Ключевое слово этой статьи «датчик качества воды». В связи с ужесточением требований по охране окружающей среды очистка промышленных сточных вод с высоким содержанием солей привлекает все больше и больше внимания. Исходя из этого, в данной статье анализируются источники и характеристики высокоминерализованных сточных вод, основное внимание уделяется современному состоянию применения, преимуществам и недостаткам технологий очистки промышленных высокоминерализованных сточных вод, а также перспективам будущих тенденций развития технологий очистки высокоминерализованных сточных вод.

В последние годы ситуация с загрязнением воды в Китае становится все более серьезной, а исследования и применение технологий очистки воды оказались в центре внимания экспертов и ученых в смежных областях в Китае. Сточные воды, особенно промышленные, в основном обладают характеристиками высокой минерализации. Прямой сброс нанесет большой вред природной среде, вызывая загрязнение и повышение засоленности природных водоемов или приводя к таким проблемам, как засоление и уплотнение почвы. Поскольку содержание солей в сточных водах с высокой соленостью невозможно удалить посредством естественных процессов биоразложения, проблему солей необходимо решать во время очистки сточных вод с высокой соленостью или искать решение после проведения безвредной очистки.

Анализ источников и характеристик промышленных высокоминерализованных вод

Промышленные высокоминерализованные воды в основном поступают из угольно-химической, фармацевтической, пестицидной и других отраслей промышленности с содержанием солей более 10 000 мг/л. Существует множество технологических узлов, где образуется техническая вода высокой минерализации, которая, как правило, относится к классу сточных вод, характеризующихся высокой токсичностью и тугоплавкой биоразлагаемостью. К основным каналам образования промышленных сточных вод относятся: при промышленном производстве необходимо потреблять большое количество водных ресурсов. Для снижения потребления водных ресурсов в промышленности широко применяются методы утилизации водных ресурсов, в результате чего образуются воды высокой минерализации; во время приготовления фармацевтических препаратов, пестицидов и их промежуточных продуктов такие процессы, как процесс высаливания, химический синтез и кислотно-щелочная нейтрализация, приводят к образованию сточных вод с относительно высоким содержанием солей. Поскольку этот тип сточных вод образуется при производстве продукции, он обычно несет с собой большое количество сырья, продуктов и примесей, поэтому он также обладает высокой токсичностью и огнеупорной биоразлагаемостью. В целом, промышленная вода с высокой соленостью характеризуется большим объемом сброса, широким спектром источников, высоким содержанием солей и сложными компонентами, а вода с высокой соленостью, образующаяся в различных отраслях промышленности, значительно различается.

Для подрядчиков по проектированию, снабжению и строительству (EPC), системных интеграторов и инженеров по автоматизации внедрение системы онлайн-мониторинга качества воды имеет важное значение для точного управления этими сложными потоками и поддержания непрерывной надежности контура управления в суровых полевых условиях.

Анализ текущего состояния применения, преимуществ и недостатков технологий очистки высокоминерализованных сточных вод

Технология испарения

Технология выпаривания воды с высокой минерализацией обычно ориентирована на сточные воды с высокой минерализацией и содержанием солей выше 40 000 мг/л. Для низкоконцентрированной высокоминерализованной воды с содержанием солей от 1% до 4% эффективность удаления солей термическим испарением слишком мала, что делает данную технологию непригодной. В частности, технологии термического испарения в основном включают в себя: технологию многоэффектного испарения и технологию механической рекомпрессии пара. Технология многокорпусного выпаривания предполагает одновременное использование нескольких последовательно соединенных испарительных котлов, при этом горячий пар последовательно проходит через несколько испарительных котлов; горячий пар из предыдущего испарительного котла затем поступает в следующий испарительный котел для поэтапного испарения, эффективно используя источник тепла для достижения цели опреснения сточных вод с высокой соленостью. Технология механической рекомпрессии пара, сокращенно технология MVR, представляет собой процесс, в котором эффективно используются источники тепла с помощью парового компрессора. Он получает энергию за счет повторного сжатия пара и постоянно совершает возвратно-поступательное движение для повышения термического КПД пара.

