¿Qué instrumentos existen en el laboratorio de la planta de tratamiento de aguas residuales y cuáles son necesarios? ¿Cuál es el proceso específico?
El proceso de tratamiento de aguas residuales generalmente consta de tratamiento mecánico, tratamiento bioquímico y tratamiento químico, involucrando componentes líquidos, sólidos y gaseosos. Los instrumentos para monitorear estas etapas se pueden dividir simplemente en dos categorías: de propósito general y especializados.
2. Instrumentos generales para el proceso de tratamiento de aguas residuales
Los instrumentos de medición generales incluyen temperatura, presión, nivel de líquido, flujo, valor de pH, conductividad, sólidos suspendidos y otros sensores.
①El sensor de temperatura es más importante porque el control de temperatura a menudo se implementa durante la digestión anaeróbica. Un elemento típico de medición de temperatura es una resistencia térmica.
② La medición de la presión se utiliza a menudo como parámetro de alarma para la aireación y la digestión anaeróbica.
③ La medición del nivel de líquido se utiliza para monitorear el nivel del agua, generalmente utilizando métodos como boyas, transmisores de presión diferencial, medición de capacidad y detección ultrasónica del nivel del agua.
④Los instrumentos de monitoreo de flujo incluyen principalmente diafragmas, medidores de flujo de rotor, medidores de flujo de turbina, tanques de medición objetivo, medidores de flujo electromagnéticos y medidores de flujo ultrasónicos.
⑤El valor del pH es una variable importante en el proceso bioquímico y un valor clave en los procesos de digestión anaeróbica y nitrificación. Los electrodos de pH generalmente se instalan en plantas de tratamiento de aguas residuales para remojar el lodo humano y se puede lograr una ausencia de mantenimiento a largo plazo mediante diferentes estrategias de limpieza. Para aguas residuales con alta capacidad amortiguadora, las mediciones de pH pueden ser insensibles a los cambios del proceso y, por lo tanto, no son adecuadas para su uso en el monitoreo y control de procesos. En este caso, se puede utilizar un sistema de medición de carbonatos.
⑥ Los sensores de conductividad se utilizan para monitorear los cambios en la composición del agua entrante y también son la base de las estrategias de control de eliminación química de fósforo.
⑦La medición tradicional de biomasa se basa en la dispersión y absorción de la luz incidente por partículas en suspensión. Con la llegada de los detectores de luz sensibles, estuvieron disponibles sensores que pueden medir automáticamente los efectos de la luz. La mayoría de los sensores comerciales utilizan fuentes de luz que emiten poca luz visible o infrarroja, y la mayoría de los medios muestran una baja absorción en esta región. La concentración de biomasa también se puede determinar basándose en la diferencia de velocidad de las ondas de ultrasonido en sólidos suspendidos y microorganismos en solución libre.
3. Sensores en el proceso de digestión anaeróbica
En la digestión anaeróbica se utiliza ampliamente la medición del flujo de biogás, que puede indicar la actividad global del reactor. En los últimos años, se han utilizado algunas tecnologías especiales para controlar la composición del gas. Un método de laboratorio típico es la separación por lavado de botellas, y la composición del gas se puede determinar en función de la relación de flujo antes y después de ingresar a la botella. Por ejemplo, una botella de lavado cáustico podrá recoger todo el CO2 y el H2S y permitir el paso del CH4. Los analizadores de gas más profesionales pueden controlar directamente el contenido de los componentes del gas. Por ejemplo, se utilizan medidores de absorción de infrarrojos para determinar el contenido de CO2 y CH4, y también se han desarrollado analizadores de hidrógeno especiales basados en fuentes de energía químicas. Los medidores de H2S en fase gaseosa pueden determinar los niveles de H2S monitoreando la reacción del sulfuro para la disolución del plomo.
El principal problema de los sistemas de monitorización basados en análisis de gases es que no pueden predecir directamente la concentración del gas correspondiente en la fase líquida. Se desarrolló un sensor de inmersión que puede medir directamente el hidrógeno disuelto. La pila de combustible es el corazón del sensor. Hasta el momento no se han reportado instrumentos de medición directa de H2S y CH4.
No es fácil detectar un digestor anaeróbico desequilibrado mediante la medición del pH, especialmente cuando la alcalinidad de la solución mezclada es alta. En este caso se pueden medir el CO2 y los carbonatos del líquido mezclado. La alcalinidad depende principalmente de la amortiguación de carbonatos y, por lo tanto, se utiliza a menudo en estrategias de control para la digestión anaeróbica. Se han desarrollado y aplicado monitores de carbonatos a procesos de digestión anaeróbica reales.
Existen dos principios básicos para estimar la alcalinidad de los carbonatos. Uno es la titulación. Los sensores de titulación en línea avanzados pueden monitorear diferentes componentes, como amoníaco y carbonato, simultáneamente. Otro método de determinación online de alcalinidad se basa en la cuantificación del CO2 gaseoso obtenido por acidificación de la muestra. Los medidores de flujo de gas se pueden utilizar para medir el volumen de gas producido.
Todas las actividades biológicas se pueden caracterizar por la producción de calor. Medir el calor con un calorímetro puede proporcionar información directa sobre los cambios en los procesos biológicos. Los calorímetros de flujo son la primera opción para el tratamiento de aguas residuales.
