Entwurf und Inbetriebnahme eines präzisen Belüftungssystems für eine mehrstufige AAO-Kläranlage
Überblick
Die Abwasserbehandlung ist ein wesentlicher Bestandteil des Städtebaus. In den letzten Jahren hat sich Chinas Abwasseraufbereitungsindustrie rasant entwickelt. Die starke Beteiligung von Kläranlagen an der gemeinschaftlichen Emissionsreduzierung dient als wichtige Unterstützung für den Aufbau einer kohlenstoffarmen Gesellschaft, die Entwicklung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft und die Verwirklichung einer nachhaltigen Stadtentwicklung. Im Rahmen der „Dual Carbon“-Ziele hat das Konzept kohlenstoffarmer Abwasseraufbereitungsanlagen die Aufmerksamkeit der Branche auf sich gezogen. Zur Ausrichtung auf die Entwicklungsstrategie von kohlenstoffarmen Abwasseraufbereitungsanlagen ist es notwendig, die Schlüsselfaktoren zu analysieren und zu untersuchen, die die Energieeinsparung und Emissionsreduzierung beeinflussen.
Die meisten häuslichen Abwasseraufbereitungsanlagen nutzen Belebtschlammverfahren. Ein Schlüsselfaktor bei dieser Behandlung ist die Bereitstellung einer geeigneten Sauerstoffmenge für Oxidationsreaktionen durch Mikroorganismen in den biologischen Tanks, wodurch die Kontrolle des Belüftungsvolumens von entscheidender Bedeutung ist. Die herkömmliche Belüftungssteuerung, die durch manuelle Schalter erreicht wird, beruht in erster Linie auf der Erfahrung der Bediener vor Ort, was zu erheblicher Unsicherheit und Verschwendung führt. Um eine automatische Steuerung präziser Belüftungssysteme zu erreichen und manuelle Eingriffe zu reduzieren, haben Forscher eingehend Methoden zur Belüftungssteuerung untersucht, darunter Fuzzy-Steuerung, neuronale Netze, Fuzzy-Neuronale Netze, genetische Algorithmen und Support-Vektor-Maschinen. Dieses Papier konzentriert sich auf den mehrstufigen AAO-Prozess einer Abwasseraufbereitungsanlage in Shenzhen und analysiert und fasst den Entwurfs- und Inbetriebnahmeprozess des präzisen Belüftungssystems zusammen, um Referenzen für ähnliche Projekte bereitzustellen.
1 Systemübersicht
1.1 Prinzip des Precise Aeration Systems
Die biologische Behandlung ist der wichtigste Schritt im Abwasserbehandlungsprozess und zielt in der Regel darauf ab, Zielstoffe im Abwasser zu entfernen oder zu reduzieren, um die Einleitungsstandards einzuhalten, indem ein nachhaltiges und effektives mikrobielles Wachstum aufrechterhalten und biochemische Prozesse gefördert werden. Herkömmliche Kontrollstrategien können nicht rechtzeitig und genau auf Änderungen der Betriebsparameter moderner Kläranlagen reagieren. Während des ersten Probebetriebs werden Anpassungen oft nur an den Gebläsen oder an den Endbelüftungsrohren vorgenommen, sodass keine Echtzeit-, bedarfsgerechte Regelung des Belüftungsvolumens in Reaktionstanks basierend auf tatsächlichen Betriebszustandsänderungen durchgeführt und gleichzeitig Energieeinsparungen erzielt werden können.
Gelöster Sauerstoff (DO) ist ein Hauptfaktor, der den biologischen Behandlungsprozess beeinflusst. Die Qualität der DO-Kontrolle wirkt sich direkt auf die Effizienz der Abwasseraufbereitung aus. Das präzise Belüftungssystem führt eine Steuerungsmethode mit mehreren Parametern ein, die „Feedforward + Feedback + Modell“ kombiniert und so Merkmale wie große Zeitverzögerungen und Nichtlinearität in Kläranlagen wirksam berücksichtigt. Es berücksichtigt umfassend Gebläse, Regelventile an Belüftungsleitungen sowie DO- und Wasserlast, um eine präzise Steuerung des biologischen Reaktionsprozesses zu implementieren und eine bedarfsgerechte Belüftung zu erreichen, wodurch die Betriebsstabilität des Systems verbessert und Energie gespart wird.
