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sexta-feira, 8 de agosto de 2014

Medição online da qualidade da agua e dos efluentes líquidos

Medição online da qualidade da água e dos efluentes líquidos. (Nereu Guimarães (ng1949@uol.com.br)

Nesta publicação abordamos as tecnologias de medição online atualmente  em uso, utilizadas na monitoração das variáveis mais importantes das estações de tratamento de água e efluentes residuais. O enfoque principal é dado para analise de líquidos, especialmente água potável, água bruta e efluentes. 
Destacando a maneira como devemos nos preocupar com a fase de pré-condicionamento da amostra de modo a que os sensores possam nos fornecer informações “online” sobre o bio-processo em andamento nas estações de tratamento de água e efluentes líquidos de forma precisa.

Foi possivel classificar os analisadores de liquido em três tipos de aplicações;

 1) Monitoração (auxilio ao operador).

 2) Sistemas de controle automáticos.

 3) Ferramenta para auditoria / otimização / modelagem.

    Igualmente, podemos classificar os sensores de medição em dois tipos básicos:

a) Sensores de manutenção simples e de baixo custo para monitoramento e controle.

b) Sensores complexos de manutenção avançada e que exigem atenção especial e que são usados em auditoria , calibração, otimização e modelagem.

Quanto ao tipo de analisadores não abordamos neste artigo os analisadores mais usuais tais como; pH, Condutividade, ORP,Redox, que são analisadores de tecnologia conhecida e se surgir alguma dúvida, a respeito destes analisadores, favor consultar outros artigos publicados neste blog aonde os mesmos já foram analisados com bastante detalhe.

Ponto de amostragem/ coleta da amostra até o analisador

A implementação bem sucedida de analisadores de wet- químicos nas estratégias de controle de processo não pode ter obtida se não for projetado de forma apropriada o desenvolvimento de um sistema de automático integrado a sistemas de pré-condicionamento de amostras.

Sistemas de pré-tratamento de águas residuais mais difíceis como em córregos, matrizes complexas ou que tenham componentes químicos agressivos envolvem muita atenção e uma solução técnica diferenciada e que seja viável tanto do ponto ecomico como de pós-partida.. 

É preciso estudar uma solução para cada desafio durante a fase de pré-condicionamento. • Filtração : partículas em suspensão de 0,04 mm até 2 mm • Diluição : para g / l faixas de medição. • Deposição: para teor de sólidos muito altas ou líquidos saturadas, requer o estudo de uma lógica por trás do pré-condicionamento da amostra.

A composição das águas residuais depende muito do tipo de processo e as imagens mostradas na fig.1 são exemplos do que podemos nos deparar com a agua residual; Faça uma verificação visual da amostra, colete uma amostra da água a ser analisada porque pode nos dar informações importantes sobre o conteúdo de partículas sólidas em suspensão, turbidez , espuma, gás / ar, etc.

Além disso, a composição de águas residuais fornece informações sobre a presença de ácido, cáusticos, carbonatos , sais , polímeros , óleo mineral, óleo livre , metais etc.

Análise de laboratório, tais como TSS , DBO e DQO , se a relação DQO / DBO é muito elevado ( > 6 ), então sabemos que a amostra é muito difícil de oxidar.
Não deixe de ouvir a experiência das equipes de manutenção, operadores da planta, porque eles podem contribuir para a identificação de efeitos desagradáveis da águas residual a ser analisada.
Avalie quais os materiais que são atacados e qual o tipo de material das bombas e válvulas são capazes de suportar as características físico-química das águas residuais.
Deve ser evitado a presença de bolhas de ar no sistema de pré-tratamento da amostra porque pode afetar a medição dos analisadores, sejam com sensores elétricos ou óticos.
Normalmente, se instala um dispositivo para remoção online das bolhas de ar. Utilize sistemas de condicionamento de amostras o menos complexo possível . Projete com cuidado e atenção. Selecione, se possível, analisadores que podem operar sem - ou com menos componentes possíveis no pré- condicionamento de amostras.

Selecione e aplique materiais que não provoquem entupimento com facilidade. A primeira preferência sempre recai para os analisadores que não precisam de filtração da amostra ou pré-condicionamento da amostra .

Alguns analisadores podem processar partículas grandes, desde que sejam não abrasivas, por exemplo, TOC com oxidação de ozônio . Alguns usuários exigem resultados do analisador que sejam estáveis e não apresentem picos grandes devido a passagem de material particulado como por exemplo, uma grande partícula.

Muitos analisadores do tipo "online"  necessitam de dispositivos de filtração porque as partículas solidas podem obstruir as partes molhadas do analisador, causando intervenções frequentes causando uma série de problemas e aumentando o número de intervenções para realização das manutenções corretivas.

Portanto o sistema de filtração da amostra na fase de pré-tratamento da amostra deve ser projetado com muita atenção. É preferível usar técnicas de separação anti-isocinéticos ou gravimétrica para separar partículas com alta massa e tamanho, faça uso do fast loop com uma velocidade de pelo menos
1 m / s, em todas as partes molhadas!

A preferência deve recair para os analisadores online que possam manipular partículas; use uma amostra que possa ser constantemente atualizada via fast loop,  depois filtrar as partículas desse fluxo menor.

Se necessário, utilize sistemas de filtragem com “auto limpeza” ou limpeza “ultra-sônica” . Uma boa técnica de extração da amostra é importante para o sucesso da solução analítica. Dependendo da aplicação/ propósito da medição devemos observar com atenção o local de extração e a técnica a ser aplicada.

