Table of Contents
Введение
Нитрификация — процесс, при котором аммиакокисляющие бактерии превращают аммиак в нитриты, — является одной из наиболее упорных проблем в системах распределения питьевой воды, работающих на монохлорамине. Остаточный хлор снижается, уровень нитритов растет, а способность системы защищать здоровье населения незаметно снижается.
На конференции 2026 AWA/IWA Young Water Professionals Conference ученые по качеству воды из Sydney Water Madison Mactal и Michael Ray представили свою работу по контролю нитрификации с помощью временного переключения дезинфицирующего средства: перехода с монохлорамина на свободный хлор в 14 резервуарах, обслуживающих около 105 000 потребителей. Программа прошла две итерации испытаний, и в основе всего процесса лежал непрерывный мониторинг остаточного хлора.
В этой статье рассматривается, как непрерывный мониторинг остаточного хлора Shanghai ChiMay поддерживает системное управление нитрификацией, подобное тому, которое продемонстрировала компания Sydney Water.
Понимание нитрификации: биология и химия
Что происходит во время нитрификации
Аммиакокисляющие бактерии (AOB) — в основном виды семейства Nitrosomonadaceae — потребляют растворенный аммиак в распределительной системе и образуют нитриты:
NH₃ + O₂ → NH₂OH → NO₂⁻ + H⁺ + энергия
В системе с монохлорамином (NH₂Cl = хлор + аммиак) этот аммиачный компонент служит пищей для бактерий. По мере того как AOB размножаются и потребляют аммиак:
- Концентрация монохлорамина падает по мере потребления аммиака
- Уровень нитритов растет — а нитриты являются нормируемым параметром
- Остаток дезинфицирующего средства снижается
- Потенциал повторного роста биопленки увеличивается
- Уровень защиты здоровья населения снижается
Сезонные особенности
Нитрификация усиливается в теплую погоду, когда бактериальный метаболизм ускоряется. Опыт Sydney Water подтвердил эту закономерность: нитрификация возвращалась “сначала в кранах потребителей, а затем в резервуарах по мере потепления.”
Это сделало зиму наиболее предпочтительным периодом для переключения дезинфектанта. Бактериальная активность находится на самом низком уровне, и промывка свободным хлором имеет наилучшие шансы надолго подавить биологическую активность.
Программа Sydney Water по смене дезинфицирующего средства
Концепция
Временно перейти с монохлорамина на свободный хлор. При отсутствии аммиака в воде нитрифицирующие бактерии голодают. После того как система промыта свободным хлором и биологическая активность подавлена, следует возврат к монохлорамину с значительно меньшим давлением нитрификации.
Реализация
Для системы из 14 резервуаров, обслуживающей 105 000 потребителей, процедура выглядела следующим образом:
- Прекратить дозирование аммиака на водоочистных сооружениях
- Провести в каждом резервуаре хлорирование до точки перегиба — в количестве хлора, достаточном для окисления всего аммиака
- Очистить трубопроводы от воды с преобладанием монохлорамина
- Выполнить стратегическую промывку для протягивания свободного хлора по сети
- Постепенно повышать уставки хлора, чтобы ограничить жалобы на вкус и запах
- Осуществлять непрерывный мониторинг во всех точках сети
- После подавления нитрификации начать повторный ввод аммиака
Испытание 1 (2024): Извлеченные уроки
Первое испытание не достигло внутреннего целевого показателя дезинфекции в 90%. Нитрификация была подавлена на какое-то время, но затем вернулась с потеплением. Хлорирование до точки перегиба было недостаточно полным, а циклическую смену воды в резервуарах требовалось провести более глубоко.
Испытание 2 (2025): Улучшенные результаты
В обновленном проекте уставки хлора изначально задали выше, провели более глубокое циклирование резервуаров и более тесно координировали действия с диспетчерским центром системы. Результаты оказались лучше: нитриты были эффективно удалены, воздействие на потребителей ограничено, отслаивания биопленки не наблюдалось. Зима была подтверждена как оптимальный период.
Как отметил Michael Ray, испытание свободного хлора “может стать эффективной стратегией управления дезинфекцией в сильно нитрифицированной распределительной системе.”
Почему непрерывный мониторинг остаточного хлора абсолютно необходим
Во время переключения
Операторам необходимы данные в реальном времени в нескольких точках, чтобы ответить на четыре вопроса:
- Достигнута ли здесь точка перегиба? (Появился свободный хлор)
- Каков текущий остаток? (Соблюдение требований безопасности)
- Нормальна ли скорость распада? (Индикатор биологического потребления)
- Можно ли начинать обратное переключение? (Индикатор стабильности остатка)
Во время повторного образования монохлорамина
После возврата к монохлорамину мониторинг фиксирует:
- Стабильность остатка общего хлора, которая показывает, что нитрификация все еще подавлена
- Ранние признаки образования нитритов, указывающие на ее возвращение
- Пространственные паттерны распада остатка, позволяющие определить уязвимые зоны
Для документации
Регуляторы и внутренние службы качества хотят видеть:
- Временную шкалу всего процесса переключения
- Значения остаточного хлора во всех точках мониторинга на протяжении всего процесса
- Доказательства того, что остаточные значения оставались в рамках нормативных лимитов
- Документацию по статусу нитрификации после завершения процесса
Трансмиттеры остаточного хлора Shanghai ChiMay передают все эти данные через непрерывный цифровой выход Modbus в SCADA с локальной регистрацией данных в качестве резерва.