In Kläranlagen umfassen Feedforward-Signale hauptsächlich Zufluss- und Qualitätssignale; Zu den Rückkopplungssignalen gehören hauptsächlich Signale für gelösten Sauerstoff, suspendierte Feststoffe in gemischten Flüssigkeiten (MLSS) und Füllstandssignale für biologische Tanks.
Die DO-Kontrollstrategie präziser Belüftungssysteme besteht typischerweise aus zwei Ansätzen: Festlegen des Kontrollziels als konstanter Wert oder als dynamischer Wert.
Normalerweise berechnet das präzise Belüftungssystem bei der Strategie, bei der das DO-Kontrollziel als konstanter Wert festgelegt wird, das erforderliche Luftvolumen für jede biologische Tankzone und das gesamte erforderliche Luftvolumen auf der Grundlage von Signalen wie Zuflussqualität, Zuflussfluss, DO-Sollwert und MLSS des biologischen Tanks. Anschließend passt es das Hauptsteuersystem des Gebläses und die elektrischen Ventile an den Belüftungsrohren an, um die Luftzufuhr an den Bedarf anzupassen und so die Kontrolle über den DO-Zielwert zu erreichen.
Durch den Einsatz eines präzisen Belüftungssystems können Kläranlagen die folgenden Ziele besser erreichen:
(1) Reduzieren Sie den Energieverbrauch pro gereinigter Abwassereinheit und senken Sie so die Kosten.
(2) Verbesserung der allgemeinen Stabilität und Zuverlässigkeit der Abwasserbehandlungsvorgänge.
(3) Passen Sie die Belüftung automatisch an die Belastung des behandelten Wassers und die Schadstoffbelastung an, um wirklich eine bedarfsgerechte Belüftung und automatische Steuerung zu erreichen.
(4) Verbessern Sie die Abwasserqualität und erhöhen Sie die Compliance-Rate der Abwasserqualität.
1.2 Gesamtdesign des präzisen Belüftungssystems
Die geplante Behandlungskapazität dieser Kläranlage beträgt 50.000 m³/Tag. Es nutzt einen mehrstufigen AAO-Prozess und ist mit zwei biologischen Tanks ausgestattet. Die wichtigsten Indikatoren für die Abwasserqualität entsprechen den Standards der Oberflächenwasserklasse IV. Der Ablauf des Abwasserbehandlungsprozesses ist in dargestelltAbbildung 1.
Das Projekt verfügt über 2 biologische Tanks. Jeder biologische Tank ist in 6 DO-Kontrollzonen unterteilt, was insgesamt 12 DO-Kontrollzonen für die biologischen Tanks der Anlage ergibt. Das Designdiagramm seines präzisen Belüftungssystems ist in dargestelltAbbildung 2.
Um eine präzise Belüftung zu erreichen, ist ein vollständiges Steuerungsnetzwerk für das präzise Belüftungssystem erforderlich. Die Automatisierungskommunikationstopologie des präzisen Belüftungssystems ist in dargestelltAbbildung 3.
Die präzise Masterstation des Belüftungssystems erhält relevante Parameter direkt über Kommunikation von den Belüftungsgebläsen, sammelt Signale von -Überwachungsinstrumenten vor Ort und sendet Steueranpassungsbefehle an Geräteventile und das Gebläsesystem, wodurch eine vollautomatische Steuerung des Belüftungsprozesses und eine koordinierte Regelung von Durchflussregelventilen und Gebläsen erreicht wird.
1.3 Hardwarekomponenten des Precise Aeration Systems
Für jede DO-Kontrollzone ist ein Online-DO-Analysator konfiguriert. Ein thermischer Gasdurchflussmesser und ein elektrisches Steuerventil sind am Belüftungszweigrohr entsprechend jeder DO-Kontrollzone konfiguriert. Am Hauptauslassrohr im Gebläseraum sind ein thermischer Gasdurchflussmesser und ein Drucktransmitter installiert.
Die Ausrüstungs- und Instrumentenkonfigurationstabelle für das genaue Belüftungssystem ist in dargestelltTabelle 1.
