Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Snímače a analyzátory pro čistírny odpadních vod

Řízení technologických procesů v čis­tírnách odpadních vod, požadavky na sníže­ní spotřeby elektrické energie při aeraci, snížení obsahu dusíku ve vyčištěné vodě, úspo­ru srážedla při eliminaci obsahu fosfátu atd. vedly v posledních přibližně deseti letech výrobce analyzační techniky, společnost En­dress+Hauser, k rozšiřování nabídky sníma­čů i analyzátorů v klasickém smyslu slova. Rostou přitom požadavky na spolehlivost, na omezení nutné údržby a snadné ovládání přístrojů. Nástup digitální techniky napomo­hl rozšířit možnosti komunikace a diagnos­tiky: PLC prostřednictvím provozní sběrnice „vidí až do útrob“ snímačů. Každý digitální snímač obsahuje čip s identifikací a pamě­tí, který „pomáhá a chrání“, protože dokáže upozornit obsluhu na nevhodné nebo rizikové provozní podmínky a proměnné. Diagnostic­ké zprávy jsou striktně tříděny podle doporu­čení NE 107 NAMUR (Self-Monitoring and Diagnosis of Field Devices) s jasnou identifi­kací, zda jde o poruchu, nebo je požadována běžná údržba. Indukční přenos dat protoko­lem Memosens (tento princip letos oslavuje deset let) poprvé umožnil hermeticky za­pouzdřit pH elektrodu do celoplastové bajo­netové koncovky a galvanicky oddělit měře­né médium od kabelu. Vlhkost, koroze v ko­nektoru nebo elektromagnetické rušení už nepředstavují žádné nebezpečí. Memosens umožňuje bez problémů číst údaje z pH me­trů i jiných snímačů za použití běžných čty­řvodičových stíněných kabelů na vzdálenost do 100 m. Memosens má v současné podo­bě dvě roviny: softwarovou a hardwarovou. Protokol Memosens přenáší informace nejen o měřené hodnotě a teplotě, ale i diagnostic­ká data, data potřebná pro identifikaci senzoru, kalibrační údaje, údaje o době provozu a údaje o extrémních hodnotách parametrů, které mohou senzor snímače poškodit. Jest­liže je řídicí systém vybaven digitální sběrni­cí, lze na ni připojit i další snímače a vytvořit modulární analytický systém.

 

Měření koncentrace rozpuštěného kyslíku

Typickým snímačem s minimální údržbou je snímač s optickým senzorem a digitálním výstupem Oxymax COS61D (obr. 1), jímž se měří koncentrace rozpuštěného kyslíku ve vo­dárenství bez nutnosti pravidelné kalibrace. Snímač umožňuje spolehlivě hlídat koncentra­ci kyslíku v aeraci na kritické úrovni 2,0 mg/l. Využívá metodu přenosu signálů Memosens a je dodáván kalibrovaný a připravený k pro­vozu již z výroby. Díky tomu získala „optika“ obrovské sympatie uživatelů a z vodárenství v podstatě vytlačila klasické ampérometrické snímače rozpuštěného kyslíku.
 