Технология выпаривания может успешно отделять соль и воду в сточных водах, позволяя впоследствии очищать их отдельно, что является относительно тщательным методом очистки сточных вод с высокой соленостью. Таким образом, эта технология в настоящее время находит широкое применение в углехимической, фармацевтической и пестицидной промышленности. Однако для соленой воды с чрезмерно высоким содержанием органических загрязнителей в процессе испарения весьма вероятно возникновение пенообразования, вызывающего выкипание материала; в то же время это может также повлиять на качество соли, в результате чего выбрасываемая соль уносит слишком много органических веществ, которые все равно требуют дальнейшей обработки.

Технология мембранной очистки

Мембрана — это материал с избирательной проницаемостью, позволяющий обеспечить очистку, концентрацию и разделение материалов. Размеры пор мембраны обычно измеряются микрометрами и подразделяются от самых больших до самых маленьких на микрофильтрацию, ультрафильтрацию и нанофильтрацию. Мембраны можно разделить на мембраны с приводом от давления и с электрическим приводом в зависимости от различий в движущих силах. Несколько типов мембран, обычно используемых при очистке промышленных сточных вод с высокой соленостью, включают: мембраны для электродиализа и мембраны для обратного осмоса. Технология электродиализа в настоящее время достаточно развита; его традиционными способами применения являются опреснение морской воды и производство промышленной соли, а его применение в промышленных сточных водах в основном сосредоточено в относительно чистых сточных водах угольных химикатов. Технология обратного осмоса также первоначально применялась для опреснения морской воды. Использование его для очистки промышленных сточных вод с высокой минерализацией требует относительно высоких затрат, а поскольку загрязняющие вещества в основном присутствуют в промышленных сточных водах с высоким содержанием солей, это легко вызывает загрязнение мембраны, что не только влияет на эффективность производства, но также приводит к сокращению срока службы мембраны или даже повреждению.

Технология биологической очистки

Биологический метод очищает загрязняющие вещества, содержащиеся в промышленных высокоминерализованных сточных водах, посредством микробной флоры. Стоимость лечения относительно невелика, но условия строгие; Прежде всего, соленость не может быть слишком высокой, иначе она превысит диапазон толерантности микроорганизмов, что приведет к потере эффекта лечения. В настоящее время биологическая очистка применяется в определенных объемах, и на рынке имеется множество солеустойчивых бактериальных средств; однако в целом биологические методы по-прежнему сталкиваются с определенными проблемами с точки зрения микробного скрининга и стабильной инженерной работы.

Перспективы развития технологий очистки высокоминерализованных сточных вод

Применение технологий предварительной обработки

Вода с высокой соленостью поступает из многочисленных источников и имеет сложный состав; прямое опреснение или биологическая очистка не могут полностью решить эти проблемы. Поэтому в последние годы было разработано множество технологий предварительной обработки. В настоящее время к безвредным технологиям очистки, ориентированным на воду высокой солености, в основном относятся: физическая адсорбция, прецизионная фильтрация, коагуляция-флокуляция, воздушная флотация, каталитическое влажное окисление, электрохимическое окисление и сверхкритическое окисление воды. Для сточных вод с высокой минерализацией, содержащих тугоплавкие, токсичные и вредные вещества, применение вышеупомянутых методов может обеспечить безвредность соленой воды, после чего можно проводить непрерывное опреснение или разбавленный сброс для достижения цели тщательной очистки соленой воды.

Для высокоминерализованной воды, содержащей только хлорид натрия и сульфат натрия, после обработки технологиями предварительной очистки солевые компоненты становятся близкими по составу к морской воде; те, которые соответствуют этим условиям, могут быть сброшены в море или естественным путем после того, как разбавление достигнет стандартов выбросов. Технология предварительной очистки удаляет только токсичные и вредные вещества в соли и не влияет на содержание неорганических солей, что делает прямой сброс очень перспективным. Однако в настоящее время не существует очень четких правил, в основном с учетом того, что удаление загрязняющих веществ этим методом не является полностью тщательным, а прямой сброс по-прежнему представляет определенные экологические риски, поэтому его следует использовать с осторожностью; но с развитием технологий очистки окружающей среды и постепенным улучшением соответствующих правил считается, что проблема назначения безвредно очищенной соленой воды будет должным образом решена в будущем.

