HACH LDO在百時美施貴寶公司的應用

百時美施貴寶公司努力成為好鄰居
Hach LDO®技術提高了制藥公司廢水處理工藝的效率，為保護環境和社會做出貢獻

百時美施貴寶（BMS）公司位于紐約雪城的制藥廠，以往都是定期手動監測廢水處理工藝中的溶解氧（DO）。應用這種技術時，操作人員無法對曝氣池中的DO進行連續監測。為確保曝氣充分，避免因負荷變化導致的安全性問題，他們的鼓風曝氣量遠遠超過了實際需要。現在，公司采用新的技術—— DO在線監測儀后，操作人員可以連續、準確地監測曝氣池中的 DO水平。自動變頻驅動器（ VFDs ）可直接根據 DO讀數情況，通過閉合線圈控制鼓風曝氣機的運作。系統升級后，耗電量僅約為原先的 75%，為企業節省了相當可觀的能源和維護費用，預計 BMS系統升級的投資收回期限不超過 1年。
公司簡介
百時美施貴寶公司（BMS）是一家從事醫藥及相關保健產品生產的全球性企業，秉承“延長人類壽命，提高生活質量”的使命。位于紐約雪城的制藥廠是公司歷史最悠久、規模最大的工廠之一，建于 1943 年，是當時聯邦政府遴選出的 12 家大規模生產青霉素的公司之一。
廠區擁有員工近 800 人，占地 90 英畝，辦公、實驗室和生產車間總面積達 170 萬平方英尺。BMS 在最先進的中試車間中研發新的藥物，批量生產青霉素的一種活性組分——活性抗生素。藥廠擁有的大體積發酵設備在美國同行中是絕無僅有的。
周圍環境的一份子
生產部門在六十年后幡然醒悟，認識到自己也是周圍環境的一份子。因而對周圍鄰居們的關注特別敏感，采取了很多有效措施以確保其處理工藝盡可能高效和充分。其中污水處理設施，包括臭味的控制和消除等，尤其受到關注。
BMS 以往一直是不惜犧牲能效，也要確保其處理工藝曝氣池中 DO 達標。而今采用 Hach LDO®（熒光溶解氧）在線監測系統 24 小時連續監測后，操作人員能隨時了解工藝的運行狀況，從而及時對廢水水流的突發異常現象做出應對措施。自動操作模式下 DO 測定的精確度相對手動模式有所提高，因而效率較高，大大節約了能耗，且進一步保障了臭味的控制消除效果。
BMS 處理工藝
BMS 的廢水處理是外包給新澤西州 Covanta 能源公司的 Fairfield 下屬部門——古尼罕（Cunningham）環保有限公司的。污水處理由古尼罕公司的Dean Merritt 組長負責，他和另外9 名古尼罕員工一起運行設備。他們輪班監管設備的運行狀況，以確保出水達到排放標準。BMS 工廠經理 Dave Dombrosky 負責監督 Merritt 及其員工的工作。
工藝前處理設備的日處理水量為 120 萬加侖，出水排往雪城污水處理廠。“我們的出水水質很好，”Merritt 說，“已經達標，按規定本可以直接排放，只是廠區附近沒有受納水體。”
系統包括四個曝氣池，其中三個容水量為 190 萬加侖的池子同時運行，另一個容水量為 250 萬加侖的池子則為周期 4 h 的旋轉式反硝化。每個曝氣池底部均裝有一個粗糙的曝氣裝置，其中容水量較小的由 7 個 200 馬力的正回轉式鼓風機驅動，容水量較大的由 4 個 300 馬力的離心式鼓風機驅動。
每個曝氣池上方都有一個大圓頂覆蓋著，廢水處理過程中產生的氣體需要經過除臭工藝。由 4 個 100 馬力和 1 個 75 馬力的風扇將氣體鼓吹到除臭器中。除臭器是塔狀填充材料組成的，污濁氣體經次氯酸鹽和苛性堿溶液氧化，除去其中的硫化氫。
工藝難點
