Projeto e comissionamento de um sistema de aeração preciso para uma estação de tratamento de águas residuais AAO de vários-estágios
Visão geral
O tratamento de águas residuais é um componente vital da construção urbana. Nos últimos anos, a indústria de tratamento de águas residuais da China desenvolveu-se rapidamente. A profunda participação das estações de tratamento de águas residuais na redução colaborativa de emissões serve como um apoio importante para a construção de uma sociedade de baixo-carbono, o desenvolvimento de uma economia de baixo-carbono e o alcance do desenvolvimento urbano sustentável. De acordo com as metas do "Carbono Duplo", o conceito de estações de tratamento de águas residuais com baixo-carbono atraiu a atenção da indústria. Para se alinhar à estratégia de desenvolvimento de estações de tratamento de águas residuais com baixo-carbono, é necessário analisar e estudar os principais fatores que influenciam a conservação de energia e a redução de emissões.
A maior parte do tratamento de águas residuais domésticas emprega processos de lodo ativado. Um fator chave neste tratamento é fornecer uma quantidade adequada de oxigênio para reações de oxidação por microrganismos nos tanques biológicos, tornando crucial o controle do volume de aeração. O controle de aeração tradicional, obtido por meio de interruptores manuais, depende principalmente da experiência dos operadores-no local, levando a incertezas e desperdícios significativos. Para obter o controle automático de sistemas de aeração precisos e reduzir a intervenção manual, os pesquisadores estudaram extensivamente métodos de controle de aeração, incluindo controle difuso, redes neurais, redes neurais difusas, algoritmos genéticos e máquinas de vetores de suporte. Este artigo se concentra no processo AAO de vários-estágios de uma estação de tratamento de águas residuais em Shenzhen, analisando e resumindo o processo de projeto e comissionamento de seu sistema de aeração preciso para fornecer referência para projetos semelhantes.
1 Visão Geral do Sistema
1.1 Princípio do Sistema de Aeração Preciso
O tratamento biológico é a etapa mais importante no processo de tratamento de águas residuais, normalmente com o objetivo de remover ou reduzir as substâncias alvo nas águas residuais para atender aos padrões de descarga, mantendo o crescimento microbiano sustentado e eficaz e promovendo processos bioquímicos. As estratégias de controle tradicionais não podem responder de forma oportuna e precisa às mudanças nos parâmetros operacionais das modernas estações de tratamento de águas residuais. Durante a operação de teste inicial, os ajustes geralmente são feitos apenas nos sopradores ou nos tubos de aeração do terminal, deixando de realizar a regulação-em tempo real, sob-demanda do volume de aeração em tanques de reação com base nas mudanças reais das condições operacionais, ao mesmo tempo em que se obtém economia de energia.
O oxigênio dissolvido (OD) é um fator primário que afeta o processo de tratamento biológico. A qualidade do controle de OD impacta diretamente a eficiência do tratamento de águas residuais. O sistema de aeração preciso introduz um método de controle multi-parâmetros que combina "feedforward + feedback + modelo", abordando efetivamente características como grandes atrasos de tempo e não-linearidade em estações de tratamento de águas residuais. Ele considera de forma abrangente os sopradores, as válvulas reguladoras nas tubulações de aeração, bem como a carga de OD e de água, para implementar o controle preciso sobre o processo de reação biológica, alcançando a aeração sob-demanda, melhorando assim a estabilidade operacional do sistema e economizando energia.
Nas estações de tratamento de águas residuais, os sinais feedforward incluem principalmente fluxo de afluentes e sinais de qualidade; os sinais de feedback incluem principalmente OD, sólidos suspensos em licor misto (MLSS) e sinais de nível de tanque biológico.
A estratégia de controle de OD de sistemas de aeração precisos normalmente tem duas abordagens: definir a meta de controle como um valor constante ou como um valor dinâmico.
Normalmente, sob a estratégia em que a meta de controle de OD é definida como um valor constante, o sistema de aeração preciso calcula o volume de ar necessário para cada zona do tanque biológico e o volume de ar total necessário com base em sinais como qualidade do afluente, fluxo do afluente, ponto de ajuste de OD e MLSS do tanque biológico. Em seguida, ele ajusta o sistema de controle principal do soprador e as válvulas elétricas nos tubos de aeração para combinar o suprimento de ar com a demanda, alcançando assim o controle do valor alvo de OD.
Ao adotar um sistema de aeração preciso, as estações de tratamento de águas residuais podem atingir melhor os seguintes objetivos:
(1) Reduzir o consumo de energia por unidade de efluente tratado, reduzindo custos.
(2) Melhorar a estabilidade geral e a confiabilidade das operações de tratamento de águas residuais.
(3) Ajustar automaticamente a aeração com base na carga de água tratada e na carga de poluição, alcançando verdadeiramente a-aeração sob demanda e controle automático.
(4) Melhorar a qualidade dos efluentes e aumentar a taxa de conformidade da qualidade dos efluentes.
1.2 Projeto Geral do Sistema de Aeração Preciso
A capacidade de tratamento projetada desta estação de tratamento de águas residuais é de 50.000 m³/d. Adota um processo AAO de vários-estágios, equipado com 2 tanques biológicos. Os principais indicadores de qualidade dos efluentes atendem aos padrões de Águas Superficiais Classe IV. O fluxo do processo de tratamento de águas residuais é mostrado emFigura 1.
O projeto conta com 2 tanques biológicos. Cada tanque biológico é dividido em 6 zonas de controle de OD, resultando em um total de 12 zonas de controle de OD para os tanques biológicos da planta. O diagrama de projeto de seu sistema de aeração preciso é mostrado emFigura 2.
Para obter uma aeração precisa, é necessária uma rede de controle completa para o sistema de aeração preciso. A topologia de comunicação de automação do sistema de aeração preciso é mostrada emFigura 3.
A estação mestre precisa do sistema de aeração obtém parâmetros relevantes diretamente dos sopradores de aeração por meio de comunicação, coleta sinais de-instrumentos de monitoramento no local e envia comandos de ajuste de controle para as válvulas do equipamento e para o sistema do soprador, alcançando assim o controle totalmente automático do processo de aeração e a regulação coordenada das válvulas de controle de fluxo e dos sopradores.
1.3 Componentes de Hardware do Sistema de Aeração Preciso
Um analisador de OD online é configurado para cada zona de controle de OD. Um medidor de vazão de gás térmico e uma válvula de controle elétrico são configurados no ramal de aeração correspondente a cada zona de controle de OD. Um medidor de vazão de gás térmico e um transmissor de pressão estão instalados no tubo de saída principal da sala do soprador.
A tabela de configuração de equipamentos e instrumentos para o sistema de aeração preciso é mostrada emTabela 1.
1.4 Componentes de Software do Sistema de Aeração Preciso
O software do sistema de aeração preciso é instalado e executado na estação de trabalho do sistema de aeração preciso, servindo como unidade central de processamento do sistema. Com base nos sinais de campo coletados, esta unidade calcula a demanda biológica de ar dos tanques biológicos através de um modelo e emite simultaneamente comandos de ajuste para dispositivos de controle de campo. Funcionalmente, inclui módulos principais, como módulo de cálculo de volume de aeração, módulo de distribuição de ar e módulo de configuração de otimização do soprador.
O software do sistema de aeração preciso é projetado principalmente com base nos dois aspectos a seguir:
(1) O sistema de aeração preciso divide a seção aeróbica em várias zonas independentes de controle de OD, capazes de se adaptar aos requisitos do fluxo de controle do processo, ajustando automaticamente o fluxo de aeração para atender às condições do processo de distribuição de OD exigidas pelas unidades de tratamento.
(2) O sistema de aeração preciso permite que os usuários definam independentemente os níveis alvo de OD e suporta pontos de ajuste dinâmicos de OD. Considerando a conveniência e a operabilidade, os dados relevantes podem ser visualizados e configurados na sala de controle central.
O mecanismo de controle para aeração precisa prioriza o campo, seguido pelo computador superior de controle central, incluindo principalmente controle de válvula e controle de ventilador.
O controle da válvula possui dois modos: modo de controle local e modo de controle remoto. No computador superior de controle central, existem duas opções: modo manual e modo de aeração preciso.
O controle de pressão do soprador inclui:
(1) Quando o gabinete de controle principal entra no modo local, o ponto de ajuste de pressão pode ser definido manualmente localmente.
(2) Quando o gabinete de controle principal entra no modo automático remoto, o ajuste da pressão é dividido em dois modos: aeração manual e precisa e interruptores de controle para a sala de controle central.
Como possui três modos de controle - controle totalmente automático, controle automático parcial e controle manual forçado - e permite a alternância de modo no-local ou na sala de controle principal, o sistema de aeração preciso pode lidar adequadamente com diversas situações encontradas durante a operação da estação de tratamento de águas residuais.
1.5 Funções do Sistema de Aeração Preciso
1.5.1 Cálculo da Demanda de Ar
O sistema de aeração preciso pode calcular dinamicamente a demanda real de ar com base nas alterações em vários fatores dentro dos tanques biológicos, permitindo que o sistema de aeração forneça ar sob demanda. O modelo de cálculo da demanda de ar para o sistema de aeração preciso é mostrado emFigura4.
Em aplicações práticas de controle preciso de aeração em estações de tratamento de águas residuais, o sistema de aeração preciso pode calcular a demanda real de ar em tempo real-à medida que o fluxo influente e as cargas de qualidade mudam, garantindo uma aeração razoável que atenda aos requisitos bioquímicos e, ao mesmo tempo, economizando o consumo desnecessário de energia de aeração.
1.5.2 Distribuição do Volume de Aeração
O sistema de aeração preciso envolve múltiplas unidades de controle de aeração. O sistema incorpora uma estratégia de controle de desacoplamento de múltiplas-válvulas para suprimir a interferência de ajustes de-válvulas únicas em outras válvulas. Ele também possui uma estratégia de controle de abertura ideal multi-válvulas, permitindo ajustes rápidos e ideais de abertura da válvula para obter transmissão e distribuição rápida e precisa do volume de aeração entre diferentes unidades de controle de aeração.
1.5.3 Controle de Otimização do Ventilador
A economia de energia no processo de aeração é obtida através da otimização da operação do soprador. O núcleo do sistema de aeração é regular a operação do soprador com base em parâmetros operacionais. Por um lado, os ajustes do soprador precisam considerar os parâmetros operacionais reais; por outro lado, os ajustes da sopradora também devem considerar a proteção do equipamento. O princípio geral é operar os sopradores nas condições mais econômicas, evitando condições anormais dos sopradores (como oscilações).
O sistema de aeração preciso calcula o volume de ar necessário com base nos parâmetros operacionais atuais do processo e, em seguida, envia o sinal para o gabinete de controle do soprador. Operações como iniciar/parar ventiladores e ajustar aberturas são realizadas com base no ponto de ajuste do volume de ar total para atender à demanda de aeração do sistema biológico, enquanto a pressão de proteção contra surtos é usada para proteger os sopradores contra surtos. Os sopradores são equipamentos de processo essenciais em estações de tratamento de águas residuais. O sistema de aeração preciso deve regular a operação do soprador para atender à demanda de aeração dos tanques biológicos, evitando ao mesmo tempo o aumento do soprador.
2 Comissionamento do Sistema de Aeração Preciso
Para garantir o funcionamento normal do sistema de aeração preciso, os dispositivos individuais dentro do sistema devem primeiro ser comissionados um por um. Posteriormente, é necessário o comissionamento coordenado de válvulas e sopradores de aeração de tanques biológicos, ajustando o volume de ar do soprador e regulando o monitoramento da pressão da tubulação. Durante o comissionamento, todas as operações e ajustes devem garantir que não haja impacto na produção. Especificamente, devem ser enfatizadas as precauções para operação de emergência do soprador:
(1) Durante flutuações significativas-de curto prazo na abertura do soprador. Este sistema usa sopradores centrífugos com rolamentos magnéticos, que podem receber pontos de ajuste enviados pelo sistema de aeração preciso em tempo-real. O soprador ajusta seu tempo de abertura e ação em função da diferença. O sistema de aeração preciso possui um mecanismo de proteção de segurança para flutuações do soprador para evitar surtos causados por flutuações. Possíveis razões para flutuações significativas de curto-prazo na abertura do soprador incluem mudanças repentinas na qualidade do afluente, parâmetros de ajuste do sistema incompatíveis, mudanças repentinas na pressão da tubulação e falhas nos instrumentos do tanque biológico. Para segurança do equipamento, para evitar grandes flutuações de pressão na tubulação e riscos de oscilação do soprador, o sistema de aeração preciso pode ser substituído manualmente e alternado para o modo manual.
