Automatyzacja w branży wodno-kanalizacyjnej

Automatyzacja obecna jest dzisiaj we wszystkich gałęziach przemysłu, również w branży wodno-kanalizacyjnej. Zarządzanie przedsiębiorstwem wodno-kanalizacyjnym o rozproszonej infrastrukturze z pewnością nie należy do łatwych zadań. Z pomocą w zarządzaniu oddalonymi od siebie obiektami przychodzą systemy automatyki procesowej, takie jak czujniki czy regulatory, a także inteligentne systemy bezprzewodowego sterowania i monitoringu, które coraz częściej zastępują mało efektywne, tradycyjne systemy monitorowania sieci.
Zgodnie z Dyrektywą 2000/60/EC Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej, ustanawiającą ramy wspólnotowego działania w dziedzinie polityki wodnej: Woda nie jest produktem komercyjnym takim jak każdy inny, lecz raczej dobrem, które musi być chronione, bronione i traktowane jak dziedzictwo…
Bardzo ważne zadanie spoczywa bez wątpienia na oczyszczalniach ścieków chroniących zasoby czystej wody. Każdego dnia wytwarzamy ogromne ilości ścieków, pochodzących nie tylko z miejskich i osiedlowych gospodarstw domowych, budynków użyteczności publicznej itp., ale także z zakładów przemysłowych. Ścieki odprowadzane za pomocą rurociągów do naturalnych zbiorników lub cieków wodnych to nic innego jak zużyte ciecze, koloidy, zawiesiny bądź odpadowe ciała stałe.
Nieoczyszczone ścieki stanowią zagrożenie zarówno dla naszego zdrowia a nawet życia, jak również dla środowiska naturalnego. Szczególnie zagrożone zanieczyszczeniem są zasoby wody pompowanej do wodociągów. Należy pamiętać o tym, że ścieki prędzej czy później dopływają do wód gruntowych lub rzek, stawów oraz jezior. Taka sytuacja może przyczynić się do utraty źródła czystej wody, niejednokrotnie używanej do zaopatrywania wodociągu, oraz do pojawienia się problemów zdrowotnych. Dotyczy to zwłaszcza ścieków bytowo-gospodarczych oraz rolniczych, które ze względu na występujące w nich bakterie, drobnoustroje i resztki organiczne stwarzają duże zagrożenie sanitarno-epidemiologiczne. Natomiast w przypadku ścieków przemysłowych problem rysuje się nieco inaczej. Z powodu obecności w nich różnych związków chemicznych są one bardzo niebezpieczne dla odbiorników naturalnych. Szczególne zagrożenie stwarzają zwłaszcza zakłady petrochemiczne, farmaceutyczne, koksownie oraz celulozownie. Z kolei ścieki generowane przez zakłady spożywcze, garbarnie, rzeźnie czy zakłady utylizacji odpadów mogą być niebezpieczne ze względu na obecność różnorodnych bakterii chorobotwórczych.
Wymagania w zakresie oczyszczania ścieków, zwłaszcza przemysłowych, poprzez usuwanie z nich zanieczyszczeń, substancji chemicznych oraz zawiesin są stale zaostrzane. Wyjątkowa specyfika ścieków przemysłowych, często o niejednorodnym składzie oraz wysokim stężeniu szkodliwych substancji i niskiej biodegradowalności związków, wymaga złożonego podejścia do problemu oczyszczania. Żeby uzyskać zadowalające efekty, konieczne jest łączenie metod mechanicznych, chemicznych oraz biologicznych.
Na ogólną ocenę aktualnego stanu ścieków – zarówno surowych, jak i oczyszczonych – mają wpływ takie parametry, jak: barwa, mętność, gęstość, temperatura, zasolenie, pH, a także zawartość azotu i fosforanu, tlenu, substancji toksycznych, metali ciężkich, związków organicznych.
Etapy oczyszczania ścieków
Żeby zrozumieć specyfikę branży wodno-kanalizacyjnej i uświadomić sobie, jak wygląda proces oczyszczania ścieków, warto przyjrzeć się poszczególnym etapom, bez których przeprowadzenie tego procesu byłoby niemożliwe.
