pomiar stężenia zanieczyszczeń w ściekach ogólnospławnych, sondy do pomiarów on-line, odszumianie danych, kalibracja sond on-line Dawid BANDZIERZ* ODSZUMIANIE DANYCH POMIAROWYCH Z SOND ON-LINE Określenie stężeń wybranych wskaźników zanieczyszczeń takich jak ChZT, azot amonowy, zawiesiny ogólne w ściekach ogólnospławnych możliwe jest nie tylko z wykorzystaniem metod analitycznych, ale także w nowoczesny sposób z wykorzystaniem np. sond do pomiaru on-line. Pozwalają one na pomiar stężenia zanieczyszczeń w czasie rzeczywistym, z krokiem wybranym przez użytkownika, najczęściej 1-minutowym. Pomiary stężeń uzupełnione o pomiar przepływu pozwalają na precyzyjne określenie ładunku zanieczyszczeń odprowadzanego zarówno do oczyszczalni ścieków w trakcie przepływu ścieków tzw. pogody suchej, a także na określenie ładunku wprowadzanego do odbiornika przelewem burzowym w trakcie jego działania podczas tzw. pogody mokrej. Istotna jest odpowiednia obróbka danych pochodzących z urządzeń służących do automatycznego pomiaru ze względu na konieczność usunięcia błędnych rekordów. Działania te zwiększają wiarygodność bazy danych, która jest wykorzystywana do określania ładunków zanieczyszczeń, współczynników nierównomierności godzinowej i dobowej dla poszczególnych wskaźników zanieczyszczeń oraz umożliwiają wykonanie analizy dotyczącej sezonowości zmian zarówno w składzie jak i przepływie. Uzyskane wiarygodne wyniki pozwalają na podjęcie prób skutecznego i efektywnego modelowania zjawisk spływu zanieczyszczeń ze zlewni oraz dokładniejszą kalibrację hydrauliki modelu. 1. WSTĘP Sondy on-line do tej pory w Polsce nie były stosowane jako urządzenia służące do pomiaru jakości ścieków surowych. Badania pilotażowe były przeprowadzone w Grupowej Oczyszczalni Ścieków w Łodzi, natomiast implementacja rozwiązania polegającego na zainstalowaniu zestawu sond do pomiaru jakości ścieków w kanalizacji ogólnospławnej nastąpiła w komorze przelewu burzowego J-1. Udowodnienie przydatności stosowania sond pomiarowych on-line pozwoli na obniżenie kosztów monitoringu jakości ścieków w porównaniu z metodami analitycz- * Instytut Inżynierii Komunalnej i Instalacji Budowlanych, Politechnika Łódzka, ul. Aleja Politechniki 6, 90-924 Łódź, dawid.bandzierz@p.lodz.pl
36 D. BANDZIERZ nymi. Pozwoli również na bieżąco śledzić dynamikę zmian jakości ścieków oraz na identyfikację tzw. pierwszej fali spływu zanieczyszczeń. Pomiary uzyskane z sond dają możliwość modelowania jakości ścieków płynących w kanalizacji ogólnospławnej, mogą wyznaczać kierunki modernizacji obiektów kanalizacyjnych oraz być wykorzystywane przy budowaniu sytemu sterowania kanalizacją w czasie rzeczywistym (RTC). Przewaga systemów do monitoringu jakości ścieków jest nieoceniona przy badaniu spływów opadowych, gdyż dotąd nie było w Polsce możliwości pozyskiwania danych jakościowych ścieków ogólnospławnych podczas każdego opadu z krokiem 1 minutowym. 2. STANOWISKO POMIAROWE I METODYKA POMIARU Badania prowadzono w komorze przelewu burzowego J-1. Zlewnia ciążąca do przelewu jest zlewnią o charakterze miejskim o powierzchni 211 ha położoną w centralnej części Łodzi. Dominuje na niej zabudowa mieszkaniowa wielorodzinna. Średni dobowy dopływ ścieków suchej pogody z opisywanej zlewni dla okresu wiosennego i jesiennego wynosi 92 dm 3 /s, natomiast dla okresu letniego ( wakacji szkolnych ) 72,3 dm 3 /s. Stanowisko pomiarowe wyposażone jest w zestaw trzech sond pomiarowych do pomiaru stężenia azotu amonowego, zawiesin ogólnych oraz SAK254. Do pomiaru SAK245 wykorzystano sondę UVAS plus, azotu amonowego czujnik amonowy NH 4 D sc., zawiesiny ogólnej sondę SOLITAX. Poszczególne sondy różnią się techniką pomiaru. Pomiar SAK254 odbywa się przez określenie absorpcji UV przy długości fali pomiarowej 254 nm (wg Normy DIN 38402 C2). Azot amonowy mierzony jest czujnikiem NH 4 D sc., który jest wyposażony w jonowo-selektywną elektrodę do pomiaru amonu NH + 4. Elektrody jonowo-selektywne zostały wyposażone w membranę, do której przylegają tylko specyficzne rodzaje jonów. W efekcie na powierzchni membrany pojawiają się jonowo-specyficzne formy potencjału. Pomiar zawiesin przez sondę SOLITAX polega na kombinowanym procesie absorpcji i rozproszenia w podczerwieni, który to określa zmętnienie (pomiar wg DIN 27027) [4, 5]. Pomiar jakości ścieków uzupełniany jest przez zestaw czterech przepływomierzy. Lokalizację przepływomierzy pokazano na rysunku 1. Przepływomierze będące częścią monitoringu ZWiK Łódź zainstalowane są w kanałach dopływowych biegnących wzdłuż ulic Rogozińskiego i Al. Włókniarzy oraz w burzowcu. Pomiar natężenia przepływu następuje w oparciu o krzywą sprawności i wyznaczenie wysokości napełnienia w kanale. Dane są transmitowane w trybie rzeczywistym do ZWiK. Przepływomierz zainstalowany przez Politechnikę Łódzką znajduje się na kolektorze odprowadzającym ścieki do Grupowej Oczyszczalni Ścieków w Łodzi. Przepływ
