Progettazione e messa in servizio di un sistema di aerazione preciso per un impianto di trattamento delle acque reflue AAO multi-stadio
Panoramica
Il trattamento delle acque reflue è una componente vitale dell’edilizia urbana. Negli ultimi anni, l'industria cinese del trattamento delle acque reflue si è sviluppata rapidamente. La profonda partecipazione degli impianti di trattamento delle acque reflue alla riduzione collaborativa delle emissioni costituisce un importante supporto per la costruzione di una società a basse-carbonio, lo sviluppo di un'economia a basse-carbonio e il raggiungimento di uno sviluppo urbano sostenibile. Nell'ambito degli obiettivi "Dual Carbon", il concetto di impianti di trattamento delle acque reflue a basso-carbonio ha attirato l'attenzione del settore. Per allinearsi alla strategia di sviluppo di impianti di trattamento delle acque reflue a basso-carbonio, è necessario analizzare e studiare i fattori chiave che influenzano il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni.
La maggior parte del trattamento delle acque reflue domestiche impiega processi a fanghi attivi. Un fattore chiave in questo trattamento è fornire una quantità adeguata di ossigeno per le reazioni di ossidazione da parte dei microrganismi nei serbatoi biologici, rendendo cruciale il controllo del volume di aerazione. Il controllo dell'aerazione tradizionale, ottenuto tramite interruttori manuali, si basa principalmente sull'esperienza degli operatori in loco-, il che comporta notevoli incertezze e sprechi. Per ottenere il controllo automatico di sistemi di aerazione precisi e ridurre l’intervento manuale, i ricercatori hanno studiato approfonditamente i metodi di controllo dell’aerazione, tra cui il controllo fuzzy, le reti neurali, le reti neurali fuzzy, gli algoritmi genetici e le macchine vettoriali di supporto. Questo articolo si concentra sul processo AAO in più-fasi di un impianto di trattamento delle acque reflue a Shenzhen, analizzando e riassumendo il processo di progettazione e messa in servizio del suo preciso sistema di aerazione per fornire un riferimento per progetti simili.
1 Panoramica del sistema
1.1 Principio del sistema di aerazione preciso
Il trattamento biologico è la fase più importante nel processo di trattamento delle acque reflue, in genere mira a rimuovere o ridurre le sostanze target nelle acque reflue per soddisfare gli standard di scarico mantenendo una crescita microbica sostenuta ed efficace e promuovendo i processi biochimici. Le strategie di controllo tradizionali non possono rispondere in modo tempestivo e accurato ai cambiamenti nei parametri operativi dei moderni impianti di trattamento delle acque reflue. Durante il funzionamento di prova iniziale, le regolazioni vengono spesso apportate solo ai ventilatori o ai tubi di aerazione del terminale, senza riuscire a eseguire la regolazione in tempo reale, su richiesta, del volume di aerazione nei serbatoi di reazione in base ai cambiamenti effettivi delle condizioni operative e ottenendo al contempo un risparmio energetico.
L'ossigeno disciolto (DO) è un fattore primario che influenza il processo di trattamento biologico. La qualità del controllo del DO ha un impatto diretto sull’efficienza del trattamento delle acque reflue. Il sistema di aerazione precisa introduce un metodo di controllo multi-parametro che combina "feedforward + feedback + modello", affrontando in modo efficace caratteristiche come ampi ritardi temporali e non-linearità negli impianti di trattamento delle acque reflue. Prende in considerazione in modo completo i soffiatori, le valvole di regolazione sulle tubazioni di aerazione, nonché il DO e il carico dell'acqua, per implementare un controllo preciso sul processo di reazione biologica, ottenendo un'aerazione su-richiesta, migliorando così la stabilità operativa del sistema e risparmiando energia.
Negli impianti di trattamento delle acque reflue, i segnali feedforward includono principalmente segnali di flusso influente e di qualità; i segnali di feedback includono principalmente DO, solidi sospesi in liquori misti (MLSS) e segnali di livello del serbatoio biologico.
La strategia di controllo dell'OD dei sistemi di aerazione di precisione prevede tipicamente due approcci: impostare l'obiettivo di controllo come valore costante o come valore dinamico.
Di solito, con la strategia in cui l'obiettivo di controllo DO è impostato come valore costante, il sistema di aerazione preciso calcola il volume d'aria richiesto per ciascuna zona del serbatoio biologico e il volume d'aria totale richiesto in base a segnali quali la qualità dell'affluente, il flusso dell'affluente, il setpoint DO e l'MLSS del serbatoio biologico. Quindi regola il sistema di controllo principale del ventilatore e le valvole elettriche sui tubi di aerazione per abbinare l'alimentazione d'aria alla domanda, ottenendo così il controllo del valore target di DO.