Pierwszy i podstawowy etap stanowi mechaniczne oczyszczanie ścieków (oczyszczanie wstępne), przygotowujące ścieki do dalszych procesów biologicznych. Głównymi czynnościami dokonywanymi we wstępnym oczyszczaniu są: cedzenie (zatrzymywanie zanieczyszczeń na perforowanych przegrodach), sedymentacja (rozdzielanie fazy stałej od cieczy na skutek opadania cząstek stałych pod wpływem siły grawitacji) oraz flotacja (wynoszenie cząstek o mniejszej gęstości na powierzchnię cieczy).
W procesie cedzenia przeprowadzanego na kratach i sitach usuwane są duże zanieczyszczenia stałe, pływające lub wleczone po dnie kanału (m.in. kawałki drewna, torebki plastikowe itp.). Z kolei drobne zawiesiny mineralne (piasek, żwir, drobny tłuczeń itp.) oddzielane są w procesach sedymentacji w piaskowniku. Kolejnym etapem jest oddzielenie innych niż mineralne substancji opadających. Procesy te odbywają się w osadnikach. Substancje oleiste oraz tłuszcze najczęściej usuwa się symultanicznie podczas procesów sedymentacji w piaskowniku lub w urządzeniach zwanych odtłuszczaczami, w których wykorzystuje się zjawisko flotacji. Dzięki usunięciu ze ścieków dużych zanieczyszczeń oraz tłuszczy możliwe jest poprawne i bezproblemowe działanie kolejnych obiektów oczyszczalni.
W wyniku mechanicznego oczyszczania ścieków zostaje usuniętych ok. 30% zanieczyszczeń zużywających tlen. Metoda ta nie zapewnia jednak usunięcia rozpuszczonych związków azotu i fosforu. W związku z tym jest ona traktowana jedynie jako wstępny etap oczyszczania.
Biologiczne oczyszczanie ścieków polega na biochemicznym rozkładzie z udziałem organizmów żywych. W uproszczeniu można powiedzieć, że oczyszczanie to sprowadza się do zmiany postaci i składu zanieczyszczeń na formę usuwalną ze ścieków metodami mechanicznymi. Dzieje się tak, ponieważ organizmy dokonujące biochemicznego rozkładu zanieczyszczeń wykorzystują je do swoich procesów życiowych jako pokarm, co powoduje usunięcie tych zanieczyszczeń ze ścieków. Jednocześnie w wyniku rozwoju organizmów zwiększa się ich liczba, a ponadto ze względu na formy, w jakich występują, można je łatwo oddzielić od ścieków metodami mechanicznymi. Mikroorganizmy te mogą występować jako zawieszone w cieczy zgrupowania, tzw. kłaczki osadu czynnego, bądź porastać powierzchnię w postaci błony biologicznej.
Natomiast nadrzędnym zadaniem chemicznego oczyszczania ścieków jest przeprowadzenie koagulacji i/lub wytrącenia nierozpuszczalnych soli związków obecnych w ściekach, aby umożliwić ich późniejsze usunięcie ze ścieków podczas procesów mechanicznych. Proces chemicznego oczyszczania ścieków prowadzi się, dodając do ścieków roztwór koagulantu. Głównym celem, jaki przyświeca chemicznemu oczyszczaniu ścieków komunalnych jest redukcja zawartości fosforu w ściekach poniżej poziomu, który można osiągnąć w wyniku biologicznej metody oczyszczania. Na tym etapie oczyszczania przeprowadza się chlorowanie, które ma na celu unieszkodliwienie bakterii chorobotwórczych i usunięcie przykrej woni ze ścieków.
Chemiczne oczyszczanie ścieków stosuje się przede wszystkim w oczyszczaniu ścieków przemysłowych, zwłaszcza w branży chemicznej i farmaceutycznej.
Pompy
Ważnymi obiektami, niezbędnymi w procesie oczyszczania ścieków, są przepompownie sieciowe, które przetłaczają ścieki zbierane kanalizacją grawitacyjną ze znacznego obszaru skanalizowania. Proces ten wymaga użycia specjalistycznych pomp.
