Masurarea, Analiza Si Compararea Datelor Referitoare la Concentratia de Oxigen Dizolvat din Cadrul Statiilor de Epurare a Apelor Uzate

În ultimii ani senzorii și analizoarele on-line de măsură și control, în epurarea apelor uzate au cunoscut o dezvoltare importantă în ceea ce privește performanțele și fiabilitatea. Aceștia și-au găsit aplicabilitatea în diferite procese din epurare a apelor uzate, cele mai importante fiind: controlul influentului și efluentului, controlul oxigenului dizolvat, controlul aerării, recircularea nămolului , îndepărtarea nămolului în exces, controlul precipitării fosforului.

Amplasarea senzorilor pe fluxul de epurare este foarte importantă în obținerea datelor corecte, care să poată fi utilizate în procesul de monitorizare și control.

Criteriile de alegere a unor secțiuni sau puncte reprezentative pentru măsurare și recoltare a probelor pot diferi de la o situație la alta, dar există o serie de considerații general valabile:

a) amplasarea secțiunilor în imediata apropiere a punctelor de măsură a debitelor în scopul corelării datelor calitative cu cele cantitative;

b) se aleg numai acele secțiuni în care se constată modificări esențiale ale calității apelor;

c) stabilirea unor secțiuni pentru urmărirea modului de asigurare a calității apei necesară unor folosințe și în scopul evidențierii efectelor produse de descărcarea apelor uzate provenite de la surse de poluare mai importante (controlul automat al proceselor de epurare a apelor uzate )..

O parte din parametrii se măsoară numai în scopul monitorizării, alții atât pentru monitorizare cât și pentru comandă și reglare automată a proceselor. Se poate opta fie pentru utilizarea unui senzor independent pentru fiecare parametru, fie pentru utilizarea unei stații de monitorizare.

Senzori pentru oxigenul dizolvat

Senzorii pentru determinarea concentrației de oxigen dizolvat se bazează fie pe metoda electrochimică, fie pe metoda optică:

Senzor optic de oxigen LDO

Principiul LDO se bazează pe fenomenul fizic al luminiscenței. Acesta este definit ca proprietatea unor materiale de a emite lumină atunci când sunt excitate cu un alt stimul decât căldura. În cazul principiului LDO, stimulul este lumina. Dacă este aleasă o combinație corespunzătoare de luminofor si o lumină de excitație cu o anumită lungime de undă, intensitatea luminescenței și timpul până la dispariția acesteia sunt dependente de concentrația de oxigen din jurul materialului. Senzorul LDO este compus din două elemente: (v.fig. ) capul senzorului cu strat de luminofor depus pe un material transparent de transfer, corpul senzorului cu un LED albastru care emite lumina necesară creării luminescenței, LED-ul roșu care are rol de element de referință, o fotodiodă și o unitate electronică de evaluare.

Fig. Senzor LDO []

Pentru a efectua o măsurătoare, LED-ul de excitație emite pulsuri de lumină albastră. Lumina albastră bogată în energie permite efectuarea unor măsurători de înaltă precizie. Pulsația de lumină (50 msec.) trece prin materialul transparent de transport ajungând la luminofor căruia îi transferă o parte din energia sa radiantă. Acest lucru face ca o parte din electronii din stratul de luminofor să sară de la nivelul lor inițial de energie la un nivel superior. În câteva microsecunde, aceștia revin la nivelul lor inițial trecând prin mai multe nivele intermediare emițând energia pe care o pierd sub formă de lumină roșie.

Atunci când moleculele de oxigen sunt în contact cu luminoforul, apar două efecte.

Fig. Intensitatea luminii albastre de excitație și lumina roșie emisă în funcție de timp []

Figura prezintă efectele lor: pulsul de lumină transmis de LED-ul albastru la timpul t=0 intră în contact cu luminoforul care răspunde imediat prin emiterea unei lumini roșii. Intensitatea maximă (Imax) și timpul de dispariție a luminii roșii depind de concentrația oxigenului din jurul senzorului (timpul de dispariție t este definit ca timpul trecut de la excitație până la momentul în care intensitatea luminii roșii revine la 1/e din intensitatea maximă). Pentru determinarea concentrației de oxigen se evaluează durata de viață t a luminii roșii, astfel măsurătoarea se bazează pe simpla măsurare fizică a timpului.

Avantajele senzorului optic LDO:

1. Fără calibrare

Metoda optică LDO măsoară concentrația oxigenului dizolvat pe baza măsurării unei perioade exacte de timp. Orice uzură sau curățare a luminoforului din capul senzorului influențează intensitatea dar nu și durata de viață a luminii roșii emise, care depinde doar de concentrația de oxigen din probă. Toate componentele optice ale sondei sunt reglate înainte de fiecare măsurătoare cu ajutorul LED-ului roșu de referință care emite pulsuri de lumină, transmisă pe exact aceeași traiectorie ca și luminescența emisă. Astfel este exclusă calibrarea greșită de către utilizator.