Os itens mais importantes que devemos considerar são;

a) Quais os tipos de componentes estão presentes na água? 
b) Partículas de não-orgânicos como sedimentos, partículas com um teor de matéria orgânica (POC) livre de oléo,  
espuma, ar / gases, hidrocarbonetos, carbonatos , sais, etc.

c) Qual a pressão e a temperatura do processo?
    Atenção especial deve ser adotada para aplicações de vapor e água quente para se certificar 
    de que a operação segura é garantida ;

d) O que nós pretendemos analisar de forma online?

e) Queremos analisar TOC ( incluindo o teor de matéria orgânica em partículas ) ou NPOC 
    (sem carbono orgânico particulado ) 

f) Pretendemos analisar óleo mineral solúvel excluindo / incluindo o óleo livre ?

g) Será que precisamos extrair a amostra sem a espuma e / ou ar / gases ?

Lembrando que faz uma grande diferença coletar a amostra de um fluxo turbulento ou a partir de um fluxo laminar. Às vezes, nós introduzimos uma grande bomba de extração da amostra com feedback para criar um fluxo turbulento.

Em outros casos, devemos extrair a amostra de um ponto abaixo da superfície da água para eliminar o óleo livre concentrado na superfície. Avalie se a posição da sonda de amostragem esta corretamente instalada? Por exemplo, não extrair amostras a partir de ponto da tubulação do processo que esteja montado na parte inferior mais baixa.

As partículas que se movem através da parte inferior do tubo vai se depositar na linha de amostra causando problemas de obstrução, entupimento e enviando interferentes para o sistema de condicionamento da amostra.

Destacando que em muitas aplicações o pré-condicionamento não se restringe simplesmente a fase de filtração da amostra, mas envolve várias técnicas para pré-condicionar uma amostra.

Ressaltando a importância na preparação adequada da amostra. Lembrando que as  melhores técnicas de medição não podem corrigir problemas que foram gerados durante a fase de  pré-tratamento da amostra.

Linha de Transporte da Amostra

As linhas de transporte da amostra  têm a desvantagem de sofrem o risco  de serem obstruídas  com o tempo de uso, resultando no bloqueio dos tubos.

As regras gerais para superar o problema descrito acima são:

    a) Quando possível tentar manter a distância entre analisador e o ponto de amostragem o mais curto possível ;

    b)  Considere que o tempo de resposta do sistema de aanalise online  fica mais longo quando as linhas de transporte são longas.

   c)   Crie  pressão e torne o fluxo da linha de amostragem  turbulento,  para que seja possível auxiliar a lavar as linhas de amostragem.  Se a pressão do processo não é alta o suficiente e / ou não pode ser garantida, faça uso de bombas de amostragem.

d)   Todas as peças molhadas devem ser polidas internamente e feitos de materiais que sejam  menos sensíveis a aderência de produto nas partes internas das paredes. O plástico do tipo  PVC e PE,  são por vezes mais preferível que o tubo de aço inoxidável.

e)    Projete a linha de transporte com menor quantidade possível de curvas que possam vir a  causar, bolsões, ponto morto e obstruções.

f)        Desenvolva um dispositivo para manter de forma continua a lavagem da linha.

g)     Calcular e utilizar um diâmetro interno mais correto possível.

h)     Se possível, use inclinação para baixo e auto-esvaziamento.

i)       Isole e ou instale traço de aquecimento elétrico, se existir a possibilidade de congelamento.

j)      Para aplicações aonde existe condensado de retorno de água de alimentação de caldeiras sempre fazer uso de tubos sem costura, de aço inox de 4 ou 6 mm de diâmetro e manter o comprimento mais curto possível. O comprimento e diâmetro do tubo podem afetar a velocidade do fluido na parte interna do tubo gerando  os fenômenos de adsorção e de memória .
Manutenção reduzida

Todos os sistemas de pré-condicionamento devem ser projetados para operarem de forma  totalmente automática  não requerendo a intervenção humana constante. Basicamente em  todos os sistemas devem ser incorporados uma ação de blow-back utilizando ar de instrumento ou água limpa sem resíduos em suspensão para executarem o "ciclo de limpeza". Não se esqueçam que neste tipo de aplicação se encontra fácilmente material sólido, graxa, oleo,etc. Este princípio fundamental de design do sistema de pré-tratamento da amostra não se limita a permitir amostragem sem problemas, deve contribuir para uma redução no nível de manutenção, envolvendo o projeto e a escolha dos materiais de modo a tornar o pré-tratamento da amostra o mais próximo do ideal e que possa ser utilizado em muitas aplicações.

Amostragem personalizada e painéis pré-condicionamento

É preciso conhecer como manusear não só o pré-tratamento de líquidos, mas também  a presença de pastas, pós, gases e areia. Portanto devemos ser capazes de reprojetar  os sistemas convencionais existentes, ou projetar um novo painel de pré-condicionamento único que atenda as especificações que o processo venha a exigir.

O projeto do sistema de pré-tratamento da amostra deve ser planejado de acordo com os processos típicos das unidades  de tratamento biológico;
     
     a)   anaeróbico digestão
     
     b)  lodo ativado    
     
     c)   remoção de nutrientes e sedimentação.

Chama-se atenção a uma série de problemas associados como deposito de incrustação (sujeira) devido a aplicação em processo de tratamento de águas residuais.
O uso de auto-calibração, sistemas de limpeza e o mais importante como coletar amostra confiável que possa ser analisada de forma online reduz dastricamente os problemas que podem surgir dependendo da aplicabilidade dos diferentes tipos de sensores.
Podemos de forma geral dividir as estratégias de monitoramento e controle de estações de tratamento de águas residuais em 4 (quatro blocos) principais, conforme descrito a seguir:      

      1)   Visão do processo, resumida em um modelo de processo adequado.     
     
