniania jest odpowiednia do
analizy zarówno surowych ścieków w aplikacjach przemysłowych, zawierających czasami ekstremalne obciążenia,
jak i oczyszczonych ścieków na odpływie z oczyszczalni
ścieków.
Przykład 1: pomiar OWO na wlocie przy
użyciu analizatora Biotector B7000
Współpraca pomiędzy zakładem przetwórstwa
mięsnego a miejskim zakładem oczyszczania ścieków
W opisywanym przypadku firmą pośrednio odprowadzającą ścieki jest duży zakład przetwórstwa mięsnego. Zatrudniająca 5400 pracowników i działająca w trybie ciągłym
firma przetwarza w tej lokalizacji ok. 15 000 tuczników
dziennie. Prowadzi to do wytwarzania około 1950 m³
ścieków, co z kolei skutkuje powstawaniem 200 t osadu
(80 t po odwodnieniu). Odprowadzanie ścieków jest pod
ciągłym nadzorem, aby zapewnić maksymalne wykorzystanie oczyszczania ścieków i zapobiec przeciążeniu.
Oczyszczanie ścieków zostało zlecone lokalnej oczyszczalni,
co umożliwia firmie skupienie się na jej zasadniczej działalności i optymalnym zagospodarowaniu przestrzeni
i zasobów produkcyjnych. W 2013 r. znaczny wzrost produkcji spowodował osiągnięcie punktu, w którym firma
musiała ponownie przemyśleć kwestię oczyszczania ścieków. Firma zleciła konsultację techniczną, która miała na
celu opracowanie najlepszego rozwiązania, spełniającego
poniższe wymagania:
• System, który wykrywa obciążenia w ściekach już
na wczesnym etapie, umożliwiając planowanie przepustowości oczyszczania ścieków oraz zapewnienie
sprawnego przebiegu produkcji
• Zwiększenie przepustowości lokalnej oczyszczalni
ścieków lub skuteczniejsze jej wykorzystanie, bez
zwiększania nakładu pracy samej firmy
W związku z tym potrzebny był system wymagający niewielkiej obsługi i rzetelnego procesu pomiarowego, dzięki
któremu operatorzy mogliby zagwarantować niezawodne
działanie oczyszczalni przez całą dobę. Przeciążenie
oczyszczalni niezauważonymi frakcjami mogłoby spowol-
Rys. 1.: Instalacja analizatora Biotector B7000 w ‘budynku
analizatora’
ANALIZA OWO
nić pracę oczyszczalni, a nawet doprowadzić do jej całkowitego zatrzymania. Dyrektor produkcji określił wymagania
następująco: „Lokalne władze wymagają ciągłego nadzoru
procesu w celu wykluczenia jakichkolwiek niespodzianek
lub sytuacji awaryjnych”.
Konsultanci techniczni stworzyli zarysy rozwiązania, według
którego na oczyszczalni zainstalowano analizator OWO
Biotector B7000, aby zapewnić precyzyjny i niezawodny
pomiar OWO w ściekach z zakładu. Analizator został
umiejscowiony w osobnym „budynku analizatora” (Rys. 1)
w pobliżu zbiornika buforowego. Całe przedsięwzięcie
zostało sfinansowane ze środków zakładu – podejście
nietypowe, ale inteligentne, przynoszące w równym
stopniu korzyści samej firmie oraz lokalnym władzom.
W ten sposób firma uzyskuje ciągłą, profesjonalną usługę
usuwania ścieków, tak aby móc w pełni skupić się na
produkcji. Lokalne władze czerpią korzyści z rzetelnego
i precyzyjnego urządzenia pomiarowego, które umożliwia
optymalny nadzór nad procesami zachodzącymi na terenie
oczyszczalni. W rezultacie obie organizacje mogą skupić
się na swoich zasadniczych obowiązkach. Raz w tygodniu
omawiany zakład otrzymuje odczyty OWO z oczyszczalni
do porównania z własnymi danymi. Obciążenia szczytowe
wykrywane przez analizator Biotector są używane do
magazynowania wody na wlocie w zbiorniku buforowym.
Zbiornik buforowy jest zazwyczaj używany w maksymalnie
80 %, co oznacza, że na wypadek ekstremalnych sytuacji
dostępne jest rezerwowe 20 % jego objętości. Po osiągnięciu wartości granicznej ChZT uruchamia się alarm i dyżurujący inżynier może zdecydować o skierowaniu ścieków
do zbiornika buforowego lub, w wyjątkowych przypadkach, o zatrzymaniu dopływu ścieków z zakładu. Opisane
rozwiązanie zapobiegawcze o niskim stopniu ryzyka nie
przewiduje jednak wystąpienia takiej sytuacji awaryjnej.
OWO [mg/l]
Laboratoryjne
Online
Rys. 3: Porównane wartości pomiarów OWO online z analizatora
B3500s z wartościami laboratoryjnymi. Różnica jest spowodowana niepełnym usuwaniem węgla nieorganicznego w testach
laboratoryjnych.
Oczyszczalnia przetwarza również ścieki pochodzące
z innych procesów przemysłowych. Rozwiązanie
opracowane w ramach tej współpracy umożliwia jasne
przyporządkowanie i pełną kontrolę przepustowości
oczyszczanlni.
