Diseño y puesta en marcha de un sistema de aireación preciso para una planta de tratamiento de aguas residuales AAO de etapas múltiples
Descripción general
El tratamiento de aguas residuales es un componente vital de la construcción urbana. En los últimos años, la industria de tratamiento de aguas residuales de China se ha desarrollado rápidamente. La profunda participación de las plantas de tratamiento de aguas residuales en la reducción colaborativa de emisiones sirve como un apoyo importante para construir una sociedad baja-en carbono, desarrollar una economía baja-en carbono y lograr un desarrollo urbano sostenible. En el marco de los objetivos de "carbono dual", el concepto de plantas de tratamiento de aguas residuales bajas-en carbono ha atraído la atención de la industria. Para alinearse con la estrategia de desarrollo de plantas de tratamiento de aguas residuales bajas-en carbono, es necesario analizar y estudiar los factores clave que influyen en la conservación de energía y la reducción de emisiones.
La mayoría del tratamiento de aguas residuales domésticas emplea procesos de lodos activados. Un factor clave en este tratamiento es suministrar una cantidad adecuada de oxígeno para las reacciones de oxidación de los microorganismos en los tanques biológicos, por lo que el control del volumen de aireación es crucial. El control de aireación tradicional, que se logra mediante interruptores manuales, depende principalmente de la experiencia de los operadores en el sitio,-lo que genera incertidumbre y desperdicio significativos. Para lograr un control automático de los sistemas de aireación precisos y reducir la intervención manual, los investigadores han estudiado ampliamente los métodos de control de la aireación, incluido el control difuso, las redes neuronales, las redes neuronales difusas, los algoritmos genéticos y las máquinas de vectores de soporte. Este artículo se centra en el proceso AAO de múltiples etapas de una planta de tratamiento de aguas residuales en Shenzhen, analizando y resumiendo el proceso de diseño y puesta en marcha de su sistema de aireación preciso para proporcionar referencia para proyectos similares.
1 Descripción general del sistema
1.1 Principio del sistema de aireación preciso
El tratamiento biológico es la etapa más importante en el proceso de tratamiento de aguas residuales, y generalmente tiene como objetivo eliminar o reducir las sustancias objetivo en las aguas residuales para cumplir con los estándares de descarga manteniendo un crecimiento microbiano sostenido y efectivo y promoviendo procesos bioquímicos. Las estrategias de control tradicionales no pueden responder de manera oportuna y precisa a los cambios en los parámetros operativos de las plantas de tratamiento de aguas residuales modernas. Durante la operación de prueba inicial, a menudo se realizan ajustes solo en los sopladores o en las tuberías de aireación terminales, sin poder realizar una regulación en tiempo real-on-demanda del volumen de aireación en los tanques de reacción en función de los cambios reales en las condiciones operativas y al mismo tiempo lograr ahorros de energía.
El oxígeno disuelto (OD) es un factor principal que afecta el proceso de tratamiento biológico. La calidad del control de OD impacta directamente en la eficiencia del tratamiento de aguas residuales. El sistema de aireación preciso introduce un método de control de múltiples-parámetros que combina "alimentación anticipada + retroalimentación + modelo", abordando de manera efectiva características como grandes retrasos y no-linealidad en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Considera de manera integral los sopladores, las válvulas reguladoras en las tuberías de aireación, así como la carga de agua y OD, para implementar un control preciso sobre el proceso de reacción biológica, logrando-aireación bajo demanda, mejorando así la estabilidad operativa del sistema y ahorrando energía.
En las plantas de tratamiento de aguas residuales, las señales de avance incluyen principalmente señales de flujo y calidad del afluente; Las señales de retroalimentación incluyen principalmente señales de OD, sólidos suspendidos en licores mixtos (MLSS) y señales de nivel de tanque biológico.
La estrategia de control de OD de sistemas de aireación precisos suele tener dos enfoques: establecer el objetivo de control como un valor constante o como un valor dinámico.
Por lo general, bajo la estrategia en la que el objetivo de control de OD se establece como un valor constante, el sistema de aireación preciso calcula el volumen de aire requerido para cada zona del tanque biológico y el volumen de aire total requerido en función de señales como la calidad del afluente, el flujo del afluente, el punto de ajuste de OD y el MLSS del tanque biológico. Luego ajusta el sistema de control principal del soplador y las válvulas eléctricas en las tuberías de aireación para hacer coincidir el suministro de aire con la demanda, logrando así el control del valor objetivo de OD.
Al adoptar un sistema de aireación preciso, las plantas de tratamiento de aguas residuales pueden lograr mejor los siguientes objetivos:
(1) Reducir el consumo de energía por unidad de agua residual tratada, abaratando costes.
(2) Mejorar la estabilidad y confiabilidad general de las operaciones de tratamiento de aguas residuales.
(3) Ajustar automáticamente la aireación según la carga de agua tratada y la carga de contaminación, logrando realmente una aireación y un control automático-bajo demanda.
(4) Mejorar la calidad de los efluentes y aumentar la tasa de cumplimiento de la calidad de los efluentes.
1.2 Diseño general del sistema de aireación preciso
La capacidad de tratamiento diseñada de esta planta depuradora de aguas residuales es de 50.000 m³/d. Adopta un proceso AAO de múltiples etapas, equipado con 2 tanques biológicos. Los principales indicadores de calidad de los efluentes cumplen con los estándares de Agua Superficial Clase IV. El flujo del proceso de tratamiento de aguas residuales se muestra enFigura 1.
El proyecto cuenta con 2 tanques biológicos. Cada tanque biológico está dividido en 6 zonas de control de OD, dando como resultado un total de 12 zonas de control de OD para los tanques biológicos de la planta. El diagrama de diseño de su preciso sistema de aireación se muestra enFigura 2.
Para lograr una aireación precisa, se requiere una red de control completa para el sistema de aireación preciso. La topología de comunicación de automatización del sistema de aireación preciso se muestra enFigura 3.
La estación maestra precisa del sistema de aireación obtiene directamente parámetros relevantes de los sopladores de aireación a través de comunicación, recopila señales de-instrumentos de monitoreo en el sitio y envía comandos de ajuste de control a las válvulas del equipo y al sistema de sopladores, logrando así un control automático total del proceso de aireación y una regulación coordinada de las válvulas de control de flujo y los sopladores.
1.3 Componentes de hardware del sistema de aireación preciso
Se configura un analizador de OD en línea para cada zona de control de OD. En el ramal de aireación correspondiente a cada zona de control de OD se configuran un medidor de flujo de gas térmico y una válvula de control eléctrica. Se instalan un medidor de flujo de gas térmico y un transmisor de presión en la tubería de salida principal de la sala del ventilador.
La tabla de configuración de equipos e instrumentos para el sistema de aireación preciso se muestra enTabla 1.
1.4 Componentes de software del sistema de aireación preciso
El software del sistema de aireación preciso se instala y se ejecuta en la estación de trabajo del sistema de aireación preciso, que sirve como unidad de procesamiento central del sistema. Basándose en las señales de campo recopiladas, esta unidad calcula la demanda biológica de aire de los tanques biológicos a través de un modelo y simultáneamente emite comandos de ajuste a los dispositivos de control de campo. Funcionalmente, incluye módulos principales como el módulo de cálculo del volumen de aireación, el módulo de distribución de aire y el módulo de configuración de optimización del ventilador.
El software del sistema de aireación preciso se diseña principalmente en función de los dos aspectos siguientes:
(1) El sistema de aireación preciso divide la sección aeróbica en varias zonas de control de OD independientes, capaces de adaptarse a los requisitos del flujo de control del proceso, ajustando automáticamente el flujo de aireación para cumplir con las condiciones del proceso de distribución de OD requeridas por las unidades de tratamiento.
(2) El sistema de aireación preciso permite a los usuarios establecer de forma independiente los niveles de OD objetivo y admite puntos de ajuste de OD dinámicos. Teniendo en cuenta la comodidad y la operatividad, los datos relevantes se pueden ver y configurar en la sala de control central.
El mecanismo de control para una aireación precisa prioriza el campo, seguido por la computadora superior de control central, que incluye principalmente el control de válvulas y el control del ventilador.
El control de válvulas tiene dos modos: modo de control local y modo de control remoto. En el ordenador superior de control central, hay dos opciones: modo manual y modo de aireación precisa.
El control de presión del soplador incluye:
(1) Cuando el gabinete de control principal ingresa al modo local, el punto de ajuste de presión se puede configurar manualmente localmente.
(2) Cuando el gabinete de control principal ingresa al modo automático remoto, el ajuste de presión se divide en dos modos: aireación manual y precisa, y el control cambia a la sala de control central.
Dado que posee tres modos de control - control automático total, control automático parcial y control manual forzado - y permite cambiar de modo ya sea en el sitio-o en la sala de control principal, el sistema de aireación preciso puede manejar adecuadamente diversas situaciones encontradas durante la operación de la planta de tratamiento de aguas residuales.
1.5 Funciones del sistema de aireación preciso
1.5.1 Cálculo de la demanda de aire
El sistema de aireación preciso puede calcular dinámicamente la demanda de aire real en función de los cambios en varios factores dentro de los tanques biológicos, lo que permite que el sistema de aireación suministre aire según la demanda. El modelo de cálculo de la demanda de aire para el sistema de aireación preciso se muestra enCifra4.
En aplicaciones prácticas de control preciso de la aireación en plantas de tratamiento de aguas residuales, el sistema de aireación preciso puede calcular la demanda de aire real en tiempo real-a medida que cambian el flujo afluente y las cargas de calidad, lo que garantiza una aireación razonable que cumple con los requisitos bioquímicos y al mismo tiempo ahorra un consumo innecesario de energía de aireación.
1.5.2 Distribución del volumen de aireación
El sistema de aireación preciso implica múltiples unidades de control de aireación. El sistema incorpora una estrategia de control de desacoplamiento de múltiples-válvulas para suprimir la interferencia de ajustes de una sola-válvula en otras válvulas. También posee una estrategia de control de apertura óptima de múltiples-válvulas, que permite ajustes rápidos y óptimos de apertura de válvulas para lograr una transmisión y distribución rápida y precisa del volumen de aireación entre diferentes unidades de control de aireación.
1.5.3 Control de optimización del soplador
El ahorro energético en el proceso de aireación se consigue optimizando el funcionamiento del ventilador. El núcleo del sistema de aireación es regular el funcionamiento del soplador en función de los parámetros operativos. Por un lado, los ajustes del ventilador deben considerar los parámetros operativos reales; por otro lado, los ajustes del ventilador también deben considerar la protección del equipo. El principio general es operar los sopladores en las condiciones más económicas y al mismo tiempo evitar condiciones anormales del soplador (como sobretensiones).
El sistema de aireación preciso calcula el volumen de aire requerido en función de los parámetros operativos del proceso actual y luego envía la señal al gabinete de control del ventilador. Las operaciones como arrancar/detener los sopladores y ajustar las aberturas se realizan en función del punto de ajuste del volumen de aire total para satisfacer la demanda de aireación del sistema biológico, mientras que la presión de protección contra el aumento repentino se utiliza para proteger a los sopladores contra el aumento repentino. Los sopladores son equipos de proceso básicos en las plantas de tratamiento de aguas residuales. El sistema de aireación preciso debe regular el funcionamiento del ventilador para satisfacer la demanda de aireación de los tanques biológicos y al mismo tiempo evitar el aumento repentino del ventilador.
2 Puesta en servicio del sistema de aireación Precise
Para garantizar el funcionamiento normal del sistema de aireación preciso, primero se deben poner en funcionamiento los distintos dispositivos del sistema uno por uno. Posteriormente, es necesaria la puesta en marcha coordinada de las válvulas de aireación de los tanques biológicos y los sopladores, ajustando el volumen de aire del soplador y regulando el control de la presión de la tubería. Durante la puesta en servicio, todas las operaciones y ajustes deben garantizar que no haya impacto en la producción. Específicamente, se deben enfatizar las precauciones para la operación de emergencia del ventilador:
(1) Durante fluctuaciones significativas a corto-plazo en la apertura del ventilador. Este sistema utiliza sopladores centrífugos con cojinetes magnéticos, que pueden recibir puntos de ajuste enviados por el sistema de aireación preciso en tiempo-real. El soplador ajusta su apertura y tiempo de acción en función de la diferencia. El sistema de aireación preciso tiene un mecanismo de protección de seguridad para las fluctuaciones del ventilador para evitar el aumento repentino causado por las fluctuaciones. Las posibles razones de fluctuaciones significativas-a corto plazo en la apertura del soplador incluyen cambios repentinos en la calidad del afluente, parámetros de ajuste del sistema no coincidentes, cambios repentinos en la presión de la tubería y fallas en los instrumentos del tanque biológico. Para la seguridad del equipo, para evitar grandes fluctuaciones de presión en las tuberías y riesgos de aumento repentino del ventilador, el sistema de aireación preciso se puede anular manualmente y cambiar al modo manual.