      2)   Sensores que fornecem dados on-line
     
      3)    Estratégias de monitoramento e controle adequado
  
      4)   Atuadores (elementos finais de controle; válvulas de controle, inversores de frequência, que 
           implementam a saída do controlador.

Embora a própria cadeia tenha se fortalecido consideravelmente nas últimas décadas, com avanços significativos na teoria de controle e com a capacidade  de evolução do próprio sensor.

As exigências atuais sobre a qualidade da água tem evoluído e se tornado cada vez mais rigorosa, exigindo sistemas de tratamento mais avançados capazes de cumprir com as normas não somente para a redução do carbono orgânico, mas também para os níveis de nitrogênio e fósforo.

Sistemas de tratamento, cada vez mais complexo devem ser desenvolvidos para produção cada vez maior da qualidade da água e dos efluentes.

A seguir fazemos uma abordagem sobre os vários tipos analisadores e seus princípios de medição e também a fase do processo que os mesmos estão envolvidos;

a)     Analisador de TOC
b)     Analisador de Sulfeto – H2S
c)      Analisador por Titulação Online
d)     Analisador de Turbidez
e)     Analisador Cloro
f)      Analisador de Fluor
g)     Analisador de Cor da Agua
h)     Analisador de NH3

Analisador de TOC

O princípio central de uma medição de TOC é converter carbono orgânico em CO2 e medir este produto na fase de gás envolvente, tipicamente com um analisador de gás de saída de infra vermelho.  Existem dois princípios para que a conversão dióxido de carbono:

No primeiro , a temperatura é elevada (650-800 º C) e a conversão catalítica é aplicada, enquanto que no outro método, persulfato é adicionado à amostra, onde a luz ultra violeta promove a oxidação da matéria orgânica no moderada temperaturas . Ambos os métodos têm desvantagens. Para os ex- sais método pode produzir um derretimento no catalítica superfície inibindo seu funcionamento adequado. Para o método de persulfato, oxidação incompleta pode ocorrer quando o pH da amostra é demasiado baixo ou quando a turbidez da amostra diminui a penetração da luz UV. Cristais persulfato de potássio pode praga operação e cuidados devem ser tomados para remover umidade da corrente de gás antes da introdução no analisador de gás. Para ambos os tipos de matéria particulada é para ser evitado porque o tempo de retenção na câmara de reação é insuficiente para a combustão completa . Além disso, entupimento pode ser um problema. Pré-filtragem das amostras se torna  portanto, essencial para o funcionamento adequado.
Alguns inconvenientes inerentes ao método são que o carbono inorgânico presente na amostra tem de ser removido primeiro, potencialmente resultando na perda de voláteis orgânicos. Além disso, medir o carbono orgânico (um importante variável para caracterizar a carga), mas nenhuma informação é obtida com respeito ao estado de oxidação do de carbono  o que é importante para a demanda de oxigênio que representa. Além disso, não existem dados sobre a bio degradabilidade da água residual é dada , de igual modo para a medição COD.
No entanto , se a composição do esgoto é bastante constante , pode-se calibrar para estes efeitos. Uma vez que o método é rápido ( 5-10 min tempo de resposta) e de confiança se as amostras com pouco sal e livre de partículas são fornecidos, TOC pode ser defendida como um bom parâmetro de monitoramento, especialmente para a qualidade do efluente onde outros métodos não são suficientemente sensíveis .
A percepção comum é que os sensores representam o elo mais fraco para a implementação de controle de processo on-line de estações de tratamento de águas residuais, no entanto, o desempenho e a confiabilidade de muitos sensores on-line como por exemplo (sensores de nutrientes, respirômetros) evoluíram e melhoraram notavelmente durante a última década e podem ser  utilizados  em muitas estratégias.
Ao tentar classificar os vários tipos de sensores disponíveis na indústria, três sistemas de classificação são mencionados neste artigo. A primeira classificação baseia-se na aplicação funcional dos sensores como mencionado acima, os sensores são utilizados em sistemas de controle automático, mas, muitas vezes, eles são usados ​​(apenas) para fins de monitoração, ou seja, prestação de informações aos operadores sobre o estado geral da planta que possa lhes servir de suporte no dia-dia da operação e não fazem parte de estratégias de controle.

Analisador de Sulfeto – H2S

Dependendo da fonte (captação) da água, pode vir a ocorrer um aumento  significativo do nível  de “sulfureto total".  Lembando que o  H2S tem efeitos nocivos para a saúde quando esta presente a níveis acima de 20 mg/L,  exalando um odor desagradável, mesmo quando esta a níveis de ppb, se tornando altamente indesejável ​a sua presença ​na água potável. O pessoal responsável pelas estações de tratamento de água usam métodos, como injeção de ar e cloro para remover o H2S e assim atender aos padrões de qualidade, mas um método de monitoramento do sulfeto total na água limpa é necessário para otimizar o uso de cloro e verificar a segurança da água .
Em uma estação de tratamento de água e efluentes que seja parte de uma refinaria, o H2S deve ser removido da água ácida, o conteúdo de sulfureto, antes de ser reciclado ou lançado para o ambiente. Este processo de limpeza conhecido como "stripper" porque são injetados (vapor ou ar) através da água ácida para remover o H2S e o NH3  da água.
Para se verificar a eficiência deste processo de remoção se executa a análise on-line para monitorar se a água esta livre da presença do H2S .
Água ácida é frequentemente muito opaca para transmitir um sinal de luz, exigindo, portanto, o sistema de amostragem headspace para retirar o analito produto químico do líquido e para isto é feito uma amostra de fase gasosa. Na fig.5, podemos observar um sistema de pré-tratamento da amostra aplicado a analise de H2S. 

