Оптимальное проектирование сооружений со взвешенным активным илом и их автоматизация

Современные очистные сооружения с активным илом потребляют порядка 65-80 % электроэнергии на процессы аэрации и 6-8 % на рециркуляционные процессы, поддерживающие биологические процессы очистки. Эксплуатация сооружений, работающих в условиях колебаний нагрузок (гидравлических и массовых), по законам энергосбережения требует грамотного технологического проектирования частей ТХ и автоматики. 

Представленная схема (рис. 1) была выбрана в качестве базовой для рассмотрения основных законов оптимального проектирования. Схема отражает наиболее полный вариант совместного удаления биогенных элементов N и P в соответствии с процессом MUCT

Сразу оговоримся, представленный вариант — не единственный, он схематичный и наглядный. Пропорции зон и плотность аэраторов не выдержаны в соответствии с конкретными расчетами. Кроме того, каждый из воздухоподводящих стояков может быть снабжен управляемыми задвижками и расходомерами воздуха.

Рассмотрим пример развития от простого к сложному.

Проектирование разделительных перегородок. На крупных очистных сооружениях мегаполисов подобные перегородки не всегда проектируются, однако для малых и средних сооружений зоны следует выделять перегородками. Причины этому: необходимость поддержания расчетных доз ила в зонах, использование их в качестве селекторов против «вспухания» активного ила, защита зонных процессов от негативного влияния соседних процессов. Факторы энергосбережения, интенсификации и общего КПД процесса ухудшаются в случаях бесконтрольного поступления, например:

растворенного кислорода (КРК) в аноксидную зону (денитрификатор);

нитритов и нитратов (NO2 , NO3 ) в анаэробную зону (дефосфотации);

разбавленных доз ила в регенератор с повышенной концентрацией активного ила;

обратных перемешивающих потоков в селектора-вытеснители.

Разделительные перегородки должны быть запроектированы таким образом, чтобы обеспечивать транзит поверхностных скоплений: водоросли, мусор, отбросы, пена (рис. 2) во вторичный отстойник, где предусматриваются устройства их сбора. В противном случае, при отсутствии поверхностных переливов в анаэробной зоне всего за несколько недель может сформироваться слой скоплений глубиной до 1 м. Результат довольно неприятен – двухнедельно или помесячно требуется работа двух операторов и услуги илососа по откачке вязкой и пахучей массы.

Одновременное устройство придонных и поверхностных перетоков в одной и той же разделительной перегородке вызывает межзонную циркуляцию, вызванную эрлифтным эффектом, между зоной с аэрацией и без нее. Проект разделительных перегородок должен устранять подобное явление обратного перемешивания, а процессы очистки реализуются последовательно.

Максимальную скорость межзонного перетока над / вдоль / под разделительной перегородкой следует принимать порядка 0,5 м / с. Минимальную скорость бессмысленно ограничивать, поскольку перегородок может и не быть вовсе. Разделительные перегородки устраиваются для интенсификации процессов.

Между разделительными перегородками и для поддержания активного ила во взвешенном состоянии устанавливаются электромеханические мешалки. Двигатели мешалок могут быть исполнены в соответствии с защитой:

- IP54 предполагает, что двигатель не погружной, но в достаточной степени противостоит пыли и любому дождю. Мешалки на базе такого двигателя, как правило, с длинным вертикальным валом. Перемешивающие потоки обычно направлены вертикально к днищу;

- IP68 — двигатель погружной, поэтому обычно этот вариант называют «погружными мешалками». Вал при этом короткий, потоки перемешивания в большинстве случаев горизонтальные. Этот вариант заслужил в России наибольшую популярность.

Принципы расстановки мешалок в сооружениях различных конфигураций и их ориентация — это отдельная тема, требующая глубокого анализа. Компании производители, как правило, справляются с этим заданием. Проектировщикам рекомендуется знать следующее:

• исходными данными для подбора являются геометрические размеры зон или резервуаров для перемешивания, концентрация иловой смеси, сведения о предварительной механической очистке;
• компании-производители не имеют унифицированного, общего для всех, способа оценки сопротивлений динамике потоков при перемешивании2 ;
• в качестве результата компании-производители предлагают количество, марку мешалок с техническим описанием (размеры, мощность и т. п.) и набор установочных аксессуаров с подъемным устройством или без него. Но этого мало, следует потребовать схему размещения мешалок в резервуаре с размерами и углами установки мешалки по отношению к стенкам резервуара. Это очень важно, поскольку выбранная марка обязательно соответствует схеме ее размещения в резервуаре!;
• мешалки из каталогов производителей подбираются по показателю Тяга (Thrust), Ньютон.

