Disseny i posada en marxa d'un sistema d'aireació precisa per a una planta de tractament d'aigües residuals AAO multi-etapa
Visió general
El tractament d'aigües residuals és un component vital de la construcció urbana. En els últims anys, la indústria del tractament d'aigües residuals de la Xina s'ha desenvolupat ràpidament. La participació profunda de les plantes de tractament d'aigües residuals en la reducció col·laborativa d'emissions serveix com a suport important per construir una societat baixa-carboni, desenvolupar una economia baixa-carboni i assolir un desenvolupament urbà sostenible. En el marc dels objectius "Dual Carbon", el concepte de plantes de tractament d'aigües residuals de baix-carboni ha cridat l'atenció del sector. Per alinear-se amb l'estratègia de desenvolupament de les plantes de tractament d'aigües residuals de baix-carboni, cal analitzar i estudiar els factors clau que influeixen en la conservació d'energia i la reducció d'emissions.
La majoria de tractaments d'aigües residuals domèstiques utilitzen processos de fangs activats. Un factor clau en aquest tractament és el subministrament d'una quantitat adequada d'oxigen per a les reaccions d'oxidació dels microorganismes als dipòsits biològics, la qual cosa fa que el control del volum d'aireació sigui crucial. El control tradicional de l'aireació, que s'aconsegueix mitjançant interruptors manuals, depèn principalment de l'experiència dels-operadors del lloc, la qual cosa comporta una incertesa i un malbaratament importants. Per aconseguir un control automàtic de sistemes d'aireació precisos i reduir la intervenció manual, els investigadors han estudiat àmpliament els mètodes de control de l'aireació, com ara el control difuso, les xarxes neuronals, les xarxes neuronals difuses, els algorismes genètics i les màquines vectorials de suport. Aquest article se centra en el procés AAO de diverses etapes d'una planta de tractament d'aigües residuals a Shenzhen, analitzant i resumint el procés de disseny i posada en marxa del seu sistema d'aireació precís per proporcionar referència per a projectes similars.
1 Visió general del sistema
1.1 Principi del sistema d'aireació precisa
El tractament biològic és l'etapa més important en el procés de tractament d'aigües residuals, que normalment té com a objectiu eliminar o reduir les substàncies diana de les aigües residuals per complir amb els estàndards d'abocament mantenint un creixement microbià sostingut i eficaç i promovent els processos bioquímics. Les estratègies de control tradicionals no poden respondre de manera oportuna i precisa als canvis en els paràmetres operatius de les modernes plantes de tractament d'aigües residuals. Durant l'operació de prova inicial, sovint només es fan ajustos als ventiladors o a les canonades d'aireació terminal, sense poder realitzar la regulació-en temps real, a la-demanada del volum d'aireació dels tancs de reacció basant-se en els canvis reals de les condicions operatives, alhora que s'aconsegueix un estalvi d'energia.
L'oxigen dissolt (DO) és un factor principal que afecta el procés de tractament biològic. La qualitat del control de DO afecta directament l'eficiència del tractament d'aigües residuals. El sistema d'aireació precís introdueix un mètode de control multi-paràmetres que combina "feedforward + feedback + model", abordant eficaçment característiques com ara grans retards i no-linealitat a les plantes de tractament d'aigües residuals. Considera de manera exhaustiva els ventiladors, les vàlvules reguladores de les canonades d'aireació, així com el DO i la càrrega d'aigua, per implementar un control precís del procés de reacció biològica, aconseguint l'-aireació a demanda, millorant així l'estabilitat operativa del sistema i estalviant energia.
A les plantes de tractament d'aigües residuals, els senyals d'alimentació anticipada inclouen principalment senyals de flux d'afluents i de qualitat; Els senyals de retroalimentació inclouen principalment DO, sòlids en suspensió de licors barrejats (MLSS) i senyals de nivell de tancs biològics.
L'estratègia de control de DO dels sistemes d'aireació precisa normalment té dos enfocaments: establir l'objectiu de control com a valor constant o com a valor dinàmic.
Normalment, sota l'estratègia on l'objectiu de control de DO s'estableix com a valor constant, el sistema d'aireació precís calcula el volum d'aire necessari per a cada zona del tanc biològic i el volum total d'aire requerit en funció de senyals com ara la qualitat de l'afluent, el flux d'afluent, el punt de consigna de DO i el tanc biològic MLSS. A continuació, ajusta el sistema de control principal del ventilador i les vàlvules elèctriques a les canonades d'aireació per fer coincidir el subministrament d'aire amb la demanda, aconseguint així el control del valor objectiu de DO.