Los ácidos grasos volátiles (AGV) son los productos intermedios más importantes en la digestión anaeróbica. Su agregación provocará una disminución del pH y un fallo del proceso de digestión anaeróbica. El monitoreo de la concentración de AGV se usa comúnmente como indicador del desempeño del proceso, pero rara vez se usan sensores en línea. Los instrumentos de medición más modernos incluyen cromatógrafos de gases o cromatógrafos de líquidos de alta presión. Como sensor multiparamétrico en línea, el espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier puede medir simultáneamente DQO, TOC, VFA y otros parámetros. FT-IR no requiere ningún producto químico añadido y requiere poco mantenimiento, pero es difícil de calibrar. Un método de medición más confiable es proporcionar el contenido de AGV en la muestra mediante una titulación en dos pasos o una titulación inversa utilizando un titulador.
En los últimos años se han desarrollado y aplicado biosensores en la industria del tratamiento de aguas residuales. El analizador de AGV determina la concentración de AGV en los fluidos digestivos; el biosensor MAIA mide la actividad metabólica y el biosensor RANTOX detecta una sobrecarga orgánica y una carga tóxica inminentes.
4. Sensores en el proceso de lodos activados
El oxígeno juega un papel muy importante en el proceso de lodos activados y los costos de aireación relacionados representan aproximadamente el 40% de los costos operativos totales. Por ello, los sensores de oxígeno se han convertido en los instrumentos de medición y monitorización más utilizados en plantas de tratamiento de aguas residuales. La medición de oxígeno se basa en la reacción electroquímica de difundir oxígeno en líquidos. Los sensores de oxígeno disuelto (OD) son instrumentos de medición confiables y precisos, pero se debe seleccionar cuidadosamente la ubicación de medición adecuada para evitar incrustaciones. En la actualidad son bastante habituales los sistemas de limpieza automáticos, y se han aplicado algunos sensores de oxígeno disuelto equipados con sistemas de limpieza y capaces de autocalibrarse. Los sensores de OD son ampliamente utilizados en el control de procesos de aireación, ahorrando mucha inversión, y la información obtenida también puede usarse para monitorear cualquier proceso de tratamiento de lodos activados.
La respiración es la medición e interpretación de la tasa de respiración de lodos activados, definida como el oxígeno consumido por los microorganismos en unidad de volumen de lodos activados por unidad de tiempo. Es una herramienta común para caracterizar la dinámica de aguas residuales y lodos. El respirómetro es esencialmente un reactor y los resultados de las mediciones se ven fácilmente afectados por los cambios en las condiciones experimentales.
Obtención de los componentes biodegradables de aguas residuales mediante medición offline de la demanda biológica de oxígeno (DBO5). DBO5 es la cantidad de oxígeno disuelto necesaria para la oxidación biológica de solutos orgánicos en 5 días. El experimento DBO5 no es adecuado para monitoreo y control automatizados porque lleva mucho tiempo completar el experimento y es difícil lograr mediciones consistentes y precisas. Realice una medición en línea de la carga de aguas residuales basada en una estimación de DBO a corto plazo. Actualmente existen dos métodos DBOst online: respirómetros y sensores microbianos. El sensor respiratorio RODTOX propuesto por Vanrolleghem et al. puede controlar la DBOst y la posible toxicidad de las aguas residuales. El sensor consta de un reactor discontinuo completamente mezclado y constantemente aireado que contiene 10 litros de lodo, lo que permite obtener un amplio rango dinámico de DBO. Los sensores microbianos constan de células solidificadas, membranas y un detector de oxígeno disuelto y son más adecuados para sistemas de lodos activados que contienen una amplia variedad de microorganismos. Para mantener su eficacia, los sensores microbianos de DBO requieren un mantenimiento y almacenamiento cuidadosos. La mayoría de los sensores microbianos de DBO tienen una vida útil corta, que oscila entre días y meses.
La variable más monitorizada en las plantas de tratamiento de aguas residuales es la demanda química de oxígeno. El monitor automático de DQO puede monitorear automáticamente cada 1 a 2 horas. Según las condiciones de oxidación y descomposición, se puede dividir en monitor ácido y monitor alcalino. La principal limitación del experimento DQO es la incapacidad de distinguir entre materia orgánica biodegradable e inerte.
TOC representa el contenido total de carbono orgánico en las aguas residuales y también es un indicador del grado de contaminación orgánica en las masas de agua. El principio fundamental de la medición de TOC es convertir el carbono orgánico en CO2 y luego medir este producto en la fase gaseosa para calcular la concentración de carbono orgánico en la fase acuosa.
Un instrumento de medición típico es un analizador de extracción por infrarrojos. El TOC se considera un buen parámetro de monitoreo, especialmente para monitorear la calidad del drenaje.
Muchos componentes de las aguas residuales absorben la luz ultravioleta. La absorción de rayos ultravioleta está estrechamente relacionada con la materia orgánica de las aguas residuales. Se introducen monitores automáticos de absorción de rayos UV en los sistemas de tratamiento de aguas residuales para detectar niveles de contaminación del agua o evaluar la calidad de la descarga. En los últimos 10 años, la tecnología óptica ha logrado avances significativos, haciendo posible la medición multipunto a larga distancia, lo que facilita enormemente la implementación del monitoreo del proceso de tratamiento de aguas residuales. La medición por espectroscopia infrarroja tiene un gran potencial en la estimación y monitoreo en línea de parámetros especiales como TOC, DQO y DBO. La principal desventaja de los espectrómetros infrarrojos es que el escalado de los componentes fotovoltaicos reduce la sensibilidad y requiere una recalibración frecuente.