 базе мелкопузырчатых диффузоров целесообразно выполнять по двум направлениям: 1 - полное покрытие ширины дна аэрационного коридора, 2 - распределение воздуха (или количества диффузоров) по принципу «убывающей аэрации» от начала к концу сооружения. Оптимизация проектирования в данном случае реализует следующие задачи (рис. 1):

• повышает КПД системы аэрации и общий КПД процесса очистки в целом,
• снижает общее количество воздуха и общие энергозатраты станции аэрации ориентировочно на 15 %,
• упрощает систему автоматизации сокращением количества исполнительных механизмов (задвижек с электроприводами).

Полное покрытие дна аэрационного коридора на 100 % его ширины по сравнению с «однобоким» продольным расположением аэраторов, покрывающих 5 % ширины коридора, вызывает снижение удельного расхода воздуха на 72 % (см. п. 6.151, коэффициент К1 , СНиП 2.04.03-85). Это происходит за счет увеличения времени контакта с газовой фазой и устранения крупной доли массового поперечного перемешивания воздухом. Скорость подъема пузырьков в рассматриваемых крайних вариантах различается в ~ 3 раза. Эффект поперечной циркуляции или перемешивания поддерживается V ~ 0,9 м / с, в отличие от скорости всплытия пузырьков в отсутствии перемешивания V ~ 0,3 м / с.

Под полным покрытием дна коридора следует понимать плотность раскладки аэрационной плети соответствующую расстоянию между диффузорами не более 1,2 м в любом направлении. В противном случае эрлифтный эффект аэратора вызовет циркуляцию иловой смеси к днищу аэротенка.

Устройство мелкопузырчатых систем аэрации по принципу полного покрытия дна усугубляет гидродинамическую характеристику реактора как вытеснителя, что способствует улучшению качества очистки от растворенных загрязнений.

Раскладка систем по принципу «убывающей аэрации» от начала к концу сооружения целесообразна при соотношении длины к ширине не менее 3:1. Технологической подосновой таковой раскладки является кинетика биологической очистки сточных вод, а именно: удаление углеродсодержащих органических загрязнений, нитрификация, эндогенное дыхание активного ила. Рис. 1 символически иллюстрирует понижение плотности раскладки диффузоров от начала к концу зоны аэрации в соответствии с убывающей потребностью кислорода.

Низкая потребность кислорода в конце сооружения может нарушить дозволенный предел перемешивания и вызвать расслоение активного ила. Данное правило не следует нарушать. Минимальный предел перемешивания для плетей аэрации с полным покрытием дна принимается интенсивностью 2,2 м3 / (ч. м2 ). Это соответствует, к примеру, градиенту скорости 70 сек-1 для аэротенка глубиной 4,6 м.

Распределение технологических датчиков. Полная автоматизация процессов (АСУ ТП) требует расстановки датчиков в каждом аэротенке. В некоторых случаях можно достичь солидного энергосберегающего эффекта без длительной проработки проекта автоматизации, размещая датчики в некотором «среднестатистическом» контрольном аэротенке станции аэрации. В любом случае требуется грамотная расстановка датчиков по длине аэротенка, что позволит реализовать:

• измерения в диапазоне минимальных погрешностей;
• обработку результирующих сигналов вовремя. Например, установка датчика КРК на выходе из аэротенка вызовет запоздалую реакцию управляющего воздействия, а на входе — нежелательную и нестабильную реакцию на изменение подачи воздуха в систему;
• наконец самое главное — оперативное и надежное автоматизированное управление системой SCADA, которая непрерывно обеспечивает: прием сигналов от датчиков для считывания и обработки, а также математические расчеты результирующих величин параметров, включая ПИД регулирование4 . Управление SCADA позволяет вырабатывать управляющие воздействия, которые корректируют технологические режимы работы систем биологической очистки.