1.4 Softwarekomponenten des Precise Aeration Systems
Die Software des präzisen Belüftungssystems wird auf der Workstation des präzisen Belüftungssystems installiert und ausgeführt, die als zentrale Verarbeitungseinheit des Systems dient. Basierend auf gesammelten Feldsignalen berechnet diese Einheit über ein Modell den biologischen Luftbedarf der Biotanks und gibt gleichzeitig Anpassungsbefehle an Feldsteuergeräte. Funktionell umfasst es Kernmodule wie das Modul zur Berechnung des Belüftungsvolumens, das Modul zur Luftverteilung und das Modul zur Einstellung der Gebläseoptimierung.
Die Software des präzisen Belüftungssystems basiert hauptsächlich auf den folgenden zwei Aspekten:
(1) Das präzise Belüftungssystem unterteilt den aeroben Abschnitt in mehrere unabhängige DO-Kontrollzonen, die sich an die Anforderungen des Prozesskontrollflusses anpassen können und den Belüftungsfluss automatisch an die von den Behandlungseinheiten geforderten DO-Verteilungsprozessbedingungen anpassen.
(2) Das präzise Belüftungssystem ermöglicht Benutzern die unabhängige Einstellung der DO-Zielwerte und unterstützt dynamische DO-Sollwerte. Unter Berücksichtigung von Komfort und Bedienbarkeit können relevante Daten im zentralen Kontrollraum angezeigt und konfiguriert werden.
Der Steuermechanismus für eine präzise Belüftung priorisiert das Feld, gefolgt von der zentralen Steuerung des oberen Computers, die hauptsächlich die Ventilsteuerung und die Gebläsesteuerung umfasst.
Die Ventilsteuerung verfügt über zwei Modi: den lokalen Steuermodus und den Fernsteuermodus. Auf dem oberen Computer der zentralen Steuerung gibt es zwei Möglichkeiten: manueller Modus und präziser Belüftungsmodus.
Die Gebläsedruckregelung umfasst:
(1) Wenn der Hauptschaltschrank in den lokalen Modus wechselt, kann der Drucksollwert manuell vor Ort eingestellt werden.
(2) Wenn der Hauptschaltschrank in den Fernautomatikmodus wechselt, wird die Druckeinstellung in zwei Modi unterteilt: manuelle und präzise Belüftung und Steuerung wechselt zum zentralen Kontrollraum.
Da es über drei Steuerungsmodi - vollautomatische Steuerung, teilweise automatische Steuerung und manuelle Zwangssteuerung - verfügt und eine Modusumschaltung entweder vor-vor Ort oder im Hauptkontrollraum ermöglicht, kann das präzise Belüftungssystem verschiedene Situationen, die beim Betrieb der Kläranlage auftreten, angemessen bewältigen.
1.5 Funktionen des Precise Aeration Systems
1.5.1 Berechnung des Luftbedarfs
Das präzise Belüftungssystem kann den tatsächlichen Luftbedarf basierend auf Änderungen verschiedener Faktoren in den biologischen Tanks dynamisch berechnen, sodass das Belüftungssystem bedarfsgerecht Luft liefern kann. Das Luftbedarfsberechnungsmodell für das genaue Belüftungssystem ist in dargestelltFigur4.
Bei praktischen Anwendungen der präzisen Belüftungssteuerung in Kläranlagen kann das präzise Belüftungssystem den tatsächlichen Luftbedarf in Echtzeit berechnen, wenn sich der Zufluss und die Qualitätsbelastung ändern. So wird eine angemessene Belüftung sichergestellt, die den biochemischen Anforderungen entspricht, und gleichzeitig wird unnötiger Belüftungsenergieverbrauch eingespart.
1.5.2 Belüftungsvolumenverteilung
Das präzise Belüftungssystem umfasst mehrere Belüftungssteuereinheiten. Das System verfügt über eine Steuerstrategie zur Entkopplung mehrerer Ventile, um Störungen durch Einzelventileinstellungen an anderen Ventilen zu unterdrücken. Es verfügt außerdem über eine Strategie zur Steuerung der optimalen Öffnung mehrerer Ventile, die eine schnelle und optimale Anpassung der Ventilöffnung ermöglicht, um eine schnelle und genaue Übertragung und Verteilung des Belüftungsvolumens zwischen verschiedenen Belüftungssteuereinheiten zu erreichen.
