Çok-Kademeli AAO Atık Su Arıtma Tesisi İçin Hassas Havalandırma Sisteminin Tasarımı ve Devreye Alınması
Genel Bakış
Atık su arıtımı kentsel inşaatın hayati bir bileşenidir. Son yıllarda Çin'in atık su arıtma endüstrisi hızla gelişti. Atık su arıtma tesislerinin işbirliğine dayalı emisyon azaltımına derin katılımı, düşük-karbonlu bir toplum oluşturmak, düşük-karbon ekonomisi geliştirmek ve sürdürülebilir kentsel kalkınmayı başarmak için önemli bir destek görevi görüyor. "Çift Karbon" hedefleri kapsamında, düşük-karbonlu atık su arıtma tesisleri konsepti sektörün dikkatini çekti. Düşük-karbonlu atık su arıtma tesislerinin geliştirme stratejisine uyum sağlamak için, enerji tasarrufu ve emisyon azaltımını etkileyen temel faktörlerin analiz edilmesi ve incelenmesi gerekmektedir.
Çoğu evsel atık su arıtımında aktif çamur prosesleri kullanılmaktadır. Bu arıtmadaki önemli bir faktör, biyolojik tanklardaki mikroorganizmaların oksidasyon reaksiyonları için uygun miktarda oksijen sağlamaktır, bu da havalandırma hacminin kontrolünü çok önemli hale getirir. Manuel anahtarlarla elde edilen geleneksel havalandırma kontrolü, öncelikle saha operatörlerinin-deneyimine dayanır ve bu da önemli ölçüde belirsizliğe ve israfa yol açar. Hassas havalandırma sistemlerinin otomatik kontrolünü sağlamak ve manuel müdahaleyi azaltmak için araştırmacılar, bulanık kontrol, sinir ağları, bulanık sinir ağları, genetik algoritmalar ve destek vektör makineleri dahil olmak üzere havalandırma kontrol yöntemlerini kapsamlı bir şekilde incelediler. Bu makale, benzer projelere referans sağlamak amacıyla Shenzhen'deki bir atık su arıtma tesisinin çok-aşamalı AAO sürecine odaklanıyor ve hassas havalandırma sisteminin tasarım ve devreye alma sürecini analiz edip özetliyor.
1 Sisteme Genel Bakış
1.1 Hassas Havalandırma Sistemi Prensibi
Biyolojik arıtma, atık su arıtma prosesinin en önemli aşamasıdır ve tipik olarak sürekli ve etkili mikrobiyal büyümeyi sürdürerek ve biyokimyasal prosesleri teşvik ederek deşarj standartlarını karşılamak için atık sudaki hedef maddeleri uzaklaştırmayı veya azaltmayı amaçlar. Geleneksel kontrol stratejileri, modern atık su arıtma tesislerinin işletme parametrelerindeki değişikliklere zamanında ve doğru bir şekilde yanıt veremez. İlk deneme işletimi sırasında, ayarlamalar genellikle yalnızca üfleyicilerde veya terminal havalandırma borularında yapılır ve enerji tasarrufu sağlanırken gerçek çalışma koşulu değişikliklerine dayalı olarak reaksiyon tanklarındaki havalandırma hacminin gerçek-zamanlı, isteğe bağlı-düzenlemesi gerçekleştirilemez.
Çözünmüş Oksijen (DO), biyolojik arıtma sürecini etkileyen birincil faktördür. DO kontrolünün kalitesi, atık su arıtma verimliliğini doğrudan etkiler. Hassas havalandırma sistemi, "ileri besleme + geri bildirim + modeli" birleştiren çok-parametreli bir kontrol yöntemi sunar ve atık su arıtma tesislerinde büyük zaman gecikmeleri ve doğrusal olmama-gibi özellikleri etkili bir şekilde ele alır. Biyolojik reaksiyon süreci üzerinde hassas kontrol uygulamak, isteğe bağlı havalandırmayı sağlamak, böylece sistemin operasyonel stabilitesini artırmak ve enerji tasarrufu sağlamak için üfleyicileri, havalandırma boru hatlarındaki ayar vanalarının yanı sıra DO ve su yükünü kapsamlı bir şekilde dikkate alır.