Какие параметры целесообразно измерять на станции аэрации (СА)? И с какой целью? Это, пожалуй, главные вопросы.

На каждой СА существует лаборатория, которая имеет перечень требуемых для измерения показателей величин загрязняющих воду веществ и технологических показателей, от которых зависит работа СА. Это истина и нет необходимости приводить пример такового перечня. Все показатели «расписаны» по точкам отбора проб относительно действующих сооружений, а также по времени / периодичности их отбора. Суть в том, что данные показатели имеют две цели для определений. Цель № 1 — сбор и обработка данных для штатных отчетов перед различными контролирующими инстанциями. Цель № 2 — сбор и обработка данных для управления процессами очистки, т. е. для передачи данных технологам.

Теперь об измерительных приборах и датчиках… Они существуют для тех же двух целей. Настоящая публикация (см. заголовок) не предполагает рассматривать цель № 1. Многие согласятся с тем, что существующие (в основном импортные и дорогие) приборы on-line контроля способны повторить в автоматическом режиме действия штатного лаборанта, разумеется при своевременном обеспечении свежими растворами, фильтрами, шлангами перистальтических насосов и т. д. Не всегда, но достаточно часто эти приборы (в крупноразмерных шкафах или отдельно выделенных помещениях) не выполняют функции, направленной на управление СА в соответствие с целью № 2. Тем не менее, средства инвестируются в эту область закупки оборудования. В этом нет ничего плохого, информацию для контролирующих инстанций собирать необходимо, лишь бы масса этой информации не превысила разумные пределы, конфликтуя с целесообразностью.

Цель № 2 обеспечивает стабильность и качество процессов очистки, также энергетического оборудования, оптимизацию инвестиционных затрат при обслуживании и эксплуатации оборудования. Указанная цель обычно реализуется технологическими датчиками, значительно более дешевыми, со своими достоинствами и недостатками, как и любое оборудование. Эта гамма оборудования производится как в России, так и за рубежом. В основном замеры реализуются физическими принципами, а не химическими. Рекомендовать определенный способ замеров или производителя для повсеместного использования — дело не благодарное и бессмысленное. Все производимые датчики потребляются заказчиками для конкретных условий использования. Не отвечающие времени технологии производства датчиков «отмирают», а потом снова возрождаются на другом уровне, соответствуя времени. А любопытные инженеры стараются посещать выставки и конференции, подобные ЭКВАТЕК, открывая для себя новое и современное.

Расположение технологических датчиков, их назначение и описание контрольных функций представлены в таблице 1.

Стратегия управления и автоматики. Пожалуй, самое важное в этом разделе то, что разработка возможностей технологического управления систем биологической очистки первична по отношению к средствам автоматизации. И это ни в коей мере не умаляет достоинств специалистов по автоматизации процессов. Причины для разработки стратегии управления достаточно серьезные:

нагрузка на очистные сооружения нестационарная, т. е. зависит от уровня и режимов жизни населения. В течение суток и посезонно изменяются исходные параметры по расходам и концентрациям. Эти параметры трудно поддаются математическому описанию, поскольку многофакторны. На них влияют и праздники, и сезонность, и общая протяженность сетей канализации;

ресурсы (электроэнергию, реагенты, капитальные затраты и т. д.) традиционно и логически принято экономить повсеместно. Математическое описание экономии ресурсов (как и расчеты инвестиций) зависят от разработки технологической стратегии управления.

Популярно АСУ ТП — это и «железо» и «софт», как выражаются программисты (по англ. hardware и software). «Железо» — это приборы, датчики, задвижки, электроприводы различных устройств, частотные преобразователи, кабель, устройства передачи / приема сигналов на расстоянии, регуляторы, компьютеры, контроллеры и т. п. — все, что можно потрогать руками. «Софт» — это программное обеспечение, что потрогать руками сложно, но, несомненно, имеет интеллектуальную ценность, в данном случае SCADA. ПИД регулирование позволяет соблюдать баланс между текущими величинами параметров (определяются, например, датчиками) и уставками. Уставки, как правило, задаются технологами или программами оптимизации. Например, если технолог решит, что в зоне аэротенка требуется поддерживать концентрацию растворенного кислорода (КРК) на уровне 2 мг / л, значит он должен ввести в контроллер (с ПИДрегулированием) уставку: SP (set point) = 2.00.

