Giám sát quá trình xử lý nước thải là rất quan trọng để quản lý hiệu quả các cơ sở tái chế nước (WRRF).Các phép đo lấy mẫu nhân tạo hoặc mẫu hỗn hợp trong phòng thí nghiệm là phương pháp chính để giám sát tuân thủ. Tuy nhiên, việc giám sát quá trình ngày càng được thực hiện thông qua các bảng phân tích trực tuyến. Giám sát liên tục cung cấp thông tin quan trọng cho việc ra quyết định và giảm gánh nặng cho người vận hành về các thông số của quá trình lấy mẫu và đo lường đa tần số hàng ngày, cho phép các nhà máy xử lý nước thải giảm thiểu đầu vào hóa chất và năng lượng và tránh các bất thường về quy trình. Sự lựa chọn và độ tin cậy của công nghệ cảm biến đã được cải thiện đáng kể trong thập kỷ qua. Ví dụ, các cảm biến dựa trên quang phổ hiện có thể được sử dụng để đo trực tiếp các thông số quan trọng mà không cần sử dụng thuốc thử đắt tiền cần bổ sung thường xuyên.

Làm thế nào để các cảm biến dựa trên quang phổ trong giám sát quá trình xử lý nước thải được lựa chọn, vận hành, bảo trì, vận hành và ứng dụng một cách chính xác? Nhiều chất quan trọng trong nước thải, bao gồm nitrat, nitrit và các thông số carbon hữu cơ, có thể được đo lường dựa trên sự hấp thụ của tia cực tím và ánh sáng nhìn thấy (UV-Vis). Cảm biến ánh sáng UV-Visible là một phần của hệ thống giám sát quá trình WTW IQ SensorNet, một thương hiệu của Celemer, là một ví dụ phác thảo các nguyên tắc đo lường, thiết kế và hoạt động của nó.

Giám sát xử lý nước thải

Giám sát xử lý nước thải là rất quan trọng để xác minh chất lượng nước thải và đánh giá hiệu quả xử lý sau mỗi giai đoạn quy trình. Các cơ sở tái chế nước đô thị chủ yếu sử dụng công nghệ xử lý bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là một quá trình sinh học loại bỏ các chất ô nhiễm hòa tan và hạt bằng cách chuyển đổi carbon hữu cơ thành carbon dioxide (CO₂) và nitơ amoniac thành khí nitơ (N₂) nếu được điều chỉnh khử nitơ.

BOD và COD là các thông số tổng hợp của nhiều chất khác nhau và việc xác định riêng lẻ đòi hỏi rất nhiều công việc phân tích. BOD và COD là thước đo lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa carbon hữu cơ trong mẫu. Được đo bằng mg O₂/L. Trong trường hợp BOD, phản ứng được xúc tác bởi vi khuẩn. Ngoài việc hạn chế thử nghiệm trong phòng thí nghiệm do các điều kiện chính xác cần thiết cho việc nuôi cấy kéo dài (5 ngày), phương pháp này rất nhạy cảm với công nghệ và do đó có thể có vấn đề về độ chính xác. Phương pháp COD là quá trình oxy hóa hóa học mạnh mẽ hơn, với gần như tất cả carbon hữu cơ bị oxy hóa. Nó nhanh hơn BOD, nhưng tốn kém để thực hiện trong máy phân tích trực tuyến do nhu cầu thu thập mẫu, thiết bị chuẩn bị mẫu và bổ sung thuốc thử. Total Organic Carbon (TOC) được sử dụng ít hơn, nhưng ngày càng trở nên phổ biến như một bổ sung hoặc thậm chí thay thế BOD trong kiểm soát quy trình. Phương pháp TOC là phép đo trực tiếp carbon hữu cơ trong mẫu được đo bằng mg C/L. Các phép đo TOC nhanh hơn và đơn giản hơn BOD hoặc COD và không yêu cầu sử dụng thủy ngân như phương pháp COD. Các phép đo TOC cũng có thể chính xác hơn, đặc biệt đối với các mẫu có hàm lượng hữu cơ rất thấp, chẳng hạn như nước thải từ các cơ sở tái chế nước tiên tiến.

