Thiết kế và vận hành hệ thống sục khí chính xác cho Nhà máy xử lý nước thải AAO nhiều giai đoạn
Tổng quan
Xử lý nước thải là một phần quan trọng của xây dựng đô thị. Trong những năm gần đây, ngành xử lý nước thải của Trung Quốc đã phát triển nhanh chóng. Sự tham gia sâu sắc của các nhà máy xử lý nước thải vào hoạt động hợp tác giảm phát thải đóng vai trò hỗ trợ quan trọng để xây dựng một xã hội-cacbon thấp, phát triển nền kinh tế-cacbon thấp và đạt được sự phát triển đô thị bền vững. Theo mục tiêu "Cacbon kép", khái niệm nhà máy xử lý nước thải có hàm lượng cacbon-cacbon thấp đã thu hút sự chú ý của ngành. Để phù hợp với chiến lược phát triển của các nhà máy xử lý nước thải có hàm lượng{{7}cácbon thấp, cần phải phân tích và nghiên cứu các yếu tố chính ảnh hưởng đến việc tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.
Hầu hết xử lý nước thải sinh hoạt đều sử dụng quy trình bùn hoạt tính. Yếu tố quan trọng trong quá trình xử lý này là cung cấp lượng oxy thích hợp cho các phản ứng oxy hóa của vi sinh vật trong bể sinh học, khiến việc kiểm soát thể tích sục khí trở nên quan trọng. Kiểm soát sục khí truyền thống, đạt được thông qua các công tắc thủ công, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của-người vận hành tại chỗ, dẫn đến sự không chắc chắn và lãng phí đáng kể. Để đạt được khả năng điều khiển tự động các hệ thống sục khí chính xác và giảm sự can thiệp thủ công, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu rộng rãi các phương pháp điều khiển sục khí, bao gồm điều khiển mờ, mạng lưới thần kinh, mạng lưới thần kinh mờ, thuật toán di truyền và máy vectơ hỗ trợ. Bài viết này tập trung vào-quy trình AAO nhiều giai đoạn của một nhà máy xử lý nước thải ở Thâm Quyến, phân tích và tóm tắt quy trình thiết kế và vận hành hệ thống sục khí chính xác để cung cấp tài liệu tham khảo cho các dự án tương tự.
1 Tổng quan về hệ thống
1.1 Nguyên lý của hệ thống sục khí chính xác
Xử lý sinh học là giai đoạn quan trọng nhất trong quy trình xử lý nước thải, thường nhằm mục đích loại bỏ hoặc giảm thiểu các chất mục tiêu trong nước thải để đáp ứng tiêu chuẩn xả thải bằng cách duy trì sự phát triển bền vững và hiệu quả của vi sinh vật cũng như thúc đẩy các quá trình sinh hóa. Các chiến lược kiểm soát truyền thống không thể đáp ứng kịp thời và chính xác những thay đổi về thông số vận hành của các nhà máy xử lý nước thải hiện đại. Trong quá trình vận hành thử nghiệm ban đầu, các điều chỉnh thường chỉ được thực hiện đối với máy thổi hoặc ống sục khí đầu cuối, không thực hiện được-điều chỉnh theo thời gian thực, theo-yêu cầu về thể tích sục khí trong bể phản ứng dựa trên những thay đổi về điều kiện vận hành thực tế trong khi vẫn đạt được mức tiết kiệm năng lượng.
Oxy hòa tan (DO) là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học. Chất lượng kiểm soát DO ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý nước thải. Hệ thống sục khí chính xác giới thiệu một phương pháp kiểm soát đa{2}}thông số kết hợp "tiếp liệu + phản hồi + mô hình", giải quyết hiệu quả các đặc điểm như độ trễ thời gian lớn và tính phi tuyến tính trong các nhà máy xử lý nước thải. Nó xem xét một cách toàn diện các máy thổi, van điều chỉnh trên đường ống sục khí, cũng như DO và tải nước, để thực hiện kiểm soát chính xác quá trình phản ứng sinh học, đạt được-sục khí theo yêu cầu, từ đó nâng cao độ ổn định vận hành của hệ thống và tiết kiệm năng lượng.