 

Главное назначение прибора с ПИД-регулированием — вырабатывать такие управляющие воздействия на исполнительные устройства, чтобы результат компенсировал разницу между текущими величинами и уставками. Но поскольку эти величины практически никогда не бывают равными, выполнять это требуется достаточно плавно и разумно, чтобы «попусту не беспокоить» зачастую мощное энергетическое оборудование.

Достаточно символически можно выделить три уровня технологического управления работой систем аэрации: простейший, средней сложности, сложный.

Простейший уровень предполагает адаптацию работы воздуходувного оборудования для поддержания желаемых концентраций во всех емкостях аэротенков одновременно.

Уровень средней сложности предполагает использование индивидуальных уставок концентраций, контроллеров, управляемых задвижек для каждого отдельного аэротенка. При этом каждый из аэротенков снабжается своим отдельным воздуховодом с управляемой задвижкой, иногда воздушным расходомером.

Сложный уровень предполагает регулирование многочисленных зон и аэрационных плетей, встроенных в каждый из аэротенков. Естественно, каждая выделенная зона или плеть / (их группа) снабжаются управляемой задвижкой и, как правило, воздушным расходомером.

Примеры простого и каскадного автоматизированного управления процессами аэрации на базе измерителярегулятора (ИР), представлены на рис. 3, в зависимости от показаний датчика КРК. ИР — это приборы, со стандартной настройкой П, ПИ, ПИД-регулятора. При проектировании автоматизированных систем управления (АСУ ТП) следует рассматривать оба подхода — простой и каскадный.

Простое управление (рис. 3а) считается адекватным в условиях отсутствия внешних воздействий. Система будет работать безупречно в условиях отсутствия изменений подачи воздуха в соседние аэротенки. Рассматриваемая система реагирует только на показания датчика КРК. А что если расход воздуха в соседние аэротенки изменяется? — Система отреагирует запоздало после изменения КРК в указанном аэротенке.

Подобный недостаток устранен в случае использования каскадного регулирования (рис. 3б). Уставка sp O2 по поддержанию КРК в аэротенке сохраняется, но и текущая величина подаваемого в аэротенк воздуха принимается во внимание ИР. Преимущество каскадной системы проявилось в том, что изменение скорости воздуха, зарегистрированное F, отразится изменением положения электропривода М воздушной задвижки. Система в целом старается приблизиться к величине уставки sp O2 .

На базе ИР могут быть реализованы достаточно сложные схемы АСУ ТП.

Оптимальное проектирование в современных условиях предполагает использование регулируемого или управляемого воздуходувного оборудования, чтобы создать прецедент экономии электроэнергии, например, в периоды подач пониженных расходов воздуха. На рис. 3 умышленно не обозначено воздуходувное оборудование. Дело в том, что щиты управления воздуходувным оборудованием, как правило, выполняются независимо от панелей управления работой аэрационных систем. Связующим звеном общей системы АСУ ТП является наличие датчиков давления Р (рис. 4). Регулирование управляющими задвижками аэрационных систем с помощью технологических датчиков концентраций (табл. 1) приводит к изменению давления в технологической системе, которое регистрируется датчиками давления Р.

Зарегистрированные отклонения давления в системе — один из основных сигналов используемых воздуходувным оборудованием для компенсации характеристик их работы. Экономия энергии наиболее явно выражена, если воздуходувное оборудование способно: 1 — изменять подачу воздуха в широком диапазоне, 2 — сохранять повышенный КПД во всем диапазоне.

Системы, требующие выполнения множества математических и последовательных операций, проще реализовать при использовании программных логических контроллеров (ПЛК), рис. 4. ПЛК обладают возможностью ввода управляющих зависимостей и необходимостью настройки ряда встроенных ПИД-регуляторов. 

Из анализа рис. 4 видно, что все задействованные в системе управления ПЛК многофункциональны, поскольку содержат ряд уставок sp и / или логические связи, которые требуют математической обработки.

