Мониторинг растворенного кислорода для биоремедиации шахтных сточных вод: Инженерные заметки из Шанхая ChiMay

Биологическая обработка шахтных сточных вод больше не является экспериментальным вариантом. Сульфатредуцирующие бактерии для осаждения металлов, нитрифицирующие системы для обработки цианидов и аммиака, а также аэробные биопленки для разрушения органических реагентов в настоящее время используются в коммерческих масштабах на шахтах по всему миру. Каждый из этих процессов зависит от контроля растворенного кислорода. Правильный уровень кислорода — и биология работает; неправильный — и система останавливается. Инженеры Shanghai ChiMay обнаружили, что растворенный кислород является самой распространенной причиной низкой эффективности проектов биоремедиации, и эти полевые инженерные заметки фиксируют то, что работает.

Основные выводы для инженеров по биоремедиации

• Целевые значения растворенного кислорода для биоремедиации шахтных сточных вод специфичны для процесса и более строгие, чем для муниципальных сточных вод
• Оптические датчики DO в значительной степени заменили мембранные датчики в современных установках
• Энергия аэрации часто составляет 40-60 процентов от эксплуатационных затрат; контроль DO напрямую определяет это
• Расположение датчиков и количество точек измерения так же важны, как и точность датчиков
• Дисциплина калибровки — это разница между достоверными данными и цифрой на экране

Три основных режима биоремедиации

Требования к растворенному кислороду зависят от того, какой биологический процесс активен:

Aэробное разрушение органических реагентов — Необходимо для разложения ксанта, тиоцианатов и флотационных реагентов в сточных водах. Целевое значение DO обычно составляет 2-4 мг/л на протяжении всего реактора.

Нитрификация аммиака и слабокислотных диссоциируемых цианидов — Необходимо для соблюдения норм сброса на многих золотых и цветных металлургических предприятиях. Минимальное целевое значение DO — 2-3 мг/л, с строгим избеганием анаэробных мертвых зон.

Сульфатное восстановление для осаждения металлов — Анаэробный процесс, но с строгим требованием, чтобы DO оставался ниже 0.2 мг/л на входе в реактор. Измерение DO в этой службе так же критично, как и в аэробных службах, просто для проверки отсутствия кислорода.

Одна шахта может работать в двух или всех трех режимах в разных частях своей системы обработки воды. Каждый из них требует своей стратегии измерения DO.

Выбор датчика: оптический против мембранного

В биоремедиации шахт используются две основные технологии:

Оптические (люминесцентные) датчики DO — Измеряют угасание флуоресцентного красителя кислородом. Нет мембраны для загрязнения, нет электролита для истощения, интервал калибровки от трех до двенадцати месяцев. Основной выбор для новых установок.

Полярографические или гальванические мембранные датчики DO — Более старая технология, более низкая стоимость единицы, но требует замены мембраны каждые один-три месяца и пополнения электролита. Все еще используется, но редко является правильным выбором для новых закупок.

Портфель передатчиков растворенного кислорода Shanghai ChiMay построен вокруг оптического измерения, с промышленными передатчиками, которые интегрируются в системы управления заводом. Общая стоимость владения за пять лет обычно составляет половину от аналогичной мембранной установки, в основном из-за снижения затрат на обслуживание.

Решения по размещению датчиков

Где размещается датчик, определяет, что означают данные. Лучшие практики:

• Одно измерение DO на входе в реактор для подтверждения состояния кислорода в сточных водах
• Несколько измерений DO, распределенных по реактору, обычно одно на ячейку или аэрируемую зону
• Финальное измерение DO на выходе из реактора для подтверждения достижения проектного DO
• Дополнительный датчик DO на линии сточных вод для отчетности по соблюдению норм

В типичном аэробном реакторе с четырьмя зонами правильное количество датчиков DO составляет от четырех до шести. Меньшее количество датчиков создает мертвые зоны, где оператор не видит ситуации; большее количество датчиков увеличивает затраты без пропорциональной ценности.

Контроль аэрации: вопрос энергии

Аэрация является крупнейшей статьей затрат на энергию в большинстве установок биоремедиации шахт. Типичный аэробный реактор, обрабатывающий 5000 кубометров шахтных сточных вод в день, использует 200-400 киловатт мощности вентилятора. Контроль на основе DO может снизить это потребление на 20-35 процентов без ущерба для эффективности обработки.

