HACH LDO在百时美施贵宝公司的应用

百时美施贵宝公司努力成为好邻居
Hach LDO®技术提高了制药公司废水处理工艺的效率，为保护环境和社会做出贡献

百时美施贵宝（BMS）公司位于纽约雪城的制药厂，以往都是定期手动监测废水处理工艺中的溶解氧（DO）。应用这种技术时，操作人员无法对曝气池中的DO进行连续监测。为确保曝气充分，避免因负荷变化导致的安全性问题，他们的鼓风曝气量远远超过了实际需要。现在，公司采用新的技术—— DO在线监测仪后，操作人员可以连续、准确地监测曝气池中的 DO水平。自动变频驱动器（ VFDs ）可直接根据 DO读数情况，通过闭合线圈控制鼓风曝气机的运作。系统升级后，耗电量仅约为原先的 75%，为企业节省了相当可观的能源和维护费用，预计 BMS系统升级的投资收回期限不超过 1年。
公司简介
百时美施贵宝公司（BMS）是一家从事医药及相关保健产品生产的全球性企业，秉承“延长人类寿命，提高生活质量”的使命。位于纽约雪城的制药厂是公司历史最悠久、规模最大的工厂之一，建于 1943 年，是当时联邦政府遴选出的 12 家大规模生产青霉素的公司之一。
厂区拥有员工近 800 人，占地 90 英亩，办公、实验室和生产车间总面积达 170 万平方英尺。BMS 在最先进的中试车间中研发新的药物，批量生产青霉素的一种活性组分——活性抗生素。药厂拥有的大体积发酵设备在美国同行中是绝无仅有的。
周围环境的一份子
生产部门在六十年后幡然醒悟，认识到自己也是周围环境的一份子。因而对周围邻居们的关注特别敏感，采取了很多有效措施以确保其处理工艺尽可能高效和充分。其中污水处理设施，包括臭味的控制和消除等，尤其受到关注。
BMS 以往一直是不惜牺牲能效，也要确保其处理工艺曝气池中 DO 达标。而今采用 Hach LDO®（荧光溶解氧）在线监测系统 24 小时连续监测后，操作人员能随时了解工艺的运行状况，从而及时对废水水流的突发异常现象做出应对措施。自动操作模式下 DO 测定的精确度相对手动模式有所提高，因而效率较高，大大节约了能耗，且进一步保障了臭味的控制消除效果。
BMS 处理工艺
BMS 的废水处理是外包给新泽西州 Covanta 能源公司的 Fairfield 下属部门——古尼罕（Cunningham）环保有限公司的。污水处理由古尼罕公司的Dean Merritt 组长负责，他和另外9 名古尼罕员工一起运行设备。他们轮班监管设备的运行状况，以确保出水达到排放标准。BMS 工厂经理 Dave Dombrosky 负责监督 Merritt 及其员工的工作。
工艺前处理设备的日处理水量为 120 万加仑，出水排往雪城污水处理厂。“我们的出水水质很好，”Merritt 说，“已经达标，按规定本可以直接排放，只是厂区附近没有受纳水体。”
系统包括四个曝气池，其中三个容水量为 190 万加仑的池子同时运行，另一个容水量为 250 万加仑的池子则为周期 4 h 的旋转式反硝化。每个曝气池底部均装有一个粗糙的曝气装置，其中容水量较小的由 7 个 200 马力的正回转式鼓风机驱动，容水量较大的由 4 个 300 马力的离心式鼓风机驱动。
每个曝气池上方都有一个大圆顶覆盖着，废水处理过程中产生的气体需要经过除臭工艺。由 4 个 100 马力和 1 个 75 马力的风扇将气体鼓吹到除臭器中。除臭器是塔状填充材料组成的，污浊气体经次氯酸盐和苛性碱溶液氧化，除去其中的硫化氢。
工艺难点