處理工藝的最大挑戰是廢水復雜，化學需氧量（COD)較高。通常市政污水處理廠的入流污水 COD 不超過 300 mg/L，但 BMS 的入流污水一般是生產過程中的發酵產物，平均 COD 約為 7,000 mg/L。因此，廢水處理所需要的停留時間相對較長，一般為 4 天，即 96 小時，而非市政污水處理廠通常所需要的12－18小時。停留時間延長是為了讓廢水充分曝氣，以達到 COD 排放標準。
直到2003 年，曝氣池的 DO 值都是用手持式測量計監測的。若測量結果低于排放標準，則運行另一個鼓風機以提高DO值。若測量結果高于目標值，則關閉一個鼓風機。
毫無疑問，這種方法的確可以保證出水水質達標，但效率非常低下。因為鼓風機只有開/關兩種工作模式——全速運行，或閑置。若DO過低，或接近達標臨界值，操作人員就會多運行一臺鼓風機；若DO過高，則會關閉鼓風機。
問題的關鍵在于因為只是定期監測曝氣池中的 DO ，操作人員并不能確定最近的監測數據是否在一段時間內穩定不變，抑或僅代表采樣瞬間的情況，采樣后 DO 可能立即出現變化。
這樣一來，系統常常是過量運行鼓風機，以保證曝氣池中 DO 達到安全底線。這就導致系統浪費了很多能源，提高了運行成本，且增加了系統維護和停工的時間。
“為確保出水水質達標，系統以曲線的上限參數運行，通常曝氣過量，”工廠經理 Dave Dombrosky 說，“實際上，我們等于是浪費了一臺曝氣機的能耗。”
改進方案
操作人員一直在努力探求改進工藝、提高曝氣效率的方法。若能實現 DO 在線監測，同時注意問題數據，操作人員就可以更準確、連續地監測工況，減少鼓風機不必要的運行。
操作人員設想的最理想的解決方案是在鼓風機上裝一個 DO 在線分析儀，曝氣系統能根據 DO 測量值自動調整、運行鼓風機。利用變頻驅動器（ VFDs ）控制鼓風機，意味著一旦讀數消失，200 馬力的鼓風機就不再需要全速運行。若 DO 讀數表明需要補充曝氣，則 VFDs 能恰好提供相應的曝氣量。
最后的障礙
操作人員面臨的首要問題是缺乏可信、重現性好的在線 DO 分析儀。處理工藝的操作溫度為 112 ℉，而市售在線 DO 分析儀的最高耐受溫度僅 105 ℉，因而，操作人員無法在曝氣池中應用在線 DO 分析技術。
“實現自動化是我們一直以來的夢想，” Merritt 說，“但是，由于市售 DO 在線監測儀的溫度操作范圍受限，該技術無法勝任連續監測任務。”
哈希的解決方案
哈希 LDO® 技術創造性地將熒光技術應用到 DO 測定中，該技術引進后，操作人員立即發現廢水處理工藝運行的效率有了實質性的提高。因為 LDO 探頭的最高耐受溫度為 122 ℉，遠高于廢水處理工藝的溫度，這就解決了限制系統升級的根本問題。哈希自動監測系統不僅避免了原先頻繁、不連續的手動監測過程，而且相對其他在線 DO 測量儀而言，清潔和維護工作大大減少。
Hach LDO® 傳感器的探頭表面涂有一層熒光材料。發光二極管（LED）發出的藍光照射在傳感器表面的熒光物質上，熒光物質受激發，發出紅光。工藝中的 DO 能縮短發出紅光的時間。測量藍光照射和紅光發射的時間差，經校正可以得到出水或其他溶液的DO值。測量過程中，使用紅色的 LED 作為內參比校正。
相對先前的DO測量技術，Hach LDO® 溶解氧在線分析儀有很多優點。分析儀未使用傳統的膜、電解液和陰、陽極，因而大大減少了維護工作，只需定期擦拭傳感器表面即可。唯一需要替換的零部件是傳感器帽，不過傳感器帽價格便宜，且替換方便。每次讀數均經過內參比液校正，傳感器不受 pH 值、硫化氫、重金屬或其他化合物的影響，因此系統能在較長時間內給出穩定、正確的測量結果。立式安裝或浮球式安裝工具包方便用戶在任何需要的地方使用該分析儀。
系統升級