2. Fără schimbarea membranei sau electrolitului

La metoda LDO, electrolitul, electrozii și membrana sunt înlocuiți de stratul sensibil la oxigen depus pe capul senzorului. Tot ce îi rămâne utilizatorului de făcut, este să schimbe acest cap o dată la doi ani.

3. Acuratețe mare la măsurători

Lumina de excitație albastră, bogată în energie, asigură o acuratețe mare, constantă, pentru măsurătorile cu senzorii LDO.

4. Nu este necesar ca proba să fie menținută în mișcare.

Metoda LDO nu implică consum de oxigen. Moleculele de oxigen trebuie doar să stea în contact cu stratul sensibil la oxigen. Proba nu necesită o mișcare continuă în jurul senzorului.

5. Neafectat de contaminare.

Murdărirea cu substanțe neconsumatoare de oxigen nu face decât să prelungească timpul de răspuns, dar nu cauzează apariția de rezultate inexacte.

6. Necontaminarea senzorului cu H2S

Luminoforul din LDO este rezistent la H2S și la multe alte substanțe chimice. De aceea senzorul poate fi utilizat în aplicații dificile fără probleme.

7. Timp de răspuns redus

Metoda optică necesită doar ca moleculele de oxigen să fie în contact cu luminoforul. Datorită acestui fapt, timpii de răspuns ai metodei optice de măsurare sunt exprimați în secunde. Dacă se dorește un semnal mai uniform, transformatorul poate fi ajustat pentru a atenua semnalul.

8. Sensibilitate excelentă la concentrații mici de oxigen

Sensibilitatea efectului de măsurare (schimbarea duratei de viață a luminescenței sau schimbarea concentrației de oxigen (∆τ/∆CO2)) crește odată cu scăderea concentrației de oxigen. De aceea principiul de măsurare furnizează o bună rezoluție în mod special la game de măsurare scăzute.

9. Senzor rezistent

Capul senzorului LDO este în mod special rezistent la stresul mecanic. Ruperea membranei în timpul funcționării sau atunci când operatorul efectuează operațiunile de curățare este exclusă.

10. Perioadă lungă de funcționare a senzorului, lumina albastră pulsatorie este o garanție a intensității luminescenței, dar și a unei perioade extrem de lungi de funcționare pentru capul senzorului.

Senzor electrochimic de oxigen

Galvanic

Polarografic

Acest tip de senzor poate fi galvanic sau polarografic.Ambele utilizează un sistem de electrozi unde oxigenul dizolvaat reacționează cu catodul pentru a produce un curent. Dacă materialul electrodului este selectat astfel încât diferența de potențial între anod și catod este – 0,5 V sau mai mare, nu mai este nevoie de aplicarea unei tensiuni exterioare și sistemul se numește galvanic. Dacă este aplicată o tensiune exterioară sistemul se numește polarografic.

2.1 Senzorul galvanic

Senzorul galvanic este construit sub forma a doi electrozi imersați într-un electrolit ( în interiorul senzorului) (v.fig.). O membrană permeabilă la oxigen separă catodul și anodul de apa supusă măsurării (v.fig.) . Moleculele de oxigen difuzează prin membrană și sunt reduse la ioni hidroxil OH- la catod., conform reacției:

O2+ 2H2O + 4e-→ 4OH- (1)

Fig. Senzor electrochimic de oxigen []

Fig. Principiul de funcționare al senzorului galvanic de oxigen dizolvat

Anodul reacționează cu aceștia, eliberând electroni. Catodul se află la un potențial negativ, astfel încât reduce tot oxigenul care se difuzează pe suprafața sa. Anodul din plumb este oxidat pentru a obține o reacție generală care produce hidroxid de plumb ( v.fig.) , conform reacției:

2Pb→2Pb+ + 4e-

2Pb + 4OH- →2Pb(OH)2 + 4e- (2)

Fig. Principiul de funcționare al senzorului galvanic de oxigen dizolvat

Rezultatul general al reacției este consumul de anod din plumb o dată cu trecerea curentului, obținând un electrod foarte sensibil care poate detecta modificările la nivelul microvolților.

Dezavantajele senzorului galvanic:

Reacția electrochimică face ca anodul să reacționeze lent, deoarece produce curent.

Metodele electrochimice de măsurare indică curentul cauzat de reducerea oxigenului în hidroxizi de ion la catod. Pentru a compensa acest „consum de oxigen”, moleculele de oxigen trebuie să fie difuzate continuu în electroliți. Dispariția moleculelor de oxigen din vecinătatea senzorului poate fi prevenită doar prin menținerea probei în miscare în jurul senzorului.

Există un gradient de presiune parțială prin membrană și debitul de oxigen care intră în probă este dependentă de presiunea parțială a oxigenului în apa de măsurat.

Dacă conversia oxigenului în unitatea electrochimică de măsurare este restricționată din cauza murdăririi membranei, împiedicându-se astfel difuzia, vor fi obținute rezultate inexacte.

