طراحی و راه اندازی یک سیستم هوادهی دقیق برای یک-تصفیه خانه فاضلاب چند مرحله ای AAO
نمای کلی
تصفیه فاضلاب جزء حیاتی ساخت و ساز شهری است. در سال های اخیر، صنعت تصفیه فاضلاب چین به سرعت توسعه یافته است. مشارکت عمیق تصفیه خانه های فاضلاب در کاهش مشارکتی انتشار به عنوان پشتوانه مهمی برای ایجاد جامعه-کم کربن، توسعه اقتصاد کم کربن-و دستیابی به توسعه شهری پایدار است. تحت اهداف "دو کربن"، مفهوم تصفیه خانههای فاضلاب با کربن کم- توجه صنعت را به خود جلب کرده است. برای همسویی با استراتژی توسعه تصفیه خانههای فاضلاب کم کربن، تجزیه و تحلیل و مطالعه عوامل کلیدی مؤثر بر حفظ انرژی و کاهش انتشار ضروری است.
اکثر تصفیه فاضلاب های خانگی از فرآیندهای لجن فعال استفاده می کنند. یک عامل کلیدی در این تصفیه، تامین مقدار مناسب اکسیژن برای واکنش های اکسیداسیون توسط میکروارگانیسم ها در مخازن بیولوژیکی است که کنترل حجم هوادهی را بسیار مهم می کند. کنترل هوادهی سنتی، که از طریق سوئیچهای دستی به دست میآید، در درجه اول به تجربه اپراتورهای-سایت متکی است که منجر به عدم اطمینان و اتلاف قابل توجه میشود. برای دستیابی به کنترل خودکار سیستمهای هوادهی دقیق و کاهش مداخله دستی، محققان روشهای کنترل هوادهی از جمله کنترل فازی، شبکههای عصبی، شبکههای عصبی فازی، الگوریتمهای ژنتیک و ماشینهای بردار پشتیبان را به طور گسترده مورد مطالعه قرار دادهاند. این مقاله بر روی فرآیند AAO چند مرحلهای یک تصفیه خانه فاضلاب در شنژن تمرکز میکند و فرآیند طراحی و راهاندازی سیستم هوادهی دقیق آن را برای ارائه مرجع برای پروژههای مشابه تجزیه و تحلیل و خلاصه میکند.
1 نمای کلی سیستم
1.1 اصل سیستم هوادهی دقیق
تصفیه بیولوژیکی مهمترین مرحله در فرآیند تصفیه فاضلاب است که معمولاً با هدف حذف یا کاهش مواد هدف در فاضلاب برای برآورده کردن استانداردهای تخلیه با حفظ رشد پایدار و مؤثر میکروبی و ترویج فرآیندهای بیوشیمیایی انجام می شود. استراتژی های کنترل سنتی نمی توانند به موقع و دقیق به تغییرات پارامترهای عملیاتی تصفیه خانه های فاضلاب مدرن پاسخ دهند. در طول عملیات آزمایشی اولیه، تنظیمات اغلب فقط برای دمنده ها یا لوله های هوادهی ترمینال انجام می شود، که در زمان واقعی، بر اساس تقاضای تنظیم حجم هوادهی در مخازن واکنش بر اساس تغییرات شرایط عملیاتی واقعی در حین دستیابی به صرفه جویی در انرژی، انجام نمی شود.
اکسیژن محلول (DO) یک عامل اصلی موثر بر فرآیند تصفیه بیولوژیکی است. کیفیت کنترل DO به طور مستقیم بر راندمان تصفیه فاضلاب تأثیر می گذارد. سیستم هوادهی دقیق یک روش کنترل چند پارامتری را معرفی میکند که «پیشخور + بازخورد + مدل» را ترکیب میکند، و به طور مؤثر به ویژگیهایی مانند تأخیرهای زمانی زیاد و غیر خطی بودن در تصفیه خانههای فاضلاب میپردازد. این به طور جامع دمنده ها، دریچه های تنظیم کننده در خطوط لوله هوادهی، و همچنین DO و بار آب را برای اعمال کنترل دقیق بر فرآیند واکنش بیولوژیکی، دستیابی به هوادهی بر اساس تقاضا، در نتیجه افزایش پایداری عملیاتی سیستم و صرفه جویی در انرژی در نظر می گیرد.