Việc loại bỏ đầy đủ nitơ từ nước thải ngày càng trở nên quan trọng. Nitơ là một chất dinh dưỡng thông thường quan trọng hỗ trợ sự phát triển sinh học, bao gồm cả tảo. Trong vùng nước giàu dinh dưỡng, sự tăng trưởng và chết của tảo có thể tăng tốc, dẫn đến tình trạng thiếu oxy, một điều kiện oxy thấp không phù hợp với cá và các sinh vật thủy sinh khác. Nước thải sau khi xử lý là một nguồn dinh dưỡng quan trọng trong một số lưu vực sông. Do đó, việc giám sát và kiểm soát tất cả các loại nitơ có ý nghĩa rất lớn. Nitrat và nitrit trong nước thải không được xử lý thường không đáng kể. Do đó, bất kỳ sự xuất hiện của cả hai trong nước thải sau khi xử lý là kết quả của quá trình nitrat hóa sinh học chuyển đổi amoniac từ nước thải thành nitrat. Và hiệu quả nitrat hóa cho phép nồng độ nitrat tối đa. Tổng hợp nitrit và nitrat (được gọi chung là NOx) được chuyển đổi thành nitơ và loại bỏ khỏi nước thải thông qua một phản ứng sinh học khác gọi là khử nitrat. Nếu khử nitơ xảy ra trong bể sục khí, đây là một điều tốt cho các cơ sở tái chế nước vì nó sẽ làm giảm tổng nitơ (TN) từ nước thải sau khi xử lý và giảm cường độ năng lượng cần thiết vì phản ứng có thể đạt được mà không cần oxy đầu vào. Tuy nhiên, nếu khử nitrat xảy ra trong lớp bùn của bể lắng cuối cùng, đó sẽ là một điều xấu. Bong bóng nitơ được tạo ra có thể làm nổi chất rắn, can thiệp vào việc kiểm soát dòng bùn trở lại và tăng tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và BOD trong nước thải sau khi xử lý khi chất rắn tràn đập, có thể dẫn đến vi phạm giới hạn xả.

Hạn chế trong quá trình nitrat hóa hoặc khử nitrat hóa có thể dẫn đến sự tích tụ nitrit và thậm chí nhiều vấn đề tuân thủ hơn. Các cơ sở khử trùng bằng clo sẽ nhận thấy sự gia tăng nhu cầu clo ngay lập tức, vì 1 mg/L nitơ nitrit tiêu thụ 5 mg/L clo. Không theo kịp với việc bổ sung clo có thể dẫn đến việc khử trùng không đầy đủ và tăng mức độ vi khuẩn trong nước thải sau khi xử lý. Các hiệu ứng khác có thể tinh tế hơn, nhưng cũng có vấn đề. Nitrite rất độc đối với sinh học thủy sinh và độc hơn nitrat. 1 mg/L hoặc cao hơn nitơ nitrit có thể dẫn đến thất bại trong toàn bộ xét nghiệm độc tính thoát nước (WET). Tác động của việc tăng nồng độ nitơ nitrit không dừng lại ở đó. Thật kỳ lạ, vi khuẩn sản xuất và tiêu thụ nitrit (được gọi chung là vi khuẩn nitrat) nhạy cảm với nitrit, tạo ra một chu kỳ phản hồi tàn khốc, trong đó một sự xáo trộn nhỏ có thể dẫn đến vòng xoáy tử vong của quá trình nitrat hóa và các quy trình bất thường, dẫn đến sự không tuân thủ lâu dài các giới hạn nitơ amoniac. Mặt khác, tích tụ nitrit có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả xử lý nước thải. Sự hiểu biết và phát triển của quá trình khử nitơ ngắn nitrit đã thúc đẩy sự phát triển của các quy trình sáng tạo nhằm mục đích rút ngắn quá trình khử nitơ thông qua nitrit và do đó giảm chi phí năng lượng và hóa chất.

Hình thái của nitơ có thể được đo bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm sắc ký ion, đo màu và điện thế. Sắc ký rất chính xác, nhưng chỉ giới hạn trong các ứng dụng trong phòng thí nghiệm. Phép đo màu cũng có thể cung cấp các phép đo chất lượng cao, nhưng cần thiết bị phụ trợ để lấy mẫu và chuẩn bị mẫu và cần bổ sung thuốc thử.