Analisador por Titulação

A titulação envolve a determinação do analito (s) de interesse pela adição de volumes conhecidos com precisão de titulação padronizado em uma  amostra.

Os analisadores disponíveis atualmente, são o verdadeiro estado dos sistemas de titulação e são equipados com um dispensador de precisão e outros componentes de qualidade. O funcionamento analisador deste tipo de analisador on-line,  fornece aos usuários as seguintes vantagens:

Programação da seqüência de análise de acordo com suas necessidades
Sequência de lavagem e limpeza automática após cada novo ciclo de análise
Limita a carga dos eléctrodos
Reduz o consumo de reagente

Ácido-base, redox ou precipitação titulação são normalmente utilizados na configuração potenciométrica, onde o ponto final é determinado pela utilização de um par de eléctrodos ou um eléctrodo de combinação, ou seja, o indicador e o eletrodo de referência. Os eléctrodos para este tipo de titulação são escolhidos que uma mudança no potencial da titulação solução é detectado de forma ótima. 

Na configuração do analisador colorimétrico a mudança de cor é utilizada para determinar o ponto final da titulação. A mudança de cor é medida com precisão por um fotômetro compacto.O filtro óptico de banda estreita elimina qualquer interferência de luz ambiente.

Este tipo de Titulador Online normalmente é suportado por um CLP (Controlador Lógico Programável) que opera de forma  automatizada. 
A validação automática pode ser realizada com uma solução padrão com uma concentração conhecida, a fim de verificar o programa de  análise e a propria funcionalidade do analisador, faz parte o ciclo de limpeza automática das linhas de amostra e do vaso, eliminando a possível contaminação na fase de análise.
A seqüência e o intervalo de validação e de limpeza, bem como o ciclo de análise são utilizados programável.

Analisador de Turbidez

Turbidimetro (sendo o nome derivado de turbidez) é o processo de medição da perda de intensidade de luz transmitida, devido ao efeito de dispersão de partículas em suspensão em uma amostra de água ou efluente liquido. A luz transmitida passa por meio de um filtro que cria  uma luz de comprimento de onda conhecido, que é então transmitido através de uma reservatório contendo uma solução. Uma célula foto eléctrica capta  a luz que passa através da cubeta. Como resultado temos uma medição é conhecida  pela quantidade de luz absorvida. A turbidez pode ser interpretada como uma medida da transparência relativa da água. A água turva não é uma medida direta de partículas em suspensão na água, mas, em vez disso, uma medida do efeito de dispersão dessas partículas tem na luz.
Hoje em dia, existem muitos métodos para a determinação de contaminantes da água, a turbidez ainda é importante uma vez que é um indicador simples e inegável de alteração da qualidade da água. A mudança brusca na turbidez pode indicar uma fonte de poluição adicional (biológica, orgânico ou inorgânico) ou pode sinalizar um problema no processo de tratamento de água.

O turbidimetro  é um analisador utilizado para se determinar  o número de células presentes em uma solução. O método utilizado é conhecido como Nefelométrico e a resolução é de 0,01mg/L em toda a faixa de medição que vai de 0,001 a 1000 NTU/FNU.
Os custos com o tratamento de águas residuais pode ser reduzido se a tubulação for protegida contra corrosão devido ao aumento de sulfeto de carga e se o injeção de cloro ( para quebrar H2S) for otimizada. Uma vez que o pH da água determina a quantidade presente de H2S dissociado em íons, a medida adicional dos íons vai proporcionar uma leitura muito mais precisa do sulfureto arrastado na água.
Na análise de águas residuais, a medição de H2S e seus íons fornecem uma imagem muito mais precisa do sulfeto.
É prática normal  instalar medição  de pH em uma estação de tratamento. A Imersão dessas sondas em lodo "pegajoso" tem incentivado o desenvolvimento de diferentes estratégias de limpeza : hidráulicas ( água spray) , mecânica ( escova ), químico ( lavagem com agente de limpeza ) ou limpeza ultra-sônica .
Com estas técnicas períodos mais longos sem manutenção podem ser alcançado. Existem evidencias que a limpeza automática pobre ou não pode causar problemas. Auto- diagnóstico é integrado aos sistemas mais  avançados. Nas mais simples implementações, sensores são duplicados e as suas leituras comparadas. Mais sofisticados set-up incluem controles automáticos da impedância do diafragma e do eletrodo de vidro , enquanto os testes realizados durante a calibração ( automático) podem apontar para outras deficiências do sensor .
Embora o pH seja uma variável importante em todos os processos biológicos, o seu valor é especialmente crítico no digestão anaeróbia e na nitrificação, onde importantes quantidades de prótons são liberados, o que leva à acidificação e falha no processo . Por isso, a sua medição e controlo são importantes. No entanto , no caso de efluentes com alta capacidade de tamponamento, medições de pH pode ser bastante insensível a processo indicam mudanças e não são, portanto, aconselhável para supervisão e controle de processos . Nesses casos, eles podem ser substituídos com os sistemas de medição de bicarbonato.

