تصميم وتشغيل نظام تهوية دقيق لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي AAO متعددة المراحل-
ملخص
تعد معالجة مياه الصرف الصحي عنصرا حيويا في البناء الحضري. في السنوات الأخيرة، تطورت صناعة معالجة مياه الصرف الصحي في الصين بسرعة. تعد المشاركة العميقة لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي في التعاون في تقليل الانبعاثات بمثابة دعم مهم لبناء مجتمع منخفض-الكربون، وتطوير اقتصاد منخفض-الكربون، وتحقيق التنمية الحضرية المستدامة. في إطار أهداف "الكربون المزدوج"، جذب مفهوم محطات معالجة مياه الصرف الصحي منخفضة-الكربون اهتمام الصناعة. للتوافق مع إستراتيجية تطوير محطات معالجة مياه الصرف الصحي منخفضة-الكربون، من الضروري تحليل ودراسة العوامل الرئيسية التي تؤثر على الحفاظ على الطاقة وتقليل الانبعاثات.
تستخدم معظم معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية عمليات الحمأة المنشطة. أحد العوامل الرئيسية في هذا العلاج هو توفير كمية مناسبة من الأكسجين لتفاعلات الأكسدة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة في الخزانات البيولوجية، مما يجعل التحكم في حجم التهوية أمرًا بالغ الأهمية. يعتمد التحكم التقليدي في التهوية، والذي يتم تحقيقه من خلال المفاتيح اليدوية، في المقام الأول على خبرة المشغلين في الموقع-، مما يؤدي إلى قدر كبير من عدم اليقين والهدر. لتحقيق التحكم الآلي في أنظمة التهوية الدقيقة وتقليل التدخل اليدوي، قام الباحثون بدراسة واسعة النطاق لطرق التحكم في التهوية، بما في ذلك التحكم الغامض، والشبكات العصبية، والشبكات العصبية الغامضة، والخوارزميات الجينية، وآلات ناقلات الدعم. تركز هذه الورقة على -عملية AAO متعددة المراحل لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي في Shenzhen، مع تحليل وتلخيص عملية التصميم والتشغيل لنظام التهوية الدقيق الخاص بها لتوفير مرجع لمشاريع مماثلة.
1 نظرة عامة على النظام
1.1 مبدأ نظام التهوية الدقيق
تعد المعالجة البيولوجية أهم مرحلة في عملية معالجة مياه الصرف الصحي، وتهدف عادةً إلى إزالة أو تقليل المواد المستهدفة في مياه الصرف الصحي للوفاء بمعايير التصريف من خلال الحفاظ على النمو الميكروبي المستدام والفعال وتعزيز العمليات الكيميائية الحيوية. لا يمكن لاستراتيجيات التحكم التقليدية أن تستجيب في الوقت المناسب وبدقة للتغيرات في المعلمات التشغيلية لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي الحديثة. أثناء التشغيل التجريبي الأولي، غالبًا ما يتم إجراء التعديلات فقط على المنافيخ أو أنابيب التهوية الطرفية، مما يؤدي إلى الفشل في تنفيذ -الوقت الفعلي، عند-تنظيم حجم التهوية في خزانات التفاعل بناءً على تغييرات حالة التشغيل الفعلية مع تحقيق توفير الطاقة.
يعد الأكسجين المذاب (DO) عاملاً أساسيًا يؤثر على عملية المعالجة البيولوجية. تؤثر جودة التحكم في الأوكسجين المضغوط بشكل مباشر على كفاءة معالجة مياه الصرف الصحي. يقدم نظام التهوية الدقيق أسلوب تحكم متعدد-معلمات يجمع بين "التغذية الأمامية + التغذية الراجعة + النموذج"، مما يعالج بشكل فعال خصائص مثل التأخير الزمني الكبير وعدم الخطية-في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. إنها تأخذ في الاعتبار بشكل شامل المنافيخ، وصمامات التنظيم على خطوط أنابيب التهوية، بالإضافة إلى DO وحمل الماء، لتنفيذ تحكم دقيق في عملية التفاعل البيولوجي، وتحقيق -التهوية عند الطلب، وبالتالي تعزيز الاستقرار التشغيلي للنظام وتوفير الطاقة.