در تصفیه خانههای فاضلاب، سیگنالهای پیشخور عمدتاً شامل سیگنالهای جریان ورودی و کیفیت هستند. سیگنالهای بازخورد عمدتاً شامل DO، جامدات معلق مشروب مخلوط (MLSS) و سیگنالهای سطح مخزن بیولوژیکی هستند.
استراتژی کنترل DO سیستم های هوادهی دقیق معمولاً دو رویکرد دارد: تنظیم هدف کنترل به عنوان یک مقدار ثابت یا به عنوان یک مقدار پویا.
معمولاً تحت استراتژی که هدف کنترل DO به عنوان یک مقدار ثابت تنظیم می شود، سیستم هوادهی دقیق حجم هوای مورد نیاز برای هر منطقه مخزن بیولوژیکی و کل حجم هوای مورد نیاز را بر اساس سیگنال هایی مانند کیفیت ورودی، جریان ورودی، نقطه تنظیم DO و مخزن بیولوژیکی MLSS محاسبه می کند. سپس سیستم کنترل اصلی دمنده و دریچههای الکتریکی روی لولههای هوادهی را تنظیم میکند تا عرضه هوا را با تقاضا مطابقت دهد، در نتیجه به کنترل مقدار هدف DO دست مییابد.
با اتخاذ یک سیستم هوادهی دقیق، تصفیه خانه های فاضلاب بهتر می توانند به اهداف زیر دست یابند:
(1) کاهش مصرف انرژی در واحد فاضلاب تصفیه شده، کاهش هزینه ها.
(2) بهبود پایداری و قابلیت اطمینان کلی عملیات تصفیه فاضلاب.
(3) به طور خودکار هوادهی را بر اساس بار آب تصفیه شده و بار آلودگی تنظیم کنید، که واقعاً به هوادهی بر اساس تقاضا و کنترل خودکار دست می یابد.
(4) بهبود کیفیت پساب و افزایش میزان انطباق کیفیت پساب.
1.2 طراحی کلی سیستم هوادهی دقیق
ظرفیت تصفیه طراحی شده این تصفیه خانه فاضلاب 50000 متر مکعب در روز می باشد. این یک فرآیند AAO چند مرحلهای- مجهز به 2 مخزن بیولوژیکی را اتخاذ میکند. شاخص های اصلی کیفیت پساب با استانداردهای سطح آب کلاس IV مطابقت دارد. جریان فرآیند تصفیه فاضلاب در نشان داده شده استشکل 1.
این پروژه دارای 2 مخزن بیولوژیکی می باشد. هر مخزن بیولوژیکی به 6 منطقه کنترل DO تقسیم می شود که در نتیجه در مجموع 12 منطقه کنترل DO برای مخازن بیولوژیکی کارخانه ایجاد می شود. نمودار طراحی سیستم هوادهی دقیق آن در نشان داده شده استشکل 2.
برای دستیابی به هوادهی دقیق، یک شبکه کنترل کامل برای سیستم هوادهی دقیق مورد نیاز است. توپولوژی ارتباط اتوماسیون سیستم هوادهی دقیق در نشان داده شده استشکل 3.
ایستگاه اصلی سیستم هوادهی دقیق مستقیماً پارامترهای مربوطه را از دمندههای هوادهی از طریق ارتباط دریافت میکند، سیگنالها را از ابزارهای نظارت بر روی سایت جمعآوری میکند و دستورات تنظیم کنترل را به دریچههای تجهیزات و سیستم دمنده میفرستد، در نتیجه به کنترل خودکار کامل فرآیند هوادهی و تنظیم هماهنگ دریچههای کنترل جریان و دمنده دست مییابد.
1.3 اجزای سخت افزاری سیستم هوادهی دقیق
یک تحلیلگر آنلاین DO برای هر منطقه کنترل DO پیکربندی شده است. یک جریان سنج گاز حرارتی و یک شیر کنترل الکتریکی بر روی لوله انشعاب هوادهی مربوط به هر منطقه کنترل DO پیکربندی شده است. یک دبی گاز حرارتی و یک فرستنده فشار روی لوله خروجی اصلی در اتاق دمنده نصب شده است.
جدول پیکربندی تجهیزات و ابزار برای سیستم هوادهی دقیق در نشان داده شده استجدول 1.
