UNIVERSITATEA VALAHIA TRGOVITEFacultatea de Ingineria Mediului i
Stiinta AlimentelorBd. Unirii nr. 18-24, B1, Trgovite, 0200, jud.
Dmbovia, ROMANIATel/Fax: 0245.206.108; e-mail:
[email protected]
SPECIALIZAREA: SISTEME DE CONTROL I EVALUARE A CALITII
MEDIULUI
Controlul automat al proceselor de epurare a apelor uzate-
Proiect -
Coordonator tiinific:Prof. Dr. Ing. Iordache tefania
Masterand: Ing. Diaconu Oana
- TRGOVITE -2014Cuprins
1. Aspecte generale privind sistemele de epurare a apelor
uzate32. Perturbaii n sistemele de tratare a apelor uzate63.
Instrumentaie n controlul proceselor Aspecte generale104. Senzori
utilizati pentru monitorizare si control in treapta fizica si
biologica a sistemelor de epurare a apelor
uzate12Concluzii20Bibliografie21
1. Aspecte generale privind sistemele de epurare a apelor
uzate
Epurarea apelor uzate reprezint ansamblul de msuri i procedee
prin care impuritile de natur chimic sau bacteriologic coninute n
apele uzate sunt reduse sub anumite limite, astfel nct aceste ape s
nu mai duneze receptorului n care se evacueaz i s nu mai
pericliteze folosirea apelor acestuia. Instalaiile de epurare sunt
realizate tocmai n scopul intensificrii i favorizrii proceselor
care se desfaoar n decursul autoepurrii. Procesul de epurare are ca
rezultat obinerea unor ape curate n diferite grade de purificare, n
funcie de tehnologiile i echipamentele folosite i un amestec de
corpuri i substante denumite generic nmoluri. Att apele, ct i
nmolurile trebuie s fie deversate fr ca prin aceasta s se aduc
prejudicii mediului nconjurtor. Aceast condiie se poate realiza
numai printr-o purificare avansat a apelor uzate.Epurarea apelor
uzate cuprinde urmtoarele dou mari grupe de operaii
succesive:reinerea i/sau transformarea substanelor nocive n produi
nenocivi;prelucrarea substanelor rezultate sub diverse forme
(nmoluri, emulsii, spume) din prima operaie.Procedeele de epurare a
apelor uzate, denumite dup procesele de baz sunt:procedee mecanice
n care procesele de epurare sunt de natur fizic;procedee chimice n
care procesele de epurare sunt de natur fizico-chimic;procedee
biologice n care procesele de epurare sunt att de natur fizic, ct i
biochimic.Valorificarea sau tratarea n continuare a produselor
obinute la epurare se face utiliznd, n mare, aceleai procedeee
mecanice, fizico-chimice i biologice, n acest sens, se poate da ca
exemplu tratarea nmolului provenit din staiile de epurare oreneti,
care se poate realiza prin: deshidratare, fermentare anaerob,
stabilizare aerob, condiionare chimic, etc.n scopul epurrii, apele
sunt trecute prin 1, 2 sau 3 trepte de epurare, fiecare avnd nite
obiective clare, care trebuie realizate cu cea mai mare eficien. n
final, naintea deversrii n emisar, este creat o instalaie de
sterilizare a apelor uzate epurate.Treapta primar de epurare (sau
treapta de epurare mecano-chimic) are ca scop extragerea din apele
uzate a suspensiilor minerale i organice, a uleiurilor i grsimilor
i neutralizarea unor compui chimici sau toxici (iar apoi scoaterea
lor din ape, dup o precipitare/floculare prealabil). a) Treapta
primar de epurare se compune din:1. Pe grtar sunt reinute
suspensiile grosiere, crpe, resturi de esturi, plastice, bolovani,
ramuri, etc. Este un sistem de reinere a tot ce aduce apa uzat i
are dimensiuni mai mari de 2-4 cm. Apa nu staioneaz i nu au loc
alte procese dect cel de reinere mecanic a impuritilor. Curirea lor
se face mecanic, iar materialele adunate sunt transportate pe
platformele de gunoi controlat.2. Pe site se continu procesul de
reinere a particulelor cu diametre mai mari de 2-3 cm, prin
trecerea apei n flux continuu, viteza de scurgere scznd foarte
puin. Este tot o activitate fizico-mecanic de separare a
particulelor mari.3. n deznisipator, viteza de trecere a apei scade
semnificativ pn la o vitez care s permit sedimentarea marii
majoriti a particulelor minerale (deci inclusiv a nisipului fin).