في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، تتضمن إشارات التغذية بشكل أساسي إشارات التدفق والجودة؛ تتضمن إشارات التغذية الراجعة بشكل أساسي DO، والمواد الصلبة العالقة في السائل المختلط (MLSS)، وإشارات مستوى الخزان البيولوجي.
عادةً ما تشتمل إستراتيجية التحكم في DO لأنظمة التهوية الدقيقة على طريقتين: تحديد هدف التحكم كقيمة ثابتة أو كقيمة ديناميكية.
عادةً، في ظل الإستراتيجية التي يتم فيها تعيين هدف التحكم DO كقيمة ثابتة، يقوم نظام التهوية الدقيق بحساب حجم الهواء المطلوب لكل منطقة خزان بيولوجي وإجمالي حجم الهواء المطلوب بناءً على إشارات مثل جودة المؤثر، والتدفق المؤثر، ونقطة ضبط DO، والخزان البيولوجي MLSS. ثم يقوم بضبط نظام التحكم الرئيسي في المنفاخ والصمامات الكهربائية الموجودة على أنابيب التهوية لمطابقة إمدادات الهواء مع الطلب، وبالتالي تحقيق التحكم في القيمة المستهدفة للأكسجين المذاب.
من خلال اعتماد نظام تهوية دقيق، يمكن لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي تحقيق الأهداف التالية بشكل أفضل:
(1) تقليل استهلاك الطاقة لكل وحدة من مياه الصرف الصحي المعالجة، مما يؤدي إلى خفض التكاليف.
(2) تحسين الاستقرار العام والموثوقية لعمليات معالجة مياه الصرف الصحي.
(3) ضبط التهوية تلقائيًا استنادًا إلى حمل المياه المعالجة وحمل التلوث، مما يحقق بالفعل -التهوية والتحكم التلقائي عند الطلب.
(4) تحسين جودة النفايات السائلة وزيادة معدل الامتثال لجودة النفايات السائلة.
1.2 التصميم العام لنظام التهوية الدقيق
تبلغ قدرة المعالجة المصممة لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي هذه 50,000 متر مكعب في اليوم. إنها تعتمد عملية AAO-متعددة المراحل، ومجهزة بخزانين بيولوجيين. تتوافق مؤشرات جودة النفايات السائلة الرئيسية مع معايير الفئة الرابعة للمياه السطحية. يظهر تدفق عملية معالجة مياه الصرف الصحي فيالشكل 1.
يحتوي المشروع على عدد 2 خزان بيولوجي. وينقسم كل خزان بيولوجي إلى 6 مناطق تحكم بالأكسجين المذاب، مما يؤدي إلى إجمالي 12 منطقة تحكم بالأكسجين المذاب للخزانات البيولوجية بالمحطة. يظهر الرسم التخطيطي لتصميم نظام التهوية الدقيق فيالشكل 2.
لتحقيق تهوية دقيقة، يلزم وجود شبكة تحكم كاملة لنظام التهوية الدقيق. تظهر طوبولوجيا الاتصال الآلي لنظام التهوية الدقيق فيالشكل 3.
تحصل المحطة الرئيسية لنظام التهوية الدقيقة مباشرة على المعلمات ذات الصلة من منافيخ التهوية عبر الاتصال، وتجمع الإشارات من أدوات المراقبة الموجودة في الموقع، وترسل أوامر ضبط التحكم إلى صمامات المعدات ونظام المنافيخ، وبالتالي تحقيق التحكم التلقائي الكامل في عملية التهوية والتنظيم المنسق لصمامات التحكم في التدفق والمنافيخ.
1.3 مكونات الأجهزة لنظام التهوية الدقيق
يتم تكوين محلل DO واحد عبر الإنترنت لكل منطقة تحكم DO. يتم تكوين مقياس تدفق غاز حراري واحد وصمام تحكم كهربائي على أنبوب التهوية الفرعي المقابل لكل منطقة تحكم DO. يتم تركيب مقياس تدفق الغاز الحراري وجهاز إرسال الضغط على أنبوب المخرج الرئيسي في غرفة المنفاخ.
يظهر في جدول تكوين المعدات والأدوات لنظام التهوية الدقيقالجدول 1.