1.5.3 Gebläseoptimierungssteuerung
Eine Energieeinsparung im Belüftungsprozess wird durch die Optimierung des Gebläsebetriebs erreicht. Der Kern des Belüftungssystems ist die Regelung des Gebläsebetriebs anhand von Betriebsparametern. Einerseits müssen bei der Einstellung des Gebläses die tatsächlichen Betriebsparameter berücksichtigt werden. Andererseits muss bei der Einstellung des Gebläses auch der Geräteschutz berücksichtigt werden. Das allgemeine Prinzip besteht darin, Gebläse unter den wirtschaftlichsten Bedingungen zu betreiben und gleichzeitig anormale Gebläsebedingungen (z. B. Pumpen) zu verhindern.
Das präzise Belüftungssystem berechnet die erforderliche Luftmenge basierend auf den aktuellen Prozessbetriebsparametern und sendet das Signal dann an den Gebläsesteuerschrank. Vorgänge wie das Starten/Stoppen von Gebläsen und das Anpassen von Öffnungen werden auf der Grundlage des Gesamtluftvolumen-Sollwerts durchgeführt, um den Belüftungsbedarf des biologischen Systems zu decken, während ein Druckstoßschutz zum Schutz der Gebläse vor Druckstößen verwendet wird. Gebläse gehören zu den zentralen Prozessgeräten in Abwasseraufbereitungsanlagen. Das präzise Belüftungssystem sollte den Gebläsebetrieb regulieren, um den Belüftungsbedarf biologischer Tanks zu decken und gleichzeitig ein Überpumpen des Gebläses zu verhindern.
2 Inbetriebnahme des Precise Aeration Systems
Um den normalen Betrieb des präzisen Belüftungssystems sicherzustellen, müssen zunächst einzelne Geräte innerhalb des Systems einzeln in Betrieb genommen werden. Anschließend ist eine koordinierte Inbetriebnahme der Belüftungsventile und Gebläse für biologische Tanks erforderlich, wobei die Gebläseluftmenge eingestellt und die Überwachung des Rohrleitungsdrucks geregelt wird. Während der Inbetriebnahme müssen alle Vorgänge und Einstellungen so erfolgen, dass keine Auswirkungen auf die Produktion auftreten. Besonders hervorzuheben sind die Vorsichtsmaßnahmen für den Notbetrieb des Gebläses:
(1) Während kurzfristiger -erheblicher Schwankungen der Gebläseöffnung. Dieses System verwendet magnetgelagerte Zentrifugalgebläse, die vom präzisen Belüftungssystem gesendete Sollwerte in Echtzeit empfangen können. Das Gebläse passt seine Öffnungs- und Aktionszeit entsprechend der Differenz an. Das präzise Belüftungssystem verfügt über einen Sicherheitsschutzmechanismus für Gebläseschwankungen, um durch Schwankungen verursachte Überspannungen zu verhindern. Zu den möglichen Gründen für kurzfristige erhebliche Schwankungen der Gebläseöffnung gehören plötzliche Änderungen der Zuflussqualität, nicht übereinstimmende Systemanpassungsparameter, plötzliche Änderungen des Rohrleitungsdrucks und Ausfälle von Instrumenten für biologische Tanks. Zur Gerätesicherheit und zur Vermeidung großer Druckschwankungen in der Rohrleitung und der Gefahr von Gebläsestößen kann das präzise Belüftungssystem manuell außer Kraft gesetzt und in den manuellen Modus umgeschaltet werden.
(2) Während das Gebläse anspringt. Bei der Erstinbetriebnahme ist es manchmal unvermeidlich, dass das Gebläse pumpt. Mögliche Gründe sind eine unzureichende Koordination zwischen Ventilen und Gebläsen, was zu erhöhtem Rohrleitungsdruck und Druckstößen führt; oder unangemessene Gebläseparameter selbst, mit zu schnellen Öffnungseinstellungen, die dazu führen, dass das Gebläse selbst anspringt. Wenn dieser Fehler auftritt, kann das präzise Belüftungssystem manuell außer Kraft gesetzt und für den Betrieb in den manuellen Modus geschaltet werden.