В целом приборная база (ИР, ПЛК и др.) должна быть самодостаточной для поддержания процессов управления и не зависеть от работы компьютеров, вирусных атак и состояния средств связи. Приборы выполняют локальную задачу управления. Система управления должна решать задачи управления, сбора и передачи данных, расчетов и оптимизации. Программы оптимизации служат для получения «уставок», которые передаются для коррекции технологических параметров в приборы.

Примеры реализации АСУ ТП для управления межзонными технологическими перекачками представлены на рис. 5:

а) Существенно стабилизирует и понижает концентрации нитратного азота на выходе из аноксидной зоны. Улучшение обоих показателей достигается в пределе до 6 раз.

б) Защищает анаэробную зону от избыточного влияния нитратов. Предел регулирования не столь глубок, как в предыдущем случае при грамотном подборе базового насосного оборудования. Регулирование носит скорее настроечный характер.

в) Контур регулирования возвратного активного ила регулируют редко, но иногда встречается на практике для повышения дозы активного ила в пиковые нагрузки. Контур регулирования избыточного активного ила обязателен, поскольку поддерживает возраст активного ила в расчетных пределах, соответствующих глубине нитрификации. На рисунке для разнообразия указано дискретное регулирование D1 включением / выключением насосного оборудования, хотя на практике вполне применимо частотное регулирование.

Следует отметить, что управление насосным оборудованием кроме экологических преимуществ имеет существенные экономические выгоды — энергосбережение. По узлу (а), например, экономия может составлять до 50 %.

Управление воздуходувным оборудованием. Рассматривается вариант использования центробежных воздухонагнетателей как наиболее предпочтительный для средних и крупных очистных сооружений при устройстве пневматической системы аэрации. Рабочее давление воздухонагнетателей следует принимать в соответствии с величиной погружения аэраторов, потерями напора в коммуникациях и аэраторах (с учетом их сопротивления на конец расчетного срока службы), а также с учетом сезонных и климатических факторов, влияющих на физические свойства воздуха [1].

Оптимальное проектирование воздухонагнетателей предполагает получение серьезного экономического эффекта от их внедрения за счет управления. Выбранное оборудование должно удовлетворять трем условиям:

• иметь высокий базовый КПД;
• диапазон управления подачей воздуха должен быть широк, порядка 40-100 %;
• КПД в диапазоне подач воздуха должен сохранять высокие величины.

Приведем пример расчетов по энергосбережению (рис. 6). Предполагаем, что проектировщик правильно назначил потребляемую электроэнергию для воздуходувного оборудования — 100 %, на базе КПД реальных воздуходувок (черная пунктирная линия). При внедрении выбранного оборудования (нерегулируемые воздуходувки) в эксплуатацию характеристика потребляемой электроэнергии (синяя линия) в течение суток колеблется в зависимости от температуры (или плотности) исходного воздуха. Количество потребляемой электроэнергии в любые сутки года не должно превысить величину, определенную проектом (черную пунктирную линию).

При внедрении управляемых процессов в технологический проект проектировщику целесообразно подобрать управляемые воздухонагнетатели (одноступенчатые или многоступенчатые, с или без повышающего редуктора и т. д.) в соответствии с принципами воздействия: 1 — использование ПЧТ в контуре регулирования, 2 — использование оборудования с механическим изменением поворота выходного и / или входного направляющего аппарата. Второй способ более эффективен в соответствии с глубиной регулирования и поддержания высокого КПД. В результате управления воздухонагнетателями количество потребляемой электроэнергии описывается графиком, подобным красной «кривой». Ее характер неравномерности соответствует изменениям исходных суточных технологических нагрузок

Количество сэкономленной электроэнергии — есть разница между двумя «кривыми» синей и красной (рис. 6). Этот график является реальным и типичным для суточной неравномерности колебаний технологической нагрузки. Получить его достаточно просто при эксплуатации очистных сооружений, в условиях наличия на объекте: 1 — управляемых воздухонагнетателей, 2 — контрольных технологических датчиков, связанных с АСУ ТП. Обозначим главный вопрос: как на стадии проекта предсказать величину энергосбережения? Ведь она изменяется посуточно и посезонно