1.4 المكونات البرمجية لنظام التهوية الدقيق
يتم تثبيت برنامج نظام التهوية الدقيق وتشغيله على محطة عمل نظام التهوية الدقيق، ويعمل بمثابة وحدة المعالجة الأساسية للنظام. بناءً على الإشارات الميدانية المجمعة، تقوم هذه الوحدة بحساب الطلب على الهواء البيولوجي للخزانات البيولوجية من خلال نموذج وتصدر في الوقت نفسه أوامر التعديل لأجهزة التحكم الميدانية. ومن الناحية الوظيفية، فهو يشتمل على وحدات أساسية مثل وحدة حساب حجم التهوية، ووحدة توزيع الهواء، ووحدة إعداد تحسين المنفاخ.
تم تصميم برنامج نظام التهوية الدقيق بشكل أساسي بناءً على الجانبين التاليين:
(1) يقوم نظام التهوية الدقيق بتقسيم القسم الهوائي إلى عدة مناطق تحكم مستقلة بالأكسيد المذاب، قادرة على التكيف مع متطلبات تدفق التحكم في العملية، وضبط تدفق التهوية تلقائيًا لتلبية شروط عملية توزيع الأكسيد المذاب التي تتطلبها وحدات المعالجة.
(2) يتيح نظام التهوية الدقيق للمستخدمين ضبط مستويات DO المستهدفة بشكل مستقل ويدعم نقاط ضبط DO الديناميكية. مع الأخذ في الاعتبار الراحة وقابلية التشغيل، يمكن عرض البيانات ذات الصلة وتكوينها في غرفة التحكم المركزية.
تعطي آلية التحكم للتهوية الدقيقة الأولوية للميدان، يليها الكمبيوتر العلوي للتحكم المركزي، بما في ذلك التحكم في الصمام والتحكم في المنفاخ بشكل أساسي.
يحتوي التحكم في الصمام على وضعين: وضع التحكم المحلي ووضع التحكم عن بعد. يوجد في الكمبيوتر العلوي للتحكم المركزي خياران: الوضع اليدوي ووضع التهوية الدقيق.
يتضمن التحكم في ضغط المنفاخ ما يلي:
(1) عندما تدخل خزانة التحكم الرئيسية إلى الوضع المحلي، يمكن ضبط نقطة ضبط الضغط يدويًا محليًا.
(2) عندما تدخل خزانة التحكم الرئيسية إلى الوضع التلقائي عن بعد، يتم تقسيم ضبط الضغط إلى وضعين: التهوية اليدوية والدقيقة، ومفاتيح التحكم إلى غرفة التحكم المركزية.
نظرًا لأنه يمتلك ثلاثة أوضاع تحكم - تحكم آلي كامل، وتحكم آلي جزئي، وتحكم يدوي قسري - ويسمح بتبديل الوضع إما في -الموقع أو في غرفة التحكم الرئيسية، فإن نظام التهوية الدقيق يمكنه التعامل بشكل مناسب مع المواقف المختلفة التي تتم مواجهتها أثناء تشغيل محطة معالجة مياه الصرف الصحي.
1.5 وظائف نظام التهوية الدقيق
1.5.1 حساب الطلب على الهواء
يمكن لنظام التهوية الدقيق حساب الطلب الفعلي على الهواء ديناميكيًا استنادًا إلى التغيرات في العوامل المختلفة داخل الخزانات البيولوجية، مما يمكّن نظام التهوية من توفير الهواء عند الطلب. يظهر في الشكل نموذج حساب الطلب على الهواء لنظام التهوية الدقيقشكل4.
في التطبيقات العملية للتحكم الدقيق في التهوية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، يمكن لنظام التهوية الدقيق حساب الطلب الفعلي على الهواء في الوقت الفعلي-مع تغير التدفق المتدفق وأحمال الجودة، مما يضمن تهوية معقولة تلبي المتطلبات البيوكيميائية مع توفير استهلاك طاقة التهوية غير الضروري.
1.5.2 توزيع حجم التهوية
يتضمن نظام التهوية الدقيق وحدات تحكم متعددة في التهوية. يشتمل النظام على إستراتيجية التحكم في فصل الصمامات- المتعددة لمنع التداخل الناتج عن تعديلات الصمامات الفردية- على الصمامات الأخرى. كما أنه يمتلك إستراتيجية التحكم الأمثل في فتح الصمامات المتعددة-، مما يتيح تعديلات فتح الصمام السريعة والمثالية لتحقيق نقل وتوزيع سريع ودقيق لحجم التهوية بين وحدات التحكم المختلفة في التهوية.