2.2 Senzorul polarografic

Poate fi compus din:

anod;

catod;

soluție electrolit,

membrană.

Diferența de potențial dintre auriu și argintiu nu este suficient de mare pentru a iniția o reacție spontană. O tensiune de polarizare constantă este aplicată electrozilor (v.fig.).

La trecerea moleculelor de oxigen prin membrană, acestea sunt reduse la catod, conform reacției:

O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (3)

În cazul anodului avem o reacție de forma: 4 Ag + 4Cl- → 4 AgCl- + 4e- (4)

Fig. Principiul de funcționare al senzorului polarografic de oxigen dizolvat

Fig. Principiul de funcționare al senzorului polarografic de oxigen dizolvat

Curentul suplimentar rezultat de la anod la catod este direct proporțională cu conținutul de oxigen dizolvat în electrolit (v.fig.).

Dezavantajele senzorului polarografic:

Contaminarea senzorului cu H2S gazos duce la formarea unui strat aproape insolubil de sulfit de argint pe anodul sistemului electrochimic de măsurare. Acest lucru face ca sistemul să fie inutilizabil. Așa cum membrana devine acoperită, difuzia de oxigen este înhibată, iar tendința de citire este zero.

Pentru ca tensiunea de polarizare să devină operațională, trebuie să fie aplicată senzorului cu aproximativ o oră după pornire.

Dacă rezistența celulei se schimbă în mod constant, de asemenea și curentul, ca urmare a modificărilor tensiunii de polarizare.

Proba necesită o mișcare continuă în jurul senzorului. Curățarea, calibrarea, schimbarea membranei si electrolitului, lustruirea anodului sunt necesare și inevitabile, aceasta fiind singura posibilitate ca tendința senzorilor de a furniza date exacte să fie ținută în anumite limite.

Compararea datelor între senzorii electrochimici și cei optici

Fig. 7.5 Comparație între senzorii electrochimici (albastru) și cei optici ( negru) []

În figura sunt prezentate rezultatele măsurătorilor cu senzorul optic de oxigen în comparație cu rezultatele senzorilor electrochimici convenționali pe o perioadă de patru săptămâni. Locația unde s-a efectuat măsurătoarea este aeratorul unei stații de epurare urbane. Oxigenul este reglat pe baza valorilor măsurate de senzorii electrochimici. Controlerul setează suflanta pentru ca valorile măsurate furnizate de senzorii electrochimici de oxigen să corespundă cu valorile dorite. Dacă senzorul furnizează valori mai mici decât concentrația reală, rezultatul este o concentrație de oxigen mai mare, nedorită în bazinul de aerare. Acest fenomen nu poate fi recunoscut imediat în cadrul buclei de control. În acest exemplu, rezultatele incorecte furnizate de senzor duc la valori medii ale concentrației de oxigen din aerator (reprezentat prin linia neagră dreaptă) cu 0,4 mg/l peste media dorită de 2 mg/l după o perioadă stabilită de patru săptămâni. O astfel de diferență are dezavantaje tehnice pentru proces, cum ar fi introducerea de oxigen suplimentar în zona de denitrificare. Concentrația reală de oxigen din aerator este indicată de noul senzor optic. Concentrațiile mari de oxigen inutile în aerator ar trebui să fie evitate deoarece sunt nocive din punctul de vedere al economiei procesului. Potrivit schemelor de lucru ATV A131 energia necesară pentru a aera nămolul activ este:

N ~ (6)

unde:

Cs: este concentrația de saturare cu oxigen presupusă si Cx: este concentrația de oxigen. Rezultatul este acela că necesarul de energie N și costurile energetice pentru transferul oxigenului din aerator, cresc odată cu creșterea concentrației oxigenului Cx.

Concluzii

Controlul și reglarea eliminării carbonului, nitrificarea și denitrificarea depind de cunoașterea concentrației de oxigen din bazinul de aerare. Un aspect caracteristic al metodelor electrochimice de măsurare a oxigenului este degradarea inexorabilă a anodului și consumarea electrolitului în timpul utilizării. Ambele procese cauzează inevitabil apariția de valori măsurate eronat obținând rezultate greșite. Aceste efecte pot fi ținute sub control doar prin calibrări regulate și schimbări ale electrolitului. Un tip complet nou de senzor de oxigen LDO, acesta se bazează pe capacitățile speciale ale luminoforului și măsoară concentrația de oxigen prin simpla măsurare a unei durate de timp. Având în vedere că în măsurarea timpului nu apar erori, utilizatorul nu trebuie să calibreze senzorul. Astfel au fost evitate principalele dezavantaje ale sistemelor de măsurare electrochimică. Caracteristica cea mai importantă a metodei de măsurare optică este aceea că se obțin valori măsurate stabile și precise pe perioade lungi de timp. De asemenea, a fost redus considerabil timpul de întreținere necesar obținerii de măsurători precise de oxigen.