Atık su arıtma tesislerinde ileri besleme sinyalleri esas olarak giriş akışı ve kalite sinyallerini içerir; geri bildirim sinyalleri temel olarak DO, karışık likörlü askıda katı maddeler (MLSS) ve biyolojik tank seviyesi sinyallerini içerir.
Hassas havalandırma sistemlerinin DO kontrol stratejisinin tipik olarak iki yaklaşımı vardır: kontrol hedefinin sabit bir değer olarak veya dinamik bir değer olarak ayarlanması.
Genellikle, DO kontrol hedefinin sabit bir değer olarak ayarlandığı strateji kapsamında, hassas havalandırma sistemi, her bir biyolojik tank bölgesi için gerekli hava hacmini ve giriş kalitesi, giriş akışı, DO ayar noktası ve biyolojik tank MLSS gibi sinyallere dayalı olarak gerekli toplam hava hacmini hesaplar. Daha sonra üfleyici ana kontrol sistemini ve havalandırma boruları üzerindeki elektrikli valfleri hava beslemesini talebe göre ayarlayarak DO hedef değerinin kontrolünü sağlar.
Atık su arıtma tesisleri, hassas bir havalandırma sistemi benimseyerek aşağıdaki hedeflere daha iyi ulaşabilir:
(1) Arıtılan birim atık su başına enerji tüketimini azaltarak maliyetleri düşürün.
(2) Atık su arıtma işlemlerinin genel stabilitesini ve güvenilirliğini artırmak.
(3) Arıtılmış su yüküne ve kirlilik yüküne göre havalandırmayı otomatik olarak ayarlayarak gerçek anlamda-talep üzerine havalandırma ve otomatik kontrol elde edin.
(4) Atık su kalitesini iyileştirin ve atık su kalitesinin uyumluluk oranını artırın.
1.2 Hassas Havalandırma Sisteminin Genel Tasarımı
Bu atıksu arıtma tesisinin tasarlanan arıtma kapasitesi 50.000 m³/gün'dür. 2 biyolojik tankla donatılmış, çok-aşamalı bir AAO sürecini benimser. Ana atık su kalite göstergeleri Yüzey Suyu Sınıf IV standartlarını karşılamaktadır. Atık su arıtma prosesinin akışı şu şekilde gösterilmiştir:Şekil 1.
Projede 2 adet biyolojik tank bulunmaktadır. Her bir biyolojik tank 6 DO kontrol bölgesine bölünmüş olup, tesisin biyolojik tankları için toplam 12 DO kontrol bölgesi elde edilmektedir. Hassas havalandırma sisteminin tasarım şeması şekilde gösterilmiştir.Şekil 2.
Hassas havalandırma elde etmek için hassas havalandırma sistemine yönelik eksiksiz bir kontrol ağı gereklidir. Hassas havalandırma sisteminin otomasyon iletişim topolojisi şekilde gösterilmiştir.Şekil 3.
Hassas havalandırma sistemi ana istasyonu, iletişim yoluyla doğrudan havalandırma üfleyicilerden ilgili parametreleri alır, sahadaki izleme cihazlarından sinyalleri toplar- ve ekipman valflerine ve üfleyici sistemine kontrol ayarlama komutları göndererek havalandırma sürecinin tam otomatik kontrolünü ve akış kontrol valfleri ile üfleyicilerin koordineli düzenlemesini sağlar.
1.3 Hassas Havalandırma Sisteminin Donanım Bileşenleri
Her DO kontrol bölgesi için bir çevrimiçi DO analizörü yapılandırılmıştır. Her bir DO kontrol bölgesine karşılık gelen havalandırma branşman borusu üzerinde bir termal gaz akış ölçer ve bir elektrik kontrol vanası yapılandırılmıştır. Fan odasındaki ana çıkış borusuna bir adet termal gaz debimetresi ve bir adet basınç vericisi monte edilmiştir.
Hassas havalandırma sistemine yönelik ekipman ve cihaz konfigürasyon tablosu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:Tablo 1.