Adottando un preciso sistema di aerazione, gli impianti di trattamento delle acque reflue possono meglio raggiungere i seguenti obiettivi:
(1) Ridurre il consumo energetico per unità di acque reflue trattate, riducendo i costi.
(2) Migliorare la stabilità generale e l'affidabilità delle operazioni di trattamento delle acque reflue.
(3) Regola automaticamente l'aerazione in base al carico di acqua trattata e al carico di inquinamento, ottenendo effettivamente l'aerazione e il controllo automatico su-richiesta.
(4) Migliorare la qualità degli effluenti e aumentare il tasso di conformità della qualità degli effluenti.
1.2 Progettazione generale del sistema di aerazione di precisione
La capacità di trattamento progettata di questo impianto di trattamento delle acque reflue è di 50.000 m³/d. Adotta un processo AAO multi-fase, dotato di 2 serbatoi biologici. I principali indicatori di qualità degli effluenti soddisfano gli standard della Classe IV delle acque superficiali. Il flusso del processo di trattamento delle acque reflue è mostrato inFigura 1.
Il progetto prevede 2 vasche biologiche. Ogni serbatoio biologico è diviso in 6 zone di controllo DO, per un totale di 12 zone di controllo DO per i serbatoi biologici dell'impianto. Lo schema di progettazione del suo preciso sistema di aerazione è mostrato inFigura 2.
Per ottenere un'aerazione precisa è necessaria una rete di controllo completa per il sistema di aerazione precisa. La topologia di comunicazione dell'automazione del sistema di aerazione preciso è mostrata inFigura 3.
La stazione principale del sistema di aerazione precisa ottiene direttamente i parametri rilevanti dalle ventole di aerazione tramite comunicazione, raccoglie segnali dagli strumenti di monitoraggio in loco-e invia comandi di regolazione del controllo alle valvole dell'attrezzatura e al sistema di ventilazione, ottenendo così un controllo completamente automatico del processo di aerazione e una regolazione coordinata delle valvole di controllo del flusso e delle ventole.
1.3 Componenti hardware del sistema di aerazione precisa
Per ciascuna zona di controllo DO è configurato un analizzatore DO online. Un flussometro del gas termico e una valvola di controllo elettrica sono configurati sul tubo di derivazione di aerazione corrispondente a ciascuna zona di controllo DO. Un misuratore di portata del gas termico e un trasmettitore di pressione sono installati sul tubo di uscita principale nella sala ventilatori.
La tabella di configurazione dell'attrezzatura e dello strumento per il sistema di aerazione preciso è mostrata inTabella 1.
1.4 Componenti software del sistema di aerazione precisa
Il software del sistema di aerazione di precisione viene installato e funziona sulla workstation del sistema di aerazione di precisione, che funge da unità di elaborazione principale del sistema. Sulla base dei segnali raccolti sul campo, questa unità calcola la richiesta di aria biologica dei serbatoi biologici attraverso un modello e contemporaneamente invia comandi di regolazione ai dispositivi di controllo sul campo. Funzionalmente, include moduli principali come il modulo di calcolo del volume di aerazione, il modulo di distribuzione dell'aria e il modulo di impostazione dell'ottimizzazione del ventilatore.
Il software del sistema di aerazione precisa è progettato principalmente sulla base dei due aspetti seguenti:
(1) Il preciso sistema di aerazione divide la sezione aerobica in diverse zone di controllo DO indipendenti, in grado di adattarsi ai requisiti del flusso di controllo del processo, regolando automaticamente il flusso di aerazione per soddisfare le condizioni del processo di distribuzione DO richieste dalle unità di trattamento.
(2) Il preciso sistema di aerazione consente agli utenti di impostare in modo indipendente i livelli DO target e supporta i setpoint DO dinamici. Considerando comodità e operabilità, i dati rilevanti possono essere visualizzati e configurati nella sala di controllo centrale.
Il meccanismo di controllo per un'aerazione precisa dà priorità al campo, seguito dal computer superiore di controllo centrale, che comprende principalmente il controllo della valvola e il controllo della ventola.
Il controllo della valvola ha due modalità: modalità di controllo locale e modalità di controllo remoto. Sul computer superiore di controllo centrale sono disponibili due scelte: modalità manuale e modalità di aerazione precisa.
Il controllo della pressione del ventilatore include:
(1) Quando il quadro di controllo principale entra in modalità locale, il setpoint della pressione può essere impostato manualmente localmente.