Aceasta se calculeaz n funcie de coninutul particulelor i pe baza
unor msurtori efectuate, n prealabil, n laborator. Ca urmare a
trecerii apei prin primele trei obiecte ale staiei de epurare, sunt
ndeprtate din ap 95-98% din suspensiile mari i toate suspensiile
minerale, dar i circa 40% din suspensiile organice mai grele.4. n
separatorul de grsimi, emulsiile de uleiuri i substane
uleioase/grase sunt aduse la suprafaa apei prin barbotarea maselor
de ap cu ajutorul aerului insuflat prin diuze speciale sau plci
poroase. Prin aceasta barbotare a apei are loc i o parial
introducere de oxigen dizolvat n masa apelor uzate, oxigen care
faciliteaz dezvoltarea microflorei bacteriene aerobe. Uleiurile i
celelalte substane grase, astfel aduse la suprafaa apei, pot fi uor
colectate i ndeprtate.n cazul n care apele uzate sunt prea acide
sau prea bazice, se pot aduga substane chimice destinate
neutralizrii acestor ape. n cazul n care apele conin unele substane
toxice, ele pot fi eliminate n camera de reacie, unde, n contact cu
substane chimice specifice, acestea ies din starea de substane
dizolvate, se floculeaz i astfel pot fi ulterior ndeprtate prin
decantare.5. Ultimul obiect al treptei de epurare mecano-chimic l
reprezint decantorul primar. n el, apa uzat staioneaz circa dou ore
la apele menajere oreneti i circa 10-15 ore la apele zootehnice,
timp n care cad la fund majoritatea suspensiilor organice
particulate. n cursul decantrii sunt eliminate din ape suspensiile
organice particulate, pe care s-au adiionat o serie de bacterii
reductoare. n cursul procesului de decantare, organismele aerobe
consum oxigenul dizolvat din ap, astfel nct, la ieire, apa este
practic lipsit de oxigen.La ieirea din aceast treapt de epurare,
apa trebuie s fie cvasilipsit de suspensii minerale i organice
particulate, sunt reduse cele mai multe substane chimice toxice,
dar rmn nemodificate substanele organice coloidale i cele
dizolvate. Pe traseul treptei primare de epurare microflora
bacterian se nmulete necontenit, ea fiind dominat de bacteriile
anaerobe-facultativ aerobe. Aceast microflor i ncepe procesul de
epurare biologic prin consumul de substane organice. Organismele
caracteristice sunt bacteriile, flagelatele i ciupercile.n Romnia,
exist numeroase staii de epurare care sunt construite numai din
obiectele treptei primare i care, din pcate, nu funcioneaz niciuna
la parametri satisfctori, ceea ce face destul de grav aceast
situaie, care este incompatibil cu normele europene de epurare a
apelor uzate.
b) Treapta secundar de epurare a apelor uzate (sau treapta
biologic de epurare) are ca scop ndeprtarea din apele uzate a
substanelor organice moarte aflate n stare coloidal sau dizolvate.
Acest proces este realizat de ctre organisme vii degradatoare deci
de microflora bacterian i de cea fungic. Instalaiile n care se
desfoar aceste procese sunt create tocmai pentru a optimiza
activitatea microorganismelor aerobe descompuntoare.
c) Treapta teriar de epurare a apelor uzate este un sistem mai
nou, dar din ce n ce mai solicitat de epuratori. El vizeaz
reducerea la maxim a substanelor organice rmase n ap (n general
cele greu biodegradabile) reinerea suspensiilor i a nutrienilor
eliberai n treapta secundar de epurare i a microorganismelor
patogene mai rezistente.Cea mai eficient metod este ozonizarea
apei. Din pcate, aceast tehnic este costisitoare, distruge
cvasitotalitatea substanelor organice i nu rezolv problema
nutrienilor (care nu sunt oxidai de ozonul introdus n ap).
2. Perturbaii n sistemele de tratare a apelor uzate
Adoptarea unei soluii adecvate de automatizare, presupune, pe de
o parte cunoaterea ct mai complet a evoluiei procesului, a
restriciilor tehnologice n care evolueaz, iar, pe de alt parte,
proiectarea i alegerea unei soluii, att ca structur conceptual ct i
ca echipamente de automatizare care s permit conducerea procesului
dup strategii predeterminate cu satisfacerea criteriilor de
performan, impuse ntregului sistem de conducere.Necesitatea
introducerii sistemelor de conducere deriv din incapacitatea
proceselor de a-i automenine starea de echilibru dinamic n prezena
perturbaiilor. Perturbaiile care ndeprteaz procesul de la starea de
echilibru necesar meninerii unui optim funcional pot fi interne sau
externe. De asemenea, ele pot avea un caracter trector, ciclic sau
periodic, n marea lor majoritate fiind aleatoare. Existena
perturbaiilor i aciunea lor direct sau indirect asupra proceselor n
sensul ndeprtrii acestora de la starea de echilibru justific
necesitatea construirii sistemelor de conducere care prin concepia
i aciunea lor ind s menin sau s readuc procesul n starea de
echilibru necesar unei bune funcionri, adic a evoluiei acestora n
sensul dorit.Pe msur ce procesele de epurare a apelor uzate sunt
mai complexe i mai sofisticate, devine mai important nu numai
msurarea diferiilor parametrii, ci i automatizarea rspunsului
echipamentelor folosite n cadrul procesului. Costurile