Trong các nhà máy xử lý nước thải, tín hiệu tiếp liệu chủ yếu bao gồm dòng chảy vào và tín hiệu chất lượng; tín hiệu phản hồi chủ yếu bao gồm DO, chất rắn lơ lửng hỗn hợp (MLSS) và tín hiệu mức bể sinh học.
Chiến lược kiểm soát DO của hệ thống sục khí chính xác thường có hai cách tiếp cận: đặt mục tiêu kiểm soát là giá trị không đổi hoặc giá trị động.
Thông thường, theo chiến lược trong đó mục tiêu kiểm soát DO được đặt là giá trị không đổi, hệ thống sục khí chính xác sẽ tính toán lượng không khí cần thiết cho từng vùng bể sinh học và tổng lượng không khí cần thiết dựa trên các tín hiệu như chất lượng nước thải, lưu lượng nước thải, điểm đặt DO và MLSS của bể sinh học. Sau đó, nó điều chỉnh hệ thống điều khiển chính của máy thổi và các van điện trên đường ống sục khí để phù hợp với nhu cầu cung cấp không khí, từ đó đạt được khả năng kiểm soát giá trị mục tiêu DO.
Bằng cách áp dụng hệ thống sục khí chính xác, các nhà máy xử lý nước thải có thể đạt được các mục tiêu sau tốt hơn:
(1) Giảm mức tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị nước thải được xử lý, giảm chi phí.
(2) Cải thiện tính ổn định và độ tin cậy tổng thể của hoạt động xử lý nước thải.
(3) Tự động điều chỉnh sục khí dựa trên tải lượng nước đã xử lý và tải lượng ô nhiễm, thực sự đạt được-sục khí theo yêu cầu và điều khiển tự động.
(4) Cải thiện chất lượng nước thải và tăng tỷ lệ tuân thủ chất lượng nước thải.
1.2 Thiết kế tổng thể của hệ thống sục khí chính xác
Công suất xử lý thiết kế của nhà máy xử lý nước thải này là 50.000 m³/ngày. Nó áp dụng quy trình AAO nhiều-giai đoạn, được trang bị 2 bể sinh học. Các chỉ tiêu chất lượng nước thải chính đều đạt tiêu chuẩn Nước mặt loại IV. Quy trình xử lý nước thải được thể hiện ởHình 1.
Dự án có 2 bể sinh học. Mỗi bể sinh học được chia thành 6 vùng kiểm soát DO, tổng cộng có 12 vùng kiểm soát DO cho bể sinh học của nhà máy. Sơ đồ thiết kế của hệ thống sục khí chính xác được thể hiện trongHình 2.
Để đạt được thông khí chính xác, cần có một mạng lưới điều khiển hoàn chỉnh cho hệ thống thông khí chính xác. Cấu trúc liên lạc truyền thông tự động hóa của hệ thống sục khí chính xác được thể hiện trongHình 3.
Trạm chính của hệ thống sục khí chính xác thu thập trực tiếp các thông số liên quan từ máy thổi khí thông qua giao tiếp, thu thập tín hiệu từ-các thiết bị giám sát tại chỗ và gửi lệnh điều chỉnh đến van thiết bị và hệ thống máy thổi, từ đó đạt được khả năng kiểm soát hoàn toàn tự động đối với quy trình sục khí và điều phối phối hợp các van điều khiển lưu lượng và máy thổi.
1.3 Các thành phần phần cứng của hệ thống sục khí chính xác
Một máy phân tích DO trực tuyến được cấu hình cho từng vùng kiểm soát DO. Một đồng hồ đo lưu lượng khí nhiệt và một van điều khiển điện được cấu hình trên đường ống nhánh sục khí tương ứng với từng vùng điều khiển DO. Một đồng hồ đo lưu lượng khí nhiệt và một bộ truyền áp suất được lắp đặt trên đường ống thoát chính trong phòng thổi.
Bảng cấu hình thiết bị và dụng cụ cho hệ thống sục khí chính xác được trình bày trongBảng 1.