Przykład 2: pomiar OWO na wlocie przy
użyciu analizatora Biotector B3500s
Miejska oczyszczalnia ścieków
Oczyszczalnia została wybudowana w 1982 r., a w 1992 r.
rozbudowano ją poprzez dodanie trzeciego stopnia
oczyszczania. Całkowita wydajność projektowa oczyszczalni wynosi 320 000 RLM. Faktyczne obciążenie ściekami
z lokalnego obszaru miejskiego wynosi średnio 150 000 RLM.
Oprócz ścieków miejskich, oczyszczalnia przetwarza
również ścieki bogate w związki węglowe, wytwarzane
podczas odladzania samolotów na pobliskim dużym
lotnisku za pomocą środków zawierających glikol.
Zgodnie z wymogami regionalnych
władz wartość OWO musi być stale
kontrolowana w ściekach w przypadku
oczyszczalni o wydajności ≥ 100 000
RLM. Ponieważ część węgla związanego organicznie jest w postaci nierozpuszczonej, pomiar stężenia OWO
wymaga wprowadzenia reprezentatywnej frakcji stałej, a próbka musi
zostać zhomogenizowana przy zastosowaniu rozkładu ultradźwiękowego
przy zachowaniu zgodności z normami
ISO/CEN EN 1484. Analiza przefiltrowanej próbki lub próbki z osadem prowadziłaby do uzyskania niepoprawnych
wyników pomiarowych.
Rys. 2: Widok pomieszczenia pomiarowego z analizatorami Hach® do badania OWO,
fosforanów i amoniaku wraz ze sprzętem do przygotowywania próbek
ANALIZA OWO
Aż do 2013 r. zawartość OWO na wylocie z oczyszczalni
była mierzona za pomocą analizatora Toctax w połączeniu
z ultradźwiękowym homogenizatorem Sigmatax. Mimo
że ta kombinacja urządzeń była naprawdę solidna i łatwa
w utrzymaniu, stała się przestarzała i zastąpiono ją analizatorem Biotector B3500s oraz homogenizatorem Sigmatax 2,
który już wcześniej wykazał swoją niezawodność we współpracy z innymi analizatorami. Po instalacji próbnej, podczas
której przez cztery tygodnie porównywano dane pomiarowe
z analizatora Biotector B3500s (Rys. 2) z wartościami pomiarów laboratoryjnych i wartościami pomiarowymi ze starego
układu pomiarowego, system bezproblemowo został wdrożony na stałe.
Rysunek 3 przedstawia wyniki godzinnych pomiarów online
przeprowadzanych od 6 sierpnia do 23 grudnia w porównaniu z pomiarami laboratoryjnymi wykonywanymi na dwugodzinnych próbkach mieszanych. Na rysunku można zauważyć
względnie stałą różnicę wartości OWO, wynoszącą ok. 2 mg/L,
pomiędzy wynikami laboratoryjnymi a online. Podstawową
przyczyną tej różnicy jest twardość wody w obszarze poboru
próbek, tj. wysokie stężenie węgla nieorganicznego OWN
(Ogólny Węgiel Nieorganiczny). Stopień twardości wody
18 °dH odpowiada stężeniu OWN wynoszącemu około
38 mg/L. Przed każdym faktycznym pomiarem wartości
OWO węgiel nieorganiczny musi zostać usunięty poprzez
wytrawianie w kwasie i proces ekstrakcji powstałego dwutlenku węgla. Podczas opisywanego testu laboratoryjnego
ilość użytego kwasu ani czas ekspozycji nie są wystarczające do całkowitego usunięcia dużych ilości węgla nieorganicznego. Skutkuje to wyższą wartością w porównaniu do
pomiarów online, ponieważ w przypadków pomiarów online
węgiel nieorganiczny jest całkowicie usuwany.
Dalsze zastosowania analizy OWO
Dobrze znanym zastosowaniem przemysłowym analiz
OWO jest przemysł mleczarski. Pomiar między produkcją
a oczyszczalnią jest tu wykorzystywany nie tylko do kontrolowania obciążenia oczyszczalni, ale pełni również rolę systemu wczesnego ostrzegania dla wczesnego wykrywania
strat produktu, np. spowodowanych uszkodzonymi rurami.
Wartość OWO jest monitorowana w wodzie chłodzącej
w elektrowniach i innych instalacjachgenerujących parę.
Umożliwia to natychmiastowe wykrywanie przecieków
i wprowadzanie odpowiednich środków zaradczych.
Analizy OWO są również odpowiednie do monitorowania
wody procesowej, np. do kontroli zanieczyszczenia wody
wykorzystywanej do płukania butelek w przemyśle spożywczym, co pozwala na efektywniejsze wykorzystanie
wody i wymienianie jej tylko wtedy, gdy jest to konieczne.
Szczegóły techniczne i informacje
dodatkowe są dostępne na stronie
internetowej www.hach.com
DOC043.60.30358.Jul16
Analizator Biotector B3500s działa również w połączeniu
z niezawodną technologią TSAO, testowaną i sprawdzaną
w najcięższych warunkach. Prace zapobiegawcze i konserwacyjne przy urządzeniu muszą być przeprowadzane jedynie co sześć miesięcy. Odczynniki natomiast wymagają
ponownego napełniania tylko raz w roku, co obniża koszty
konserwacji i obsługi do niezbędnego minimum. Połączenie
homogenizatora, gwarantującego reprezentatywne próbkowanie, z analizatorem B3500s zapewnia więc rzetelne
wartości pomiarów OWO dla oczyszczalni i lokalnych władz
przy zachowaniu zgodności ze wszystkimi normami.