suplimentare, complexitatea i ntreinerea aferente masurtorilor i
controlului procesului trebuie foarte bine evaluate pentru a
justifica automatizarea i instrumentaia necesar. Un eventual ghid
pentru aceast evaluare trebuie s respecte urmtoarele condiii:
trebuie msurai on-line numai parametrii de importan semnificativ
pentru proces, deoarece costurile traductoarelor i sondelor
specifice este ridicat; naintea controlrii oricrui parametru din
cadrul procesului, trebuie determinate reglementrile proprii
existente care pot reduce nevoia controlului; trebuie ales cel mai
simplu mod posibil pentru realizarea satisfctoare a sarcinilor de
control i decizie; este esenial pentru controlul oricrui proces ca
parametrul selectat s reprezinte efectiv procesul supus
controlului; (de exemplu, reglarea debitului de nmol activ n exces
poate fi adaptat n funcie de debitul influentului); orice sistem de
control, indiferent de gradul de complexitate, trebuie s aib
posibiliti de operare manual-local; datorit posibilitii apariiei
unei avarii, indiferent de natura ei, n sistemul automat de
control, elementul de control final, de exemplu vana, pompa sau
alimentatorul trebuie, n mod obligatoriu, s poat fi operat i
manual; un sistem de control nu trebuie s fie mai inteligent dect
operatorul care-l utilizeaz; personalul de operare trebuie s
cunoasc modul de introducere a datelor iniiale i interpretarea
rezultatelor pe care le ofer.Gradul de control care este eficient
din punct de vedere al costurilor este dependent de dimensiunea
staiei. Costurile operrii chiar pentru staii cu acelai numr de
locuitori difer n funcie de tipul staiei, operarea ei i gradul de
automatizare i control. Este dificil s se evalueze raportul
costuri/beneficii, n special pentru c informaiile nu sunt
ntotdeauna obiective. Beneficiile investiiei n instrumentaia de
control i automatizare trebuie cuantificate prin reducerea
costurilor operrii, substituirea investiiei i mbuntirea calitii
efluentului datorit unei operri mai consistente. Realizarea
controlului contribuie la creterea capacitii SEAU. Astfel, ca
alternativ pentru extinderea fizic a staiei se poate opta pentru
optimizarea proceselor de epurare, introducnd de exemplu un sistem
avansat de control de tip SCADA.n comparaie cu alte procese
industriale, procesele de epurare a apelor uzate au cteva elemente
distincte att n ceea ce privete caracteristicile procesului, ct i
obiectivele operaionale. Acestea necesit consideraii specifice n
proiectarea sistemului de control. Ele pot fi grupate astfel:a)
Perturbaii ale proceselor de epurare compoziia i debitul
influentului nu sunt constante, ele avnd variaii orare, zilnice,
sezoniere; astfel, variabilele au un caracter aleator, cu ocuri de
debit i ncrcare greu de anticipat i evaluat; Procesele din SEAU au
o scar de timp diferit - de la minute, ore pn la luni; de aceea,
intervenia i modificarea valorilor unui parametru necesit un anumit
interval de timp pn apare o variaie sensibil n process; Pot aprea
evenimente neprevzute cum ar fi ploi sau descrcri de substane
toxice; Modificarea populaiilor microbiene Operarea
necorespunztoare datorit fie erorilor umane, fie funcionrii
defectuoase a echipamentelor sau instrumentaiei de monitorizare i
control; ocuri de debit datorit pornirii/opririi pompelor. n
general nu se pot face intervenii brute n sistemul hidraulic din
staia de epurare deoarece pot apare regimuri tranzitorii de tip
lovitur de berbec care pot induce fenomene secundare cu efecte greu
de stpnit.De obicei, pentru atenuarea perturbaiilor, staia de
epurare este prevzut cu un bazin de egalizare
uniformizare.Complexitatea proceselor de epurare: Epurarea apelor
uzate implic procese unitare multiple, cu interaciuni puternice.
Controlul unui proces poate afecta performanele proceselor din
aval, dar i din amonte. Intervalul mare de variaie a constantelor
de timp: rspunsul hardware este de ordinul secundelor; turaia
pompelor i poziia vanelor pot fi modificate n cteva secunde;
concentraia oxigenului dizolvat se modific n cteva minute; debitul
nu se propag instantaneu prin staie; dac se deschide o pomp debitul
efluentului se va modifica n 20 40 minute; concentraia substratului
variaz de la minute la ore, n funcie de viteza reaciilor biologice
i de timpul hidraulic de retentive; variaia populaiilor microbiene
are loc ntr-un interval de cteva zile pn la sptmni; modificrile
sezoniere, n special temperatura, va influena dinamica staiei n
ciclul annual; n aprecierea funcionrii SEAU trebuie analizai muli
parametrii, de natur diferit, care au o evoluie independent;
Sistemul trebuie s tie s ias din haosul tehnic care se poate
instala uor datorit multitudinii de parametrii cu natur diferit:
hidraulic, mecanic, biologic, chimic; Condiiile din SEAU nu sunt
reproductibile; este dificil s se adopte decizii corecte operative
dup datele vechi existente n banca de date; Procesele din SEAU sunt
procese cu caracter continuu datorit curgerii nentrerupte a
fluidelor polifazate spre staie.