Mitjançant l'adopció d'un sistema d'aireació precís, les plantes de tractament d'aigües residuals poden assolir millor els objectius següents:
(1) Reduir el consum d'energia per unitat d'aigües residuals tractades, reduint els costos.
(2) Millorar l'estabilitat i la fiabilitat generals de les operacions de tractament d'aigües residuals.
(3) Ajusta automàticament l'aireació en funció de la càrrega d'aigua tractada i la càrrega de contaminació, aconseguint realment una-aireació i un control automàtic a la demanda.
(4) Millorar la qualitat de l'efluent i augmentar la taxa de compliment de la qualitat de l'efluent.
1.2 Disseny global del sistema d'aireació precisa
La capacitat de tractament dissenyada d'aquesta depuradora és de 50.000 m³/d. Adopta un procés AAO multi-etapa, equipat amb 2 dipòsits biològics. Els principals indicadors de qualitat dels efluents compleixen els estàndards de classe IV d'aigües superficials. El flux del procés de tractament d'aigües residuals es mostra aFigura 1.
El projecte compta amb 2 dipòsits biològics. Cada dipòsit biològic es divideix en 6 zones de control de DO, el que resulta en un total de 12 zones de control de DO per als dipòsits biològics de la planta. El diagrama de disseny del seu sistema d'aireació precís es mostra aFigura 2.
Per aconseguir una aireació precisa, es requereix una xarxa de control completa per al sistema d'aireació precís. La topologia de comunicació d'automatització del sistema d'aireació precís es mostra aFigura 3.
L'estació mestra precís del sistema d'aireació obté directament els paràmetres rellevants dels ventiladors d'aireació mitjançant la comunicació, recull senyals dels instruments de monitorització del lloc{0} i envia ordres d'ajust de control a les vàlvules de l'equip i al sistema de ventilació, aconseguint així un control automàtic complet del procés d'aireació i una regulació coordinada de les vàlvules de control de flux i els bufadors.
1.3 Components de maquinari del sistema d'aireació precisa
Es configura un analitzador de DO en línia per a cada zona de control de DO. Un mesurador de cabal de gas tèrmic i una vàlvula de control elèctrica es configuren al tub de derivació d'aireació corresponent a cada zona de control de DO. Un mesurador de cabal de gas tèrmic i un transmissor de pressió estan instal·lats a la canonada de sortida principal de la sala de ventilació.
La taula de configuració d'equips i instruments per al sistema d'aireació precís es mostra aTaula 1.
1.4 Components del programari del sistema d'aireació precisa
El programari del sistema d'aireació precisa s'instal·la i s'executa a l'estació de treball del sistema d'aireació precisa, que serveix com a unitat de processament principal del sistema. A partir dels senyals de camp recollits, aquesta unitat calcula la demanda d'aire biològic dels tancs biològics mitjançant un model i emet simultàniament ordres d'ajust als dispositius de control de camp. Funcionalment, inclou mòduls bàsics com ara el mòdul de càlcul del volum d'aireació, el mòdul de distribució d'aire i el mòdul de configuració d'optimització del ventilador.
El programari del sistema d'aireació precís està dissenyat principalment en funció dels dos aspectes següents:
(1) El sistema d'aireació precís divideix la secció aeròbica en diverses zones de control de DO independents, capaços d'adaptar-se als requisits del flux de control del procés, ajustant automàticament el flux d'aireació per satisfer les condicions del procés de distribució de DO requerides per les unitats de tractament.
(2) El sistema d'aireació precís permet als usuaris establir de manera independent els nivells de DO objectiu i admet els punts de consigna dinàmics de DO. Tenint en compte la comoditat i l'operativitat, les dades rellevants es poden veure i configurar a la sala de control central.
El mecanisme de control per a una aireació precisa prioritza el camp, seguit de l'ordinador superior de control central, que inclou principalment el control de la vàlvula i el control del bufador.
El control de la vàlvula té dos modes: mode de control local i mode de control remot. A l'ordinador superior de control central, hi ha dues opcions: el mode manual i el mode d'aireació precisa.
El control de pressió del ventilador inclou:
(1) Quan l'armari de control principal entra en mode local, el punt de consigna de pressió es pot configurar manualment localment.