Архитектура управления, которая обеспечивает эти сбережения:

• Каскадный контроль с DO в качестве основной переменной и выходом вентилятора или положением клапана в качестве вторичной
• Логика с максимально открытым клапаном в многозонных системах для обеспечения эффективного распределения воздуха
• Анти-ветровая и ограничивающая скорость на контроллере для предотвращения охоты вентилятора
• Ежедневный обзор установок DO в сравнении с производительностью процесса, а не только с данными инструментов

Датчик DO является пределом этой архитектуры управления. Датчик, который дрейфует или загрязняется, заставляет систему управления переаэрировать в качестве меры безопасности, что напрямую увеличивает затраты на энергию.

Калибровка и проверка

Оптические датчики DO требуют структурированного режима калибровки, даже несмотря на то, что они более стабильны, чем мембранные датчики:

• Первоначальная однопунктная калибровка воздуха во время ввода в эксплуатацию
• Ежемесячная калибровка воздуха в поле
• Ежеквартальная проверка нулевой точки с использованием раствора натриевой сульфита
• Ежегодная заводская проверка или замена сенсорного элемента

Каждый шаг короткий — обычно менее десяти минут на датчик в месяц — но пропуск рутины приводит к данным, которые не могут быть защищены в ходе регуляторного обзора.

Распространенные режимы отказа

Заводы по биоремедиации, которые испытывали трудности с измерением DO, обычно страдали от одного из следующих:

• Образование биопленки на поверхности датчика — Легко диагностируется как постепенно уменьшающееся время отклика. Решение: более частая очистка или перемещение в зону с более высокой скоростью.
• Захват воздуха рядом с датчиком — Вызывает ложные высокие показания. Решение: переустановка вдали от диффузоров аэрации.
• Ошибки компенсации температуры — Растворимость DO сильно зависит от температуры, и неправильная компенсация дает вводящие в заблуждение показания. Решение: проверить измерение температуры и конфигурацию.
• Дрейф датчика из-за старения флуоресцентного красителя — Обычно проявляется как медленная потеря калибровки на протяжении многих месяцев. Решение: плановая замена сенсорной крышки.

Каждый из этих режимов отказа появляется в данных до того, как станет проблемой процесса. Дисциплина ежедневного обзора трендов помогает выявить их на ранней стадии.

Сравнение целевых значений DO в различных горных приложениях

Представительное сравнение:

Разрушение цианида в золотых хвостах — Целевое значение DO 3-4 мг/л. Ниже 2 мг/л реакция разрушения останавливается; выше 5 мг/л энергия теряется.

Биологическое окисление тиоцианата — Целевое значение DO 2-3 мг/л. Более медленные кинетики допускают более низкий DO, если объем реактора достаточен.

Нитрификация аммиака при низкой температуре — Целевое значение DO 2.5-3.5 мг/л. Холодные зимние условия во многих горных регионах повышают требования.

Вход сульфатного восстановителя — DO должен быть ниже 0.2 мг/л. Датчик также служит в качестве сигнализации безопасности.

Целевое значение зависит от химии. Датчик должен быть способен работать в каждом диапазоне; оптический датчик DO с диапазоном измерения от 0 до 20 мг/л и разрешением 0.01 мг/л на низком уровне подходит для всех этих приложений.

Интеграция с системой управления заводом

Датчик DO, который не интегрирован с системой управления вентилятором или аэратором, не приносит ценности. Лучшие практики:

• Выход Modbus или HART от каждого передатчика DO к PLC
• Отображение в реальном времени на интерфейсе оператора с доступными графиками трендов
• Хранение исторических данных с разрешением одну минуту для рутинной отчетности и с разрешением одну секунду для анализа сбоев
• Сигналы тревоги по скорости изменения, а также по абсолютному значению

Передатчики DO Shanghai ChiMay поддерживают соответствующие промышленные протоколы и поставляются с инженерными заметками для типичных архитектур управления.

Заключение

Растворенный кислород является основной переменной для биологической обработки шахтных сточных вод, и качество состояния датчиков DO определяет, соответствует ли система биоремедиации своему проектному назначению. Оптические датчики DO, разумное размещение датчиков, дисциплинированная калибровка и правильная интеграция с контролем аэрации являются основными инженерными требованиями. Передатчики растворенного кислорода Shanghai ChiMay созданы для этой службы, а полевые практики, описанные в этих заметках, отражают то, что последовательно обеспечивает биоремедиационное предприятие, которое соответствует нормам и контролирует свои эксплуатационные затраты, а не борется с ними.