(2) Quando il quadro di controllo principale entra in modalità automatica remota, l'impostazione della pressione è divisa in due modalità: aerazione manuale e precisa e il controllo passa alla sala di controllo centrale.
Poiché possiede tre modalità di controllo - controllo automatico completo, controllo automatico parziale e controllo forzato manuale - e consente il cambio di modalità sia sul- sito che nella sala di controllo principale, il preciso sistema di aerazione può gestire adeguatamente varie situazioni incontrate durante il funzionamento dell'impianto di trattamento delle acque reflue.
1.5 Funzioni del sistema di aerazione precisa
1.5.1 Calcolo della domanda d'aria
Il preciso sistema di aerazione può calcolare dinamicamente la richiesta d'aria effettiva in base ai cambiamenti di vari fattori all'interno dei serbatoi biologici, consentendo al sistema di aerazione di fornire aria su richiesta. Il modello di calcolo della domanda d'aria per il sistema di aerazione preciso è mostrato inFigura4.
Nelle applicazioni pratiche di controllo preciso dell'aerazione negli impianti di trattamento delle acque reflue, il sistema di aerazione preciso può calcolare la domanda effettiva di aria in tempo reale-al variare del flusso influente e dei carichi di qualità, garantendo un'aerazione ragionevole che soddisfa i requisiti biochimici e risparmiando al tempo stesso un consumo energetico di aerazione non necessario.
1.5.2 Distribuzione del volume di aerazione
Il preciso sistema di aerazione prevede più unità di controllo dell'aerazione. Il sistema incorpora una strategia di controllo di disaccoppiamento multi-valvola per eliminare le interferenze derivanti dalle regolazioni di-valvola singola su altre valvole. Possiede inoltre una strategia di controllo dell'apertura ottimale multi-valvola, che consente regolazioni rapide e ottimali dell'apertura della valvola per ottenere una trasmissione e una distribuzione rapida e precisa del volume di aerazione tra le diverse unità di controllo di aerazione.
1.5.3 Controllo Ottimizzazione Ventilatore
Il risparmio energetico nel processo di aerazione si ottiene ottimizzando il funzionamento del ventilatore. Il cuore del sistema di aerazione è la regolazione del funzionamento del ventilatore in base ai parametri operativi. Da un lato, le regolazioni del ventilatore devono considerare i parametri operativi effettivi; d'altro canto la regolazione del ventilatore deve tenere conto anche della protezione dell'apparecchiatura. Il principio generale è quello di far funzionare i ventilatori nelle condizioni più economiche, evitando al tempo stesso condizioni anomale del ventilatore (come i picchi).
Il preciso sistema di aerazione calcola il volume d'aria richiesto in base ai parametri operativi attuali del processo e quindi invia il segnale al quadro di controllo del ventilatore. Operazioni come l'avvio/arresto dei ventilatori e la regolazione delle aperture vengono eseguite in base al setpoint del volume d'aria totale per soddisfare la richiesta di aerazione del sistema biologico, mentre la pressione di protezione dalle sovratensioni viene utilizzata per proteggere i ventilatori dalle sovratensioni. I soffiatori sono apparecchiature di processo fondamentali negli impianti di trattamento delle acque reflue. Il preciso sistema di aerazione dovrebbe regolare il funzionamento del ventilatore per soddisfare la domanda di aerazione dei serbatoi biologici, prevenendo al tempo stesso il sollevamento del ventilatore.
2 Messa in servizio del sistema di aerazione precisa
Per garantire il normale funzionamento del sistema di aerazione precisa, i singoli dispositivi all'interno del sistema devono essere prima messi in funzione uno per uno. Successivamente è necessaria la messa in servizio coordinata delle valvole di aerazione e dei ventilatori del serbatoio biologico, l'impostazione del volume dell'aria del ventilatore e la regolazione del monitoraggio della pressione della tubazione. Durante la messa in servizio tutte le operazioni e le regolazioni devono garantire che non vi sia alcun impatto sulla produzione. Nello specifico, è necessario sottolineare le precauzioni per il funzionamento di emergenza del ventilatore:
(1) Durante il breve-termine fluttuazioni significative nell'apertura del ventilatore. Questo sistema utilizza ventilatori centrifughi con cuscinetti magnetici, che possono ricevere i setpoint inviati dal preciso sistema di aerazione in tempo reale-. Il soffiatore regola la sua apertura ed il tempo di azione in base alla differenza. Il preciso sistema di aerazione è dotato di un meccanismo di protezione di sicurezza per le fluttuazioni del ventilatore per evitare picchi causati dalle fluttuazioni. Le possibili ragioni di fluttuazioni significative a breve-termine nell'apertura del ventilatore includono cambiamenti improvvisi nella qualità dell'affluente, parametri di regolazione del sistema non corrispondenti, cambiamenti improvvisi nella pressione della tubazione e guasti agli strumenti del serbatoio biologico. Per la sicurezza delle apparecchiature, per evitare ampie fluttuazioni della pressione della tubazione e rischi di picchi del ventilatore, il sistema di aerazione precisa può essere escluso manualmente e commutato in modalità manuale.