1.4 Hassas Havalandırma Sisteminin Yazılım Bileşenleri
Hassas havalandırma sistemi yazılımı, sistemin temel işlem birimi olarak hizmet veren hassas havalandırma sistemi iş istasyonuna kurulur ve çalışır. Bu ünite, toplanan saha sinyallerini baz alarak biyolojik tankların biyolojik hava ihtiyacını bir model üzerinden hesaplar ve eş zamanlı olarak saha kontrol cihazlarına ayar komutları verir. İşlevsel olarak havalandırma hacmi hesaplama modülü, hava dağıtım modülü ve fan optimizasyon ayar modülü gibi temel modülleri içerir.
Hassas havalandırma sistemi yazılımı öncelikle aşağıdaki iki hususa göre tasarlanmıştır:
(1) Hassas havalandırma sistemi, aerobik bölümü, proses kontrol akışının gereksinimlerine uyum sağlayabilen, havalandırma akışını arıtma ünitelerinin gerektirdiği DO dağıtım proses koşullarını karşılayacak şekilde otomatik olarak ayarlayabilen birkaç bağımsız DO kontrol bölgesine böler.
(2) Hassas havalandırma sistemi, kullanıcıların hedef DO seviyelerini bağımsız olarak ayarlamasına olanak tanır ve dinamik DO ayar noktalarını destekler. Kolaylık ve kullanılabilirlik göz önünde bulundurularak ilgili veriler merkezi kontrol odasında görüntülenebilir ve yapılandırılabilir.
Hassas havalandırmaya yönelik kontrol mekanizması, sahaya öncelik verir ve bunu, esas olarak valf kontrolü ve fan kontrolü dahil olmak üzere merkezi kontrol üst bilgisayarı takip eder.
Valf kontrolünün iki modu vardır: yerel kontrol modu ve uzaktan kontrol modu. Merkezi kontrol üst bilgisayarında manuel mod ve hassas havalandırma modu olmak üzere iki seçenek bulunmaktadır.
Üfleyici basınç kontrolü şunları içerir:
(1) Ana kontrol kabini yerel moda girdiğinde, basınç ayar noktası yerel olarak manüel olarak ayarlanabilir.
(2) Ana kontrol kabini uzaktan otomatik moda girdiğinde, basınç ayarı iki moda ayrılır: manuel ve hassas havalandırma ve kontrol, merkezi kontrol odasına geçer.
Üç kontrol moduna ({0}} tam otomatik kontrol, kısmi otomatik kontrol ve manuel zorlamalı kontrole - sahip olduğundan ve sahada veya ana kontrol odasında mod değiştirmeye izin verdiğinden- hassas havalandırma sistemi, atık su arıtma tesisi işletimi sırasında karşılaşılan çeşitli durumlarla yeterince başa çıkabilir.
1.5 Hassas Havalandırma Sisteminin İşlevleri
1.5.1 Hava Talebi Hesaplaması
Hassas havalandırma sistemi, biyolojik tanklardaki çeşitli faktörlerdeki değişikliklere dayalı olarak gerçek hava talebini dinamik olarak hesaplayabilir ve havalandırma sisteminin talep üzerine hava tedarik etmesini sağlar. Hassas havalandırma sistemi için hava talebi hesaplama modeli şekilde gösterilmiştir.Figür4.
Atık su arıtma tesislerinde hassas havalandırma kontrolünün pratik uygulamalarında, hassas havalandırma sistemi, giriş akışı ve kalite yükleri değiştikçe gerçek-}hava talebini gerçek zamanlı olarak hesaplayabilir ve gereksiz havalandırma enerji tüketiminden tasarruf ederken biyokimyasal gereksinimleri karşılayan makul havalandırma sağlar.
1.5.2 Havalandırma Hacmi Dağılımı
Hassas havalandırma sistemi birden fazla havalandırma kontrol ünitesini içerir. Sistem, diğer valflerdeki tek-valf ayarlarından kaynaklanan girişimi bastırmak için çoklu-valf ayırma kontrol stratejisini içerir. Ayrıca, havalandırma hacminin farklı havalandırma kontrol üniteleri arasında hızlı ve doğru şekilde iletilmesini ve dağıtılmasını sağlamak için hızlı ve optimum valf açma ayarlamalarına olanak tanıyan çoklu valfli optimum açma kontrol stratejisine de sahiptir.