Měření zákalu

Dalšími snímači na optickém principu vy­bavené technikou Memosens jsou např. sní­mače zákalu a koncentrace nerozpuštěných látek. Zákaloměr Turbimax CUS51D (obr. 2) využívá čtyřpaprskovou pulzní metodu: dvě LED vysílají pulzně do média infračervené světlo 860± 30 nm. Měření proto není závis­lé na barvě. Světlo se odráží od částic a je střídavě vyhodnocováno ve čtyřech detekto­rech rozmístěných v úhlech po 90° (pro zákal podle ISO 7027 Jakost vod – stanovení záka­lu) a 135° (pro koncentraci nerozpuštěných látek nebo sušiny v kalu). Snímač CUS51D matematicky zpracovává celkem osm signá­lů a eliminuje drift, kolísání intenzity zdroje a rušivé okolní světlo. Tělo robustního sníma­če je vyrobeno z korozivzdorné oceli, optická část v kontaktu s kapalinou ze safíru. Snímač neobsahuje žádné pohyblivé díly a vyznačuje se téměř nulovými provozními náklady. Stu­peň krytí IP68 zaručuje vynikající odolnost i při venkovní instalaci. Proudící médium za­jišťuje samočistící efekt, který může být zesí­len ofukem při ponorné instalaci nebo ostři­kem tlakovou vodou při inline instalaci v ka­lovém potrubí. K dispozici jsou čtyři kalové křivky běžně používané v čistírnách odpad­ních vod: proaktivovaný kal (2 až 15 g/l), vy­hnilý kal (5 až 100 nebo 5 až 300 g/l), vratný kal (3 až 50 g/l) a zahuštěný kal (0 až 5 g/l). Samozřejmostí je možnost individuální kali­brace na konkrétní kal porovnáním s labora­torními údaji.
 

Měření koncentrace nitrátů a SAK

Další optický digitální snímač s přenosem signálů Memosens je UV snímač Viomax CAS51D (obr. 3). Jde o robustní snímač z korozivzdorné oceli určený ke sledování sub­stancí absorbujících v UV oblasti. Vyrábí se ve dvou provedeních – buď pro kontinuální měření nitrátového dusíku (N-NO3) pro říze­ní denitrifikace nebo řízení dávkování exter­ního substrátu při postdenitrifikaci, nebo pro měření absorbance organických látek (para­metr SAK – spektrální absorpční koeficient, resp. anglicky SAC – Spectral Absorption Coefficient). Spektrální absorpční koeficient je možné v převodníku korelovat porovnáním s laboratorními údaji na hodnoty celko­vého obsahu organického uhlíku TOC (Total Organic Carbon), chemické spotřeby kyslí­ku CHSK nebo biologické spotřeby kyslíku BSK. Korelace dobře odpovídá v komunál­ních ČOV, na přítoku však tvoří část hod­noty CHSK nerozpuštěné částice, a proto je vhodné se snímačem Viomax CAS51D pou­žít také Turbimax CUS51D a na přítoku sle­dovat oba parametry.
 

Filtrace pro přípravu vzorků

Odpadní voda na přítoku ČOV s velkým podílem nerozpuštěných látek, s tuky a další­mi látkami představuje pro snímače nebo ana­lyzátory nelehký úkol. Povrch senzorů, např. pH elektrod, se snadno zanese. Důsledkem je drift hodnoty, a obsluha proto musí sen­zor pravidelně manuálně čistit nebo kalibro­vat. Použití analyzátoru s automatickým čiš­těním a kalibrací místo běžného pH metru se vzhledem k investičním nákladům zatím pro­sazuje pouze v kritických provozech. Části­ce a nežádoucí substance lze také z kapaliny separovat vhodnou filtrační technikou s au­tomatickým čištěním filtračních prvků. Pro úpravu vzorků v ČOV nabízí společnost En­dress+Hauser účinné filtrační zařízení Liquli­ne System CAT (obr. 4) v novém provede­ní. Základním prvkem je válcový keramický modul s filtrační účinností 0,1 μm. Kerami­ka je téměř nezničitelná a má neporovnatel­ně delší životnost než běžné membrány. Mo­dul je zvenku potažen tenkou vrstvou plastu, která dále zvyšuje jeho chemickou odolnost a umožňuje použít ho na libovolném místě ČOV. Kapalina se jednoduše filtruje pomo­cí sacího efektu peristaltické pumpy umístě­né v malé řídicí jednotce. Filtr se automatic­ky čistí v pravidelných intervalech tlakovým vzduchem. Účinnost čištění je možné zvýšit zpětným chodem čerpadla, popř. sanačním činidlem. Elektronika řídicí jednotky filtrač­ního zařízení digitálně komunikuje s převod­níkem analyzátoru. Kromě toho se na displeji analyzátoru Liquline System CA80AM nové generace zobrazují provozní nebo diagnostic­ké informace filtračního zařízení.
 