3 DO-Kontrolleffektivität und energiesparende Ergebnisse des präzisen Belüftungssystems
3.1 DO-Kontrollwirksamkeit des Precise Aeration Systems
Die Überprüfung der Wirksamkeit des genauen Belüftungssystems für dieses Projekt erfolgte hauptsächlich durch den Vergleich von Szenarien mit und ohne Eingriff des Systems. Herkömmliche Steuerungsmethoden können nicht rechtzeitig und genau auf die Auswirkungen verschiedener Störungen reagieren. Wenn der online gesteuerte DO-Wert große Schwankungen aufweist, wird die Variation des gelösten Sauerstoffs (DO) über die Zeit an einer bestimmten Stelle in einem biologischen Tank ohne präzise Belüftung angezeigtAbbildung 5.
Im Vergleich zu herkömmlichen Kontrollmethoden für biologische Tanks kann die präzise Belüftungskontrollmethode den gelösten Sauerstoff im biologischen Tank genauer steuern, was eine stärkere Anpassungsfähigkeit zeigt und dadurch eine bessere Belüftung und Energieeinsparung ermöglicht. Der Trend des gelösten Sauerstoffs (DO) an einer bestimmten Stelle in einem biologischen Tank mit präziser Belüftung ist in dargestelltAbbildung 6.
Gemäß den Testbetriebsergebnissen des präzisen Steuerungssystems in diesem Projekt beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass DO-Werte innerhalb von ±0,5 mg/L des Zielsollwerts verteilt sind, 90 %; die Wahrscheinlichkeit innerhalb von ±0,3 mg/L beträgt 30 %; und die Wahrscheinlichkeit innerhalb von ±0,2 mg/L beträgt 20 %, was den Designanforderungen und den tatsächlichen Betriebsanforderungen entspricht.
3.2 Energiesparende Ergebnisse der DO-Kontrolle mit dem Precise Aeration System
In der mehrstufigen AAO-Kläranlage berechnet das präzise Belüftungssystem in Echtzeit die erforderliche Gesamtluftmenge auf Basis der aktuellen Zuflussmenge und Belastung während der Gebläsesteuerung. Anschließend übermittelt es den Gesamtluftbedarfssollwert an den Gebläsehauptschaltschrank, der die zugehörigen Gebläse entsprechend dem eingestellten Ziel regelt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Belüftungsvolumen sowohl bei hoher als auch bei niedriger Last den tatsächlichen Anforderungen entspricht und gleichzeitig unnötiger Belüftungsenergieverbrauch reduziert wird. Bei herkömmlicher Steuerung arbeiten Gebläse normalerweise kontinuierlich mit relativ hoher Leistung. Durch die präzise Steuerung der Gebläse durch das Belüftungssystem wird eine Echtzeitanpassung der Betriebsleistung erreicht, wodurch das Ziel der Energieeinsparung erreicht wird.
Nach der Einführung des präzisen Belüftungssystems profitiert die mehrstufige AAO-Abwasseraufbereitungsanlage vom normalen Betrieb der Aufbereitungsausrüstung, von genauen Instrumentendaten, einem stabilen Zufluss und einer stabilen Qualität (nicht mehr als ±20 % der Auslegungswerte), einem ausreichenden Betriebsdruck des Gebläses, einem stufenlos einstellbaren Luftvolumen und einem automatischen Konstantdruckbetrieb des Hauptschaltschranks.
4 Fazit
Der Einsatz des präzisen Belüftungssystems in der mehrstufigen AAO-Kläranlage zielt darauf ab, eine verfeinerte Betriebslösung für die Belüftungsstufe des Abwasserbehandlungsprozesses bereitzustellen. Die präzise Lösung des Belüftungssystems passt sich vollständig den Betriebsbedingungen der Anlage an und ermöglicht eine präzise Belüftungssteuerung. Auf dieser Grundlage bleibt die mikrobielle biochemische Umgebung stabil und unterstützt so die Kläranlage dabei, einen verfeinerten, energiesparenden und automatisierten Betrieb des Belüftungssystems zu erreichen und so die Stabilität der Abwasserqualität zu verbessern.