Pompy ściekowe stanowią osobną grupę pomp, różniących się od innych konstrukcją i sposobami instalowania. Są to przede wszystkim pompy wirowe (odśrodkowe, śmigłowe, diagonalne i o swobodnym przepływie – vortex), jak również pompy wyporowe, głównie w kanalizacji ciśnieniowej. Przeważają klasyczne pompy zatapialne, choć stosowane są również ich suche wersje. Rodzaj pompy zależy od konkretnego zastosowania (rodzaju ścieków i rodzaju instalacji), natomiast od właściwości przetłaczanego czynnika (np. składu chemicznego i wartości pH, temperatury, rodzaju elementów stałych) zależy wybór materiałów, z jakich powinny być wykonane elementy mające kontakt z przetłaczaną cieczą. Elementy te mogą być wykonane z żeliwa szarego, sferoidalnego lub wysokochromowego, stali i staliwa kwasoodpornego lub nierdzewnego, aluminium, brązu oraz tworzyw sztucznych (poliamidy, elastomery itd.). Wspomniane wcześniej pompy zatapialne mogą występować w wersji mokrej (zatapia się je w cieczy wraz z silnikiem) oraz w wersji suchej (ich silnik jest osłonięty płaszczem, wewnątrz którego przepływa pompowana ciecz chłodząca silnik). W przeciwieństwie do pierwszego rodzaju pomp, które charakteryzują się niezawodnością działania i długą żywotnością, pompy „suche” są raczej problematycznymi urządzeniami, gdyż wymagają stałego lub okresowego czyszczenia i przepłukiwania. W związku z tym powinny być stosowane jedynie w uzasadnionych przypadkach.
Jeśli pompa zatapiana do ścieków wyposażona jest w rozdrabniacz, ciała stałe zawarte w ściekach (np. fekalia, papier,) – oprócz części metalowych – ulegają rozdrobnieniu. Do kanalizacji mogą więc być transportowane rurami niewielkiej średnicy. Z kolei pompy bez rozdrabniacza to urządzenia z tzw. swobodnym przelotem. Przewody do nich podłączone powinny mieć większą średnicę, ponieważ mogą się do nich przedostać większe (nierozdrobnione) zanieczyszczenia. Pompy z rozdrabniaczem mają silniki większej mocy niż pompy ze swobodnym przelotem o porównywalnej wydajności.
Nieodzownymi narzędziami w procesie oczyszczania ścieków są także zawory oraz przegrody, których rola polega na niedopuszczeniu do nadmiernego wzrostu ciśnienia w instalacji. Ponadto zawory wykorzystuje się do odgazowywania oraz napowietrzania lub odpowietrzania rurociągów ściekowych.
Pomiary
Efektywny przebieg procesu oczyszczania ścieków wymaga ciągłego dokonywania wielu pomiarów. Do tego celu doskonale nadają się różnego rodzaju czujniki, mierzące m.in. ciśnienie, temperaturę czy poziom cieczy.
Bardzo pomocny jest czujnik przepełnienia, który powiadamia o osiągnięciu maksymalnego dopuszczalnego poziomu lustra ścieków w separatorze. Przepełnienie może nastąpić wskutek zablokowania odpływuz urządzenia lub zanieczyszczenia wkładu koalescencyjnego.
W obiektach gospodarki wodno-kanalizacyjnej ważne jest też dokonywanie pomiarów natężenia przepływu. Od wielu lat prym w tej dziedzinie wiodą przepływomierze elektromagnetyczne oraz charakteryzujące się prostotą – koryta pomiarowe (zwężki). W ostatnich latach wzrasta również popularność przepływomierzy ultradźwiękowych. Na rynku dostępne są także przepływomierze radarowe. Oferta systemów pomiarowych na polskim rynku jest na tyle bogata, że bez większego problemu można wybrać właściwe urządzenie, odpowiednie do warunków w przewidzianym miejscu pomiarowym.