(2) Quan l'armari de control principal entra en mode automàtic remot, la configuració de la pressió es divideix en dos modes: aireació manual i precisa i interruptors de control a la sala de control central.
Com que disposa de tres modes de control - control automàtic complet, control automàtic parcial i control forçat manual - i permet canviar de mode tant al lloc-a la sala de control principal, el sistema d'aireació precís pot gestionar adequadament les diverses situacions que es troben durant el funcionament de la planta de tractament d'aigües residuals.
1.5 Funcions del sistema d'aireació precisa
1.5.1 Càlcul de la demanda d'aire
El sistema d'aireació precís pot calcular dinàmicament la demanda d'aire real basant-se en els canvis en diversos factors dins dels tancs biològics, permetent que el sistema d'aireació subministre aire sota demanda. El model de càlcul de la demanda d'aire per al sistema d'aireació precís es mostra aFigura4.
En aplicacions pràctiques de control precís de l'aireació a les plantes de tractament d'aigües residuals, el sistema d'aireació precís pot calcular la demanda real d'aire en temps real-a mesura que canvien el flux d'influent i les càrregues de qualitat, assegurant una aireació raonable que compleixi els requisits bioquímics alhora que estalvia un consum d'energia d'aireació innecessari.
1.5.2 Distribució del volum d'aireació
El sistema d'aireació precís implica múltiples unitats de control d'aireació. El sistema incorpora una estratègia de control de desacoblament de diverses-vàlvules per suprimir les interferències dels ajustos d'una-vàlvula d'altres vàlvules. També posseeix una estratègia de control d'obertura òptima de diverses-vàlvules, que permet ajustar l'obertura de la vàlvula de manera ràpida i òptima per aconseguir una transmissió i distribució ràpida i precisa del volum d'aireació entre diferents unitats de control d'aireació.
1.5.3 Control d'optimització del ventilador
L'estalvi d'energia en el procés d'aeració s'aconsegueix optimitzant el funcionament del ventilador. El nucli del sistema d'aireació és regular el funcionament del ventilador en funció dels paràmetres operatius. D'una banda, els ajustos del ventilador han de tenir en compte els paràmetres operatius reals; d'altra banda, els ajustos del ventilador també han de tenir en compte la protecció de l'equip. El principi general és fer funcionar els ventiladors en les condicions més econòmiques alhora que s'evita condicions anormals del ventilador (com ara la pujada).
El sistema d'aireació precís calcula el volum d'aire requerit en funció dels paràmetres operatius del procés actual i després envia el senyal al gabinet de control del ventilador. Les operacions com l'arrencada/aturada dels bufadors i l'ajust de les obertures es realitzen en funció del punt de consigna total del volum d'aire per satisfer la demanda d'aireació del sistema biològic, mentre que la pressió de protecció contra sobretensions s'utilitza per protegir els ventiladors de les pujades. Els bufadors són equips bàsics de procés a les plantes de tractament d'aigües residuals. El sistema d'aireació precís hauria de regular el funcionament del ventilador per satisfer la demanda d'aireació dels tancs biològics alhora que evita que el ventilador augmenti.
2 Posada en funcionament del Sistema d'Aireació Precisa
Per garantir el funcionament normal del sistema d'aireació precís, primer s'han de posar en funcionament un per un els dispositius individuals del sistema. Posteriorment, és necessària la posada en marxa coordinada de les vàlvules d'aireació dels dipòsits biològics i els bufadors, establint el volum d'aire del ventilador i regulant el control de la pressió de la canonada. Durant la posada en marxa, totes les operacions i ajustos han de garantir que no hi hagi impacte en la producció. Concretament, cal destacar les precaucions per al funcionament d'emergència del ventilador:
(1) Durant-a curt termini fluctuacions significatives en l'obertura del ventilador. Aquest sistema utilitza bufadors centrífugs amb coixinets magnètics, que poden rebre els punts de consigna enviats pel sistema d'aireació precís en-temps real. El bufador ajusta el seu temps d'obertura i d'acció en funció de la diferència. El sistema d'aireació precís disposa d'un mecanisme de protecció de seguretat per a les fluctuacions del ventilador per evitar les pujades provocades per les fluctuacions. Les possibles raons de les fluctuacions significatives-a curt termini en l'obertura del ventilador inclouen canvis sobtats en la qualitat de l'afluent, paràmetres d'ajust del sistema no coincidents, canvis sobtats en la pressió de la canonada i fallades dels instruments del tanc biològic. Per a la seguretat de l'equip, per evitar grans fluctuacions de pressió de la canonada i riscos d'augment del ventilador, el sistema d'aireació precís es pot anul·lar manualment i canviar al mode manual.