1.4 اجزای نرم افزاری سیستم هوادهی دقیق
نرم افزار سیستم هوادهی دقیق بر روی ایستگاه کاری سیستم هوادهی دقیق نصب شده و اجرا می شود و به عنوان واحد پردازش اصلی سیستم عمل می کند. این واحد بر اساس سیگنال های میدانی جمع آوری شده، نیاز هوای بیولوژیکی مخازن بیولوژیکی را از طریق یک مدل محاسبه می کند و همزمان دستورات تنظیم را برای دستگاه های کنترل میدانی صادر می کند. از نظر عملکردی، شامل ماژول های اصلی مانند ماژول محاسبه حجم هوادهی، ماژول توزیع هوا و ماژول تنظیم بهینه سازی دمنده است.
نرم افزار سیستم هوادهی دقیق در درجه اول بر اساس دو جنبه زیر طراحی شده است:
(1) سیستم هوادهی دقیق بخش هوازی را به چندین منطقه کنترل DO مستقل تقسیم می کند، که قادر به انطباق با الزامات جریان کنترل فرآیند است، به طور خودکار جریان هوادهی را برای برآورده کردن شرایط فرآیند توزیع DO مورد نیاز واحدهای تصفیه تنظیم می کند.
(2) سیستم هوادهی دقیق به کاربران اجازه می دهد تا سطوح DO هدف را به طور مستقل تنظیم کنند و از نقاط تنظیم DO پویا پشتیبانی می کند. با توجه به راحتی و عملکرد، داده های مربوطه را می توان در اتاق کنترل مرکزی مشاهده و پیکربندی کرد.
مکانیسم کنترل برای هوادهی دقیق، میدان را در اولویت قرار میدهد و به دنبال آن رایانه بالایی کنترل مرکزی، عمدتاً شامل کنترل سوپاپ و کنترل دمنده است.
کنترل سوپاپ دارای دو حالت است: حالت کنترل محلی و حالت کنترل از راه دور. در رایانه بالایی کنترل مرکزی، دو انتخاب وجود دارد: حالت دستی و حالت هوادهی دقیق.
کنترل فشار دمنده شامل:
(1) هنگامی که کابینه کنترل اصلی وارد حالت محلی می شود، نقطه تنظیم فشار را می توان به صورت دستی به صورت محلی تنظیم کرد.
(2) هنگامی که کابینه کنترل اصلی وارد حالت خودکار از راه دور می شود، تنظیم فشار به دو حالت تقسیم می شود: هوادهی دستی و دقیق، و سوئیچ های کنترل به اتاق کنترل مرکزی.
از آنجایی که دارای سه حالت کنترل - کنترل کامل خودکار، کنترل جزئی خودکار، و کنترل اجباری دستی - است و امکان تغییر حالت را در-محل یا در اتاق کنترل اصلی میدهد، سیستم هوادهی دقیق میتواند به اندازه کافی موقعیتهای مختلفی را که در طول عملیات تصفیه خانه فاضلاب با آن مواجه میشوند، مدیریت کند.
1.5 توابع سیستم هوادهی دقیق
1.5.1 محاسبه تقاضای هوا
سیستم هوادهی دقیق می تواند به صورت دینامیکی تقاضای واقعی هوا را بر اساس تغییرات عوامل مختلف در مخازن بیولوژیکی محاسبه کند و سیستم هوادهی را قادر می سازد تا هوای مورد نیاز خود را تامین کند. مدل محاسبه تقاضای هوا برای سیستم هوادهی دقیق در نشان داده شده استشکل4.
در کاربردهای عملی کنترل دقیق هوادهی در تصفیه خانههای فاضلاب، سیستم هوادهی دقیق میتواند تقاضای واقعی هوا را در زمان واقعی با تغییر جریان ورودی و بارهای کیفی محاسبه کند و از هوادهی معقولی که الزامات بیوشیمیایی را برآورده میکند و در عین حال در مصرف انرژی هوادهی غیرضروری صرفهجویی میکند، اطمینان حاصل کند.
1.5.2 توزیع حجم هوادهی
سیستم هوادهی دقیق شامل چندین واحد کنترل هوادهی است. این سیستم دارای یک استراتژی کنترل جداسازی چند سوپاپ برای سرکوب تداخل از تنظیمات تک سوپاپ در سایر شیرها است. همچنین دارای یک استراتژی کنترل باز کردن بهینه چند سوپاپ است که امکان تنظیم سریع و بهینه باز شدن سوپاپ را برای دستیابی به انتقال و توزیع سریع و دقیق حجم هوادهی بین واحدهای کنترل هوادهی مختلف فراهم می کند.
