THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT MÔI TRƯỜNG NGÀNH NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

Ngày 12 tháng 07 năm 2010

Ứng dụng LDO và ORP sensor của Hach trong nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt

Trong nhiều năm qua, nhà máy xử lý nước thải American-Bath ở Tây Bắc hạt Allen của Ohio đã gặp vấn đề về các giới hạn photpho nghiêm ngặt thông qua xử lý sinh học và xử lý bằng cách bổ sung phèn nhôm sunphat. Đến khi chi phí cho phèn nhôm vượt hơn gấp đôi từ $161/tấn trong năm 2006 đến gần $443/tấn trong năm 2008, ban quản lý đã quyết định cải thiện việc kiểm soát quy trình xử lý loại bỏ photpho sinh học và để giảm việc tiêu thụ phèn nhôm của nhà máy.
Nhà máy rất quan tâm việc duy trì ngưỡng photpho trong nước thải bằng cách sử dụng phèn nhôm. Tuy nhiên khi chi phí cho phèn nhôm gia tăng từ mức $2,000/năm đến $5,000/năm, thì ban quản lý bắt đầu suy nghĩ đến việc cải thiện quy trình xử lý sinh học như thế nào để làm giảm chi phí tiêu thụ hóa chất này mà vẫn đảm bảo được giới hạn photpho cho phép. Biết được mục tiêu và nhu cầu cấp bách của nhà máy, Hach đã đưa ra giải pháp lắp đặt thiết bị đo lường cho hệ thống để kiểm soát liên tục giá trị oxy hòa tan và điện thế oxy hóa khử (ORP). Với các nỗ lực cải tiến kiểm soát tiến trình sử dụng các cảm biến đo on-line mới này, nhà máy đã loại bỏ được đáng kể photpho bằng phương pháp sinh học trong khi giảm thiểu được chi phí hóa chất và năng lượng tiêu thụ hơn $11,000.
American-Bath là một trong những nhà máy xử lý nước thải có bộ phận xử lý nước thải của Allen County Sanitary Engineering Department. Nhà máy phục vụ cho khoảng 8,000 cư dân ở thành phố nhỏ American và Bath sử dụng hệ thống mương oxy hóa 3 kênh ORBAL (Siemens) để xử lý sinh học.
Hệ thống gồm có 3 kênh hình dạng elip đồng tâm, mỗi kênh hoạt động với mức oxy hòa tan (DO) khác nhau. Nước thải đi xuyên qua các kênh nối tiếp, từ phía ngoài cùng đến phía trong cùng. Dòng chảy tuần hoàn quanh mỗi kênh cho phép nước thải thô được phân phối một cách nhanh chóng cùng với các bông vi sinh.
Kênh phía ngoài là vòng kị khí, nơi mà dòng thô chảy vào xáo trộn với các chất lỏng hỗn hợp. Kênh ở giữa là vùng tùy nghi và kênh trong cùng là vùng hiếu khí, nơi mà oxy được mang đến để duy trì DO cho các vi khuẩn hiếu khí hoạt động
Ngưỡng giới hạn photpho của nhà máy là 1.5 mg/l trung bình tuần và 1.0 mg/l trung bình tháng. Chìa khóa để đạt được mức độ kiểm soát quy trình sinh học chặt chẽ và đáp ứng những ngưỡng giới hạn này là phải kiểm soát chính xác các mức oxy trong các kênh xử lý. Một trong những điều quan trọng đối với người vận hành là duy trì điều kiện kị khí trong các kênh bên ngoài để tạo ra môi trường sụt giảm oxy. Điều này dẫn đến các vi khuẩn tiêu thụ photpho hiếu khí có trong chất lỏng xáo trộn thải ra photpho mà chúng đã tiêu thụ. Sau đó, khi chúng đi vào kênh thứ hai, thứ ba, vi khuẩn tiêu thụ photpho sẽ tiêu thụ photpho đã được thải ra cùng với lượng photpho có trong nước thải thô ở dòng vào (hay gọi là ‘luxury uptake’). Mục tiêu của nhà máy là có vi khuẩn tiêu thụ vừa đủ photpho sao cho nồng độ đạt dưới 1.0 mg/l và không cần phải bổ sung phèn nhôm.”

Công nghệ sensor
Việc quyết định gắn các đầu đo DO và ORP để đo đạc liên tục và trực tuyến trong quy trình sinh học là cần thiết để thành công. Nhà máy đã lắp đặt các sensor LDO ứng dụng công nghệ phát quang của Hach LDO và các sensor Hach ORP trong các kênh: một đầu đo ORP trong kênh ngoài, đầu đo ORP và LDO cho kênh ở giữa và đầu đo LDO ở kênh trong cùng.
Các đầu đo cắm vào bộ điều khiển sc100 đọc liên tục các sensor trên quy trình và có thể truyền thông qua tín hiệu 4-20 mA để đến hệ thống PLC hay SCADA của hệ thống. Các bộ điều khiển này có sẵn các bộ ghi dữ liệu bên trong để thu thập các giá trị đo theo một chu kì thời gian (1 đến 15 phút) do người sử dụng lựa chọn, cùng với các điểm hiệu chuẩn và kiểm chuẩn, alarm và các sự thay đổi cài đặt thiết bị trong vòng 6 tháng. Bộ điều khiển được thiết kế để lấy dữ liệu từ một hay hai sensor một cách đồng thời.
Với các máy đo trong kênh cung cấp cho một bức tranh toàn cảnh, thực tế các giá trị DO và ORP ở các mức tải lượng hữu cơ/thủy lực khác nhau, tốc độ tuần hoàn, thời gian lưu chất rắn và các điều kiện thời tiết, người vận hành đã có thể thiết lập diễn biến để tối ưu việc kiểm soát DO và xác định thời gian và nguyên nhân của bất kì các điều kiện nhất thời.
Trong việc chọn lựa đầu đo DO, nhà máy đã chọn một công nghệ mới.Đầu đo LDO của Hach không tiêu thụ oxy trong suốt thời gian đo đạc, điều mà thường gây tắc nghẽn trong màng cảm biến và sự biến đổi oxy được phản hồi ngày càng chậm dần. Vì không có cấu tạo dạng màng thẩm thấu nên không có việc phải thay thế màng và không cần theo dõi và thay dung dịch điện ly.