Merritt 和 Dombrosky 從哈希代理商處了解到 Hach LDO® 溶解氧在線分析儀的相關信息后，立即意識到這種新技術所能帶來的巨大效益，以及如何權衡費/效。他們決定在 Hach LDO® 溶解氧在線分析儀的三個月試用期內盡可能收集數據，核算停止手動監測方案和鼓風機能耗節省所帶來的潛在投資回報。
Domabrosky 說，“我們需要證明系統升級的一次性巨額投資——鼓風機的變頻驅動器——的投資回收期是相對合理、可以接受的。”
試用結果表明系統升級后運行費用顯著降低，工作組向 BMS 申請投資購買了鼓風機的VFDs ，且又為其它曝氣池購買了 3 臺 LDO 分析儀。整個項目，包括 LDO 分析儀，VFDs 以及安裝費，共計約 $ 65,000，預計系統升級的投資回收期不超過 1 年。
如今，BMS 的 4 個曝氣池中均由 Hach LDO 溶解氧在線分析儀全自動監測。操作人員可以 24 小時連續監測曝氣池中的 DO，DO 讀數經程序邏輯控制器（PLC）分析，若讀數表明某曝氣池中仍需要曝氣，則 PLC 會自動加速該池的鼓風機。VFDs 能提供適當的曝氣量以使 DO 恰好符合標準，而不是像過去那樣全速開啟 200 馬力或 300 馬力的鼓風機，浪費很多能量。
“毫無疑問，我們在購買哈希的分析儀、安裝鼓風機的VFDs 時，需要考慮成本因素，” Merritt 說，“但是我們認識到：系統升級后，運行費用得到了有效控制，從中節約的成本是巨大的。我們只要將系統設置在維持 2 ppm DO，然后就讓它自動運行。Hach LDO® 溶解氧在線分析儀自動將 DO 讀數輸入 PLC 后，PLC 會加速或減慢鼓風機的運行速度，以維持曝氣池中 DO 為 2 ppm。DO 測量方法具有持續性、可重復性和可靠性，系統的處理效果與效率相對我們原先采用的技術有了很大的提高。
在線監測的優點
由原先周期性地手動操作升級到在線自動監測，操作人員立即就能體會到諸多便捷之處。除了 VFDs 能節省能耗外，操作人員也發現了系統中的問題和不足。但總體看來，系統升級后不再需要手動監測，大大減少了維護工作和工作人員的勞動量，同時，VFDs 的應用也減輕了鼓風機的工作負荷。
投資回報
Hach LDO® 溶解氧在線分析儀能連續監測 DO，DO 讀數自動輸入PLCs后，由 VFDs 根據讀數情況驅動鼓風曝氣機。由此節約的能耗是相當可觀的。Hach LDO® 探頭為 BMS 的每個曝氣池節約能耗費用達 $ 24,000 /年。若三個曝氣池同時 24 小時連續運行，那么僅能耗一項就能為企業節省 $72,000 /年，這對于能耗 $ 100,000 /年的企業而言，是相當可觀的一筆數目。
盡管未核算其它相關的資金節省情況，但工作人員預計這也是相當可觀的。手動采樣監測DO 和檢查鼓風機所需要的勞動量、維護和耗材都大大減少了。由于不再過量曝氣，臭味控制和消除工藝中除臭器的負荷減少了 25％ ，從而節省了能耗、勞動力、耗材和維護費用。
也許系統升級帶給我們的最大利益是無法計算的：操作人員從此能便捷準確地了解和控制整個工藝流程。
“過去，如果發現 DO 達不到標準值，我們會打開鼓風機，”Merritt 說，“但是我們不知道測得的 DO 值到底是反映采樣瞬間的 DO 水平呢，還是反映一段時間內的 DO 水平？而我們又不能冒險，那就只能浪費空氣和能量。如今，我們隨時掌握著工藝的運行情況，系統能自動地使用適量的能量、空氣穩定運行。
與此同時，工作人員加強了和當地市政污水處理廠的合作關系，該污水處理廠可以證明 BMS 的出水水質穩定達標。盡管BMS的有些鄰居可能并不了解，但他們完全可以相信 BMS 一直在努力地做個好鄰居，積極探求新技術來改進工藝，保護環境。