תכנון והטמעה של מערכת אוורור מדויקת עבור מתקן לטיהור שפכים רב-שלבי AAO
סקירה כללית
טיפול בשפכים הוא מרכיב חיוני בבנייה עירונית. בשנים האחרונות, תעשיית הטיפול בשפכים בסין התפתחה במהירות. ההשתתפות העמוקה של מתקני טיהור שפכים בהפחתת פליטות שיתופיות משמשת כתמיכה חשובה לבניית חברה דלת-פחמן, לפיתוח כלכלה דלת-פחמן והשגת פיתוח עירוני בר קיימא. במסגרת יעדי "פחמן כפול", הרעיון של מתקני טיהור שפכים דלי-פחמן משך תשומת לב בתעשייה. כדי ליישר קו עם אסטרטגיית הפיתוח של מתקני טיהור שפכים דלי-פחמן, יש צורך לנתח ולחקור את גורמי המפתח המשפיעים על חיסכון באנרגיה והפחתת פליטות.
רוב הטיפול בשפכים ביתיים משתמש בתהליכי בוצה פעילה. גורם מפתח בטיפול זה הוא אספקת כמות מתאימה של חמצן לתגובות חמצון על ידי מיקרואורגניזמים במיכלים הביולוגיים, מה שהופך את השליטה בנפח האוורור לקריטית. בקרת אוורור מסורתית, המושגת באמצעות מתגים ידניים, מסתמכת בעיקר על הניסיון של-מפעילי האתר, מה שמוביל לאי ודאות ובזבוז משמעותיים. כדי להשיג שליטה אוטומטית במערכות אוורור מדויקות ולהפחית התערבות ידנית, חוקרים חקרו בהרחבה שיטות בקרת אוורור, כולל בקרה מטושטשת, רשתות עצביות, רשתות עצביות מטושטשות, אלגוריתמים גנטיים ומכונות וקטור תמיכה. מאמר זה מתמקד בתהליך ה-AAO הרב--שלבי של מפעל טיהור שפכים בשנג'ן, ניתוח ומסכם את תהליך התכנון וההפעלה של מערכת האוורור המדויקת שלו כדי לספק התייחסות לפרויקטים דומים.
1 סקירת מערכת
1.1 עקרון מערכת האוורור המדויק
טיפול ביולוגי הוא השלב החשוב ביותר בתהליך הטיפול בשפכים, בדרך כלל במטרה להסיר או לצמצם את חומרי המטרה בשפכים כדי לעמוד בתקני ההזרמה על ידי שמירה על צמיחה מתמשכת ויעילה של חיידקים וקידום תהליכים ביוכימיים. אסטרטגיות בקרה מסורתיות אינן יכולות להגיב בזמן ובדייקנות לשינויים בפרמטרים התפעוליים של מתקני טיהור שפכים מודרניים. במהלך פעולת הניסיון הראשונית, התאמות נעשות לרוב רק למפוחים או לצינורות האוורור המסוף, תוך אי ביצוע-זמן אמת, על פי דרישה, ויסות נפח האוורור במיכלי תגובה בהתבסס על שינויים במצב התפעולי בפועל תוך השגת חיסכון באנרגיה.
חמצן מומס (DO) הוא גורם ראשוני המשפיע על תהליך הטיפול הביולוגי. איכות בקרת ה-DO משפיעה ישירות על יעילות הטיפול בשפכים. מערכת האוורור המדויקת מציגה שיטת בקרה מרובת-פרמטרים המשלבת "הזנה קדימה + משוב + מודל", המתייחסת ביעילות למאפיינים כמו עיכובי זמן גדולים ואי-לינאריות במתקני טיהור שפכים. הוא שוקל באופן מקיף מפוחים, שסתומים ויסותים על צינורות אוורור, כמו גם DO ועומס מים, כדי ליישם בקרה מדויקת על תהליך התגובה הביולוגית, להשגת אוורור לפי דרישה, ובכך לשפר את יציבות הפעולה של המערכת ולחסוך באנרגיה.
