Giới thiệu các hệ thống kiểm soát pH

Các kiểu ứng dụng khác nhau sẽ yêu cầu hệ thống kiểm soát pH khác nhau. Bài viết này mô tả 6 kiểu hệ thống cơ bản và trình bày nguyên lý vận hành của từng loại nhằm giúp người vận hành chọn lựa hệ thống kiểm soát pH phù hợp nhất cho quy trình vận hành của mình.
Hệ thống kiểm soát A: Vận hành theo mẻ (đầu vào không liên tục)
Kiểu hệ thống này sử dụng một bộ điều khiển rờ-le on/off cho quy trình theo từng mẻ (batch). Hệ thống vận hành như sau:
Dung dịch quy trình được bơm đầy vào một bể chứa.
Khuấy và xáo trộn dung dịch, hóa chất được cho vào đến khi đạt đến pH mong muốn. Rờ le sẽ bật/tắt máy bơm (hay van sôlênôit) để bổ sung hóa chất.
Sau đó dung dịch sẽ chảy ra ngoài hoặc được bơm ra khỏi bể chứa.
Trong hệ thống này, nó được tận dụng như một loại hệ thống cảm biến mức độ để cho ra tín hiệu khi bể chứa đầy hay trống, để khóa cánh khuấy và kiểm soát pH khi dung dịch chưa đạt đến mức thích hợp. Cũng như nếu việc khuấy kém, bộ đếm thời gian để lặp lại chu kì khuấy được khuyến khích sử dụng. Thời gian ngắt quãng sau một chu kì là thời gian phụ trợ để dugn dịch trong hệ thống được xáo trộn và giảm việc làm pH cuối cùng vượt mức.
Khi tìm kiếm nhân tố kiểm soát sau cùng, ghi nhớ rằng sẽ có một khoảng thời gian trì hoãn giữa bổ sung hóa chất và đo kết quả pH thay đổi. Nếu nhân tố kiểm soát cuối cùng vượt quá cỡ, hệ thống sẽ không chấp nhận sự quá mức. Càng khuấy nhanh thì thời gian trì hoãn hay sự vượt mức càng ít đi. Hệ thống kiểm soát pH đơn giản này có một bất lợi, đó là nó không dễ kiểm soát cho quy trình chảy liên tục.

Hình 1 – Hệ thống kiểm soát A: Quy trình theo mẻ với đầu vào không liên tục



Hệ thống kiểm soát B: Vận hành theo mẻ (đầu vào liên tục)
Kiểu hệ thống này tương tự như hệ thống A ở trên nhưng nó cho phép cung cấp đầu vào liên tục. Trong ứng dụng quy trình vận hành theo mẻ với đầu vào liên tục thì cần có một rờ-le điều khiển với mức chốt hay dải chết (deadband). Dải chết sẽ giữ yếu tố kiểm soát sau cùng trong thời gian dài hơn, cho kết quả vận hành thích hợp mà không cần chu kì nhanh chóng. Hệ thống B này không cần kiểm soát mức và quan trắc như hệ thống A, bởi vì ống thoát ra từ bể phản ứng có thể được định kích cỡ. đủ lớn và đặt ở vách bể sao cho bể không bị chảy tràn. Nhân tố kiểm soát cuối cùng có thể là bơm hay van on/off. Sự tìm ra nhân tố kiểm soát cuối thì phức tạp và phụ thuộc nhiều yếu tố. Đây là một tình huống mà ở đó đường cong chuẩn độ có thể hữu dụng. Trong nhiều trường hợp, có thể cần sử dụng đến hai nhân tố điều khiển sau cùng, mỗi nhân tố cho một lượng khác nhau của hóa chất và có điểm cài đặt khác nhau. Ví dụ, một van có thể cho 1 GPM hóa chất dưới 3 pH và van khác cho 0.1 GPM hóa chất dưới 4 pH. Hòa trộn tốt là rất quan trọng trong những hệ thống như thế này và cánh khuấy hay phương pháp xáo trộn không được định dưới kích cỡ. Thời gian lưu của hệ thống (thể tích bể chứa chia cho GPM dòng vào) phải lớn hơn 10 phút. Nếu lâu hơn, bộ đếm thời gian vòng lặp chu kì có thể giảm sự vượt mức. Kiểu hệ thống kiểm soát này khá là chính xác nhưng nó thường không cho đầu ra nhất quán. pH có khuynh hướng lặp lại giữa 2 mức.