Biomassa / Sólidos Suspensos

Provavelmente, a variável mais importante nos processos de tratamento de águas residuais é a concentração de sólidos em suspensão (SS) . Três princípios de medição têm encontrado aplicação : medição óptica , ultra-som e dielétrico espectrometria .
Dispersão da luz incidente e absorção por partículas em suspensão tem sido uma biomassa off-line tradicional método de estimação. Com o advento de detectores fotos sensíveis , sensores foram desenvolvido capaz de automatizar a medição de efeitos ópticos em uma amostra iluminada. Embora seja impossível fazer uma ( a priori ) cálculo direto da concentração de peso seco de qualquer "densidade óptica" medição, os sistemas podem fornecer estimativas razoáveis ​​fornecidas calibração periódica é realizada. Diferentes princípios foram levados à prática. Fig . 1 ilustra os diferentes fenômenos que ocorrem quando uma amostra com (lodo ) partículas é iluminado . Parte da luz é absorvida , uma outra parte é deixada a passar a amostra ( transmissão ) , e , finalmente , de dispersão de luz em todas as direções ocorre . Dispersão não é homogênea com o Ângulo de visão: a frente de dispersão é a mais pronunciada , enquanto backscattering é o menos eficaz. O espalhamento sobre 90 º dá intensidades de luz entre os dois extremos , a sua medição é também conhecido como nefelo metria .
A maioria dos sensores disponíveis comercialmente usam uma fonte que emite luz no inferior visível ou near infrared, que tem a vantagem de que a maior parte dos meios de comunicação têm uma absorvência baixa nesta gama. Os erros de medição são normalmente 5-10 % , que é da mesma ordem de grandeza que o medição de peso seco padrão.
Problemas que precisam de atenção são os seguintes; bolhas de ar podem causar interferência com o sinal óptico e com isto resultar em erro. Interferências de bolha de ar e agitação pode ser reduzida fazendo passar  amostra fluir por meio de uma câmara de medição interna, onde a amostra é desgaseificada e pela filtragem dos dados espetado induzida por bolha,  o problema de incrustação , diferentes soluções estão disponíveis.
A localização dos monitores de turbidez em uma região altamente turbulento e sensores equipados com limpeza automática dispositivos , por exemplo, limpadores ou pistões, podem reduzir as intervenções para correção de problemas.
As concentrações de biomassa também pode ser determinada a partir da diferença entre a velocidade de ultra-sons soar na suspensão e na micro - organismo sem solução. No entanto, a necessidade de um livre-micro organismo referência requer ou a retirada da amostra ou medição in situ do sinal de fundo.
Devido à natureza vibratória o dispositivo , que é, em princípio, auto-limpeza . Os problemas com este método incluem a interferência das bolhas de ar e flutuações de temperatura .

Analisador de Gases  (H2 , CH4 , CO2 e H2S)

Embora uma medição do fluxo de biogás mostrará uma indicação da atividade global do reator e  frequentemente utilizado como tal , as técnicas mais específicos foram desenvolvidos para permitir a monitoração da composição do gás. Um método em escala laboratorial típico consiste de uma combinação de medições de fluxo em um set-up, onde um ou mais dos componentes está preso em uma garrafa de lavagem . A relação dos fluxos, antes e depois de a garrafa está representativa da composição do gás.
Analisadores de gases mais específicos monitoram o conteúdo de um componente diretamente. Tipicamente, uma absorção medição pela absorção do infra vermelho é usada para determinar o dióxido de carbono e metano , enquanto que os analisadores de hidrogênio específicas foram desenvolvido com base em células electro químicas armadilha H2S antes da entrada do biogás para o monitor de hidrogênio. Medição sulfureto de hidrogênio no gás fase pode ser realizada por monitoração da reação de sulfureto com uma fita de chumbo . Posteriormente, o PbS preto que é produzido é quantificada pelo método colorimétrico automático .

Alcalinidade / Titrimeter

O incentivo para medir o dióxido de carbono dissolvido e teor de bicarbonato  se origina o licor misto que é um desequilíbrio de digestores anaeróbios ( devido ao acúmulo de ácidos graxos voláteis ), não pode ser facilmente ser detectado com base em medições de pH , especialmente quando a alcalinidade do licor misto for  alta. Com efeito , em tais sistemas , a alcalinidade devem ser destruídos em grande medida antes pH cai significativamente . Uma vez que a alcalinidade é devido , principalmente, ao tampão de bicarbonato , tem sido proposto uma vez que o sessenta início que a sua medição podem ser utilizados em estratégias de controle de digestores anaeróbicos ( McCarty , 1964 ) .
No entanto, apenas na década anterior monitores bicarbonato automatizados foram desenvolvidos e aplicados em prática ( Di Pinto et al , 1990; . . Hawkes et al , 1993; . Guwy et al, 1994 , Bouvier et al , 2002. ) .
Dois princípios básicos foram utilizados para avaliar a alcalinidade de bicarbonato . Primeiro , titrimetria pode ser aplicado . consiste de titulação da amostra até um pH de 5,1 , em uma primeira etapa , seguida de uma nova titulação até um pH de 3,5 . este titulação de duas fases permite determinar o teor de bicarbonato com uma correção para os ácidos graxos voláteis presente ( Anderson e Yang , 1992a , Kapp , 1992). No entanto , as interferências com outros fraco ácido / base orgânica pares não podem ser excluídos . Como uma alternativa , titulação e métodos de titulação de retorno ter sido proposto ( Powell e Archer , 1989) . Tais set-ups são menos propensas a essas interferências desde a titulação de retorno fornece uma CO2-em branco livre . Um sensor avançado on-line de titulação foi desenvolvido para o monitoramento simultâneo de diferentes Os compostos de interesse - tal como amoníaco , e bicarbonato de AGV .
Em contraste com os métodos mencionados acima TITULAÇÃO , uma titulação é realizada ao longo de todo intervalo de pH. Em seguida , a capacidade de tampão , ou seja, a quantidade de ácido / base necessária por unidade de mudança do pH , é calculada ( Figura 2 ) . Estes dados são então sujeitos a interpretação com base num modelo , fornecendo estimativas de concentrações dos diferentes compostos de interesse . O tempo de resposta é de aproximadamente 30 minutos e sensibilidade atinge a gama do ppm .
Técnicas mais robustas são baseados em titrimetria . Para eliminar a interferência com o tampão de bicarbonato , tanto titulação de duas etapas ou titulação e titulação de retorno têm sido propostas ( Anderson e Yang , 1992a ) . Ambos os métodos podem fornecer informações acerca do bicarbonato e o conteúdo da amostra de VFA . A proporção destas variáveis ​​dá uma ideia da quantidade relativa da capacidade de memória intermédia , que ainda resta para neutralizar AGV e pode ser utilizado para o controle digestão do lodo anaeróbio ( Rozzi , 1991).Rozzi et al . ( 1997a) usa um biossensor para determinar as concentrações de AGV no licor anaeróbio digerido . Uma amostra de o efluente digerido é misturado com denitrifying microrganismos na presença de excesso de nitrato . A quantidade de AGV é indirectamente medido pelo equivalente de ácido que é necessário para neutralizar a reacção de desnitrificação .