Dữ liệu liên tục
Đầu đo ORP trong kênh ngoài cùng giúp đảm bảo môi trường hoàn toàn kị khí LDO ở kênh bên trong xác định DO tự do hiện diện có đủ cho các vi khuẩn hiếu khí tồn tại hay không. Khi những người vận hành bắt đầu tìm hiểu dữ liệu thu thập được từ bộ điều khiển, họ phát hiện được rất nhiều thông tin. Chẳng hạn nhà máy sẽ làm kị khí một phần trong ngày tại kênh ngoài cùng nhưng vì một lý do nào đó, khoảng lúc 3 giờ sáng, oxy bắt đầu tăng lên và sau đó hạ từ từ xuống đến giữa ngày. Điều này đã tác động xấu đến quá trình loại bỏ photpho sinh học. Khi những người vận hành phát hiện ra rằng họ có thể giữ điều kiện kị khí trong kênh ngoài cùng trong suốt thời gian quan sát bằng cách cho vào các ròng rọc lớn hơn trên bánh răng máy giảm tốc lái sự truyền động cái rãnh của kênh. Điều này làm nhà máy truyền động chậm từ 42rpm xuống 39rpm, giúp giữ điều kiện kị khí ổn định hơn cho kênh ngoài cùng. Ngay sau khi thay đổi, quá trình xử lý được cải thiện đáng kể. Trong vòng một hay hai tuần, photpho giảm xuống còn trong khoảng 0.4 mg/l và 0.5 mg/l mà không cần bổ sung phèn nhôm.


Tuy nhiên, khi thời tiết bắt đầu trở lạnh vài tháng sau đó, những ngườ vận hành nhà máy lại thấy hiệu quả xử lý sinh học sụt giảm trở lại. Trong mùa hè, việc xử lý đạt kết quả tốt với DO ở kênh bên trong từ 3.0 đến 4.0 mg/l, nhưng trong suốt mùa thu, mức DO bắt đầu tăng kên đến 6.0 và 7.0 mg/l, do đó phải cho thêm phèn nhôm.
Quan trắc liên tục DO và ORP trở lại đã cung cấp thêm thông tin để giúp người vận hành giải quyết vấn đề. Mặc dù ORP trong kênh ngoài không tăng đáng kể, nhưng đủ để photpho được thải ra không đủ và việc tiêu thụ xảy ra trong kênh giữa và trong cùng bị giảm. DO ở kênh bên trong rất cao đủ để tuần hoàn DO trong bùn hoạt tính.
Các bộ điều khiển Hach sc100 được kết nối với PLC kiểm soát việc chạy các máy thổi khí. PLC được lập trình để tự động điều khiển hoạt động của máy thổi khí để duy trì mức DO tại kênh bên trong nằm trong khoảng 2.0 và 3.0 mg/l, dựa vào giá trị đọc của đầu đo LDO.


Cắt giảm chi phí năng lượng
Việc lập trình các máy thổi khí của PLC để duy trì DO dao động trong ngưỡng điểm cài đặt là để gia tăng hiệu quả xử lý photpho. Photpho ở đầu ra giảm 0.5 mg/l mà không cần bổ sung phèn nhôm. Bên cạnh đó, còn có thêm lợi ích về mặt tiết kiệm năng lượng.Thời gian vận hành được theo dõi cùng với thời gian khi máy thổi khí hoạt động, cho thấy các mương được thổi khí chỉ trong 3 đến 4 giờ một ngày và giúp tiết kiệm hơn $8,000/năm về chi phí điện.


Việc sử dụng các đầu đo online DO và ORP đã cải thiện đáng kể việc kiểm soát quy trình xử lý sinh học loại bỏ photpho trong nước thải. Mặc dù vẫn phải sử dụng phèn nhôm khi cần thiết trong các điều kiện như nhiệt độ thấp lúc mùa đông và lưu tốc cao trong mùa mưa nhưng việc sử dụng phèn nhôm đã được giảm hơn phân nửa so với trước. Việc tiết kiệm này kết hợp với tiết kiệm năng lượng đã mang lại $11,800 /năm cho nhà máy, việc thu hồi vốn đầu tư các đầu đo và bộ điều khiển chỉ trong vòng một năm.


Ứng dụng các đầu đo liên tục cho phép chúng ta biết điều gì đang xảy ra trong hệ thống xử lý để thực hiện các thay đổi cần thiết giúp cải tiến việc kiểm soát quy trình. Trước khi áp dụng thiết bị đo lường này, nhà máy phải thực hiện việc lấy mẫu thô và làm nhiều thí nghiệm để có dữ liệu nhưng không thể cho biết được chu kỳ hoàn chỉnh của hệ thống sinh học như việc đo đạc liên tục hiện tại.


Không có nhận xét nào: