Seminario Instrumentacion Analitica_Agua Residual

Seminario de Instrumentacion Analitica Aguas Residuales Kathy Naranjo Hach Company Loveland, Colorado, EEUU

Los basicos • “Tratamiento de aguas residuales es el único proceso en el mundo donde usted no puede controlar las entradas, sino que tienen que hacer una salida perfectamente controlada.” 2

Monitoreado las aguas Claves para hacer las cosas bien son los siguientes:

Optimización: El control del proceso, no dejar que te controle Proactiva

vs

Reactivo

Utilizando menos energía menos productos químicos Simplemente hacer las cosas mejor, más fácil 3

Planta de Aquas Residuales ¿Como tratan los contaminates Separacion en el PTAR?

Monitoreo del Rio

de Lodo

Tratamiento Biologico Tratamiento Mecanico

Alcantarilla

Tratamiento de Lodo

Tratamiento de Aguas Residuales • Tratamiento Preliminario • Tratamiento Primero – Remover los solidos sendamentales del agua residual

• Tratamiento Secundario – Remover los organicos disueltos, DBO, tanto como los solidos finos. – Lodo Activado – Nitrificacion

• Tratamiento avanzado o terciario – Retiro de nutrientes tanto como nitrogeno y fosforo

• Manejo de Lodo – Dewatering / deshidratación – Digestion anaerobica 5

Controlar y Monitorear el Tratamiento de Aguas Residuales – pH – Conductividad – Oxigeno Disuelto – Solidos Suspendidos – Nivel de Manto de Lodo – Volumen del Lodo

– Organicos • DBO, DQO, COT, UV254

– Nutrientes • Nitrogeno y Fosforo

– Metales – Desinfeccion

Example Municipal NPDES Permit

Solids Settling and Sludge Level Solids Measurements •

Reason – To optimize plant operation need to remove solids – Removing solids, removes organics – Process control TSS, Total Suspended Solids MLSS, Mixed Liquor Suspended Solids SVI, Sludge Volume Index RAS, Return Activated Sludge WAS, Waste Activated Sludge – Compliance: % removal

•

Recommended Sensors – Solitax sc Sensor and sc Controller – TSSsc sensor and sc Controller

•

Additional comments •

Solitax sensor is placed in the sedimentation tank for real-time monitoring.

•

Insertion Mounting kits also available into pressurized pipes (requires special solitax probe).

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Donde se miden los solidos? Equalization Basin

Primary Clarifier

Secondary Clarifier

Aeration Basin

Plant Inlet (Influent)

Nitrification Basin

Return Activated Sludge (RAS) Gravity Sludge Thickener Final Filtration

Waste Activated Sludge (WAS) Sludge Dewatering

Centrate Disinfection

1

Aerobic / Anaerobic Sludge Digester

Sludge Disposal

Plant Effluent 1

Como se miden los solidos? • Prueba de laboratorio • Metodo gravimetrico • Aparato requerido: – – – – – –

Bombas de aspirador Desecador Horno para secar Balanza analitica Filtros de fiber de vidrio Sistema de filtro

SOLITAX sc • • • • •

Amplio rango (0-4000 NTU/0-150 g/L SST) Autolimpiante La sonda puede medir SST o Turbiedad Fuente de Luz: LED a 880 nm Sonda de acero inoxidable – Un modelo de solo turbidez de PVC

• Utilizado con un controlador de Hach

Especificaciones de Desempeño La técnica de medición

Utiliza la técnica de la dispersa de la luz infrarroja para medir la turbiedad independiente del color. Turbidity in accordance with DIN EN 27027 / TS equivalent DIN 38414

Medición de Rango

t-line turbidity: 0.000–4000 FNU/NTU ts-line, inline turbidity: 0.001–4000 FNU/NTU; TSS content: 0.001–50 g/l hs-line, highline turbidity: 0.001–4000 FNU/NTU; TSS content: 0.001–150 g/l TSS

Reproducibilidad

Turbidity -------------------------Valor medido 750 NTU

=

1.07

• SST • •

Tomamuestra analizada en el laboratorio por la técnica grávimetrica La correlación del factor es calculado entre el analisis de lab y la medicion de Solitax. El factor es adjustado en el controlador.

•

medición de la técnica grávimetrica Factor = ----------------------------------------------Valor medido

Total Suspended Solids measurement with TSS sc √ √ √ √ √ √

High Temperature Corrosive Environments Aggressive Media Clean Conditions Dark Water/Sludge High Hygienic Requirements

 With twelve instrument versions and thirty different mounting styles, the Hach TSS sc family can measure TSS in virtually all applications under the strictest regulatory conditions.

TSS sc

Principle of operation

 The TSS sc probes have a double optical system with two pulsating infrared LEDs and four receivers.

 For suspended solids, the receivers pick up the incident light at 90° and 120° angles, effectively doubling the accuracy of the instrument.

 For turbidity, the receivers pick up the incident light at 90° angle but uses an additional emitter and receiver pair for verification.

Emitter 1

Receiver 1 & 2 Emitter 2 180°

Receiver 3 & 4

TSS sc

Build to withstand the harshest of environments  TSS HT sc: Specially coated electrical and optical systems provide TSS measurement in temperatures up to 90°C.  TSS Titanium sc: Titanium housing provides measurement of TSS in aggressive media such as:  sea water  brine  chemicals  TSS sc family: Easy to clean sapphire window is designed to withstand harsh environments and keep particles from sticking to the surface.

Sedimentación Medición de Nivel de Lodo •

El Razón – Para controlar el retiro apropiado de los sólidos sedimentandos (lodo) del clarificador.

•

El sensor recomendado – Sonatax sc Sensor

•

Comentarios Adicionales •

Disponible con Montaje de Punto Fijo (Fixed Point Mounting) o con Montaje de Pivote para montar la sonda en un clarificador con skimmers

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Solids Settling and Sludge Level Sludge Measurements •

Reason – To control sludge blanket in sedimentation basin – Prevent upset

•

Recommended Sensors – Sonatax sc Sensor and sc Controller

•

Additional comments •

Measures Sludge Level or Sludge Height using ultrasonic signals

•

Easy removal of magnetic wiper

•

Fixed point or Pivot Mountings

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Solids Settling and Sludge Level

Example: Application in primary sedimentation tank

SONATAX sc starts the sludge draw off

Sludge level

SOLITAX highline sc stops the sludge draw off

Sludge Concentration Measurement

Example: Application in primary sedimentation tank

Four primary sedimentation tanks but process control with only one probe

Small basin ensures, that SOLITAX hs-line is always immersed in waste water

thick sludge to feed into digester

thin sludge stop sludge drawoff

Sludge level measurement

Example: Application in primary sedimentation tank • Advantages of using SONATAX and SOLITAX for sludge draw off: • Automatic sludge extraction • Optimum sludge extraction time • Highest possible solids concentration is extracted • Sludge is not to over-thickened, in order to ensure pump ability and minimize pump maintenance and repair expenses

Medición de Orgánicos •BOD = •COD = •TOC = •SAC =

Substancias accesible a oxidacion organica Substancias accesible a oxidacion quimica Registra el carbono organico total Se focaliza en la absorcion de luz UV

Planta de Aquas Residuales ¿Dónde son medidos los orgánicos?

Monitoreo del Rio

Separacion de Lodo Tratamiento Biologico Tratamiento Mecanico

Alcantarilla

Tratamiento de Lodo

Orgánicas Midiendo Orgánicas : TOC •

Razón – La prueba de TOC mide la cantidad presente de carbón orgánico en una muestra de agua.

•

Productos Disponibles – Espectrofotometro y reactivos (lab) – En-linea – Astro – Biotector

•

Comentarios Adicionales

• Compuestos orgánicos + Digestión → CO2 + H2O •

La mayoría de las pruebas de TOC utilizan calor, luz ultravioleta, o unas sustancias químicas fuertes oxidante (o una combinación de los tres) para oxidar compuestos orgánicos a CO2 y H2O

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Organics Measuring Organics: UVAS •

Reason – To measure online the organic content of a sample.

•

Recommended Products – UVAS sc sensor and sc controller

•

Additional comments •

Reagent-free

•

Measurement is done in situ

•

Measurement is ABS m-1 at x mm •

50mm, 5mm, 2mm, 1mm

•

The double bonds in the organic molecules are detected by UV and can be measured in absorbance units.

•

Alcohols, sugars and organics attached to solids cannot be measured with the UVAS plus sc probe

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UVAS plus sc

Functional principle • UV-2-beam-photometer • Turbidity compensation by reference wavelength technique at 550 nm • Measurement wavelength: 254 nm (in accordance to DIN 38404 C3) • Measuring path length from 1 to 50 mm measuring path

E

λmeß

Em

flash lamp

∆E

λref

Er λme

λre

ß

f

λ

receiver

UVAS plus sc

Comparison between SAC/TOC and SAC/COD – Inlet wwtp Ganglinienvergleich der Geräte TOCTAX und UVASplus am Ablauf einer Vorklärung mg/l TOC (TOCTAX)

mg/l DOCuv(UVASplus)

SAC / TOC Outlet primary clarifier

Konzentration [mg/l TOC bzw. mg/l DOCuv]

160 140 120 100 80

TOC measurement with TOCTAX

60 40 20 0 28. Sep

600

CSB [mg/l]

500

29. Sep

30. Sep

1. Okt

2. Okt

3. Okt

4. Okt

60

SAK [1/m]

Differences because of particulate COD

50

400

40

300

30

200

20

100

10 t [h]

0 0

24

48

72

96

0 120

SAC / COD Inlet wwtp COD measurement with an online analyser using Ozone as oxidation reagent

SAC 254 Medición de Orgánicos • SAC (Spectral Absorbance Coefficient) Correlaciona a: • DBO5 • DQO

BioTector B7000 TOC Analyzer • Confiabilidad Superior– Típicamente 99.7% on line!! • Alta Aplicabilidad– Sistema Patentado de dos etapas de Oxidación (TSAO) capaz de manejar las muestras mas duras como aceite, grasas, sales, barros, partículas de hasta 2mm!! • Diseño inteligente– Sistema de auto limpieza y tubería sobredimensionada elimina la necesidad de filtros y previene taponaduras. • Mantenimiento Mínimo – No requiere calibración y el intervalo de servicio es de 6 meses. • Bajo costo de operación– Provee una rápido ROI, sustentado en bajar consumo de reactivos, evitando perdidas y ayudando a optimizar el proceso.

On-line sensor

Oil in water measurement •

•

•

Background – FP 360 sc detects PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) which is a component of mineral oil Reason – Inlet observation of a wwtp – Event controlled automatic sampling – Direct and indirect discharge monitoring Recommended Sensor – FP 360 sc (5000 ppb) – stainless steel or titanium

Oil in water measurement with FP 360 sc

Low Range Version: Ranges • 0-50 µg/L, 0-500 µg/L PAH • 0.1-1.5 mg/L, 0.1-15 mg/L Oil (related to PAH / Oil calibration standards) • PAH detection limit in pure water: 1.2 µg/L (ppb) of Phenanthrene

High Range Version: Ranges • 0-500 µg/L, 0-5000 µg/L PAH • 0.1-15 mg/L, 0.1-150 mg/L Oil (related to PAH / Oil calibration standards)

FP 360 sc

How does flourescense work?

1. Excitation by short-wavelength UV radiation, e.g. λ = 254 nm

Phenantrene molecule

2. Time-shifted emission of a fluorescence spectrum with longer wavelengths

FP 360 sc

Municipal WW Plant Intake - Oil Contamination OIW Monitoring at a WWTP (ppb) 5000 4500 4000 3500

Data from a real oil accident that happened on WWTP where the OIW probe is installed at the inlet.

3000 2500

The plant operators described the event as an emulsion with a fuel oil and a cleaning solvent.

2000 1500

They had a "funny" saturday morning with a lot of efforts to clean their sand trap and pre-clarifier.

1000 500 0 6/20/08 6/20/08 6/20/08 6/20/08 6/21/08 6/21/08 6/21/08 6/22/08 6/22/08 6/22/08 6/23/08 6/23/08 6/23/08 6/23/08 0:00 7:12 14:24 21:36 4:48 12:00 19:12 2:24 9:36 16:48 0:00 7:12 14:24 21:36

FP 360 sc

Drainage system (storm water) monitoring FP 360 sc detects possible oil coming from streets and parking places. A valve will be closed if oil is present and an SMS will be sent to the operator.