1.5.3 التحكم الأمثل في المنفاخ
يتم تحقيق توفير الطاقة في عملية التهوية من خلال تحسين تشغيل المنفاخ. جوهر نظام التهوية هو تنظيم تشغيل المنفاخ بناءً على المعلمات التشغيلية. من ناحية، تحتاج تعديلات المنفاخ إلى مراعاة المعلمات التشغيلية الفعلية؛ من ناحية أخرى، يجب أن تأخذ تعديلات المنفاخ أيضًا في الاعتبار حماية المعدات. المبدأ العام هو تشغيل المنافيخ في ظل الظروف الأكثر اقتصادية مع منع ظروف المنافيخ غير الطبيعية (مثل الارتفاع).
يقوم نظام التهوية الدقيق بحساب حجم الهواء المطلوب بناءً على المعلمات التشغيلية الحالية للعملية ثم يرسل الإشارة إلى خزانة التحكم في المنفاخ. يتم إجراء عمليات مثل تشغيل/إيقاف المنافيخ وضبط الفتحات استنادًا إلى النقطة المحددة لحجم الهواء الإجمالي لتلبية متطلبات التهوية للنظام البيولوجي، بينما يتم استخدام ضغط الحماية من الارتفاع لحماية المنافيخ من الارتفاع. المنافيخ هي معدات العمليات الأساسية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. يجب أن ينظم نظام التهوية الدقيق تشغيل المنفاخ لتلبية متطلبات التهوية للخزانات البيولوجية مع منع ارتفاع المنفاخ.
2 تشغيل نظام التهوية الدقيق
لضمان التشغيل الطبيعي لنظام التهوية الدقيق، يجب أولاً تشغيل الأجهزة الفردية داخل النظام واحدًا تلو الآخر. بعد ذلك، يعد التشغيل المنسق لصمامات ومنافيخ تهوية الخزان البيولوجي أمرًا ضروريًا، وتحديد حجم هواء المنفاخ وتنظيم مراقبة ضغط خط الأنابيب. أثناء التشغيل، يجب أن تضمن جميع العمليات والتعديلات عدم وجود تأثير على الإنتاج. وعلى وجه التحديد، ينبغي التأكيد على الاحتياطات اللازمة لتشغيل المنفاخ في حالات الطوارئ:
(1) خلال فترة-الفترة القصيرة، تحدث تقلبات ملحوظة في فتحة المنفاخ. يستخدم هذا النظام منافيخ طرد مركزي بمحامل مغناطيسية، والتي يمكنها استقبال نقاط الضبط التي يرسلها نظام التهوية الدقيق في الوقت الفعلي-. يقوم المنفاخ بضبط وقت فتحه وعمله بناءً على الفرق. يحتوي نظام التهوية الدقيق على آلية حماية آمنة لتقلبات المنفاخ لمنع الارتفاع الناتج عن التقلبات. تشمل الأسباب المحتملة للتقلبات الكبيرة على المدى القصير-في فتح المنفاخ التغيرات المفاجئة في جودة التأثير، ومعلمات ضبط النظام غير المتطابقة، والتغيرات المفاجئة في ضغط خط الأنابيب، وفشل أدوات الخزان البيولوجي. من أجل سلامة المعدات، ولمنع التقلبات الكبيرة في ضغط خطوط الأنابيب ومخاطر ارتفاع المنفاخ، يمكن تجاوز نظام التهوية الدقيق يدويًا وتحويله إلى الوضع اليدوي.
(2) أثناء ارتفاع المنفاخ. أثناء التشغيل الأولي، يكون ارتفاع المنفاخ أمرًا لا مفر منه في بعض الأحيان. تشمل الأسباب المحتملة عدم كفاية التنسيق بين الصمامات والمنافيخ، مما يؤدي إلى زيادة ضغط خط الأنابيب وارتفاعه؛ أو معلمات المنفاخ غير المعقولة نفسها، حيث يتم ضبط الفتح بسرعة كبيرة جدًا، مما يتسبب في ارتفاع المنفاخ نفسه. عند حدوث هذا الخطأ، يمكن تجاوز نظام التهوية الدقيق يدويًا وتحويله إلى الوضع اليدوي للتشغيل.