(2) Durante a oscilação do soprador. Durante o comissionamento inicial, a oscilação do soprador às vezes é inevitável. As possíveis razões incluem coordenação insuficiente entre válvulas e sopradores, levando ao aumento da pressão e oscilação da tubulação; ou parâmetros irracionais do soprador, com ajustes de abertura muito rápidos, fazendo com que o próprio soprador sofra picos. Quando esta falha ocorre, o sistema de aeração preciso pode ser anulado manualmente e colocado no modo manual para operação.
3 Eficácia do Controle e Resultados de Economia de Energia do Sistema de Aeração Preciso
3.1 Eficácia do controle de DO do sistema de aeração preciso
A verificação da eficácia do sistema de aeração preciso para este projeto foi realizada principalmente através da comparação de cenários com e sem intervenção do sistema. Os métodos de controle tradicionais não conseguem responder de forma oportuna e precisa ao impacto de vários distúrbios. Quando o valor de OD controlado online mostra grandes flutuações, a variação do Oxigênio Dissolvido (OD) ao longo do tempo em um determinado local em um tanque biológico sem aeração precisa é mostrada emFigura 5.
Comparado aos métodos tradicionais de controle de tanques biológicos, o método preciso de controle de aeração pode controlar com mais precisão o OD dentro do tanque biológico, demonstrando maior adaptabilidade, permitindo assim melhor aeração e economia de energia. A tendência do Oxigênio Dissolvido (OD) em um determinado local em um tanque biológico com aeração precisa é mostrada emFigura 6.
De acordo com os resultados da operação experimental do sistema de controle preciso neste projeto, a probabilidade de valores de OD distribuídos dentro de ±0,5 mg/L do ponto de ajuste alvo é de 90%; a probabilidade dentro de ±0,3 mg/L é de 30%; e a probabilidade dentro de ±0,2 mg/L é de 20%, atendendo aos requisitos de projeto e às necessidades operacionais reais.
3.2 Resultados de economia de energia do controle de OD com o sistema de aeração preciso
Na estação de tratamento de águas residuais AAO de vários-estágios, o sistema de aeração preciso calcula o volume total de ar necessário em tempo-real com base no fluxo de influência atual e na carga durante o controle do soprador. Em seguida, transmite o ponto de ajuste da demanda de ar total ao gabinete de controle principal do soprador, que regula os sopradores associados de acordo com o objetivo definido. Isto garante que o volume de aeração atenda às demandas reais sob condições de carga alta e baixa, ao mesmo tempo que reduz o consumo desnecessário de energia de aeração. Sob controle tradicional, os sopradores normalmente operam continuamente com uma potência relativamente alta. Através do controle preciso dos sopradores do sistema de aeração, o ajuste-da potência operacional em tempo real é alcançado, atingindo o objetivo de economizar energia.
Depois de adotar o sistema de aeração preciso, a estação de tratamento de águas residuais AAO de vários-estágios se beneficia da operação normal do equipamento de tratamento, dados precisos do instrumento, fluxo de afluente estável e qualidade (não excedendo ±20% dos valores de projeto), pressão operacional suficiente do soprador, volume de ar continuamente ajustável e operação automática de pressão constante do gabinete de controle principal.
4 Conclusão
A aplicação do sistema de aeração preciso na estação de tratamento de águas residuais AAO de vários-estágios visa fornecer uma solução operacional refinada para o estágio de aeração do processo de tratamento de águas residuais. A solução precisa do sistema de aeração corresponde totalmente às condições operacionais da planta, alcançando um controle preciso da aeração. Nesta base, o ambiente bioquímico microbiano permanece estável, ajudando assim a estação de tratamento de águas residuais a alcançar uma operação refinada,{3}}com economia de energia e automatizada do sistema de aeração, melhorando consequentemente a estabilidade da qualidade do efluente.