Hình 2 – Hệ thống kiểm soát B: Quy trình theo mẻ với đầu vào liên tục

Hệ thống kiểm soát C: Vận hành theo mẻ (đầu vào liên tục và thời gian trì hoãn)
Loại hệ thống kiểm soát này sử dụng kiểm soát hệ số góc tỉ lệ với phần chia thời gian (% chu kì)-tích hợp với Hach sc100™ Controller – cho hầu hết các ứng dụng như kiểu hệ thống điều khiển B, ngoại trừ thời gian trì hoãn giữa lần bổ sung hóa chất và dò đọc là ít nhất 1 phút. Trường hợp này có thể xảy ra khi dung dịch chảy qua một bể dài, máng hay các bể nối tiếp nhau. Phần chia thời gian (% chu kì) đầu ra là một công tắc đóng kín để kích hoạt van hay bơm. Ngõ ra anolog của controller truyền tới một bộ đếm điện tử chu kì theo phần trăm để được điều chỉnh bằng điện hoạt động từ 0 đến 100%. Đường mức thời gian của bộ đếm theo chu kì được điều chỉnh bằng điện trong vài giây đến vài phút. Hóa chất được cung cấp vào hệ thống thông qua một loạt châm hóa chất nối tiếp. Nếu hệ thống không nhận đủ hóa chất, ngõ ra từ controller sẽ tác động đến bộ đếm chu kì để kéo dài thời gian hoạt động và làm ngắn lại thời gian nghỉ. Thời gian chu kì luôn luôn nên ngắn hơn thời gian trì hoãn của hệ thống để một loạt châm hóa chất vào được bể chứa và xáo trộn dần. Khi hóa chất tới được đầu đo, hệ thống cần phải khuấy ở mức sao cho đầu dò không đo pH bị khác biệt lớn. Yếu tố kiểm soát cuối cùng được chọn để không phân phối quá 5 lần khối lượng hóa chất yêu cầu ở mức tải lượng tối đa của hệ thống.

Hình 3- Hệ thống kiểm soát C: Vận hành theo mẻ (đầu vào liên tục và thời gian trì hoãn)

Hệ thống kiểm soát D: liên tục, điều khiển control
Loại hệ thống kiểm soát này sử dụng kiểm soát hệ số góc tỉ lệ -tích hợp với Hach sc100 Controller – với ngõ ra anolog cho hai kiểu kiểm soát pH chung nơi mà pH được điều chỉnh a) chỉ một ít, hay b) tới một giá cách 7 pH (thấp hơn 4 pH hay cao hơn 10 pH). Hệ thống kiểm soát luôn luôn gồm có các yếu tố sau:
1 Sensor pH để đo sản phẩm cuối cùng
2 Analyzer/controller để cấp tín hiệu điều khiển analog
3 Transducer* để sinh ra tín hiệu khí nén tỉ lệ với tín hiệu analog
4 Van khí nén * để cung cấp thuốc thử đến quy trình.
5 Thiết bị khuấy để đặt giữa điểm cấp hóa chất với sensor pH

*Transducer và van khí nén có thể được thay thế bởi bơm hay van điều khiển bằng điện.