(2) Durante il movimento della ventola. Durante la prima messa in servizio, a volte è inevitabile che si verifichino picchi della ventola. Le possibili ragioni includono un coordinamento insufficiente tra valvole e soffianti, con conseguente aumento della pressione e picchi della tubazione; oppure parametri della ventola stessa irragionevoli, con regolazioni di apertura troppo veloci, provocando il sovraccarico della ventola stessa. Quando si verifica questo guasto, il sistema di aerazione precisa può essere escluso manualmente e commutato in modalità manuale per il funzionamento.
3 DO Efficacia del controllo e risultati del risparmio energetico del sistema di aerazione di precisione
3.1 Efficacia del controllo DO del sistema di aerazione di precisione
La verifica dell'efficacia dell'esatto sistema di aerazione per questo progetto è stata condotta principalmente confrontando scenari con e senza l'intervento del sistema. I metodi di controllo tradizionali non possono rispondere in modo tempestivo e accurato all’impatto dei vari disturbi. Quando il valore DO controllato online mostra ampie fluttuazioni, la variazione dell'ossigeno disciolto (DO) nel tempo in una determinata posizione in un serbatoio biologico senza un'aerazione precisa viene mostrata inFigura 5.
Rispetto ai tradizionali metodi di controllo dei serbatoi biologici, il metodo di controllo preciso dell'aerazione può controllare in modo più accurato il DO all'interno del serbatoio biologico, dimostrando una maggiore adattabilità, consentendo così una migliore aerazione e un risparmio energetico. Viene mostrato l'andamento dell'ossigeno disciolto (DO) in una determinata posizione in un serbatoio biologico con un'aerazione precisaFigura 6.
Secondo i risultati delle operazioni di prova del sistema di controllo preciso in questo progetto, la probabilità di valori DO distribuiti entro ±0,5 mg/L del setpoint target è del 90%; la probabilità entro ±0,3 mg/L è del 30%; e la probabilità entro ±0,2 mg/L è del 20%, soddisfacendo i requisiti di progettazione e le effettive esigenze operative.
3.2 Risultati del risparmio energetico del controllo DO con il sistema di aerazione precisa
Nell'impianto di trattamento delle acque reflue AAO multi-stadio, il preciso sistema di aerazione calcola il volume d'aria totale richiesto in tempo reale-in base al flusso influente e al carico attuali durante il controllo della ventola. Trasmette quindi il setpoint della richiesta d'aria totale al quadro di controllo principale del ventilatore, che regola i ventilatori associati in base al target impostato. Ciò garantisce che il volume di aerazione soddisfi le esigenze effettive sia in condizioni di carico elevato che basso, riducendo al tempo stesso il consumo energetico di aerazione non necessario. Con il controllo tradizionale, i ventilatori tipicamente funzionano ininterrottamente a una potenza relativamente elevata. Attraverso il controllo preciso delle ventole da parte del sistema di aerazione, si ottiene la regolazione-in tempo reale della potenza operativa, raggiungendo l'obiettivo di risparmio energetico.
Dopo aver adottato il sistema di aerazione preciso, l'impianto di trattamento delle acque reflue AAO multi-fase beneficia del normale funzionamento delle apparecchiature di trattamento, di dati strumentali accurati, di flusso e qualità stabili degli affluenti (non superiori a ±20% dei valori di progettazione), di una pressione di esercizio del ventilatore sufficiente, di un volume d'aria regolabile in continuo e di un funzionamento automatico a pressione costante del quadro di controllo principale.
4 Conclusione
L'applicazione del preciso sistema di aerazione nell'impianto di trattamento delle acque reflue multi-fase AAO mira a fornire una soluzione operativa raffinata per la fase di aerazione del processo di trattamento delle acque reflue. La precisa soluzione del sistema di aerazione si adatta perfettamente alle condizioni operative dell'impianto, ottenendo un controllo preciso dell'aerazione. Su questa base, l'ambiente biochimico microbico rimane stabile, aiutando così l'impianto di trattamento delle acque reflue a ottenere un funzionamento raffinato, a risparmio energetico e automatizzato del sistema di aerazione, migliorando di conseguenza la stabilità della qualità degli effluenti.