Odszumianie danych pomiarowych z sond on-line 37 jest określany z wykorzystaniem pomiaru wysokości napełnienia i prędkości przepływu. Rys. 1 Lokalizacja stanowiska pomiarowego oraz przepływomierzy Badania z wykorzystaniem sond on-line są uzupełniane przez badania analityczne, do których wykorzystywany jest sampler do automatycznego poboru prób. Próby pobierane są w trakcie spływów tzw. mokrej pogody, które wywołują aktywację przelewu burzowego oraz okresowo w czasie trwania tzw. suchej pogody. Celem badań analitycznych jest porównanie wskazań sond z wartościami oznaczonymi analitycznie, oraz sprawdzanie poprawności kalibracji urządzeń pomiarowych. Badania z wykorzystaniem sond on-line do pomiarów stężenia zanieczyszczeń w przelewach burzowych były prowadzone również w Danii, Niemczech i Austrii [1,2,3]. 3. UŚREDNIANIE DANYCH, KALIBRACJA, ODSZUMIANIE Dane dotyczące przepływów jak i wskaźników zanieczyszczeń zbierane z krokiem 1-minutowym zarówno. Dobowo jest gromadzonych po 1440 rekordów opisujących każdy wskaźnik zanieczyszczeń oraz przepływ w każdym z kanałów. Zsumowana ilość danych poddawanych analizie z każdej doby wynosi 11520. W pierwszej kolejności zgromadzone dane są testowane ze względu na występowanie błędnych wartości. Jako błędne wartości podlegające odrzuceniu przyjęto wskazania o wartości 0 (występowały głównie w danych dotyczących przepływów pochodzących ze ZWiK Łódź w momentach błędnej transmisji danych), wartości
38 D. BANDZIERZ wskaźników zanieczyszczeń o wartościach zawyżonych w sposób oczywisty (wartości o rząd wielkości wyższe od oczekiwanych pojawiały się w przypadkach zawieszenia się skratek na pływaku lub sondach) oraz dane, których wartość różni się co najmniej o 100% od wskazania z poprzedzającej minuty. Dane te są następnie uśredniane w przedziałach 5 minutowych. Zauważono, że proces ten nie pogarsza jakości danych. Przed przeprowadzeniem procesu odszumiania sprawdzana jest poprawność kalibracji w oparciu o wyniki pochodzące z badań analitycznych. Dalszym etapem prac jest przeprowadzenie procesu odszumiania, zwanego również procesem wygładzania przebiegów. Do odszumiania danych wykorzystywano program komputerowy Golden Software Table Curve v.5.01. Program pozwala na wybór algorytmu odszumiania danych. W trakcie poszukiwań metody najlepiej oddającej przebieg zmian testowano między innymi następujące metody: filtrowanie FFT metodę Loess a metodę kawadratury Gaussa filtrowanie metodą Kaiser a Bassel a metodę Savitzky ego Golay a metodę dekompozycji Jako najskuteczniejszą metodę odszumiania uznano metodę Savitzky ego-golay a. Jest to filtr wygładzający, którego działanie jest oparte na lokalnej regresji wielomianowej stopnia (k) na serii wartości (co najmniej k +1 punktów, które są traktowane jako równomiernie rozmieszczone w serii) w celu ustalenia wartości wygładzonej dla każdego punktu. Zaletą tego typu odszumiania jest fakt, że ma ona tendencję do zachowania funkcji rozkładu, takich jak np. dobre odwzorowanie minimów i maksimów [6]. Do odszumiania użyto metody Savytzky ego-golay a dla następujących parametrów: szerokość okna czasowego 20, współczynnik potęgowy 2. Na rysunku 2 pokazano przykładowy zrzut ekranowy z programu Golden Software Table Curve v.5.01 pokazujący zmianę przebiegów natężenie przepływu w okresie 10 dni. Błękitnym kolorem narysowano przebiegi danych surowych, natomiast kolorem żółtym wykreślono przebiegi danych po wygładzeniu. W podobny sposób odszumiono przebiegi stężeń. Na rysunku 3 pokazano porównanie przebiegów w zależności od wybranej metody wygładzania przebiegów. Jak widać lepsze odwzorowanie przebiegu stężenia zawiesin ogólnych uzyskano przy wykorzystaniu metody Savytzky ego-golay a niż w przypadku wykorzystania metody dekompozycji. Na rysunkach 4, 5, 6 pokazano przykładowe przebiegi zmian stężeń zanieczyszczeń oraz ładunków dla ścieków ogólnospławnych w trakcie trwania tzw. mokrej pogody. Jak widać na rysunku 4 wygładzone dane pozwoliły na narysowanie wykresu przedstawiającego zmiany przebiegu ładunku zawiesin ogólnych pozbawionego gwałtownych zmian występujących w niewielkim zakresie, które mogły być spowodowane