b) Variabilele care pot fi manipulateinnd seama de complexitatea
proceselor de epurare a apelor uzate, numai un numr limitat de
variabile pot fi manipulate. Acestea pot fi, n cazul epurrii
biologice, debitul de aer, debitul nmolului activ recirculat,
debitul de nmol evacuat din decantorul secundar.
c) SenzoriiPn de curnd lipsa senzorilor era un obstacol major
pentru controlul i automatizarea proceselor de epurare a apelor
uzate. n ultimii ani ns, acetia au cunoscut o dezvoltare important,
n special pentru msurarea nutrienilor.
d) Obiectivele operaionalen general, obiectivele staiei de
epurare a apelor uzate se rezum la conformarea la standardele de
mediu impuse pentru efluent. Acestea sunt diferite de la ar la ar.
n cadrul Uniunii Europene criteriile de calitate ale efluentului au
devenit mai omogene, dar exist diferene majore n modul n care sunt
impuse aceste criterii. Principalele diferene se refer la
intervalul de timp al metodelor de recoltare a probelor (la 2 ore,
24 de ore sau 7 zile), excluderea datelor pentru evenimente extreme
i conformarea metodei de evaluare. Aceste moduri diferite de
exprimare a limitelor de descrcare influeneaz fundamental
proiectarea sistemului de control.Un sistem de control, denumit
bucl de control, cuprinde urmtoarele elemente principale:
instrumentaia de msur - senzorii, traductorul, convertorul,
transmiterul, regulatorul automat/controlerul, elementul de corecie
(elementul final de control) i elementul de execuie.Treapta
secundar este destinat epurrii biologice a apei uzate ncrcate cu
materii organice. Procesul utilizat n mod obinuit este cel aerob,
proces dependent de meninerea concentraiei de oxigen dizolvat la
1-3 mg/l. Necesarul de aer trebuie s acopere att respiraia
microorganismelor, ct i oxidarea substanelor organice. Pot fi
realizate economii considerabile de energie i bani corelnd aerarea
cu cererea real de oxigen.Parametrii de proces care trebuie meninui
la anumite valori se numesc parametrii controlai, iar cei care pot
fi modificai direct pentru a menine parametrii controlai la valori
prestabilite se numesc parametrii manipulai.
3. Instrumentaie n controlul proceselor Aspecte generale
n ultimii ani instrumentaia de msur n epurarea apelor uzate a
cunoscut o dezvoltare important n ceea ce privete performanele i
fiabilitatea. Astfel, senzorii i analizoarele on-line i-au gsit
aplicabilitate n diferite procese din epurare a apelor uzate:
controlul influentului, controlul oxigenului dizolvat, aerarea
intermitent, recircularea intern, ndeprtarea nmolului n exces,
dozarea sursei externe de carbon, controlul nmolului recirculat,
controlul fazelor n reactoarele secveniale, controlul precipitrii
etc. Realismul i corectitudinea datelor msurate trebuie comparat cu
cunotinele existente despre procesele respective. De aceea este
esenial s se cunoasc foarte bine procesele de epurare. Rezultatele
oricrei msurtori au un anumit grad de incertitudine, dar este
important s se estimeze i s se in seama de aceasta. Trebuie
realizat calibrarea i ntreinerea senzorilor conform instruciunilor.
De asemenea, este recomandat realizarea regulat a unor msurtori de
referin n laborator, pentru a certifica msurtorile efectuate de
senzori.Nu este posibil s se fac o comparaie complet echitabil ntre
dou staii de epurare diferite i nici ntre ri diferite. Sistemul de
monitorizare difer n funcie de dimensiunea staiei, posibilitile
financiare, nivelul de cunotine al conducerii i obiectivele care se
au n vedere.Frecvena msurtorilor i reglrilor unui parametru depinde
de timpul necesar acestuia s se modifice dup apariia unei
perturbri. Timpul necesar unui parametru pentru a atinge 63.2% din
diferena dintre condiiile iniiale i cele finale dup apariia
perturbrii se numete constant de timp. Pentru a realiza controlul
automat aceti parametrii trebuie msurai de 10...30 de ori mai des
dect constanta de timp corespunztoare. Deci pentru aceti parametrii
este necesar aparatur on-line de msurare.Amplasarea senzorilor pe
fluxul de epurare este deosebit de important n obinerea datelor
corecte, care s poat fi utilizate n procesul de monitorizare i
control. Criteriile de alegere a unor seciuni sau puncte
reprezentative pentru msurare i recoltare a probelor pot diferi de
la o situaie la alta, dar exist o serie de consideraii general
valabile: a) amplasarea seciunilor n imediata apropiere a punctelor
de msur a debitelor n scopul corelrii datelor calitative cu cele
cantitative; b) se aleg numai acele seciuni n care se constat
modificri eseniale ale calitii apelor; c) stabilirea unor seciuni
pentru urmrirea modului de asigurare a calitii apei necesar unor
folosine i n scopul evidenierii efectelor produse de descrcarea
apelor uzate provenite de la surse de poluare mai importante. O
parte din parametrii se msoar numai cu scopul monitorizrii, alii
att pentru monitorizare ct i pentru comanda i reglarea automat a
proceselor. Se poate opta fie pentru utilizarea unui senzor
independent pentru fiecare parametru, fie pentru utilizarea unei
staii de monitorizare.