Новые мембранные технологии

В дополнение к ранее упомянутым мембранным технологиям в последние годы появилось много новых мембранных технологий для очистки окружающей среды, таких как технология мембранной дистилляции, которая в настоящее время начала применяться при очистке сточных вод с высокой минерализацией. Применение новых мембранных технологий может не только обеспечить очистку соленой воды, но и извлекать полезное сырье, промежуточные продукты или продукты, что имеет очень многообещающее будущее. Кроме того, из-за высокой стоимости производства мембран их использование в промышленности по очистке сточных вод с высокой соленостью сильно ограничено; поэтому в будущем новые мембранные технологии будут двигаться в направлении, обеспечивающем все больше и больше функций, более низкие затраты на производство мембран и более сильные возможности борьбы с загрязнением окружающей среды.

Технология биоаугментации

В настоящее время также применяются технологии биологической очистки, но из-за проблем с самими штаммами и недостаточной зрелости процесса область применения биологической очистки локализована. В будущем, помимо выявления солеустойчивых бактерий, необходимо также одомашнить их, чтобы они обладали свойствами разлагать загрязнители, чтобы усилить их очищающий эффект и расширить возможности очистки.

Таким образом, технология очистки промышленных сточных вод с высоким содержанием солей в настоящее время развивается очень быстро, и многие технологии уже начали применяться в больших масштабах с очень хорошим эффектом использования. Однако эти технологии все еще имеют много недостатков, таких как: технологии и правила безвредной очистки еще не завершены, технология испарения не полностью решила проблемы загрязнения, стоимость использования мембранного метода остается высокой, а использование биологического метода все еще сталкивается с большими ограничениями. В дальнейшем развитии эти технологии будут становиться все более совершенными, и проблема сточных вод с высокой соленостью, несомненно, будет должным образом решена.

Архитектура системы промышленного онлайн-мониторинга

Чтобы обеспечить оптимизацию процессов и замкнутый цикл управления данными на автоматизированных очистных сооружениях, системным интеграторам требуется комплексное архитектурное решение. Ниже представлена ​​многоуровневая топология мониторинга промышленного Интернета вещей, предназначенная для непрерывного развертывания:

[Уровень облачной платформы: интеллектуальная платформа управления сточными водами/центр SCADA]
                         ▲
                         │ (Безопасный поток MQTT через шлюз 4G LTE)
                         ▼
[Крайовой уровень управления: локальный ПЛК (например, S7-1200)/клапаны управления дозированием]
                         ▲
                         │ (RS485 Modbus протокол RTU/изолированное последовательное подключение)
                         ▼
[Уровень полевых датчиков: онлайн-датчики качества воды YexSensor (IP68, 316L/титан)]

Используя сеть RS485 Modbus RTU, один модуль связи ПЛК может одновременно опрашивать несколько полевых цифровых датчиков, включая промышленные датчики pH, промышленные датчики растворенного кислорода и инструменты онлайн-мониторинга ХПК. Эта архитектура заменяет уязвимые аналоговые петли высоконадежным сбором данных в реальном времени, обеспечивая прямую совместимость с сигналами 4–20 мА, когда требуются устаревшие аппаратные блокировки.

Раздел параметров продукта

Руководство по выбору промышленного проекта

При закупке приборов для экологических инженерных установок с высоким загрязнением и соленостью отделы закупок и инженерные подрядчики должны согласовать характеристики датчиков с химическим фоном типа воды, чтобы минимизировать эксплуатационные расходы (OPEX):

• Коррозионные ионные фоны: В сточных водах химических предприятий и сточных водах десульфурации, содержащих экстремальные уровни $Cl^-$, стандартная нержавеющая сталь склонна к образованию точечной коррозии. Интеграторам следует сделать выбор в пользу Титановый сплав или ПОМ корпус из ассортимента продукции YexSensor.