Respirometria

É a medição e a interpretação da taxa de respiração do lodo ativado, e é definido como a quantidade de oxigênio por unidade de volume e tempo em que é consumido pelos microrganismos no lodo ativado . É uma ferramenta frequentemente utilizada para a caracterização de águas residuais e da cinética de lodo ativado. Vários princípios respirométricos  foram desenvolvidos no passado , e pode-se classificá-los em uma quantidade de base princípios de medição de acordo com dois critérios :

1 ) A fase em que o oxigénio é medido ( gás ou líquido )  

2 ) O regime de fluxo de gás e da fase líquida , que pode ser tanto de fluxo ou estático.

A maioria das variáveis ​​medidas não precisa de informações adicionais para ser interpretada , mas este não é o caso da respirometria . Um valor da taxa de respiração ou uma inibição percentual deduzida a partir das medições das taxas de respiração, não pode ser interpretada sem informações adicionais sobre alguns atributos de medição.

De  fato, um respirômetro é um reator em si, onde diferentes componentes são reunidos para realizar o que pode chamado de "In- Sensor - Experiment " e em que as condições experimentais têm, geralmente, uma influência muito grande sobre os resultados das medições . O Grupo de Trabalho IWA descobriu que pelo menos três atributos devem ser especificada para interpretar as medições das taxas de respiração:

( 1 ) origem da biomassa ,
( 2 ) do tipo de substrato 
( 3 ) Tempo

O resultado de uma medição da taxa de respiração é frequentemente convertidos para uma variável que é mais deduzida apropriar-se para interpretar os resultados em um contexto particular. Muitas variáveis ​​deduzidos têm sido propostos. 

Em  uma variedade de variáveis ​​deduzida é apresentada , em conjunto com a taxa ( s ) a partir da qual a respiração variável é deduzida , as outras variáveis ​​de medição utilizados nos cálculos, e os métodos de cálculo têm sido propostos. Nenhuma explicação detalhada dos matemática subjacente será dado aqui , no entanto.

Demanda Biológica de Oxigênio (DBO )

Tradicionalmente , o componente bio degradável de águas residuais é medido pela norma, off-line, o método de demanda bioquímica de oxigênio ( DBO5 ). O DBO 5 é uma medida da quantidade de oxigénio dissolvido necessária para a oxidação bioquímica dos solutos orgânicos em 5 dias a partir do momento em que a amostra de teste é semeado com um sistema microbiano . No entanto , o teste de DBO5 é insuficiente para o monitoramento e controle automatizado por causa da tempo necessário para completar o teste e a dificuldade na obtenção de medições precisas de forma consistente .
Portanto , a medição em linha da carga das águas residuais é baseado no curto prazo de BOD em linha ( BODst ) estimativa.

Dois tipos de métodos BODst on-line são usados ​​atualmente : métodos de respirometria e sondas microbianas .

O método respirométrico usa o lote ou respirômetros contínuas em que o BODst é calculado a partir um respirograma , resultante da adição de uma amostra de água residual ou através do equilíbrio de massa de oxigénio sobre a câmara de respiração . Opiniões sobre o estado da arte da estimativa BODst foram dadas por Spanjers et al. (1993 ) .

Um sensor respirométrica (RODTOX , um líquido de escoamento de gás respirómetro-estática ) é apresentada , que é capaz de monitorando a BODst e toxicidade potencial de águas residuais. 