处理工艺的最大挑战是废水复杂，化学需氧量（COD)较高。通常市政污水处理厂的入流污水 COD 不超过 300 mg/L，但 BMS 的入流污水一般是生产过程中的发酵产物，平均 COD 约为 7,000 mg/L。因此，废水处理所需要的停留时间相对较长，一般为 4 天，即 96 小时，而非市政污水处理厂通常所需要的12－18小时。停留时间延长是为了让废水充分曝气，以达到 COD 排放标准。
直到2003 年，曝气池的 DO 值都是用手持式测量计监测的。若测量结果低于排放标准，则运行另一个鼓风机以提高DO值。若测量结果高于目标值，则关闭一个鼓风机。
毫无疑问，这种方法的确可以保证出水水质达标，但效率非常低下。因为鼓风机只有开/关两种工作模式——全速运行，或闲置。若DO过低，或接近达标临界值，操作人员就会多运行一台鼓风机；若DO过高，则会关闭鼓风机。
问题的关键在于因为只是定期监测曝气池中的 DO ，操作人员并不能确定最近的监测数据是否在一段时间内稳定不变，抑或仅代表采样瞬间的情况，采样后 DO 可能立即出现变化。
这样一来，系统常常是过量运行鼓风机，以保证曝气池中 DO 达到安全底线。这就导致系统浪费了很多能源，提高了运行成本，且增加了系统维护和停工的时间。
“为确保出水水质达标，系统以曲线的上限参数运行，通常曝气过量，”工厂经理 Dave Dombrosky 说，“实际上，我们等于是浪费了一台曝气机的能耗。”
改进方案
操作人员一直在努力探求改进工艺、提高曝气效率的方法。若能实现 DO 在线监测，同时注意问题数据，操作人员就可以更准确、连续地监测工况，减少鼓风机不必要的运行。
操作人员设想的最理想的解决方案是在鼓风机上装一个 DO 在线分析仪，曝气系统能根据 DO 测量值自动调整、运行鼓风机。利用变频驱动器（ VFDs ）控制鼓风机，意味着一旦读数消失，200 马力的鼓风机就不再需要全速运行。若 DO 读数表明需要补充曝气，则 VFDs 能恰好提供相应的曝气量。
最后的障碍
操作人员面临的首要问题是缺乏可信、重现性好的在线 DO 分析仪。处理工艺的操作温度为 112 ℉，而市售在线 DO 分析仪的最高耐受温度仅 105 ℉，因而，操作人员无法在曝气池中应用在线 DO 分析技术。
“实现自动化是我们一直以来的梦想，” Merritt 说，“但是，由于市售 DO 在线监测仪的温度操作范围受限，该技术无法胜任连续监测任务。”
哈希的解决方案
哈希 LDO® 技术创造性地将荧光技术应用到 DO 测定中，该技术引进后，操作人员立即发现废水处理工艺运行的效率有了实质性的提高。因为 LDO 探头的最高耐受温度为 122 ℉，远高于废水处理工艺的温度，这就解决了限制系统升级的根本问题。哈希自动监测系统不仅避免了原先频繁、不连续的手动监测过程，而且相对其他在线 DO 测量仪而言，清洁和维护工作大大减少。
Hach LDO® 传感器的探头表面涂有一层荧光材料。发光二极管（LED）发出的蓝光照射在传感器表面的荧光物质上，荧光物质受激发，发出红光。工艺中的 DO 能缩短发出红光的时间。测量蓝光照射和红光发射的时间差，经校正可以得到出水或其他溶液的DO值。测量过程中，使用红色的 LED 作为内参比校正。
相对先前的DO测量技术，Hach LDO® 溶解氧在线分析仪有很多优点。分析仪未使用传统的膜、电解液和阴、阳极，因而大大减少了维护工作，只需定期擦拭传感器表面即可。唯一需要替换的零部件是传感器帽，不过传感器帽价格便宜，且替换方便。每次读数均经过内参比液校正，传感器不受 pH 值、硫化氢、重金属或其他化合物的影响，因此系统能在较长时间内给出稳定、正确的测量结果。立式安装或浮球式安装工具包方便用户在任何需要的地方使用该分析仪。
系统升级