1.4 Các thành phần phần mềm của hệ thống sục khí chính xác
Phần mềm hệ thống sục khí chính xác được cài đặt và chạy trên máy trạm của hệ thống sục khí chính xác, đóng vai trò là bộ xử lý cốt lõi của hệ thống. Dựa trên các tín hiệu hiện trường thu thập được, bộ phận này tính toán nhu cầu không khí sinh học của bể sinh học thông qua mô hình và đồng thời đưa ra lệnh điều chỉnh cho các thiết bị điều khiển hiện trường. Về mặt chức năng, nó bao gồm các mô-đun cốt lõi như mô-đun tính toán thể tích sục khí, mô-đun phân phối không khí và mô-đun cài đặt tối ưu hóa quạt gió.
Phần mềm hệ thống sục khí chính xác được thiết kế chủ yếu dựa trên hai khía cạnh sau:
(1) Hệ thống sục khí chính xác chia khu vực hiếu khí thành nhiều vùng kiểm soát DO độc lập, có khả năng thích ứng với yêu cầu của luồng điều khiển quá trình, tự động điều chỉnh lưu lượng sục khí để đáp ứng các điều kiện quá trình phân phối DO mà các đơn vị xử lý yêu cầu.
(2) Hệ thống sục khí chính xác cho phép người dùng thiết lập độc lập mức DO mục tiêu và hỗ trợ các điểm đặt DO động. Xem xét sự thuận tiện và khả năng hoạt động, dữ liệu liên quan có thể được xem và cấu hình trong phòng điều khiển trung tâm.
Cơ chế điều khiển sục khí chính xác ưu tiên hiện trường, tiếp theo là máy tính điều khiển trung tâm phía trên, chủ yếu bao gồm điều khiển van và điều khiển quạt gió.
Điều khiển van có hai chế độ: chế độ điều khiển cục bộ và chế độ điều khiển từ xa. Trên máy tính điều khiển trung tâm phía trên có hai lựa chọn: chế độ thủ công và chế độ sục khí chính xác.
Kiểm soát áp suất máy thổi bao gồm:
(1) Khi tủ điều khiển chính chuyển sang chế độ cục bộ, điểm đặt áp suất có thể được đặt cục bộ theo cách thủ công.
(2) Khi tủ điều khiển chính chuyển sang chế độ tự động từ xa, việc cài đặt áp suất được chia thành hai chế độ: sục khí thủ công và chính xác, và điều khiển chuyển về phòng điều khiển trung tâm.
Vì nó có ba chế độ điều khiển - điều khiển tự động hoàn toàn, điều khiển tự động một phần và điều khiển cưỡng bức thủ công - và cho phép chuyển đổi chế độ tại-tại chỗ hoặc trong phòng điều khiển chính nên hệ thống sục khí chính xác có thể xử lý thỏa đáng nhiều tình huống khác nhau gặp phải trong quá trình vận hành nhà máy xử lý nước thải.
1.5 Chức năng của hệ thống sục khí chính xác
1.5.1 Tính toán nhu cầu không khí
Hệ thống sục khí chính xác có thể tính toán linh hoạt nhu cầu không khí thực tế dựa trên sự thay đổi của các yếu tố khác nhau trong bể sinh học, cho phép hệ thống sục khí cung cấp không khí theo yêu cầu. Mô hình tính toán nhu cầu không khí cho hệ thống sục khí chính xác được trình bày trongNhân vật4.
Trong các ứng dụng thực tế về kiểm soát sục khí chính xác trong nhà máy xử lý nước thải, hệ thống sục khí chính xác có thể tính toán nhu cầu không khí thực tế theo-thời gian thực khi dòng chảy vào và tải lượng chất lượng thay đổi, đảm bảo sục khí hợp lý đáp ứng các yêu cầu sinh hóa đồng thời tiết kiệm năng lượng sục khí không cần thiết.
1.5.2 Phân bổ thể tích sục khí
Hệ thống sục khí chính xác bao gồm nhiều bộ phận kiểm soát sục khí. Hệ thống này kết hợp chiến lược điều khiển tách nhiều-van để ngăn chặn nhiễu từ các điều chỉnh-van đơn trên các van khác. Nó cũng sở hữu chiến lược điều khiển mở tối ưu nhiều{4}}van, cho phép điều chỉnh mở van nhanh chóng và tối ưu để đạt được khả năng truyền tải và phân phối thể tích sục khí nhanh chóng và chính xác giữa các thiết bị điều khiển sục khí khác nhau.