(2) Durante el aumento repentino del ventilador. Durante la puesta en servicio inicial, a veces es inevitable el aumento repentino del ventilador. Las posibles razones incluyen una coordinación insuficiente entre las válvulas y los sopladores, lo que provoca un aumento de la presión en las tuberías y aumentos repentinos; o parámetros irrazonables del ventilador en sí mismos, con ajustes de apertura demasiado rápidos, lo que hace que el ventilador se acelere. Cuando se produce esta falla, el sistema de aireación preciso se puede anular manualmente y cambiar al modo manual para su funcionamiento.
3 Efectividad del control de OD y resultados de ahorro de energía del sistema de aireación preciso
3.1 Eficacia del control de OD del sistema de aireación preciso
La verificación de la efectividad del sistema de aireación preciso para este proyecto se realizó principalmente comparando escenarios con y sin la intervención del sistema. Los métodos de control tradicionales no pueden responder de manera oportuna y precisa al impacto de diversas perturbaciones. Cuando el valor de OD controlado en línea muestra grandes fluctuaciones, la variación del oxígeno disuelto (OD) a lo largo del tiempo en una determinada ubicación en un tanque biológico sin aireación precisa se muestra enFigura 5.
En comparación con los métodos tradicionales de control de tanques biológicos, el método de control preciso de la aireación puede controlar con mayor precisión el OD dentro del tanque biológico, lo que demuestra una mayor adaptabilidad, lo que permite una mejor aireación y ahorro de energía. La tendencia del oxígeno disuelto (OD) en un lugar determinado de un tanque biológico con aireación precisa se muestra enFigura 6.
Según los resultados de la operación de prueba del sistema de control preciso en este proyecto, la probabilidad de que los valores de OD se distribuyan dentro de ±0,5 mg/L del punto de ajuste objetivo es del 90%; la probabilidad dentro de ±0,3 mg/L es del 30%; y la probabilidad dentro de ±0,2 mg/L es del 20 %, cumpliendo con los requisitos de diseño y las necesidades operativas reales.
3.2 Resultados de ahorro de energía del control de OD con el sistema de aireación preciso
En la planta de tratamiento de aguas residuales AAO de múltiples etapas, el sistema de aireación preciso calcula el volumen de aire total requerido en tiempo real-en función del flujo de entrada actual y la carga durante el control del ventilador. Luego transmite el punto de ajuste de la demanda de aire total al gabinete de control principal del ventilador, que regula los ventiladores asociados de acuerdo con el objetivo establecido. Esto garantiza que el volumen de aireación cumpla con las demandas reales en condiciones de carga alta y baja, al tiempo que reduce el consumo innecesario de energía de aireación. Bajo el control tradicional, los sopladores suelen funcionar de forma continua a una potencia relativamente alta. A través del control preciso de los ventiladores del sistema de aireación, se logra el ajuste en tiempo real-de la potencia operativa, logrando el objetivo de ahorrar energía.
Después de adoptar el sistema de aireación preciso, la planta de tratamiento de aguas residuales AAO de etapas múltiples se beneficia del funcionamiento normal del equipo de tratamiento, datos precisos de los instrumentos, flujo y calidad del afluente estables (que no exceden el ±20 % de los valores de diseño), suficiente presión de funcionamiento del ventilador, volumen de aire continuamente ajustable y funcionamiento automático a presión constante del gabinete de control principal.
4 Conclusión
La aplicación del sistema de aireación preciso en la planta de tratamiento de aguas residuales AAO de múltiples etapas tiene como objetivo proporcionar una solución operativa refinada para la etapa de aireación del proceso de tratamiento de aguas residuales. La solución precisa del sistema de aireación se adapta completamente a las condiciones operativas de la planta, logrando un control preciso de la aireación. Sobre esta base, el entorno bioquímico microbiano permanece estable, lo que ayuda a la planta de tratamiento de aguas residuales a lograr un funcionamiento refinado,{3}}ahorro de energía y automatizado del sistema de aireación, mejorando en consecuencia la estabilidad de la calidad del efluente.