במפעלי טיהור שפכים, אותות הזנה קדימה כוללים בעיקר אותות זרימת השפעה ואיכות; אותות משוב כוללים בעיקר DO, מוצקים מרחפים באלכוהול מעורב (MLSS) ואותות מפלס מיכל ביולוגי.
לאסטרטגיית הבקרה DO של מערכות אוורור מדויקות יש בדרך כלל שתי גישות: הגדרת יעד הבקרה כערך קבוע או כערך דינמי.
בדרך כלל, תחת האסטרטגיה שבה יעד בקרת ה-DO מוגדר כערך קבוע, מערכת האוורור המדויקת מחשבת את נפח האוויר הנדרש עבור כל אזור טנק ביולוגי ואת נפח האוויר הכולל הנדרש בהתבסס על אותות כגון איכות השפע, זרימת השפע, נקודת קבע DO ומיכל ביולוגי MLSS. לאחר מכן הוא מתאים את מערכת הבקרה הראשית של המפוח ואת השסתומים החשמליים בצינורות האוורור כדי להתאים את אספקת האוויר לביקוש, ובכך משיג שליטה על ערך היעד של DO.
על ידי אימוץ מערכת אוורור מדויקת, מתקני טיהור שפכים יכולים להשיג טוב יותר את המטרות הבאות:
(1) להפחית את צריכת האנרגיה ליחידת שפכים שטופלו, ולהוזיל עלויות.
(2) שפר את היציבות והאמינות הכוללת של פעולות טיפול בשפכים.
(3) התאם אוטומטית את האוורור בהתבסס על עומס המים המטופלים ועומס הזיהום, ובאמת השגת אוורור לפי דרישה ובקרה אוטומטית.
(4) שפר את איכות הקולחים והגדל את שיעור התאימות של איכות הקולחים.
1.2 תכנון כולל של מערכת האוורור המדויקת
כושר הטיפול המתוכנן של מתקן טיהור שפכים זה הוא 50,000 מ"ק ליום. הוא מאמץ תהליך AAO רב-שלבי, מצויד בשני מיכלים ביולוגיים. מדדי איכות הקולחים העיקריים עומדים בתקני Surface Water Class IV. זרימת תהליך הטיפול בשפכים מוצגת באיור 1.
בפרויקט 2 מיכלים ביולוגיים. כל מיכל ביולוגי מחולק ל-6 אזורי בקרה DO, וכתוצאה מכך 12 אזורי בקרה DO עבור המיכלים הביולוגיים של המפעל. תרשים העיצוב של מערכת האוורור המדויקת שלו מוצג באיור 2.
כדי להשיג אוורור מדויק, נדרשת רשת בקרה מלאה למערכת האוורור המדויקת. טופולוגיית התקשורת האוטומטית של מערכת האוורור המדויקת מוצגת באיור 3.
תחנת האב המדויקת של מערכת האוורור משיגה ישירות פרמטרים רלוונטיים ממפוחי האוורור באמצעות תקשורת, אוספת אותות ממכשירי ניטור- באתר, ושולחת פקודות התאמת בקרה לשסתומי הציוד ולמערכת המפוחים, ובכך משיגה שליטה אוטומטית מלאה על תהליך האוורור וויסות מתואם של שסתומי בקרת זרימה ומפוחים.
1.3 רכיבי חומרה של מערכת האוורור המדויקת
מנתח DO מקוון אחד מוגדר עבור כל אזור בקרת DO. מד זרימת גז תרמי אחד ושסתום בקרה חשמלי אחד מוגדרים על צינור ענף האוורור המתאים לכל אזור בקרת DO. מד זרימת גז תרמי אחד ומשדר לחץ אחד מותקנים על צינור היציאה הראשי בחדר המפוחים.
טבלת תצורת הציוד והמכשיר עבור מערכת האוורור המדויקת מוצגת בטבלה 1.