3 قم بالتحكم في فعالية ونتائج توفير الطاقة لنظام التهوية الدقيق
3.1 التحكم في فعالية نظام التهوية الدقيق
تم إجراء التحقق من فعالية نظام التهوية الدقيق لهذا المشروع في المقام الأول من خلال مقارنة السيناريوهات مع وبدون تدخل النظام. لا يمكن لطرق التحكم التقليدية أن تستجيب في الوقت المناسب وبدقة لتأثيرات الاضطرابات المختلفة. عندما تظهر قيمة DO التي يتم التحكم فيها عبر الإنترنت تقلبات كبيرة، يظهر تباين الأكسجين المذاب (DO) مع مرور الوقت في موقع معين في خزان بيولوجي دون تهوية دقيقة فيالشكل 5.
بالمقارنة مع طرق التحكم في الخزان البيولوجي التقليدية، فإن طريقة التحكم الدقيقة في التهوية يمكن أن تتحكم بشكل أكثر دقة في الأكسجين المذاب داخل الخزان البيولوجي، مما يدل على قدرة تكيف أقوى، وبالتالي تمكين تهوية أفضل وتوفير الطاقة. يظهر اتجاه الأكسجين المذاب (DO) في مكان معين في خزان بيولوجي مع تهوية دقيقة فيالشكل 6.
وفقًا لنتائج التشغيل التجريبي لنظام التحكم الدقيق في هذا المشروع، فإن احتمالية توزيع قيم الأوكسجين المذاب ضمن ±0.5 ملغم/لتر من نقطة التحديد المستهدفة هي 90%؛ الاحتمال ضمن ±0.3 ملغم/لتر هو 30%؛ والاحتمال ضمن ±0.2 ملغم/لتر هو 20%، مما يلبي متطلبات التصميم والاحتياجات التشغيلية الفعلية.
3.2 نتائج توفير الطاقة من خلال التحكم في DO باستخدام نظام التهوية الدقيق
في محطة معالجة مياه الصرف الصحي AAO متعددة -المراحل، يقوم نظام التهوية الدقيق بحساب إجمالي حجم الهواء المطلوب في الوقت الفعلي-استنادًا إلى تدفق التدفق الحالي والحمل أثناء التحكم في المنفاخ. ثم ينقل بعد ذلك نقطة ضبط إجمالي الطلب على الهواء إلى خزانة التحكم الرئيسية في المنفاخ، والتي تنظم المنافيخ المرتبطة وفقًا للهدف المحدد. وهذا يضمن أن حجم التهوية يلبي المتطلبات الفعلية في ظل ظروف الحمل العالية والمنخفضة مع تقليل استهلاك طاقة التهوية غير الضروري. في ظل التحكم التقليدي، تعمل المنافيخ عادةً بشكل مستمر بقدرة عالية نسبيًا. ومن خلال التحكم الدقيق في المنافيخ من خلال نظام التهوية، يتم تحقيق تعديل الوقت الحقيقي لقوة التشغيل-، مما يحقق هدف توفير الطاقة.
بعد اعتماد نظام التهوية الدقيق، تستفيد محطة معالجة مياه الصرف الصحي AAO متعددة المراحل- من التشغيل العادي لمعدات المعالجة، وبيانات الأجهزة الدقيقة، والتدفق المستقر للتدفق والجودة (لا تتجاوز ±20% من قيم التصميم)، وضغط تشغيل المنفاخ الكافي، وحجم الهواء القابل للضبط باستمرار، وتشغيل الضغط المستمر التلقائي لخزانة التحكم الرئيسية.
4 الاستنتاج
يهدف تطبيق نظام التهوية الدقيق في محطة معالجة مياه الصرف الصحي متعددة المراحل AAO إلى توفير حل تشغيلي محسّن لمرحلة التهوية في عملية معالجة مياه الصرف الصحي. يتوافق حل نظام التهوية الدقيق تمامًا مع ظروف تشغيل المصنع، مما يحقق تحكمًا دقيقًا في التهوية. على هذا الأساس، تظل البيئة البيوكيميائية الميكروبية مستقرة، مما يساعد محطة معالجة مياه الصرف الصحي في تحقيق التشغيل المكرر وتوفير الطاقة -والتشغيل الآلي لنظام التهوية، وبالتالي تحسين استقرار جودة النفايات السائلة.