• Условия загрязнения и накипи: Для стадий биологической очистки, таких как системы MBR или аэрационные бассейны, где биологические пленки быстро растут, следует выбрать автоматический датчик качества очищающей воды конфигурация имеет жизненно важное значение. Стеклоочиститель с электроприводом сводит к минимуму частоту калибровки и продлевает цикл технического обслуживания с нескольких дней до месяцев.

• Совместимость системы SCADA мониторинга сточных вод: Обеспечьте правильное соответствие совместимости ПЛК. Для новых телеметрических систем удаленного мониторинга воды выберите конфигурации датчиков качества воды с прямым протоколом Modbus, чтобы использовать полностью цифровую отчетность о состоянии, что позволяет интегрировать платформу удаленной диагностики.

Лучшие практики развертывания и интеграции на местах

Основываясь на реальном опыте ввода в эксплуатацию промышленных очистных сооружений, правильная электрическая установка имеет важное значение для обеспечения стабильности данных и устранения сбоев в полевой шине:

• Заземление и экранирование: Экран кабеля должен быть одноточечно заземлен исключительно со стороны местного шкафа управления ПЛК, чтобы предотвратить дестабилизацию микропроцессоров датчиков токами в потенциальной петле заземления.

• Противопомеховая проводка: Соблюдайте минимальное безопасное расстояние в 30 см между линиями RS485 со слабым сигналом и тяжелыми силовыми кабелями напряжением 380 В переменного тока, идущими к рециркуляционным или дозирующим насосам.

• Согласующий резистор RS485: В полевых контурах на большие расстояния, превышающие 100 метров, подключите согласующий резистор Omega$ стоимостью 120 долларов США к клеммам A(+) и B(-) на самом дальнем узле устройства, чтобы избежать отражения высокочастотного сигнала.

Часто задаваемые вопросы по интерфейсу процессов и автоматизации

Вопрос 1. Как высокая минерализация промышленных сточных вод влияет на показания промышленного датчика растворенного кислорода для контроля аэрации и как система компенсирует это?
   Высокая ионная сила физически снижает растворимость кислорода. Цифровые флуоресцентные датчики растворенного кислорода YexSensor оснащены внутренним регистром компенсации солености. Интеграторы просто записывают фиксированное фоновое значение TDS в датчик с помощью команд Modbus, а внутренний DSP автоматически корректирует расчетную матрицу, чтобы обеспечить точную обратную связь с контуром ПИД-регулирования аэрационного бассейна без смещений масштабирования вручную.

В2. Может ли блок автоматической чистящей щетки справиться с кристаллизованными солевыми корками, образующимися при отказах выпарной установки MVR?
   Встроенный моторизованный стеклоочиститель оснащен логикой отключения по перегрузке по току. Если из-за сильной кристаллизации щетка стеклоочистителя застревает, датчик отключает привод двигателя и выдает код неисправности «блокировка стеклоочистителя» в своем диагностическом регистре Modbus. Для систем, интегрирующих схему мониторинга сточных вод SCADA, это мгновенно предупреждает операторов о необходимости запуска цикла промывки, прежде чем может произойти механическое повреждение.

Вопрос 3. Почему значения с плавающей запятой от датчика онлайн-мониторинга ХПК, считываемые нашим ПЛК Siemens, полностью инвертируются или искажаются?
   Это обычная проблема несоответствия порядка байтов, характерная для интеграции датчиков качества воды Modbus от разных производителей. Различные платформы автоматизации по-разному интерпретируют последовательности байтов с прямым порядком байтов и с прямым порядком байтов. Приборы YexSensor предоставляют настраиваемые пользователем параметры замены слов (например, параметры AB-CD или CD-AB) непосредственно в регистрах временного хранения, которые можно переключать с помощью стандартного программного обеспечения для программирования ПЛК, чтобы немедленно восстановить правильное представление телеметрических данных.