Analyzátor Liquline System CA80AM

Nový analyzátor Liquline System CA80AM (obr. 5) ve spojení s filtrační jednotkou umož­ňuje spolehlivé a rychlé off-line měření na pří­toku, v aeraci anebo na odtoku z ČOV uzna­nou metodou analýzy amoniakálního dusíku pro komunální ČOV podle ČSN ISO 7150-1 Jakost vod. Stanovení amonných iontů. Část 1: Manuální spektrometrická metoda (popř. podle GB 7481-87 Water quality Determina­tion of ammonium acid spectrophotometric method, DIN 38406-5 Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlam­muntersuchung; Kationen (Gruppe E); Bestimmung des Ammonium-Stickstoffs (E 5) nebo analýzou indofenolovým barvivem), která bude poskytovat podobné výsledky jako la­boratorní metoda. Vyznačuje se velmi malou spotřebou činidel a vzhledem k jejich přes­nému dávkování pístovým čerpadlem také minimálními požadavky na údržbu. Pístová čerpadla s lineárním motorem plně nahradila dřívější peristaltické pumpy, u kterých bylo nutné pravidelně měnit drahé ha­dičky a rotační nebo přítlačné prv­ky. Dlouhé životnosti reakčních či­nidel bylo dosaženo inteligentním a účinným chlazením. Přístroj je dále možné na dálku diagnostiko­vat, řídit analyzátor a filtraci vzor­ku a měnit měřicí rozsah. Všech­ny důležité prvky systému, jako jsou fotodetektor, lineární písto­vá čerpadla a směšovací jednotka, mají přenos signálů Memosens, prediktivní diagnostiku a možnost konfigurovat je na dálku. Skříň je volitelně dodávána ve venkovním provedení s teplotní izolací a odol­ností proti mrazu. Do převodníku lze připojit další senzory, a tak se analyzátor může proměnit v inte­ligentní modulární měřicí stanici.
 

Snímač koncentrace amoniakálního dusíku (N-NH4)

Analyzátor Liquline System CA80AM s automatickým čiště­ním a kalibrací se uplatní také při optimalizaci spotřeby energie při řízení aerace. Obvykle je pro tento účel používána ponorná in-situ sonda Isemax CAS40D (obr. 6) s kon­tinuálním měřením, která je koncipována jako snímač poskytující kontinuální údaje o rych­losti změn koncentrace amoniakálního dusíku (N-NH4+) a hodnoty pH v aeraci a umožňující dynamicky řídit aeraci podle aktuální zatěže.
 

Závěr

Společnost Endress+Hauser je největší svě­tový výrobce snímačů a většina jejích výrobků má digitální komunikační rozhraní. Autonomní řídicí jednotka Liquiline se schopnostmi ma­lého PLC představuje univerzální vícekanálo­vou měřicí ústřednu, která komunikuje jednot­ným rozhraním Memosens se všemi digitální­mi sondami. Další snímače pro měření průtoku, teploty nebo tlaku lze připojit prostřednictvím analogových vstupů. Řídicí jednotka Liquiline je použita ve vzorkovačích a nově také v ana­lyzátorech a umožňuje konfiguraci a diagnos­tiku na dálku s využitím protokolu HART, Ethernetu nebo sběrnice Foundation Fieldbus. Dovoluje vytvářet modulární flexibilní analy­tické systémy bez drahých pohyblivých dílů, které používají uznané analytické metody, mají malé provozní náklady a jednotné uživatel­ské rozhraní.
 
Obr. 1. Snímač koncentrace rozpuštěného kyslíku Oxymax COS61D
Obr. 2. Zákaloměr Turbimax CUS51D
Obr. 3. Snímače koncentrace N-NO3  a SAK Viomax CAS51D
Obr. 5. Analyzátor Liquline System CA80AM
Obr. 6. Sonda Isemax CAS40D pro měření koncentrace NH4-N a pH