 

Величина энергосбережения в проекте может быть представлена. Расчеты базируются на суточных изменениях технологических нагрузок по сезонам года [1,2], с описанием расчетных зависимостей системой уравнений:

где:

V – объемный расход воздуха, м3 / ч; his — удельный изоэнтропический напор, Дж / кг; P — мощность воздуходувки без внешних потерь, Вт;

m – массовый расход воздуха, кг / ч; ρn — плотность воздуха, кг / м3 , при 1 атм. 0°С, 0 % относительной влажности; Psat — давление насыщенного пара, бар; Rh — относительная влажность, %, Tin— температура воздуха на входе, °К;

– cp — удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж / (кг· К), p1 и p2 — давление на входе и выходе; k — отношение между удельной теплоемкостью при постоянном давлении и удельной теплоемкостью при постоянном объеме;

– his – изоэнтропический КПД для центробежного сжатия (характеристика использованной воздуходувки).

Анализируя уравнения 1-3, легко заметить, что объемный расход воздуха , удельный изоэнтропический напор his и мощность воздуходувки P зависят от сезонных изменений температуры воздуха Tin. Представленные уравнения могут рассчитываться для любого из вариантов: нерегулируемое или управляемое воздуходувное оборудование. ∆P между рассматриваемыми вариантами выразит количество сэкономленной электроэнергии.

Массовый расход воздуха (для нормальных условий) в приведенной системе уравнений зависит от суточных колебаний технологической нагрузки: расходов, концентраций сточных вод. Кроме того, он зависит от %- ного содержания кислорода в подаваемом воздухе в соответствии с сезоном года.

Данные величины суточных изменений требуют предварительного определения. Оценка суточной неравномерности может быть выполнена в соответствии с произвольной логикой на основании экспериментальных данных, но обязательно с учетом статистических данных реального объекта за характерный период. Одним из примеров методики обработки данных может послужить математическое моделирование реального объекта с целью получения массового расхода [1, 3]. Поскольку данный параметр зависит от времени, то общая система уравнений 1-3, включая , может быть выражена в частных производных по времени.

Описанные взаимные влияния величин трудно представить без анализа на конкретном примере. Подробные исследования на примере станции аэрации г. Саратова [2] свидетельствуют о значительном снижении энергопотребления при регулировании скорости подачи воздуха в соответствии с суточными и сезонными колебаниями технологических нагрузок (по расходам и концентрациям), температуры и изоэнтропического напора.

Регулирование объема подачи воздуха позволяет регулировать интенсивность аэрации в соответствии с необходимостью. Без управления процессами аэрации объем подачи воздуха сохраняется постоянным, в то время как энергопотребление изменяется в соответствии с массовым расходом и изоэнтропическим КПД. Максимальное расчетное энергопотребление наблюдалось у нерегулируемого воздухонагнетателя в зимний период, минимальное — у регулируемой воздуходувки в зимний период. Таким образом, снижение энергопотребления было максимальным в зимний период и минимальным — в летние месяцы.

Представленные уравнения 1-3 не зависят от способа управления воздуходувными агрегатами. Данный способ может быть реализован, например, использованием частотного регулирования, тогда his следует корректировать вводом КПД регулируемого электропривода (порядка 97-98 %) и обязательно рассматривать область падения КПД в диапазоне регулирования частот, что может составить, например 92-98 %. Кроме того, при проектировании реальных объектов следует весьма отчетливо представлять технически возможный диапазон регулирования воздуходувным оборудованием [1].

Из центробежных агрегатов целесообразно отдать техническое предпочтение воздухонагнетателям с двойным (всас + напор) регулируемым направляющим аппаратом (рис. 7). Диапазон регулирования по воздуху максимален 40-100 %, а КПД в этом диапазоне падает всего на 4 %, сохраняя весьма достойные величины 80-84 % (или до 82-86 %).

Для оптимизации энергопотребления необходимо рассматривать внедряемое оборудование (аэрационное, воздуходувное, автоматизации) как единый технологический комплекс, в котором требуется тесное сотрудничество между заказчиками, проектировщиками и поставщиками оборудования. Это обеспечит реализацию максимального эффекта энергосбережения.