1.4 רכיבי תוכנה של מערכת האוורור המדויקת
תוכנת מערכת האוורור המדויקת מותקנת ופועלת על תחנת העבודה של מערכת האוורור המדויקת, המשמשת כיחידת העיבוד המרכזית של המערכת. בהתבסס על אותות שדה שנאספו, יחידה זו מחשבת את דרישת האוויר הביולוגית של המכלים הביולוגיים באמצעות מודל ובמקביל מוציאה פקודות התאמה למכשירי בקרת שדה. מבחינה פונקציונלית, הוא כולל מודולי ליבה כגון מודול חישוב נפח האוורור, מודול חלוקת האוויר ומודול הגדרות אופטימיזציה של מפוח.
תוכנת מערכת האוורור המדויקת מתוכננת בעיקר על בסיס שני ההיבטים הבאים:
(1) מערכת האוורור המדויקת מחלקת את החלק האירובי למספר אזורי בקרת DO עצמאיים, המסוגלים להתאים את עצמם לדרישות זרימת בקרת התהליך, התאמה אוטומטית של זרימת האוורור כדי לעמוד בתנאי תהליך הפצת ה-DO הנדרשים על ידי יחידות הטיפול.
(2) מערכת האוורור המדויקת מאפשרת למשתמשים להגדיר באופן עצמאי רמות DO של יעד ותומכת בנקודות קבע דינמיות של DO. בהתחשב בנוחות ותפעול, ניתן לצפות בנתונים רלוונטיים ולהגדיר אותם בחדר הבקרה המרכזי.
מנגנון הבקרה לאוורור מדויק נותן עדיפות לשטח, ואחריו המחשב העליון של הבקרה המרכזית, הכולל בעיקר בקרת שסתומים ובקרת מפוח.
לבקרת שסתומים יש שני מצבים: מצב שליטה מקומי ומצב שלט רחוק. במחשב העליון של השליטה המרכזית, קיימות שתי אפשרויות: מצב ידני ומצב אוורור מדויק.
בקרת לחץ מפוח כוללת:
(1) כאשר ארון הבקרה הראשי נכנס למצב מקומי, ניתן להגדיר באופן ידני את נקודת הלחץ המקומית.
(2) כאשר ארון הבקרה הראשי נכנס למצב אוטומטי מרחוק, הגדרת הלחץ מחולקת לשני מצבים: אוורור ידני ומדויק, ומתגי בקרה לחדר הבקרה המרכזי.
מאחר שיש לו שלושה מצבי בקרה - שליטה אוטומטית מלאה, שליטה אוטומטית חלקית ובקרה מאולצת ידנית - ומאפשרת החלפת מצבים באתר או בחדר הבקרה הראשי, מערכת האוורור המדויקת יכולה להתמודד בצורה נאותה עם מצבים שונים שייתקלו במהלך פעולת מפעל טיהור שפכים.
1.5 פונקציות של מערכת האוורור המדויק
1.5.1 חישוב ביקוש אוויר
מערכת האוורור המדויקת יכולה לחשב באופן דינמי את דרישת האוויר בפועל בהתבסס על שינויים בגורמים שונים בתוך המיכלים הביולוגיים, מה שמאפשר למערכת האוורור לספק אוויר לפי דרישה. מודל חישוב ביקוש האוויר עבור מערכת האוורור המדויקת מוצג בדְמוּת4.
ביישומים מעשיים של בקרת אוורור מדויקת במתקני טיהור שפכים, מערכת האוורור המדויקת יכולה לחשב את דרישת האוויר בפועל בזמן אמת-ככל שהזרימה המשפיעה ועומסי האיכות משתנים, ומבטיחה אוורור סביר העומד בדרישות הביוכימיות תוך חיסכון בצריכת אנרגיית אוורור מיותרת.
1.5.2 חלוקת נפח אוורור
מערכת האוורור המדויקת כוללת מספר יחידות בקרת אוורור. המערכת משלבת אסטרטגיית בקרת ניתוק שסתומים מרובת- כדי לדכא הפרעות מהתאמת שסתומים בודדים- בשסתומים אחרים. יש לו גם אסטרטגיית בקרת פתיחה אופטימלית מרובת-שסתומים, המאפשרת התאמות מהירות ואופטימליות של פתיחת שסתומים כדי להשיג שידור מהיר ומדויק והפצה של נפח האוורור בין יחידות בקרת אוורור שונות.