1.5.3 Üfleyici Optimizasyon Kontrolü
Havalandırma sürecinde enerji tasarrufu, üfleyici çalışmasının optimize edilmesiyle sağlanır. Havalandırma sisteminin özü, fan çalışmasının operasyonel parametrelere göre düzenlenmesidir. Bir yandan, fan ayarlamalarında gerçek operasyonel parametrelerin dikkate alınması gerekir; Öte yandan, üfleyici ayarlamalarında ekipman koruması da dikkate alınmalıdır. Genel prensip, fanların anormal durumlarını (dalgalanma gibi) önleyerek fanları en ekonomik şartlarda çalıştırmaktır.
Hassas havalandırma sistemi, mevcut proses operasyonel parametrelerine göre gerekli hava hacmini hesaplar ve ardından sinyali fan kontrol kabinine gönderir. Üfleyicilerin başlatılması/durdurulması ve açıklıkların ayarlanması gibi işlemler, biyolojik sistemin havalandırma talebini karşılamak için toplam hava hacmi ayar noktasına göre gerçekleştirilir ve üfleyicilerin dalgalanmasını önlemek için dalgalanma koruma basıncı kullanılır. Blowerlar atıksu arıtma tesislerinde temel proses ekipmanlarıdır. Hassas havalandırma sistemi, üfleyicinin dalgalanmasını önlerken biyolojik tankların havalandırma talebini karşılamak için üfleyicinin çalışmasını düzenlemelidir.
2 Hassas Havalandırma Sisteminin Devreye Alınması
Hassas havalandırma sisteminin normal çalışmasını sağlamak için, sistem içindeki münferit cihazların öncelikle tek tek devreye alınması gerekir. Daha sonra, biyolojik tank havalandırma vanalarının ve üfleyicilerin koordineli bir şekilde devreye alınması, üfleyici hava hacminin ayarlanması ve boru hattı basıncı izlemenin düzenlenmesi gerekir. Devreye alma sırasında tüm işlemler ve ayarlamalar üretim üzerinde herhangi bir etki yaratmamalıdır. Özellikle acil durum fanının çalıştırılmasına yönelik önlemler vurgulanmalıdır:
(1) Üfleyicinin açılmasında-kısa vadeli önemli dalgalanmalar sırasında. Bu sistem, hassas havalandırma sistemi tarafından gerçek zamanlı olarak gönderilen ayar noktalarını alabilen manyetik yataklı santrifüj üfleyicileri kullanır. Üfleyici aradaki farka göre açılma ve çalışma süresini ayarlar. Hassas havalandırma sistemi, dalgalanmalardan kaynaklanan dalgalanmaları önlemek amacıyla fan dalgalanmalarına karşı bir güvenlik koruma mekanizmasına sahiptir. Üfleyicinin açılmasındaki kısa-dönemdeki önemli dalgalanmaların olası nedenleri arasında giriş kalitesindeki ani değişiklikler, uyumsuz sistem ayarlama parametreleri, boru hattı basıncındaki ani değişiklikler ve biyolojik tank enstrüman arızaları yer alır. Ekipman güvenliği için, boru hattındaki büyük basınç dalgalanmalarını ve fan dalgalanma risklerini önlemek amacıyla hassas havalandırma sistemi manuel olarak geçersiz kılınabilir ve manuel moda geçirilebilir.
(2) Üfleyicinin dalgalanması sırasında. İlk devreye alma sırasında fanın aniden yükselmesi bazen kaçınılmazdır. Olası nedenler arasında, boru hattı basıncının ve dalgalanmanın artmasına yol açan vanalar ve üfleyiciler arasındaki yetersiz koordinasyon; veya açılma ayarlarının çok hızlı olması nedeniyle fanın kendisinin dalgalanmasına neden olan mantıksız fan parametreleri. Bu arıza oluştuğunda, hassas havalandırma sistemi manuel olarak geçersiz kılınabilir ve çalışma için manuel moda geçirilebilir.