O RODTOX consiste de, um reator de lote completamente misturado constantemente arejada contendo 10 litros de lamas . a partir de os respirograms obtidos após injeções de um pulso de substratos de calibração e de águas residuais a RODTOX .O Sensor calcula BODst . O sensor tem uma inerentemente grande alcance dinâmico para medições BODst ( 0,01 -500 g BODst/dm3 ) e BODst valores podem ser obtidos a cada 30 minutos. Como uma ilustração dos altamente variações da carga dinâmica que uma planta está sujeita a figura 6 apresenta a evolução BODst em um hospital de águas residuais estação de tratamento em Gent (Bélgica) , medida com tal dispositivo RODTOX .
Nos diferentes set-ups que evoluíram , várias modificações foram feitas para os métodos originais , tendo em vista de sua utilização on-line. A digestão é reduzido ( tipicamente de 0,5 h em vez de 2 h), para melhorar o rendimento da amostra e tempo de resposta . Mudanças mais importantes dizem respeito ao método de digestão aplicada, por exemplo, propõe que não se utilize como bicromato de um agente oxidante , mas usar peróxido de hidrogénio juntamente com luz UV para produzir ozono in situ . Após a oxidação do excedente de oxigênio é monitorizada por meio de uma sonda de DO, dando o COD - conteúdo da amostra.

Uma das principais limitações do teste de COD é a sua incapacidade para distinguir entre biodegradável e matéria biologicamente inerte orgânico por si próprio ) . A utilização de produtos químicos , tais como o crómio e ácido forte produzem resíduos perigosos líquido que requer disposição.

Experiência com um número desses sensores no laboratório dos autores demonstraram que os sensores através de oxidação química estão sujeitos a importantes entupimento problemas devido à formação de cristais de os produtos químicos de oxidação , por um lado , e a presençade material particulado na amostra , por outro lado . Problemas de obstrução também foram notados por isso, ele deve ser aconselhado a aplicar amostras só pré-filtrado.

Analisador por Ultra Violeta - Absorvância

Muitos componentes de águas residuais tem a propriedade de absorver a luz Ultra-Violeta. Já no início dos anos 50 a medição de absorção de UV foi introduzida para avaliar a qualidade de um efluente. 

Métodos ópticos têm a vantagem de ser bastante barato e não exigir reagentes ou preparação da amostra. Além disso, na última década fibras com tecnologia óptica tem feito progressos significativos permitindo remoto e medição multi- ponto.

Diferentes estudos têm ilustrado a alta correlação entre a absorção de UV e matéria orgânica em águas residuais  mostram claras relações entre a absorção a 254 nm, e o total de carbono orgânico presente em efluentes e águas superficiais. Eles afirmam, no entanto, que a turbidez não deve ultrapassar um certo limite , se o correlação é ser útil e propor a utilização de unidades de filtração   revelam a boa correlação de absorção de UV a 260 ou 254 nm com COD ou TOC . Podem reduzir a influência de material em partículas, com a ajuda da medição de um segundo comprimento de onda  por exemplo 380 nm.

O grande inconveniente da espectrometria UV reside na incrustação dos componentes da célula óptica, resultando numa perda da sensibilidade e da necessidade de freqüente recalibração. Além disso, nem todos os compostos (por exemplo, hidratos de carbono, hidrocarbonetos saturados ) absorvem o comprimento de onda especificado e, portanto, não pode ser considerada através de espectro fotometria de UV.

NUTRIENTES REMOÇÃO

Os sistemas de remoção de nutrientes tem como objetivo a eliminação de azoto e fósforo a partir de águas residuais, quer de forma biológica ou um tratamento químico ou a combinação das duas técnicas. Remoção de fósforo de forma química baseia-se na adição de precipitantes , enquanto a eliminação biológica é obtida por seleção de uma comunidade microbiana que armazena o excesso de fósforo . A seleção é baseada em submeter o lodo a uma seqüência de anaeróbio e aeróbio ( ou anóxica ) condições 

Processos de remoção de nitrogênio Mainstream biológicos são processos em duas etapas que consistem em nitrificação de azoto reduzido sob condições aeróbicas e de desnitrificação de nitratos para o gás de diazoto na ausência de oxigênio , ou seja condições anóxicas.

A complexidade destes processos e as interações entre as diferentes unidades de processamento resultaram em configurações de plantas bastante complexas com demandas bastante elevado de monitoramento e controle.

A tecnologia de sensores para esta aplicação tem evoluído extraordinariamente nos últimos anos e é em grande parte baseada na automação da análise de laboratório.

Embora os desenvolvimentos recentes têm sido importantes, a maioria dos sistemas de medição disponíveis no mercado ainda exigem amostras pré - tratadas para assegurar um funcionamento satisfatório . A transferência de bombas submersas lodo através da filtro de membrana
(tamanho de poro típica de 20 mm) e a amostra filtrada é então conduzido para o sensor de linha .

A ultra filtração (UF) membranas com um peso molecular de corte de 20.000 são tipicamente aplicados 

A vida útil de um filtro de fluxo cruzado é de aproximadamente um ano, mas a limpeza regular é necessário. Para manter o fluxo de amostra para os analisadores um set-up com duas unidades  é o preferido. 

Usando funções internas de medidores de fluxo de filtrado ou medições de queda de pressão , chaves de transferência automática da unidade ativa e ativação do programa de limpeza foi implementado. Tipicamente, as membranas devem ser limpos a cada 1 a 4 semanas . estratégias de limpeza consistir de um sopro de ar ou a um tratamento químico hipoclorito . A preparação da amostra provou ser confiável, mas ainda requer esforços de manutenção por parte dos operadores.
A tecnologia de membrana . Um veículo (água potável) é bombeado para o dispositivo de membrana e escoa numa faixa sobre um lado da membrana . O outro lado da membrana é exposta a água residual , e o portador é enriquecido  com os íons que passa através da membrana . O transportador enriquecido é enviado para o colector de análise . o princípio tem sido aplicada aos sensores de amônio , nitrato e de fósforo , respectivamente . Os sensores são todos baseados método colorimétrico e calibração é realizada automaticamente. Estes sensores foram testados para aplicação em plantas de tratamento de águas residuais e estão comercialmente disponíveis no mercado. Um inconveniente associado com este tipo de medidores é que não é possível multiplexar o sensor , ou seja, mais par de um ponto de medição de um dispositivo de medição. Unidades de UF , pelo contrário permitir usar um metro para várias unidades UF paralelos ligados a diferentes pontos de amostragem .