1.5.3 کنترل بهینه سازی دمنده
صرفه جویی در انرژی در فرآیند هوادهی با بهینه سازی عملکرد دمنده به دست می آید. هسته سیستم هوادهی تنظیم عملکرد دمنده بر اساس پارامترهای عملیاتی است. از یک طرف، تنظیمات دمنده باید پارامترهای عملیاتی واقعی را در نظر بگیرند. از سوی دیگر، تنظیمات دمنده باید حفاظت تجهیزات را نیز در نظر بگیرد. اصل کلی این است که دمنده ها را در اقتصادی ترین شرایط کار کنید و در عین حال از شرایط غیرعادی دمنده (مانند افزایش ناگهانی) جلوگیری کنید.
سیستم هوادهی دقیق حجم هوای مورد نیاز را بر اساس پارامترهای عملیاتی فرآیند فعلی محاسبه می کند و سپس سیگنال را به کابین کنترل دمنده ارسال می کند. عملیاتی مانند راهاندازی/توقف دمندهها و تنظیم دهانهها بر اساس نقطه تنظیم حجم کل هوا انجام میشود تا نیاز هوادهی سیستم بیولوژیکی را برآورده کند، در حالی که از فشار حفاظتی افزایشی برای محافظت از دمندهها در برابر افزایش استفاده میشود. دمنده ها تجهیزات اصلی فرآیند در تصفیه خانه های فاضلاب هستند. سیستم هوادهی دقیق باید عملکرد دمنده را تنظیم کند تا نیاز هوادهی مخازن بیولوژیکی را برآورده کند و در عین حال از موج دمنده جلوگیری کند.
2 راه اندازی سیستم هوادهی دقیق
برای اطمینان از عملکرد نرمال سیستم هوادهی دقیق، ابتدا باید تک تک دستگاه های داخل سیستم یک به یک راه اندازی شوند. پس از آن، راه اندازی هماهنگ شیرهای هوادهی مخزن بیولوژیکی و دمنده ها، تنظیم حجم هوای دمنده و تنظیم نظارت بر فشار خط لوله ضروری است. در طول راه اندازی، کلیه عملیات ها و تنظیمات باید از عدم تاثیر بر تولید اطمینان حاصل کنند. به طور خاص، اقدامات احتیاطی برای عملیات دمنده اضطراری باید تاکید شود:
(1) در طول نوسانات کوتاه مدت-در باز شدن دمنده. این سیستم از دمنده های گریز از مرکز یاتاقان مغناطیسی استفاده می کند که می توانند نقاط تنظیم ارسال شده توسط سیستم هوادهی دقیق را در زمان واقعی دریافت کنند. دمنده زمان باز شدن و عمل خود را بر اساس تفاوت تنظیم می کند. سیستم هوادهی دقیق دارای مکانیزم حفاظتی ایمنی برای نوسانات دمنده است تا از افزایش نوسانات ناشی از نوسانات جلوگیری کند. دلایل احتمالی برای نوسانات قابل توجه کوتاه مدت در باز شدن دمنده عبارتند از: تغییرات ناگهانی در کیفیت ورودی، پارامترهای تنظیم نامناسب سیستم، تغییرات ناگهانی فشار خط لوله، و خرابی ابزار بیولوژیکی مخزن. برای ایمنی تجهیزات، برای جلوگیری از نوسانات بزرگ فشار خط لوله و خطرات افزایش دمنده، می توان سیستم هوادهی دقیق را به صورت دستی نادیده گرفت و به حالت دستی تغییر داد.
(2) در طول موج دمنده. در طول راه اندازی اولیه، گاهی اوقات افزایش دمنده اجتناب ناپذیر است. دلایل احتمالی عبارتند از هماهنگی ناکافی بین شیرها و دمنده ها، که منجر به افزایش فشار خط لوله و افزایش موج می شود. یا خود پارامترهای نامعقول دمنده، با تنظیمات باز شدن بیش از حد سریع، که باعث افزایش سرعت خود دمنده می شود. هنگامی که این خطا رخ می دهد، سیستم هوادهی دقیق را می توان به صورت دستی نادیده گرفت و برای عملکرد به حالت دستی تغییر داد.