Merritt 和 Dombrosky 从哈希代理商处了解到 Hach LDO® 溶解氧在线分析仪的相关信息后，立即意识到这种新技术所能带来的巨大效益，以及如何权衡费/效。他们决定在 Hach LDO® 溶解氧在线分析仪的三个月试用期内尽可能收集数据，核算停止手动监测方案和鼓风机能耗节省所带来的潜在投资回报。
Domabrosky 说，“我们需要证明系统升级的一次性巨额投资——鼓风机的变频驱动器——的投资回收期是相对合理、可以接受的。”
试用结果表明系统升级后运行费用显著降低，工作组向 BMS 申请投资购买了鼓风机的VFDs ，且又为其它曝气池购买了 3 台 LDO 分析仪。整个项目，包括 LDO 分析仪，VFDs 以及安装费，共计约 $ 65,000，预计系统升级的投资回收期不超过 1 年。
如今，BMS 的 4 个曝气池中均由 Hach LDO 溶解氧在线分析仪全自动监测。操作人员可以 24 小时连续监测曝气池中的 DO，DO 读数经程序逻辑控制器（PLC）分析，若读数表明某曝气池中仍需要曝气，则 PLC 会自动加速该池的鼓风机。VFDs 能提供适当的曝气量以使 DO 恰好符合标准，而不是像过去那样全速开启 200 马力或 300 马力的鼓风机，浪费很多能量。
“毫无疑问，我们在购买哈希的分析仪、安装鼓风机的VFDs 时，需要考虑成本因素，” Merritt 说，“但是我们认识到：系统升级后，运行费用得到了有效控制，从中节约的成本是巨大的。我们只要将系统设置在维持 2 ppm DO，然后就让它自动运行。Hach LDO® 溶解氧在线分析仪自动将 DO 读数输入 PLC 后，PLC 会加速或减慢鼓风机的运行速度，以维持曝气池中 DO 为 2 ppm。DO 测量方法具有持续性、可重复性和可靠性，系统的处理效果与效率相对我们原先采用的技术有了很大的提高。
在线监测的优点
由原先周期性地手动操作升级到在线自动监测，操作人员立即就能体会到诸多便捷之处。除了 VFDs 能节省能耗外，操作人员也发现了系统中的问题和不足。但总体看来，系统升级后不再需要手动监测，大大减少了维护工作和工作人员的劳动量，同时，VFDs 的应用也减轻了鼓风机的工作负荷。
投资回报
Hach LDO® 溶解氧在线分析仪能连续监测 DO，DO 读数自动输入PLCs后，由 VFDs 根据读数情况驱动鼓风曝气机。由此节约的能耗是相当可观的。Hach LDO® 探头为 BMS 的每个曝气池节约能耗费用达 $ 24,000 /年。若三个曝气池同时 24 小时连续运行，那么仅能耗一项就能为企业节省 $72,000 /年，这对于能耗 $ 100,000 /年的企业而言，是相当可观的一笔数目。
尽管未核算其它相关的资金节省情况，但工作人员预计这也是相当可观的。手动采样监测DO 和检查鼓风机所需要的劳动量、维护和耗材都大大减少了。由于不再过量曝气，臭味控制和消除工艺中除臭器的负荷减少了 25％ ，从而节省了能耗、劳动力、耗材和维护费用。
也许系统升级带给我们的最大利益是无法计算的：操作人员从此能便捷准确地了解和控制整个工艺流程。
“过去，如果发现 DO 达不到标准值，我们会打开鼓风机，”Merritt 说，“但是我们不知道测得的 DO 值到底是反映采样瞬间的 DO 水平呢，还是反映一段时间内的 DO 水平？而我们又不能冒险，那就只能浪费空气和能量。如今，我们随时掌握着工艺的运行情况，系统能自动地使用适量的能量、空气稳定运行。
与此同时，工作人员加强了和当地市政污水处理厂的合作关系，该污水处理厂可以证明 BMS 的出水水质稳定达标。尽管BMS的有些邻居可能并不了解，但他们完全可以相信 BMS 一直在努力地做个好邻居，积极探求新技术来改进工艺，保护环境。