W branży wodno-kanalizacyjnej istotną rolę odgrywają również sensory parametrów biochemicznych i chemicznych, takich jak stężenie zawiesin i obecnych w cieczy związków chemicznych czy wskaźnika pH.
Popularnymi narzędziami są także czujniki detekcji gazów niebezpiecznych (metan, siarkowodór i inne), które powinny być instalowane, gdy zachodzi podejrzenie, że w pompowni lub oczyszczalni gazy takie mogą się wydzielać. Stosowane są również np. czujniki grubości warstwy oleju, służące do wykrywania i alarmowania o maksymalnej grubości warstwy oleju w separatorze, oraz czujniki grubości warstwy osadu, które informują o konieczności usunięcia osadów zgromadzonych na dnie urządzenia.
Zdalne sterowanie
Ze względu na to, że przedsiębiorstwa wodno-kanalizacyjne cechuje duże rozproszenie wchodzących w ich skład obiektów, które mogą znajdować się w odległości kilku lub nawet kilkunastu kilometrów od siebie, wielkim wyzwaniem jest ich stały monitoring i kontrola. Tradycyjne sposoby nadzoru nad tymi obiektami, wymagające dotarcia do przepompowni czy studni, to rozwiązanie nieekonomiczne i czasochłonne, a ponadto uniemożliwiające dostęp do bieżących informacji na temat aktualnego stanu działania sieci wodno–kanalizacyjnej oraz zdalne wprowadzanie zmian parametrów w obiektach oddalonych. W konsekwencji trudno jest podejmować właściwe decyzje oraz zapobiec niektórym awariom.
W związku z tym obecnie coraz częściej stosuje się bezprzewodowy system monitoringu i sterowania, który na bieżąco przesyła informacje o tym, co dzieje się w obiektach oddalonych. Dane te są gromadzone i przekazywane w sposób automatyczny, dzięki czemu możliwa jest pełna kontrola, bez konieczności ruszania się z miejsca. Tego rodzaju system bezprzewodowego monitoringu i sterowania jest doskonałym rozwiązaniem dla przepompowni ścieków – z centrum dyspozytorskim na połączonej z nią oczyszczalni lub dla studni – z centrum dyspozytorskim na stacji uzdatniania wody.
Warto dodać, że system ten wymaga zastosowania urządzeń pomiarowych w obiektach monitorowanych. W przepompowniach zazwyczaj monitoruje się takie parametry, jak pomiar poziomu ścieków, stan pracy pomp czy licznik czasu pracy pomp. Wyniki pomiarów trafiają do sterownika PLC, odpowiedzialnego za lokalne sterowanie danym obiektem i przesyłanie danych do systemu nadrzędnego. Ponadto do sterownika można wprowadzić informacje o alarmach, takich jak otwarcie klap.
Obecnie dostępnymi technologiami służącymi do transmisji danych są: GPRS, Wi-Fi, natomiast przesyłane informacje są gromadzone i prezentowane w systemie nadrzędnym SCADA, zapewniającym wizualizację stanu pracy całego systemu.
Specyfika branży wodno-kanalizacyjnej i duże rozproszenie poszczególnych obiektów w terenie powodują, że automatyzacja oraz możliwość zdalnego sterowania odgrywa niezwykle istotną rolę. Dzięki zastosowaniu odpowiedniego systemu wykonywane dotychczas manualnie czynności (np. prowadzenie odczytów) mogą zostać zautomatyzowane. Nowoczesne technologie informatyczne zapewniają integrację danych ekonomicznych, technicznych i technologicznych docierających z różnych miejsc, co przyczynia się do racjonalizacji gospodarki wodno-kanalizacyjnej, szybkiego reagowania na problemy, zapobiegania awariom, a także zredukowania kosztów. Inteligentne systemy są wyposażone w narzędzia, które przyspieszają i usprawniają działanie, zmniejszając przy tym nakład poniesionej pracy. W rezultacie zautomatyzowane zakłady wodno-kanalizacyjne mogą działać w sposób efektywny i przynoszący wymierne korzyści.
CE