NH4

Para colorimétrico NH4 + Determinações, todos NH4 + é convertido em NH3 antes que ele seja transformado num azul (método de fenato) ou um corante azo amarelo  utilizam uma unidade de difusão de gás através do qual a amônia é transportada em um fraco pH -buffer com um indicador de pH . O gás amoníaco provoca um aumento do  pH que é acompanhada de uma alteração de cor . Descrevem o mais tradicional método que consiste em produzir um composto azul indofenol , cuja intensidade é proporcional à quantidade de NH4 + Presente na amostra . No entanto, a manutenção de alta necessidade (por exemplo, a membrana de difusão de gás tem de ser substituído uma vez por semana , a necessidade de um técnico bem treinado ) era um sério inconveniente para a linha aplicação. Melhorias tecnológicas contínuas têm no tempo médio resultou na difusão de gás membranas com uma vida útil de cerca de 6 meses . colorimétrico NH4

SEDIMENTAÇÃO

Em vista do fato de que um clarificador é o passo final em todas as plantas de tratamento de águas residuais, é claro que qualquer falha deste separador de lodo tem efeitos tremendos sobre a qualidade do efluente . É , portanto, surpreendente que relativamente pouco atenção é dada à instrumentação deste processo importante unidade . Provavelmente, isto é devido à falta de conhecimentos fundamentais nos fatores determinantes, por exemplo, Agrupamento de lodo. Alguns desenvolvimentos têm sido, porém, feito e alguns dos sensores resultantes são revistos .

Sludge Blanket

Três princípios de medição para a localização da manta de lodo foram levados à prática: ultra-som dispositivos de absorção e de turbidez (veja acima) detectar a interface de sólidos em suspensão , como resultado da súbita alteração na concentração de lodo como um penetra na manta de lodo . O terceiro método , a varredura ultra-sônica fornece um perfil de concentração e é considerado como o melhor princípio de medição .
Além disso , a medição é insensível ao lodo nuvens acima da manta . Os sensores de turbidez em um meio de rotação tambor é provavelmente a tecnologia mais aplicada.
A sonda de turbidez é reduzida precisamente até a manta de lodo é atingido ea distância percorrida dá a profundidade de manta de lodo . Estes sistemas de medição fornece resultados fiáveis ​​, desde a manutenção adequada do tambor e mecanismo de limpeza suficientes são tomadas precauções ( Aspegren et al . , 1993) . Note-se que este equipamento também pode ser utilizado para determinar um perfil de concentração em função da profundidade do clarificador  como ilustração fig . 14 mostra os resultados de uma campanha de medição detalhada de um mês em águas residuais em larga escala estação de tratamento , fornecendo medições horárias de perfis de concentração no colono.
O diferente set-up é composto por três turbidímetros localizados em profundidades fixas , mas diferentes no clarificador. A presença ou ausência da cobertura de lamas para estas posições pode então ser avaliada . Esta é uma mais confiável set-up desde problemas mecânicos com o tambor rotativo são eliminados. Uma estratégia de controlo é possível que mantém a cobertura de lamas em torno do nível indicado pela sonda situado na posição intermédia .
Os sinais dos dois outros medidores de turbidez pode ser usado para o alarme disparar .

Settlometer

As características de sedimentação de lodo são muitas vezes quantificada pelo índice de volume de lodo (SVI). Este parâmetro é obtido dividindo o volume de lama sedimentada, após 30 minutos de decantação por os sólidos suspensos concentração . No entanto, ficou provado que o SVI é fortemente influenciada pela concentração de lodo ( Dick e Vesilind , 1969).

Para minimizar os efeitos de concentração e de parede , modificação do procedimento foram propostas alternativas, tais como agitação suave do sedimento (lama), de modo a melhor simular as condições do clarificador. Os valores resultantes são apresentados como SVI agitada (SSVI).

Outra modificação proposta por Lee é para diluir a lama a uma determinada concentração de lamas , que conduz ao valor SVI diluída ( DSVI ).

Todos os métodos mencionados são trabalho intensivo e sua freqüência de medição é muito baixo (geralmente uma vez por dia) para acompanhar o lodo decantabilidade variável no tempo .

Recentes avanços tecnológicos resultaram no desenvolvimento de sensores para medir as lamas de decantação características . A principal característica dos sensores é geralmente um cilindro central de vidro trazendo uma amostra de licor misto em um experimento de sedimentação em batelada em condições que se aproximam os do clarificador secundário.

A descida da interface manta de lodo em lote experimentos de sedimentação é controlada usando a transmissão de luz, medida quer através de um conjunto fixo de diodos emissores de luz ( LED) , de um lado e do outro fotodiodos  ou por meio de um par de diodos LED em movimento.

Após a última abordagem, introduzir um sensor com um mecanismo agitador no liquidação cilindro. Neste Settlometer a evolução da altura cobertor é gravado com uma óptica movendo sistema de detecção . A partir da curva de lamas de sedimentação , resultante , a máxima velocidade de sedimentação e o índice de volume de lodo (SVI, SSVI ou DSVI ) pode ser facilmente obtida..