Hai điểm rất quan trọng của hệ thống này là việc khuấy và thời gian trì hoãn giữa lần bổ sung hóa chất và dò đọc kết quả của việc bổ sung vào. Việc xáo trộn phải được toàn bộ hệ thống và thời gian trì hoãn không vượt quá vài giây. Trì hoãn lâu sẽ làm kết quả chu kì của pH trở lại và tiến đến điểm cài đặt mong muốn. Khi dung dịch chảy qua ống, thiết bị khuấy tốt được xem xét sử dụng là “cánh khuấy tĩnh”. Thiết bị này cho phép khuấy tốt trong thời gian rất ngắn. Bằng cách tiêm hóa chất tại đầu cánh khuấy vào và đặt sensor tại đầu ra cánh khuấy, hai vùng gặp vấn đề nghiêm trọng nhất của hệ thống được loại trừ. Một đặc tính cố hữu của hệ thống kiểm soát này là điểm cài đặt pH thực được sử dụng cho controller sẽ không giống như giá trị pH mong muốn. Sự khác biệt này không quá lớn nhưng sẽ gây ra sự khác nhau. Nếu trì hoãn thời gian tồn tại giữa điểm bổ sung hóa chất và sensor, hệ thống E được mô tả sau đây sẽ được áp dụng.
Hình 4- Hệ thống điều khiển D: Liên tục, kiểm soát on-line

Hệ thống điều khiển E: Liên tục, kiểm soát on-line với Two-Mode Controller
Hệ thống kiểm soát kiểu này giống với hệ thống D ngoại trừ sử dụng một two-mode controller thay cho controller điều khiển theo hệ số góc tỉ lệ (one-mode controller). Two-mode controller thì phức tạp hơn nhiều so với one-mode controller và phải được sử dụng nếu hiệu quả của one-mode controller không thể chấp nhận.
Chức năng cài đặt lại của two-mode controller sẽ điều chỉnh quy trình đạt được đến điểm cài đặt mong muốn nếu có thể. Two-mode controller cũng có tính năng mẫu/giữ để bù trừ cho thời gian chuyển, cho phép nó điều khiển quy trình lên đến 8 phút trì hoãn từ điểm bắt đầu cho hóa chất đến điểm đọc pH.

Hệ thống điều khiển F: điều khiển lai ghép
Kiểu hệ thống này sử dụng two-mode controller của hệ thống E với nhân tố điều khiển on/off của hệ thống C. Hệ thống lai ghép này được khuyến khích ứng dụng cho các trường hợp:
1. Nơi cần điều khiển chính xác là quan trọng
2. Quy trình trì hoãn thời gian từ 1 đến 8 phút tồn tại
3. Hóa chất được cho vào là chất mài mòn hay có thể làm tắt nghẽn miệng nhỏ (như bùn vôi chẳng hạn)

Vì những lý do này, một van on/off là phù hợp hơn van tỉ lệ để tránh sự ăn mòn các bộ phận bên trong hệ thống và giúp việc bổ sung hóa chất đạt mức tin cậy hơn.

Thiết bị đo đạc sử dụng cho vòng lặp điều khiển pH:

Model sc100 Controller: LXV401.52.02002

Model DPD1P1: DpHD pH Probe

MH434A008: Probe Immersion Mounting Hardware

Sự loại bỏ nitơ bằng phương pháp sinh học sục khí

Ammonia quá cao trong nước tiếp nhận sẽ gây ra hiện tượng bùng nổ tảo làm giảm mức oxy trong nước. Vì lý do này mà nhiều nhà máy xử lý nước thải phải giới hạn mức ammonia trong dòng thải ra.
Sự nitrat hóa sục khí hay sự chuyển đổi ammonia thành nitrate, yêu cầu phải có sự hiện diện của một nhóm sinh vật đặc biệt và môi trường thích hợp để duy trì sự hoạt động của chúng:
1. Vi sinh vật
Vi khuẩn từ nhóm Nitrosomonas – vi khuẩn nitơ chuyển hóa ammonia thành nitrite, bước đầu tiên của giai đoạn oxy hóa.
Vi khuẩn từ nhóm Nitrobacter – vi khuẩn cacbon chuyển hóa nitrit thành nitrat, giai đoạn hai của quá trình nitrat hóa.
Những vi sinh vật này tồn tại cùng nhau trong bể sục khí, sau giai đoạn đầu xử lý với bùn hoạt tính hay bể lọc nhỏ giọt (bể lắng tách sơ cấp) nơi lấy đi nhu cầu oxy sinh hóa cacbon (CBOD) và loại bỏ 90-95% các chất rắn lơ lửng.