(2) Durant la pujada del ventilador. Durant la posada en marxa inicial, de vegades és inevitable l'augment del ventilador. Les possibles raons inclouen una coordinació insuficient entre les vàlvules i els bufadors, que provoca un augment de la pressió de la canonada i un augment; o els propis paràmetres del ventilador no raonables, amb ajustos d'obertura massa ràpids, fent que el propi ventilador augmenti. Quan es produeix aquesta falla, el sistema d'aireació precisa es pot anul·lar manualment i canviar-lo al mode manual per al seu funcionament.
3 Eficàcia del control de DO i resultats d'estalvi d'energia del sistema d'aireació precisa
3.1 Efectivitat del control de DO del sistema d'aireació precisa
La verificació de l'eficàcia del sistema d'aireació precís per a aquest projecte es va dur a terme principalment comparant escenaris amb i sense la intervenció del sistema. Els mètodes de control tradicionals no poden respondre de manera oportuna i precisa a l'impacte de diverses pertorbacions. Quan el valor de DO controlat en línia mostra grans fluctuacions, la variació de l'oxigen dissolt (DO) al llarg del temps en un lloc determinat en un dipòsit biològic sense aireació precisa es mostra aFigura 5.
En comparació amb els mètodes de control de tancs biològics tradicionals, el mètode de control de l'aireació precís pot controlar amb més precisió el DO dins del dipòsit biològic, demostrant una adaptabilitat més forta, permetent així una millor aireació i estalvi d'energia. La tendència de l'oxigen dissolt (DO) en un lloc determinat en un tanc biològic amb aireació precisa es mostra aFigura 6.
Segons els resultats de l'operació de prova del sistema de control precís d'aquest projecte, la probabilitat dels valors de DO distribuïts dins de ± 0,5 mg/L del punt de consigna objectiu és del 90%; la probabilitat dins de ± 0,3 mg/L és del 30%; i la probabilitat dins de ± 0,2 mg/L és del 20%, complint els requisits de disseny i les necessitats operatives reals.
3.2 Resultats d'estalvi d'energia del control de DO amb el sistema d'aireació precisa
A la planta de tractament d'aigües residuals AAO multi-etapa, el sistema d'aireació precís calcula el volum total d'aire necessari en temps real-basat en el flux d'afluent actual i la càrrega durant el control del ventilador. A continuació, transmet la consigna de demanda total d'aire a l'armari de control principal del ventilador, que regula els ventiladors associats segons l'objectiu establert. Això garanteix que el volum d'aireació compleixi les demandes reals tant en condicions de càrrega alta com baixa, alhora que redueix el consum d'energia d'aireació innecessari. Sota el control tradicional, els ventiladors solen funcionar contínuament a una potència relativament alta. Mitjançant el control precís dels ventiladors del sistema d'aireació, s'aconsegueix l'ajust-en temps real de la potència operativa, aconseguint l'objectiu d'estalviar energia.
Després d'adoptar el sistema d'aireació precís, la planta de tractament d'aigües residuals AAO de diverses etapes es beneficia del funcionament normal dels equips de tractament, dades precises de l'instrument, flux d'afluents estables i qualitat (que no superen el ±20% dels valors de disseny), pressió de funcionament del ventilador suficient, volum d'aire ajustable contínuament i funcionament automàtic de pressió constant del gabinet de control principal.
4 Conclusió
L'aplicació del sistema d'aireació precís a la planta de tractament d'aigües residuals AAO de diverses etapes pretén proporcionar una solució operativa refinada per a l'etapa d'aireació del procés de tractament d'aigües residuals. La solució precisa del sistema d'aireació s'adapta completament a les condicions de funcionament de la planta, aconseguint un control precís de l'aireació. Sobre aquesta base, l'entorn bioquímic microbià es manté estable, ajudant així la planta de tractament d'aigües residuals a aconseguir un funcionament refinat,-d'estalvi d'energia i automatitzat del sistema d'aireació, millorant en conseqüència l'estabilitat de la qualitat de l'efluent.