1.5.3 בקרת אופטימיזציה של מפוח
חיסכון באנרגיה בתהליך האוורור מושג על ידי ייעול פעולת המפוח. הליבה של מערכת האוורור היא ויסות פעולת המפוח על סמך פרמטרים תפעוליים. מצד אחד, התאמות מפוח צריכות להתחשב בפרמטרים תפעוליים בפועל; מצד שני, התאמות מפוח חייבות לשקול גם הגנת ציוד. העיקרון הכללי הוא להפעיל מפוחים בתנאים החסכוניים ביותר תוך מניעת מצבי מפוח חריגים (כגון גלים).
מערכת האוורור המדויקת מחשבת את נפח האוויר הנדרש בהתבסס על פרמטרים תפעוליים נוכחיים של התהליך ולאחר מכן שולחת את האות לארון הבקרה של המפוח. פעולות כמו הפעלה/עצירה של מפוחים והתאמת פתחים מבוצעות בהתבסס על נקודת ההגדרה הכוללת של נפח האוויר כדי לעמוד בדרישת האוורור של המערכת הביולוגית, בעוד שלחץ הגנה על גלים משמש להגנה על מפוחים מפני גלים. מפוחים הם ציוד הליבה בתהליך במפעלי טיהור שפכים. מערכת האוורור המדויקת צריכה לווסת את פעולת המפוח כדי לענות על דרישת האוורור של מיכלים ביולוגיים תוך מניעת גלישת מפוח.
2 הפעלת מערכת האוורור המדויקת
כדי להבטיח את הפעולה הרגילה של מערכת האוורור המדויקת, יש להפעיל תחילה מכשירים בודדים בתוך המערכת בזה אחר זה. לאחר מכן, יש צורך בהפעלה מתואמת של שסתומי אוורור ומפוחים ביולוגיים של מיכלים, הגדרת נפח האוויר של המפוח וויסות ניטור הלחץ בצנרת. במהלך ההפעלה, כל הפעולות וההתאמות חייבות להבטיח שאין השפעה על הייצור. באופן ספציפי, יש להדגיש את אמצעי הזהירות להפעלת מפוח חירום:
(1) במהלך-טווח קצר תנודות משמעותיות בפתיחת המפוח. מערכת זו משתמשת במפוחים צנטריפוגליים בעלי נושאים מגנטיים, שיכולים לקבל נקודות קבע הנשלחות על ידי מערכת האוורור המדויקת בזמן אמת-. המפוח מתאים את זמן הפתיחה והפעולה שלו בהתאם להבדל. למערכת האוורור המדויקת יש מנגנון הגנה בטיחותי לתנודות מפוח למניעת גלים הנגרמים מתנודות. הסיבות האפשריות לתנודות משמעותיות לטווח קצר בפתיחת המפוח כוללות שינויים פתאומיים באיכות ההשפעה, פרמטרי כוונון מערכת לא תואמים, שינויים פתאומיים בלחץ בצנרת ותקלות במכשירי מיכל ביולוגי. למען בטיחות הציוד, כדי למנוע תנודות גדולות בלחץ בצנרת וסיכוני גלישת מפוח, ניתן לעקוף את מערכת האוורור המדויקת באופן ידני ולהעביר למצב ידני.
(2) במהלך גלישת מפוח. במהלך ההפעלה הראשונית, עליית מפוח היא לפעמים בלתי נמנעת. הסיבות האפשריות כוללות תיאום לא מספיק בין שסתומים למפוחים, מה שמוביל להגברת הלחץ בצנרת וגלישה; או פרמטרים בלתי סבירים של מפוח עצמם, עם התאמות פתיחה מהירות מדי, מה שגורם למפוח עצמו לעלות. כאשר תקלה זו מתרחשת, ניתן לעקוף את מערכת האוורור המדויקת באופן ידני ולהעביר למצב ידני לפעולה.