2. Sự sục khí thích hợp. Dòng ra từ quá trình xử lý bậc một đi vào quá trình xử lý bậc hai trong quy trình bùn hoạt tính nitơ, như hình bên dưới. Quy trình này đòi hỏi tốc độ sục khí để có kết quả oxy hòa tan (DO) nằm trong mức 1.5 đến 4.0 mg/l. Tốc độ sục khí đạt mức cao hơn 4 mg/l DO sẽ làm cho bùn lắng kém. Mức DO thấp hơn 1.5 mg/l có thể làm cho vi khuẩn chuyển hóa nitơ chết.
Các chất rắn (thức ăn của vi khuẩn). Dòng ra từ quá trình xử lý sơ cấp được cấp từ từ vào bể sục khí để cung cấp nguồn cacbon làm thức ăn cho vi khuẩn. Thời gian lưu giữ trong quá trình này phải ít nhất là 4 đến 8 giờ và thời gian lưu tế bào trung bình (MCRT) phải ít nhất là 4 ngày để vi khuẩn phát triển. Quá trình cũng cần duy trì mức chất rắn làm thức ăn cho các vi khuẩn nitrit hóa trong hệ thống.
pH thích hợp. Độ kiềm và pH là hai yếu tố quyết định đến sự sống của vi khuẩn nitrit hóa. Nếu độ kiềm xuống thấp hơn 50 mg/l và pH thấp hơn 7, sự nitrat hóa có thể bị ức chế (vi khuẩn có thể thích nghi trong một thời gian nhất định khi pH thấp hơn 7). Nếu việc giảm độ kiềm làm giảm pH theo xuống dưới mức cần thiết để duy trì quá trình nitrat hóa thì người vận hành phải bổ sung hóa chất để làm tăng pH.
Người vận hành phải theo dõi liên tục mức độ nitơ trong bể và mức ammonia trong dòng ra từ bể lắng tách thứ cấp. Biết được những mức độ này sẽ giúp họ xác định tốc độ sục khí thích hợp và thời gian lưu.
Các thiết bị phân tích online của Hach sau đây cần thiết cho việc điều khiển quá trình nitrat hóa sục khí:
· OptiQuant™ Suspended Solids Analyzer quan trắc và giúp duy trì lượng bùn thích hợp trong cả bùn tuần hoàn và bùn thải từ quá trình nitrat hóa cũng như bùn trong bể sục khí.

· HACH LDO™ Dissolved Oxygen Sensor là hệ thống DO tiên tiến của Hach đo chính xác và giảm nhu cầu bảo trì nhất so với các DO sensor trên thị trường hiện nay.

· Amtax™ Ammonia Analyzer đi kèm với bộ lọc tại chỗ Filtrax™ in-situ Filtration System quan trắc mức ammonia trong dòng ra cuối cùng của nhà máy.

· Hach pHD™ Differential pH Sensor dùng công nghệ differential pH có thể loại bỏ các nhược điểm thường gặp khi sử dụng loại điện cực tham thảo

Hach Company là nguồn duy nhất mà các nhà máy xử lý nước có thể tin tưởng để có một hệ thống đơn giản, ít cần bảo trì, giàu kinh nghiệm và khả năng ứng dụng để giúp cho việc tối ưu quá trình xử lý thông qua việc làm giảm nitơ và kiểm soát nguồn điện cũng như chi phí cho hóa chất sử dụng. Hệ thống được mô tả ở đây cung cấp một biện pháp kiểm soát tốt nhất cho quá trình nitrat hóa sục khí.
Theo Mike Rousey, Hach Company, Loveland, Colorado