4. Senzori utilizati pentru monitorizare si control in treapta
fizica si biologica a sistemelor de epurare a apelor uzate
Senzorul este primul element dintr-o bucl de reglare, care msoar
modificrile variabilei de proces i raporteaz aceste modificri. El
este un instrument care i schimb proprietile odat cu modificarea
condiiilor din proces, care pot fi apoi msurate.
a. Senzori/Traductoare de debitImportana traductoarelor de debit
rezult din rolul acestora n cadrul unor operaii eseniale, cum ar fi
reglrile de debit, care ocup un loc central n controlul automat al
proceselor de epurare.Traductor de debit electromagneticCostul
debitmetrului este destul de mare, n special pentru diametre mari
de conduct, dar cderea de presiune i ntreinerea lui sunt sczute.
Are o mare acuratee, aceasta fiind afectat negativ doar la viteze
sub 1 m/s.Traductor de debit cu ultrasuneteDeterminarea debitului
utiliznd ultrasunetele este o metod neinvaziv. Debitmetrele cu
ultrasunete msoar debitul unui fluid utiliznd senzori acustici cu
frecvena 20 kHz. Deoarece nu au piese n micare, ntreinerea lor este
uoar. Ele nu au pierderi de presiune i asigur o precizie mai bun fa
de alte aparate, rezultatele fiind foarte uor afectate de
temperatur, densitate sau conductivitate. Exist trei tipuri de
debitmetre cu ultrasunete:1. Debitmetre ultrasonice cu timp de
parcursAcestea sunt cel mai frecvent utilizate, fiind aplicate
pentru fluide curate sau cu impuriti. Sunt uor de instalat,
ntreinerea este sczut, nu realizeaz cdere de presiune i au o bun
acuratee pentru conducte mari. Nu pot fi ns utilizate pentru
nmoluri i este necesar montarea pe o poriune lung de conduct n
linie dreapt. Pentru acest tip de debitmetru prezena particulelor
solide sau a bulelor de gaz n fluid nu este dorit deoarece ele
reflect undele sonore, care vor interfera cu cele transmise i
recepionate de transmitorii ultrasonici. De asemenea, lichidul
trebuie s fie un conductor rezonabil de energie sonic.
2. Debitmetre ultrasonice cu efect DopplerAcestea se utilizeaz
pentru nmoluri, lichide cu bule, gaze cu particule solide sau
lichide n micare turbulent. Costul este mic, ntreinerea sczut i nu
realizeaz cdere de presiune. Sunt ns sensibile la vibraiile
conductei, iar acurateea scade la viteze sub 0,9 m/s. Recent a fost
realizat i un debitmetru clamp-on cu efect Doppler care funcioneaz
cu curent alternativ sau cu acumulatori rencrcabili. Un set de
terminale care furnizeaz la ieire un semnal 420 mA permit
conectarea la un nregistrator sau alt aparat de citire i control.3.
Debitmetre pentru canale deschiseDebitmetrele cu ultrasunete sunt
utilizate cu succes pentru anumite msurtori de debit pe canale
deschise prevzute cu deversoare sau canale cu trangularea seciunii
tip Venturi sau Parshall.Pentru a indica corect debitul volumetric
att pentru debitmetrele cu timp de parcurs ct i pentru cele cu
efect Doppler este important ca ntotdeauna conducta s fie plin.
Debitmetrul cu efect Doppler va continua s indice viteza fluidului
chiar ntr-o conduct parial plin dac traductorii se monteaz sub
nivelul lichidului.Distana de montaj fa de coturi, robinei, T-uri,
pompe etc. trebuie s fie 10-20 diametre amonte i 5 diametre
aval.Pentru debitmetrele cu ultrasunete cu timp de parcurs lichidul
nu trebuie s conin particule solide sau bule de gaz sau aer. Bulele
n special atenueaz semnalele acustice.Pe de alt parte debitmetrele
cu efect Doppler se bazeaz pe particulele care reflect undele
sonore. De aceea, pentru a obine msurtori fiabile trebuie s se in
seama de concentraia minim i dimensiunea minim a particulelor sau
bulelor. Se indic o valoare minim a concentraiei de particule
solide sau de bule de 100 mg/l sau ppm. De asemenea, curgerea
trebuie s aibe o vitez suficient pentru meninerea acestora n
suspensie. Unii productori dau ca valori tipice 1,8 m/s pentru
particule solide i 0,75 m/s pentru bule de dimensiuni mici.n
ultimii ani s-au introdus debitmetre cu efect Doppler care opereaz
la frecvene >1 MHz. n acest caz ele pot funciona pentru lichide
virtual curate, deoarece reflectarea undelor ultrasonice se
realizeaz de ctre vrtejurile din micarea turbulent.Numrul Reynolds
influeneaz performanele debitmetrului. Astfel unele debitmetre cu
efect Doppler sau cu timp de parcurs necesit numere Reynolds de
minim 4000, respectiv 10000.Debitmetrele clamp-on necesit ca
grosimea conductei s fie mic n raport cu distana pe care energia
ultrasonic s o parcurg prin lichidul de msurat. De regul raportul
diametru conduct/grosime perete conduct trebuie s fie mai mare de
10:1.