1.5.3 Kiểm soát tối ưu máy thổi
Tiết kiệm năng lượng trong quá trình sục khí đạt được bằng cách tối ưu hóa hoạt động của máy thổi. Cốt lõi của hệ thống sục khí là điều chỉnh hoạt động của quạt gió dựa trên các thông số vận hành. Một mặt, việc điều chỉnh quạt gió cần xem xét các thông số vận hành thực tế; mặt khác, việc điều chỉnh quạt cũng phải tính đến việc bảo vệ thiết bị. Nguyên tắc chung là vận hành máy thổi ở điều kiện tiết kiệm nhất đồng thời ngăn ngừa tình trạng máy thổi bất thường (chẳng hạn như tăng vọt).
Hệ thống sục khí chính xác tính toán lượng không khí cần thiết dựa trên các thông số vận hành quy trình hiện tại và sau đó gửi tín hiệu đến tủ điều khiển máy thổi. Các hoạt động như khởi động/dừng máy thổi và điều chỉnh cửa mở được thực hiện dựa trên tổng điểm đặt thể tích không khí để đáp ứng nhu cầu sục khí của hệ thống sinh học, trong khi áp suất bảo vệ tăng vọt được sử dụng để bảo vệ máy thổi không bị tăng áp. Máy thổi khí là thiết bị xử lý cốt lõi trong các nhà máy xử lý nước thải. Hệ thống sục khí chính xác cần điều chỉnh hoạt động của quạt gió để đáp ứng nhu cầu sục khí của bể sinh học đồng thời ngăn ngừa hiện tượng dâng quá áp của quạt gió.
2 Vận hành hệ thống sục khí chính xác
Để đảm bảo hoạt động bình thường của hệ thống sục khí chính xác, trước tiên, từng thiết bị riêng lẻ trong hệ thống phải được vận hành thử lần lượt. Sau đó, cần phối hợp vận hành van sục khí và máy thổi của bể sinh học, thiết lập thể tích không khí của máy thổi và điều chỉnh giám sát áp suất đường ống. Trong quá trình vận hành thử, mọi thao tác, điều chỉnh phải đảm bảo không ảnh hưởng đến sản xuất. Cụ thể, cần nhấn mạnh các biện pháp phòng ngừa khi vận hành máy thổi khẩn cấp:
(1) Trong thời gian ngắn-có những biến động đáng kể về tốc độ mở quạt gió. Hệ thống này sử dụng máy thổi ly tâm mang từ tính, có thể nhận các điểm đặt do hệ thống sục khí chính xác gửi đến trong-thời gian thực. Máy thổi điều chỉnh thời gian mở và hoạt động dựa trên sự khác biệt. Hệ thống sục khí chính xác có cơ chế bảo vệ an toàn cho các dao động của quạt gió nhằm ngăn ngừa hiện tượng dâng trào do biến động. Các lý do có thể gây ra những biến động đáng kể trong thời gian ngắn-khi mở quạt gió bao gồm những thay đổi đột ngột về chất lượng nước thải, các thông số điều chỉnh hệ thống không khớp, những thay đổi đột ngột về áp suất đường ống và hỏng hóc thiết bị của bể sinh học. Để đảm bảo an toàn cho thiết bị, để ngăn chặn sự biến động áp suất đường ống lớn và rủi ro tăng áp của quạt gió, hệ thống sục khí chính xác có thể được ghi đè thủ công và chuyển sang chế độ thủ công.
(2) Trong quá trình thổi gió. Trong quá trình vận hành ban đầu, việc tăng vọt quạt gió đôi khi là điều không thể tránh khỏi. Các nguyên nhân có thể bao gồm sự phối hợp không đầy đủ giữa van và máy thổi, dẫn đến áp suất đường ống tăng và dâng cao; hoặc bản thân thông số quạt gió không hợp lý, mở cửa điều chỉnh quá nhanh khiến bản thân quạt tăng vọt. Khi lỗi này xảy ra, hệ thống sục khí chính xác có thể được ghi đè thủ công và chuyển sang chế độ thủ công để vận hành.