Odszumianie danych pomiarowych z sond on-line 39 niepełnym wymieszaniem ścieków z łączących się kanałów w komorze przelewu burzowego, w którym są zainstalowane urządzenia pomiarowe. Rys. 2 Przykład odszumiania danych w programie komputerowym Table Curve Rys. 3. Przykładowy przebieg zmian stężenia zawiesin ogólnych w czasie jednej doby - przebiegi zmiany stężeń w wykorzystaniem różnych filtrów: filtru Savitzky ego i Golaya dane odszumione - a, metody dekompozycji dane odszumione - b
40 D. BANDZIERZ Rys. 4 Porównanie ładunku zawiesin ogólnych obliczonych na podstawie przepływów surowych i wygładzonych dla pogody deszczowej. Rys. 5. Przykład przebiegu zmian stężenia SAK254 dla wybranego zjawiska pogody mokrej Rys. 6. Przykład przebiegu zmian stężenia azotu amonowego dla wybranego zjawiska pogody mokrej Na wykresach 5 i 6 kolorem niebieskim przedstawiono zmiany stężenia SAK254 i azotu amonowego w porównaniu z danymi uzyskanymi z badań analitycznych. Przebiegi są ze sobą zbieżne, jednak można zauważyć, że pojedyncze próbki oznaczone analitycznie odbiegają znacząco od wartości wskazanej przez sondy. Powodem takiej sytuacji może być brak reprezentatywności niektórych próbek analitycznych, gdyż kosz ssawny samplera znajduje się w odległości około 2 m od sond pomiarowych i w przypadkach dynamicznej zmiany składu ścieków stężenie oznaczone analitycznie może się znacząco różnić od wartości pochodzącej z sond. Innym powodem może być
Odszumianie danych pomiarowych z sond on-line 41 spłaszczenie przebiegu zmian stężenia pomierzonego sondami w trakcie procesu wygładzania przebiegów. 4. WNIOSKI Na obecnym etapie badań konieczna jest kontrola danych zbieranych z wykorzystaniem sond pomiarowych w trybie on-line badaniami analitycznymi. Konieczna jest manualna kontrola danych wejściowych w celu usunięcia błędnych pomiarów Metoda wygładzania Savytzky ego-golay a dla parametrów: szerokość okna czasowego 20, współczynnik potęgowy 2 jest najskuteczniejszą obecnie stosowaną metodą odszumiania danych pochodzących z sond pomiarowych. Prowadzone badania potwierdzają wysoką przydatność sond on-line w prowadzeniu monitoringu jakościowego i ilościowego ścieków LITERATURA [1] HOCHEDLINGER M., Assessment of Combined SewerOverflow Emissions, Graz, 2005 [2] BECHMANN H., NIELSEN MARINUS K., MADSEN H, PAULSEN KJOLSTAD N.., Grey box modeling of pollutant loads from a sewer system, Urban Water, 1999, Vol. 1, No. 1, 71-78. [3] ARNBJERG-NIELSEN K. Past, Present and future design of urban drainage systems with focus on Danish experience, Water Science and Technology, 2011, Vol. 63, No. 3, 527-535. [4] ZAWILSKI M. BRZEZIŃSKA A., BANDZIERZ D., BADOWSKA E., Dynamika zmian ilości i składu ścieków w kanalizacji na podstawie pomiarów on-line, Gaz, woda i technika sanitarna, 2011, Nr. 11, 433-438. [5] BADOWSKA E, BANDZIERZ D., Przykłady z kalibracji I eksploatacji sond pomiarowych on-line do pomiarów stężeń zanieczyszczeń w ściekach ogólnospławnych, Interdysyplinarne zagadnienia w inżynierii i ochronie środowiska 1 pod redakcją Teodory M. Traczewskiej, Wrocław 2011, 19-28 [6] SAVITZKY A., GOLAY M. J. E. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures, Analytical Chemistry, 1964, Vol 36, No. 8, 1627-1639 DENOISING OF MEASUREMENT DATA FROM ON-LINE SENSORS Determination of concentration of selected pollutants, such as indicators of SAC254, ammonia nitrogen, total suspended solids in the combined wastewater systems is possible not only with the use of analytical methods, but also in modern way of example, the applied on-line sensors. They allow the measurement of the concentration pollutants in real time, with a step chosen by the user, typically 1 minute. Complemented by measurements of flow measurement allows precise definition of pollution load discharged to the wastewater treatment plant, during dry weather conditions, as well as to determine the load transfer to the receiver input during the storm of the wet weather conditions.