b. Senzori de nivelDiversitatea aplicaiilor, att sub raportul
particularitilor fizice ct i ale performanelor pe care le solicit,
au condus la o gam relativ mare de tipuri de senzori de nivel, att
sub aspectul principiilor de funcionare ct i al realizrilor
tehnologice. Astfel, senzorii de nivel pot fi: capacitivi, cu
determinarea hidrostatic a nivelului, ultrasonici, cu transmitere
nucleoinic sau radiometric a nivelului, cu microunde dirijate, cu
radar. Dintre acetia n treapta biologic de epurarea a pei se pot
utiliza urmtorii:Senzorul de nivel cu ultrasunete se utilizeaz
pentru determinarea nivelului stratului de nmol din decantoare. Se
pot utiliza pentru nivele sub 1m pn la 70 m i chiar peste i sunt
disponibili ntr-o gam larg de ieiri analoge i digitale. Au un cost
rezonabil, nu necesit ntreinere, dar spuma poate crea probleme i
pot fi greu de calibrat.Senzorii de nivel nucleonici sau
radiometrici fac parte din metodele neinvazive de msurare a
nivelului. Ei sunt capabili s msoare nivelul lichidelor sau
solidelor prin perei de oel inoxidabil sau alte rezervoare din
metal.. Aceast tehnic poate fi folosit i pentru dterminarea
nivelului interfeelor sau determinarea densitii.Senzorii cu
microunde dirijate sunt o variant a tehnicii de msurare cu radar,
fiind cunoscut sub numele de time domain reflectometry sau TDR.
Posibilitile de msurare includ msurarea nivelului pentru lichide i
solide, msurarea nivelului interfeei dintre lichide neconductive
dielectrice slabe i lichide conductive.Senzorii de msurare a
nivelului cu radar folosesc o tehnic neinvaziv, neafectat de
modificarea temperaturii i presiunii procesului, vacuum, variaia
compoziiei de gaze sau vapori, deplasarea aerului ntre senzor i
suprafaa de msurat, densitate, conductivitate i constanta
dielectric a produsului de msurat.Pentru controlul nivelului se
poate utiliza i un senzor cu furc vibrant. Aceasta vibreaz la
frecvena ei intrinsec, frecven care este redus cnd este acoperit de
lichid. Schimbarea frecvenei determin acionarea unui comutator. Un
astfel de senzor se poate utiliza n rezervorul de reactivi.
c. Senzori de oxigen dizolvatSenzorii pentru determinarea
concentraiei de oxigen dizolvat se bazeaz fie pe metoda
electrochimic, fie pe metoda optic.Senzor optic de oxigen se bazeaz
pe fenomenul fizic al luminiscenei.Spre deosebire de tehnologiile
senzorilor de oxigen dizolvat electrochimic, senzorul de oxigen
dizolvat fluorescent nu consum oxigen. Nu necesit recalibrare
frecvent sau curare frecvent (cu excepia cazului cnd este asociat
cu nmoluri nocive), dovedindu-se a fi un senzor cu o durat de via
mai mare i oferind citiri mult mai stabile i mai precise. De
asemenea, sistemul este independent de valoarea debitului, astfel
nct msurtorile pot fi efectuate n staii cu debite reduse.Senzorul
poate fi montat pe stlp sau pe flotor i se leag la un controler.
ntreinerea este foarte sczut, dar poate interfera cu substane
chimice fluorescente.Senzor electrochimic de oxigen Acest senzor
este fie galvanic, fie polarografic. Ambele utilizeaz un sistem de
electrozi unde oxigenul dizolvat reacioneaz cu catodul pentru a
produce un curent. Sistemele galvanice sunt mai stabile i mai
precise la concentraii mici ale oxigenului dizolvat. Ele pot
funciona cteva luni fr nlocuirea electrolitului sau a membranei, n
timp ce sistemele polarografice trebuie ncrcate la cteva
sptmni.
d. Senzor de turbiditate/ suspensii solideAceti senzori se gsesc
n mai multe variante, n funcie de concentraia de suspensii solide
care se dorete a fi msurat. Sunt construite fie din material
sintetic, fie din oel nobil. Senzorul conine elemente structurale
optice i electronice de valoare. Din acest motiv manevrarea
acestuia trebuie fcut cu atenie pentru a nu crea ocuri mecanice
puternice. El necesit calibrare periodic datorit modificrii
distribuiei mrimii particulelor.
e. Senzorul de pHToate sistemele de determinare a pH-ului se
bazeaz pe principiul celulei electrochimice. Senzorii de msurare a
pH-ului necesit ntreinere periodic pentru curare i calibrare.