Вопрос 4. Как система предотвращает закрытие оптического окна датчика концентрации ила в процессах с активным илом с высокой мутностью?
   Решение YexSensor для мониторинга концентрации осадка основано на архитектуре двухлучевых оптических путей ближнего инфракрасного диапазона (передача стоимостью $180^circ$ в сочетании с обратным рассеянием). Логика соотношения рассчитывает концентрации относительно базовой передачи, что означает, что небольшое равномерное затенение окон математически компенсируется, обеспечивая стабильность данных между плановыми профилактическими ручными чистками.

Вопрос 5. Какова рекомендуемая частота калибровки промышленного датчика pH, используемого в резервуарах химической нейтрализации сточных вод?
   Поскольку высокие концентрации солей усиливают потенциал эталонного спая, мы рекомендуем выполнять автоматическую калибровку буфера по двум точкам каждые 14–30 дней. Цифровой датчик хранит внутри себя матрицу калибровочного наклона, что позволяет специалистам по техническому обслуживанию предварительно калибровать датчики в чистой мастерской и заменять их в погружных кронштейнах с помощью быстроразъемных водонепроницаемых разъемов, сводя к минимуму время простоя в полевых условиях.

Вопрос 6. Как не допустить, чтобы микропузырьки из аэротенка искажали данные промышленной системы мониторинга мутности?
   Микропузырьки отражают рассеивающее поведение взвешенных твердых частиц, что приводит к ложно завышенным показаниям. Проверенное в отрасли решение предполагает отказ от прямого погружения вблизи аэрационных головок и вместо этого направляет поток проб через байпасную проточную ячейку из нержавеющей стали со встроенной системой пеногасителей, что позволяет увлеченному газу выйти до того, как вода пройдет путь датчика мутности.

Вопрос 7. Может ли датчик воды RS485 выдержать экстремальные грозовые перенапряжения, характерные для городских объектов водоснабжения на открытом воздухе и удаленных станций мониторинга окружающей среды?
   Да. Онлайн-датчики качества воды промышленного класса YexSensor имеют гальваническую развязку между сигналом и напряжением 1500 В постоянного тока, а также встроенные диоды TVS для защиты от перенапряжения, способные поглощать высоковольтные переходные процессы. Для удаленных полевых станций внешние грозовые разрядники на DIN-рейке по-прежнему следует устанавливать внутри распределительного блока управления, чтобы экранировать всю локальную сеть RS485.

Вопрос 8. Что происходит с автоматизированным контуром управления дозированием химикатов, когда датчик отключается или подвергается внутреннему автоматическому циклу очистки?
   Когда активна последовательность автоматической очистки щетки, датчик устанавливает флаг внутреннего регистра состояния и блокирует свой последний действительный выходной сигнал измерения. Логика главного ПЛК должна быть запрограммирована на считывание этого бита состояния: всякий раз, когда активен флаг очистки или неисправности, ПЛК должен заморозить расчет своего ПИД-алгоритма и удерживать насос-дозатор химикатов на заданной скорости, предотвращая ложную передозировку химикатов в течение 30-секундного окна обслуживания.

Заключение

Управление промышленными сточными водами с высоким содержанием солей требует надежной инфраструктуры физической очистки в сочетании с интеллектуальным, непрерывным контролем данных. Использование высококачественных инструментов онлайн-мониторинга качества воды промышленного уровня, разработанных для сред с высоким уровнем загрязнения и солености, позволяет EPC-подрядчикам и системным интеграторам предприятий обеспечить плавную интеграцию ПЛК/SCADA. Эти шаги защищают мембранные компоненты от преждевременного образования накипи, повышают энергоэффективность аэрации и обеспечивают поддающееся проверке соблюдение экологических требований, значительно сокращая долгосрочные эксплуатационные расходы проекта (OPEX) и открывая по-настоящему интеллектуальные возможности управления водными ресурсами.