Решения Shanghai ChiMay для мониторинга
Трансмиттер остаточного хлора
- Амперометрическое электрохимическое измерение
- Диапазон 0–20 мг/л, разрешение 0,01 мг/л
- Время отклика T90 < 60 секунд
- Выход Modbus RTU/TCP + 4–20 мА
- Обслуживание мембраны/электролита каждые ~6 месяцев
- Выдвижная конструкция датчика для обслуживания без останова системы
Дополнительное оборудование
Для полного мониторинга процесса управления нитрификацией:
— pH-метр: управление формой существования хлора (баланс HOCl/OCl⁻ зависит от pH)
— Датчик аммонийного азота: прямое измерение субстрата, питающего нитрификацию
— Многопараметрический датчик 4-в-1: pH + проводимость + ОВП (ORP) + температура в одном корпусе
Проектирование сети мониторинга для смены дезинфицирующего средства
Сколько точек мониторинга требуется?
Для системы из 14 резервуаров эффективная сеть охватывает:
- Выход водоочистной станции (1–2 точки): подтверждает смену дезинфектанта на источнике
- Вход каждого резервуара (14 точек): проверяет очищенную воду, поступающую на хранение
- Выход каждого резервуара (14 точек): контролирует воду, поступающую в распределительную сеть
- Тупиковые участки сети (5–10 точек): наиболее удаленные точки, где остаточный хлор наиболее слаб
- Кран у потребителя (контрольные точки) (3–5 точек): подтверждает качество воды в точке потребления
Итого: примерно 37–45 точек мониторинга для полного охвата.
Архитектура связи
При наличии 37+ точек, распределенных по большой территории обслуживания, проектирование системы связи имеет не меньшее значение, чем сами приборы:
- Шинная топология RS-485: несколько приборов используют один кабель связи, до 1 200 метров на сегмент шины
- Modbus TCP через Ethernet: для более протяженных линий или там, где оптоволокно уже проложено
- Сотовая/беспроводная связь: для удаленных точек, где проводная связь нецелесообразна
Приборы Shanghai ChiMay поддерживают как Modbus RTU (RS-485), так и Modbus TCP, что позволяет сочетать разные типы подключений в одной сети в зависимости от условий объекта.
Управление данными
Непрерывный мониторинг в 37+ точках с опросом каждые несколько секунд генерирует значительный объем данных. Разумный подход включает:
- Базу данных SCADA (historian): основное хранилище с отображением трендов и управлением аварийными сигналами
- Локальное архивирование в приборе: резервное хранение на случай сбоев связи
- Периодическую отчетность: автоматические ежедневные, еженедельные и ежемесячные сводки во время процессов смены дезинфектанта
- Анализ после завершения работ: детальную работу с временными рядами для выявления областей улучшения
Особенности сезонного применения
Компания Sydney Water установила, что зима является наиболее предпочтительным периодом, поэтому приборы должны работать в условиях низких температур:
- Электроника трансмиттера рассчитана на температуру окружающей среды до -10°C
- Время отклика электрода может незначительно увеличиваться в холодной воде (компенсируется прошивкой трансмиттера)
- Пробоотборные линии должны быть изолированы или оборудованы обогревом в местах, где возможно замерзание
- Системы резервного питания от батарей должны быть рассчитаны на разряд при низких температурах
Для водоканалов в тропическом или субтропическом климате, где риск нитрификации сохраняется круглый год, более важным вопросом является работа в теплую погоду. Приборы Shanghai ChiMay рассчитаны на температуру окружающей среды до +60°C, что подходит для тропических установок при наличии надлежащей вентиляции защитного корпуса.
Источники
- Inside Water Australia, “Drinking water treatment innovation targets shifting risks,” 9 September 2026. https://insidewater.com.au/drinking-water-treatment-innovation-risks
- AWA/IWA Young Water Professionals Conference 2026, Pullman Melbourne On The Park, 5–6 August 2026.
- Pure Water Atlas, “Polyphosphate in Drinking Water,” June 2026. https://purewateratlas.com/contaminants/polyphosphate
- IWA Water Quality Research Journal, “Removal of trihalomethanes from high organic matter water sources using aeration: A feasibility study,” Vol. 55, No. 2, 2020, pp. 184–197. https://iwaponline.com/wqrj/article/55/2/184/71725/
- Mordor Intelligence, “Water and Wastewater Sensors Market,” 2026.
- US EPA, “National Primary Drinking Water Regulations.” https://www.epa.gov/ground-water-and-drinking-water/national-primary-drinking-water-regulations
- WHO, “Guidelines for Drinking-water Quality,” 4th edition, 2017.
Об авторе: Эта статья подготовлена командой прикладной инженерии Shanghai ChiMay. Shanghai ChiMay производит проточные трансмиттеры остаточного хлора и анализаторы качества воды для муниципальных систем водоснабжения.