Intervalul de timp dintre ntreineri depinde de caracteristicile
procesului i de acurateea i stabilitatea dorite. n timp,
proprietile electrice ale celor doi electrozi se modific.
Calibrarea cu o soluie cu pH cunoscut, numit soluie tampon va
corecta o parte din aceste modificri, ca i curarea jonciunii dintre
electrozi. Cum timpul de via al oricrei baterii este limitat, la
fel i timpul de via al electrodului de pH este finit, chiar dac
lucreaz ntr-un mediu prietenos.
f. Senzorul pentru msurarea potenialului redoxMsurarea
potenialului redox este o metod de determinare a activitii totale a
microorganismelor, ieirea n mV permind controlul automat al
reaciilor chimice. Senzorul pentru msurarea potenialului redox este
aproape identic cu cel pentru msurarea pH ului, cu deosebirea c n
locul electrodului de msur din sticl se utilizeaz un electrod
realizat dintr-un metal nobil, ca de exemplu aur, argint sau chiar
platin. Acestea au avantajul c nu reacioneaz chimic. Electrodul de
referin este tot un fir Ag/AgCl, ca i pentru msurarea pH-ului.
Valoarea pH-ului soluiei influeneaz n multe cazuri potenialul
redox. Deoarece funcioneaz pe acelai principiu, s-au realizat
senzori combinai care msoar att pH-ul ct i potenialul redox.
Senzorul lucreaz corect numai dac vrful de msurare este complet
imersat n lichid. Vrful de msurare nu are voie s fie inut mai mult
de 10 minute n mediu uscat sau s ias din mediul de msurat. Pentru
montajul senzorului, pentru lucrrile de ntreinere i pentru
transport se utilizeaz clapeta de transport care se umple cu 3 mol.
KCL sau soluie tampon cu pH 4.
g. Senzori pentru msurarea concentraiei de substane organice
dizolvateConcentraia de substane organice dizolvate se poate
exprima prin consumul biochimic de oxigen (CBO sau BOD n
terminologia englez), consumul chimic de oxigen (CCO sau COD) sau
carbonul organic total (COT sau TOC). Dintre acestea, cel mai
adesea se determin CBO5, parametru care nu este de folos n
controlul automat al procesului, fiind determinat dup 5 zile, n
timp ce sistemul trebuie s ia o decizie n timp foarte scurt.
Determinarea CCO se face n aproximativ 2,5 ore, dar au fost
dezvoltate metode de determinare rapid, n 15 minute. Determinarea
COT are de asemenea avantajul c se face rapid, n 5...10 minute. Se
poate determina o relaie de dependen a rezultatelor obinute prin
testele COT cu rezultatele obinute cu testele CBO, pentru o anumit
ap uzat, astfel nct este recomandat pentru procesele de control
determinarea COT. n literatura de specialitate se gsesc valorile
tipice pentru rapoartele CBO5/COT i CBO5/CCO pentru ape uzate
oreneti. Senzorii pentru determinarea concentraiei de substane
organice dizolvate determin fie coeficientul de absorbie spectral
(SAC spectral absorbtion coefficient) la 254 nm, fie carbonul
organic total. Dintre cele dou, cel mai utilizat este primul, prin
care se pot determina toi cei trei parametrii: CBO, CCO, COT.h.
Senzorul pentru determinarea concentraiei de amoniuSenzorul pentru
determinarea concentraiei ionilor de amoniu NH4+ poate fi utilizat
cu sau fr unitate de sedimentare. n cazul n care se utilizeaz fr
unitate de sedimentare, proba trebuie pregtit anterior.
i. Senzorul pentru determinarea concentraiei de nitraiPrincipiul
de msurare se bazeaz pe absorbia UV de ctre nitrai, la lungimi de
und mai mici de 250 nm. De aceea concentraia acestora se msoar
direct, fr utilizare de reactivi.
j. Senzorul pentru determinarea concentraiei de fosfaiAcest
senzor determin concentraia ionilor ortofosfai PO43- pe baza
principiului fotometric.
k. RespirometrulRespirometrul msoar viteza de respiraie a
nmolului activ, definit ca fiind cantitatea de oxigen consumat pe
unitatea de volum i de timp de ctre microorganismele din nmolul
activ. Ea se poate determina pentru diferite combinaii: nmol activ
n amestecul mixt, nmol activ + prob de ap uzat, nmol activ + prob
de referin, nmol activ + ap uzat + prob de referin. Parametrii
cheie care pot fi determinai prin respirometrie sunt: viteza de
consum a oxigenului, viteza de consum a substratului, oxigenul
consumat n procesul de oxidare a materiilor organice, materia
organic biodegradabil (CCO biodegradabil). Se pot deduce i ali
parametrii de operare pentru controlul procesului de epurare cu
nmol activ: raportul hran/microorganisme, timpul de retenie a
nmolului activ, raportul de recirculare a nmolului activ, necesarul
de oxigen, viteza de transfer a oxigenului n bazinul de aerare,
observarea inhibiiei/toxicitii prin comparaie cu un amestec mixt
nmol activ + ap uzat de la o alt staie de epurare. De asemenea, se
pot determina parametrii cinetici pentru modelare.Un respirometru
reprezint de fapt un reactor n care diferite componente sunt puse n
contact i n care condiiile de experimentare au o mare influen
asupra rezultatelor msurtorii. Pentru a interpreta corect viteza de
respiraie rezultat din experimentri trebuie specificai cel puin
trei factori: sursa biomasei, tipul substratului i timpul.
l. Senzor pentru determinarea caracteristicilor de sedimentare
ale nmoluluiCaracteristicile de sedimentare ale nmolului sunt cel
mai adesea exprimate prin indicele volumului de nmol, IVN. n ultima
perioad au aprut senzori care msoar aceste caracteristici.