3 DO Control יעילות ותוצאות חיסכון באנרגיה של מערכת האוורור המדויקת
3.1 אפקטיביות בקרת DO של מערכת האוורור המדויקת
אימות האפקטיביות של מערכת האוורור המדויקת לפרויקט זה נערך בעיקר על ידי השוואת תרחישים עם ובלי התערבות המערכת. שיטות בקרה מסורתיות אינן יכולות להגיב בזמן ובדייקנות להשפעה של הפרעות שונות. כאשר ערך ה-DO מבוקר המקוון מראה תנודות גדולות, השונות של חמצן מומס (DO) לאורך זמן במיקום מסוים במיכל ביולוגי ללא אוורור מדויק מוצגת ב-איור 5.
בהשוואה לשיטות בקרת טנק ביולוגי מסורתי, שיטת בקרת האוורור המדויקת יכולה לשלוט בצורה מדויקת יותר ב-DO בתוך המיכל הביולוגי, להפגין יכולת הסתגלות חזקה יותר, ובכך לאפשר אוורור טוב יותר וחיסכון באנרגיה. מגמת החמצן המומס (DO) במיקום מסוים במיכל ביולוגי עם אוורור מדויק מוצגת באיור 6.
על פי תוצאות פעולת הניסוי של מערכת הבקרה המדויקת בפרויקט זה, ההסתברות לערכי DO המופצים בתוך ±0.5 מ"ג/ליטר מנקודת היעד היא 90%; ההסתברות בתוך ±0.3 מ"ג/ליטר היא 30%; וההסתברות בתוך ±0.2 מ"ג/ליטר היא 20%, ועומדת בדרישות התכנון ובצרכים התפעוליים בפועל.
3.2 תוצאות חיסכון באנרגיה של בקרת DO עם מערכת האוורור המדויקת
במפעל טיהור שפכים AAO רב-שלבי, מערכת האוורור המדויקת מחשבת את נפח האוויר הכולל הנדרש בזמן אמת-על סמך זרימת ההשפעה הנוכחית והעומס במהלך בקרת המפוח. לאחר מכן הוא משדר את נקודת ההגדרה הכוללת של דרישת האוויר לארון הבקרה הראשי של המפוח, אשר מווסת את המפוחים הקשורים בהתאם ליעד שנקבע. זה מבטיח שנפח האוורור עומד בדרישות בפועל בתנאי עומס גבוה ונמוך, תוך הפחתת צריכת אנרגיית אוורור מיותרת. בשליטה מסורתית, מפוחים פועלים בדרך כלל ברציפות בהספק גבוה יחסית. באמצעות השליטה המדויקת של מערכת האוורור במפוחים, מושגת-התאמה בזמן אמת של כוח ההפעלה, תוך השגת המטרה של חיסכון באנרגיה.
לאחר אימוץ מערכת האוורור המדויקת, מפעל הטיהור השפכים הרב--שלבי AAO נהנה מפעולה רגילה של ציוד טיפול, נתוני מכשיר מדויקים, זרימת השפעה יציבה ואיכות (לא יעלה על ±20% מערכי התכנון), לחץ תפעול מספק של מפוח, נפח אוויר מתכוונן ברציפות והפעלת לחץ קבוע אוטומטית של ארון הבקרה הראשי.
4 מסקנה
היישום של מערכת האוורור המדויקת במפעל הטיהור השפכים הרב-שלבי AAO מטרתו לספק פתרון תפעולי מעודן לשלב האוורור של תהליך הטיפול בשפכים. פתרון מערכת האוורור המדויק תואם באופן מלא את תנאי ההפעלה של המפעל, ומשיג בקרת אוורור מדויקת. על בסיס זה, הסביבה הביוכימית המיקרוביאלית נשארת יציבה, ובכך מסייעת למפעל טיהור שפכים בהשגת חיסכון מעודן,- באנרגיה, ותפעול אוטומטי של מערכת האוורור, וכתוצאה מכך משפר את יציבות איכות הקולחים.