3 Hiệu quả kiểm soát DO và kết quả tiết kiệm năng lượng của hệ thống sục khí chính xác
3.1 Kiểm soát hiệu quả DO của hệ thống sục khí chính xác
Việc xác minh tính hiệu quả của hệ thống sục khí chính xác cho dự án này chủ yếu được thực hiện bằng cách so sánh các kịch bản có và không có sự can thiệp của hệ thống. Các phương pháp điều khiển truyền thống không thể đáp ứng kịp thời và chính xác trước tác động của nhiều loại nhiễu loạn khác nhau. Khi giá trị DO được kiểm soát trực tuyến có biến động lớn, sự biến đổi của Oxy hòa tan (DO) theo thời gian tại một vị trí nhất định trong bể sinh học không được sục khí chính xác được thể hiện trongHình 5.
So với các phương pháp kiểm soát bể sinh học truyền thống, phương pháp kiểm soát sục khí chính xác có thể kiểm soát DO trong bể sinh học chính xác hơn, thể hiện khả năng thích ứng mạnh mẽ hơn, từ đó cho phép sục khí tốt hơn và tiết kiệm năng lượng. Xu hướng oxy hòa tan (DO) tại một vị trí nhất định trong bể sinh học có sục khí chính xác được thể hiện ởHình 6.
Theo kết quả vận hành thử nghiệm hệ thống điều khiển chính xác trong dự án này, xác suất giá trị DO được phân bổ trong phạm vi ±0,5 mg/L của điểm đặt mục tiêu là 90%; xác suất trong phạm vi ±0,3 mg/L là 30%; và xác suất trong khoảng ±0,2 mg/L là 20%, đáp ứng yêu cầu thiết kế và nhu cầu vận hành thực tế.
3.2 Kết quả tiết kiệm năng lượng của việc kiểm soát DO bằng hệ thống sục khí chính xác
Trong nhà máy xử lý nước thải AAO nhiều{0}}giai đoạn, hệ thống sục khí chính xác sẽ tính toán tổng lượng không khí cần thiết trong-thời gian thực dựa trên dòng chảy vào và tải trọng trong quá trình điều khiển máy thổi. Sau đó, nó truyền điểm đặt tổng nhu cầu không khí tới tủ điều khiển chính của máy thổi, tủ này sẽ điều chỉnh các máy thổi liên quan theo mục tiêu đã đặt. Điều này đảm bảo thể tích sục khí đáp ứng nhu cầu thực tế trong cả điều kiện tải cao và tải thấp, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng sục khí không cần thiết. Dưới sự điều khiển truyền thống, máy thổi thường hoạt động liên tục ở công suất tương đối cao. Thông qua khả năng điều khiển máy thổi chính xác của hệ thống sục khí,-có thể điều chỉnh công suất vận hành theo thời gian thực, hoàn thành mục tiêu tiết kiệm năng lượng.
Sau khi áp dụng hệ thống sục khí chính xác, nhà máy xử lý nước thải AAO nhiều giai đoạn{0}}được hưởng lợi từ hoạt động bình thường của thiết bị xử lý, dữ liệu thiết bị chính xác, chất lượng và dòng chảy ổn định (không vượt quá ±20% giá trị thiết kế), áp suất vận hành quạt đủ, lượng không khí có thể điều chỉnh liên tục và hoạt động áp suất không đổi tự động của tủ điều khiển chính.
4 Kết luận
Việc áp dụng hệ thống sục khí chính xác trong nhà máy xử lý nước thải AAO nhiều giai đoạn nhằm mục đích cung cấp giải pháp vận hành tinh tế cho giai đoạn sục khí của quy trình xử lý nước thải. Giải pháp hệ thống sục khí chính xác hoàn toàn phù hợp với điều kiện vận hành của nhà máy, đạt được khả năng kiểm soát sục khí chính xác. Trên cơ sở đó, môi trường sinh hóa vi sinh vật vẫn ổn định, từ đó hỗ trợ nhà máy xử lý nước thải đạt được hệ thống sục khí tinh chế, tiết kiệm năng lượng và tự động hóa, từ đó cải thiện tính ổn định của chất lượng nước thải.