Principala component a unui astfel de senzor este un cilindru de
sticl n care se introduce o prob din amestecul mixt. Aceasta este
supus sedimentrii n condiii asemntoare celor din decantorul
secundar. Coborrea interfeei stratului de nmol este urmrit folosind
transmiterea luminii, msurat fie cu ajutorul unei diode emitoare
(LED) fixat pe una din pri i a unei fotodiode fixat pe partea opus,
fie cu ajutorul unui cuplu LED fotodiod mobil.
Traductorul este un instrument care transform semnalul mecanic
ntr-un semnal electric.Convertorul este un aparat care convertete
un tip de semnal n altul. De exemplu transform intensitatea unui
curent n tensiune, semnalul analogic n semnal digital
etc.Transmiterul este un aparat care transform semnalul citit de la
senzor la traductor ntr-un semnal standard i transmite acel semnal
la un monitor sau un controler.Regulatoarele automate/Controlerele
sunt aparate care primesc datele de la instrumentele de msurare,
compar aceste date cu valoarea de referin programat i dac este
necesar semnalizeaz un element de control pentru a realiza aciunea
corectiv. Regulatoarele automate/controlerele locale sunt de trei
tipuri: pneumatice, electronice sau programabile. Pentru a compensa
perturbaiile ele pot utiliza mai multe tipuri de algoritmi de
control: feedback, feed-forward, feedback i feed-forward, n cascad
i adaptiv.Regulatoarele automate/controlerele pot executa funcii
matematice complexe pentru a compara datele de intrare cu valoarea
de referin i pot face simple adunri sau scderi pentru a realiza
comparaii. Deci, ele primesc date de intrare, realizeaz funcii
matematice i produc un semnal de ieire. Controlul poate fi de tip
on-off, proporional, integral, proporional-derivativ,
proporional-integral- derivativ. n ultimii ani s-au dezvoltat ns
tipuri de control avansat bazat pe logica fuzzy, reele neuronale
sau algoritmi genetici.Elemente de corecie (elemente finale de
control) sunt elementele sistemului de control care modific fizic
variabila manipulat. Pot fi vane, pompe, bobine etc. n procesul de
control viteza de rspuns a elementului de corecie este foarte
important. Cele mai multe mbuntiri ale acestora au fost fcute
pentru a micora acest timp.Elementul de execuie este partea
elementului final de control care produce modificri fizice n
elementul final de control cnd i se semnalizeaz acest lucru (un
exemplu ar fi elementul de execuie al vanei care comand nchiderea
sau deschiderea acesteia n urma semnalului de control transmis de
controler).
Concluzii
Avnd n vedere complexitatea fenomenelor care se desfoar n cadrul
proceselor de epurare a apelor uzate, numrul mare de parametrii
constructivi i funcionali care intervin i interinfluenele neliniare
care se produc pe diferite ci ntre aceti parametri, perturbaiile
aleatoare, rezult, n mod evident, necesitatea reglrii i conducerii
automate a acestor procese. Intr-o accepiune general prin conducere
automat a procesului de epurare se urmrete meninerea unei stri de
echilibru dinamic a procesului de epurare fr intervenia
operatorului uman. Se evit astfel o evoluie necontrolat a
parametrilor cu instalarea unei stri dezastruoase de haos tehnic. n
aplicaiile de control al proceselor de epurare efectele economice
obinute prin reglare sunt foarte importante. Un sistem de
monitorizare i control trebuie s asigure realizarea urmtoarelor
obiective: reducerea costurilor, meninerea calitii, operare facil,
protecia mediului i protecia investiiei pe termen lung.
Bibliografie
1. Barnett, M. W., Stenstrom, M.K., Andrews, J.F. Dynamics and
control of wastewater systems, vol.6, second edition, Technomic
Publishing Company, 1998 2. Metcalf&Eddy. Wastewater
engineering. Treatment and reuse, fourth edition, McGraw Hill, 2003
3. Robescu, D., Robescu, Diana, Lanyi, S., Constantinescu, I.
Tehnologii, instalaii i echipamente pentru epurarea apei, Editura
Tehnic, Bucureti, 2000 4. Robescu, Diana Robescu, D., Lanyi, S.
Silivestru, V., Iliescu, S., Vlad, G., Catan, I., Fgran, I.,
Ionescu, M., Panduru, V, Belu, D., Mocanu, R. Controlul automat al
proceselor de epurare a apelor uzate, Editura Tehnic, 200821