Measuring point

¿Qué es Oxígeno Disuelto? • El oxígeno disuelto (DO) es molecular (atmosférica) oxígeno disuelto en agua o aguas residuales.

• Medido en: EFLUENTES tanques de aireación FINAL CLARIFICADOR

• Las concentraciones de OD en los tanques de aireación varian según el diseño de la planta • Los operadores necesitan suficiente OD para el tratamiento, pero no una cantidad en exceso – 1.0 – 2.0 mg/L normalmente 35

Como Temperatura Afecta el OD Un cambio de 2° puede afectar el OD por tanto como .5 ppm

TEMPERATURE VERSUS WATERSATURATED CONCENTRATION OF OXYGEN Temperature ppm Temperature °F °F °C °C Value 32 0.0 14.6 74 23.3 34 1.1 14.1 76 24.4 36 25.6 2.2 13.7 78 38 3.3 13.3 80 26.7 12.9 40 4.4 82 27.8 42 28.9 5.6 12.6 84 44 6.7 12.2 86 30.0 46 7.8 11.9 88 31.1 48 8.9 11.6 90 32.2 50 10.0 11.3 92 33.3 52 11.1 11.0 94 34.4 54 12.2 10.7 96 35.6 56 13.3 10.4 98 36.7 58 14.2 10.2 100 37.8 60 15.6 9.9 102 38.9 62 16.7 9.7 104 40.0 64 17.8 9.5 106 41.1 66 18.9 9.3 108 42.2 68 20.0 9.1 110 43.3 70 21.1 8.9 112 44.4 72 22.2 8.7 114 45.6

ppm Value 8.5 8.3 8.2 8.0 7.8 7.7 7.5 7.4 7.3 7.1 7.0 6.9 6.8 6.6 6.5 6.4 6.3 6.2 6.1 6.0 5.9

How Altitude affects DO Table B—CORRECTION FACTORS FOR BAROMETRIC PRESSURE Barometric Pressure Inches of Millimeters Mercury of Mercury (Hg) (Hg) 20.00 508.0 520.7 20.50 21.00 533.4 21.50 546.1 558.8 22.00 571.5 22.50 23.00 584.2 23.50 596.9 609.6 24.00 622.3 24.50 25.00 635.0 25.50 647.7 660.4 26.00 673.1 26.50 27.00 685.5 27.50 698.5 711.2 28.00 723.9 28.50 29.00 736.6 29.50 749.3 762.0 30.00 774.7 30.50

CorrectionFactor 0.67 0.69 0.70 0.72 0.74 0.75 0.77 0.79 0.80 0.82 0.84 0.85 0.87 0.89 0.90 0.92 0.94 0.95 0.97 0.99 1.00 1.02

¿Dónde se mide oxigeno disuelto en una PTAR?

Equalization Basin

Primary Clarifier

Plant Inlet (Influent)

Aeration Basin

Secondary Clarifier

Nitrification Basin

Return Activated Sludge (RAS) Gravity Sludge Thickener Final Filtration

Waste Activated Sludge (WAS) Sludge Dewatering

• Puntos de monitoreo de OD – Tanque Igualación 1 – Tanque de aireación Aerobic / Anaerobic Sludge Digester – Tanque de nitrificación – Digestor Aeróbico/Anaeróbico – Efluente de la planta

Centrate Disinfection

Sludge Disposal

Plant Effluent 1

Porque es importante OD? • Las bacterias aerobias NECESITAN tener Oxigeno para sobrevivir. • El control de los niveles de OD es critico para la planta de tratamiento de agua residual.

Estanque de Aireación Aeration Basin

Este es donde mezclamos ‘el alimento, el aire, y los microorganismos Los niveles de oxigeno disuelto tienen que ser 1.0 a 2.0 mg/l para quitar organicos Los niveles de oxigeno disuelto tienen que ser 2.0 a 3.0 mg/l para quitar el amoníaco + Alimento+ Oxigeno (O2)

CO2 + mas

Clarificador secundario

Secondary Clarifier

• Separación de sólidos (lodo) del agua – El peso de sólidos hace que ellos coloquen al fondo – Los niveles de oxigeno son monitoreados para asegurar que el clarificador no va anaerobio (