3 DO Hassas Havalandırma Sisteminin Kontrol Etkinliği ve Enerji Tasarrufu Sonuçları
3.1 DO Hassas Havalandırma Sisteminin Etkinliğini Kontrol Edin
Bu proje için hassas havalandırma sisteminin etkililiğinin doğrulanması öncelikle sistemin müdahalesi olan ve olmayan senaryoların karşılaştırılması yoluyla gerçekleştirildi. Geleneksel kontrol yöntemleri, çeşitli bozuklukların etkisine zamanında ve doğru bir şekilde yanıt veremez. Çevrimiçi kontrollü DO değeri büyük dalgalanmalar gösterdiğinde, biyolojik bir tankta belirli bir konumda hassas havalandırma olmadan Çözünmüş Oksijenin (DO) zaman içindeki değişimi aşağıdaki şekilde gösterilir:Şekil 5.
Geleneksel biyolojik tank kontrol yöntemleriyle karşılaştırıldığında, hassas havalandırma kontrol yöntemi, biyolojik tank içindeki DO'yu daha doğru bir şekilde kontrol edebilir, daha güçlü bir uyarlanabilirlik sergileyerek daha iyi havalandırma ve enerji tasarrufu sağlar. Hassas havalandırma ile biyolojik bir tankta belirli bir konumdaki Çözünmüş Oksijenin (DO) eğilimi şekilde gösterilmektedir.Şekil 6.
Bu projedeki hassas kontrol sisteminin deneme çalışma sonuçlarına göre, DO değerlerinin hedef ayar noktasının ±0,5 mg/L dahilinde dağılma olasılığı %90'dır; ±0,3 mg/L aralığındaki olasılık %30'dur; ve ±0,2 mg/L dahilindeki olasılık %20'dir; tasarım gerekliliklerini ve gerçek operasyonel ihtiyaçları karşılar.
3.2 Hassas Havalandırma Sistemi ile DO Kontrolünün Enerji Tasarrufu Sonuçları
Çok-aşamalı AAO atık su arıtma tesisinde hassas havalandırma sistemi, üfleyici kontrolü sırasında mevcut giriş akışına ve yüke dayalı olarak gerekli toplam hava hacmini gerçek-zamanlı olarak hesaplar. Daha sonra toplam hava talebi ayar noktasını, ilgili fanları belirlenen hedefe göre düzenleyen fan ana kontrol kabinine iletir. Bu, gereksiz havalandırma enerji tüketimini azaltırken havalandırma hacminin hem yüksek hem de düşük yük koşullarında gerçek talepleri karşılamasını sağlar. Geleneksel kontrol altında, üfleyiciler tipik olarak nispeten yüksek bir güçte sürekli olarak çalışır. Üfleyicilerin hassas havalandırma sistemi tarafından kontrol edilmesi sayesinde,-çalışma gücünün gerçek zamanlı ayarlanması sağlanarak enerji tasarrufu hedefine ulaşılır.
Hassas havalandırma sistemini benimsedikten sonra, çok-aşamalı AAO atık su arıtma tesisi, arıtma ekipmanının normal çalışmasından, doğru cihaz verilerinden, istikrarlı giriş akışından ve kalitesinden (tasarım değerlerinin ±%20'sini aşmayan), yeterli fan çalışma basıncından, sürekli ayarlanabilir hava hacminden ve ana kontrol kabininin otomatik sabit basınç çalışmasından yararlanır.
4 Sonuç
Çok-aşamalı AAO atık su arıtma tesisinde hassas havalandırma sisteminin uygulanması, atık su arıtma prosesinin havalandırma aşaması için iyileştirilmiş bir operasyonel çözüm sağlamayı amaçlamaktadır. Hassas havalandırma sistemi çözümü, tesisin çalışma koşullarına tam olarak uyum sağlayarak hassas havalandırma kontrolü sağlar. Bu temelde, mikrobiyal biyokimyasal ortam stabil kalır ve böylece atık su arıtma tesisinin rafine edilmiş, enerji- tasarrufu ve havalandırma sisteminin otomatik işletimi elde edilmesine yardımcı olur ve sonuç olarak atık su kalitesinin stabilitesi artar.