3 نتایج DO کنترل اثربخشی و صرفه جویی در انرژی سیستم هوادهی دقیق
3.1 اثربخشی کنترل DO سیستم هوادهی دقیق
بررسی اثربخشی سیستم هوادهی دقیق برای این پروژه در درجه اول با مقایسه سناریوها با و بدون دخالت سیستم انجام شد. روش های کنترل سنتی نمی توانند به موقع و دقیق به تاثیر اختلالات مختلف پاسخ دهند. هنگامی که مقدار DO کنترل شده آنلاین نوسانات زیادی را نشان می دهد، تغییر اکسیژن محلول (DO) در طول زمان در یک مکان خاص در یک مخزن بیولوژیکی بدون هوادهی دقیق نشان داده می شود.شکل 5.
در مقایسه با روشهای سنتی کنترل مخزن بیولوژیکی، روش کنترل دقیق هوادهی میتواند با دقت بیشتری DO را در مخزن بیولوژیکی کنترل کند، و سازگاری قویتری را نشان میدهد، در نتیجه هوادهی بهتر و صرفهجویی در انرژی را ممکن میسازد. روند اکسیژن محلول (DO) در یک مکان معین در یک مخزن بیولوژیکی با هوادهی دقیق نشان داده شده است.شکل 6.
با توجه به نتایج عملیات آزمایشی سیستم کنترل دقیق در این پروژه، احتمال توزیع مقادیر DO در محدوده ± 0.5 میلی گرم در لیتر از نقطه تنظیم هدف 90٪ است. احتمال در ± 0.3 میلی گرم در لیتر 30٪ است. و احتمال ± 0.2 میلی گرم در لیتر 20٪ است، نیازهای طراحی و نیازهای عملیاتی واقعی را برآورده می کند.
3.2 نتایج صرفه جویی در انرژی کنترل DO با سیستم هوادهی دقیق
در تصفیه خانه فاضلاب چند مرحله ای AAO، سیستم هوادهی دقیق، حجم کل هوای مورد نیاز را در زمان واقعی بر اساس جریان ورودی و بار جاری در طول کنترل دمنده محاسبه می کند. سپس نقطه تنظیم کل تقاضای هوا را به کابینه کنترل اصلی دمنده منتقل می کند، که دمنده های مرتبط را مطابق با هدف تعیین شده تنظیم می کند. این تضمین میکند که حجم هوادهی نیازهای واقعی را در شرایط بار زیاد و کم برآورده میکند و در عین حال مصرف انرژی هوادهی غیرضروری را کاهش میدهد. تحت کنترل سنتی، دمنده ها معمولاً به طور مداوم با قدرت نسبتاً بالا کار می کنند. از طریق کنترل دقیق سیستم هوادهی دمنده ها، تنظیم زمان واقعی توان عملیاتی حاصل می شود و هدف صرفه جویی در انرژی را محقق می کند.
پس از اتخاذ سیستم هوادهی دقیق، تصفیه خانه فاضلاب چند مرحلهای AAO از عملکرد عادی تجهیزات تصفیه، دادههای دقیق ابزار، جریان ورودی و کیفیت پایدار (بیشتر از 20% مقادیر طراحی)، فشار کاری کافی دمنده، حجم هوای قابل تنظیم مداوم، و عملکرد فشار ثابت خودکار کابین کنترل اصلی بهره میبرد.
4 نتیجه گیری
استفاده از سیستم هوادهی دقیق در تصفیه خانه فاضلاب چند مرحله ای AAO با هدف ارائه یک راه حل عملیاتی تصفیه شده برای مرحله هوادهی فرآیند تصفیه فاضلاب است. راه حل دقیق سیستم هوادهی کاملاً با شرایط عملیاتی کارخانه مطابقت دارد و به کنترل دقیق هوادهی دست می یابد. بر این اساس، محیط بیوشیمیایی میکروبی پایدار می ماند و در نتیجه به تصفیه خانه فاضلاب در دستیابی به تصفیه، صرفه جویی در انرژی، و عملکرد خودکار سیستم هوادهی کمک می کند و در نتیجه ثبات کیفیت پساب را بهبود می بخشد.