Автоматизированные системы анализа сточных вод

Технология очистки стоков, применяемая в биологических очистных сооружениях под маркой «Агростройсервис», является относительно несложным и надёжным процессом, при условии неукоснительного выполнения всех его этапов. В асу очистных сооружений — автоматизированных системах управления оборудованием , «человеческий фактор» всё ещё является определяющим в безотказной работе всего технологического комплекса. Поэтому наши проектировщики и инженеры постоянно работают над той частью оборудования, которая «предоставляет» информацию обслуживающему персоналу, ведь, в зависимости от качества восприятия этой информации предпринимается то, или иное дальнейшее действие. Требований к такому оборудованию несколько: полнота и объективность отображаемых параметров, визуализация технологического процесса очистки сточных вод, безотказность и конкурентоспособная стоимость.

До последнего времени, типовым решением «устройств предоставления информации» оператору в наших проектах являлось применение шкафов управления и сигнализации, состоящих, как правило, из двух частей: щита с коммутационным оборудованием (реле и контакторы), устанавливаемого вблизи оборудования, в производственном здании, и, непосредственно щита сигнализации (ЩС), устанавливаемого на рабочем месте оператора очистных сооружений.

На такой ЩС сводилась вся информация о работе насосов, состояния различных датчиков, задвижек и аварийная сигнализация, извещающая о нештатных ситуациях оборудования очистки сточных вод. Число контролируемых устройств может быть до 40. О компактности шкафов, при этом, говорить не приходится- размер щита на рисунке 1 -1200*800мм. Надёжность такого изделия невысокая, так как, несмотря на безотказную работу светодиодных индикаторов, надёжность реле, контакторов, кнопок, переключателей и их контактных групп остаётся слабой, это очень часто приводит к сбоям и отказам всей системы в целом. Единственным аргументом в пользу данного решения, до недавнего времени, являлась только относительно невысокая цена.

Альтернативой данному решению могли быть программируемые, логические, промышленные контроллеры. Но они долгое время на нашем рынке были представлены, в основном, брендовыми производителями, такими как: «Siemens», «ABB», «Schnieder Electric». Их отличала высокая надёжность, сложный интерфейс и высокая цена. В последнее время ситуация изменилась, и сейчас рынок изобилует простыми, недорогими и относительно надежными промышленными контроллерами, в том числе и отечественного производства.

Рис.1 Щит сигнализации ЩС Рис. 2 Внешняя панель контроллера «Segnetics», отечественного производства

Размер такого контроллера 150*150 мм., количество контролируемых устройств — до 100. При этом он не только предоставляет информацию о состоянии, но и управляет работой устройств, в соответствии с логикой технологического процесса, освобождая от этого оператора. Сравнивать визуализацию процесса обычного щита сигнализации с панелью оператора очистных сооружений, которая может устанавливаться в любом удобном для оператора месте, просто не корректно.

На рисунке 3 представлены скрины меню интерфейса, по которым можно судить о новых возможностях для персонала биологических очистных соружений.

Рис.3 Такую картинку видит на экране сенсорного монитора оператор очистных сооружений

Оператору достаточно выбрать на интерактивном сенсорном экране любой агрегат, и далее принять решение о необходимости влияния на автоматический процесс очистки сточных вод.

При необходимости, в случае увеличения проектных мощностей биологических очистных сооружений, конфигурация системы может изменяться без особых затруднений, путём добавления дополнительных модулей входных-выходных сигналов. Срок эксплуатации таких устройств, по утверждению производителей, — до 20 лет. При этом обслуживание минимальное — пылеудаление и проверка контактов. Стоимость же сегодня вполне сопоставима со стоимостью обычных релейных щитов сигнализации. А с учётом в разы меньшего энергопотребления, такие решения становятся бесспорными лидерами.

Таким образом, задача для проектировщиков и инженерного состава нашей компании — активнее внедрять современные системы управления технологическими процессами очистки сточных вод, что в конечном итоге приносит обоюдную выгоду как клиенту (это недорого, просто и надёжно), так и производителю (это уменьшение количества рекламаций, вызовов на объекты, но главное, — это вклад в улучшение экологии водных запасов нашей страны).

Наличие автоматизированных систем управления технологическими процессами в составе биологических очистных сооружений давно перестало быть новинкой. В настоящее время такие системы являются неотъемлемой частью очистных сооружений, наряду с другими технологическими и инженерными подсистемами.

Большая пропускная способность и сложность современных очистных сооружений, а также зависимость устойчивости эффекта их работы от тщательности эксплуатации, обусловливают необходимость максимального насыщения канализационных очистных сооружений рабочими механизмами, контрольно- измерительной аппаратурой и средствами автоматизации.

Наибольшая экономическая эффективность может быть достигнута при применении комплексной автоматизации канализационных очистных сооружений.

Очистные сооружения сточных вод – это технически сложный комплекс емкостного реакционного оборудования, связанного единым технологическим циклом.

Процесс очистки сточных вод ставит перед системами автоматизации ряд следующих задач:

— автоматический контроль за параметрами технологического процесса;

— автоматическое регулирование параметров процесса;

— дистанционное управление технологическим процессом, насосным и дозирующим оборудованием, оборудованием по обезвоживанию осадка;

— автоматический контроль оборудования обеззараживания сточных вод, прошедших полную биологическую очистку.

При создании автоматизированных систем управления очистными сооружениями основополагающим является её принцип построения, как системы передачи данных.

Вся информация с объекта управления со всех систем, узлов и отдельных устройств поступает в локальную сеть и становиться доступной любому пользователю.

Не самая крупная, но пока неискоренимая проблема при создании автоматизированной системы технологического процесса очистки сточных вод – это сложность стыковки отдельных подсистем, установок и устройств. Сложность увязки в единую систему серийных устройств (приборов, исполнительных механизмов, электрооборудования) обычно обусловлена сложностью проектирования, изменением конфигурации изделия и другими причинами.

Повсеместное внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами, неограниченные возможности которых привлекают пользователей, создает хорошие предпосылки для дальнейшего совершенствования программного и аппаратного обеспечения средств управления технологиями.

Проблемы «стыковки» технологических узлов, ставшие типичными в настоящее время, будут решены в процессе дальнейшего развития отрасли путём унификации оборудования.

В процессе комплексного анализа в системе очистных сооружений изучаются возможные процессы и их модельное отображение, устанавливается соответствие между критериями и контролируемыми сигналами, определяется зависимость сигналов и критериев от состояния реакционного оборудования, места и условий установки приборов и датчиков, реакция системы на управляющие сигналы.

Комплексный подход построения системы автоматизации, в силу повышенного внимания к детальному всестороннему анализу, обеспечивает достоверный контроль и надёжное автоматическое управление технологическим оборудованием.

Преимущество комплексного подхода для автоматизации работы биологических очистных сооружений заключается в том, что он синтезирует на основе полного, всестороннего и детального анализа операций технологического процесса эффективную систему, выполняющую с необходимой и достаточной точностью получение информации и управление в автоматическом режиме. В современных условиях ключевым аспектом повышения эффективности работы предприятия является автоматизация технологических про­цессов.

Накопленный опыт проектирования, монта­жа, ввода в эксплуатацию, гарантийного и после­гарантийного обслуживания позволил обоб­щить и выделить базовые основы успешного внедрения АСУ ТП, сочетающие комплексный и системный подходы. Подход — это некоторая обобщенная система представлений, приемов и правил, определяющих структуру, последова­тельность внедрения, условия и особенности эксплуатации АСУ ТП для достижения постав­ленной цели.

Базовые принципы методологии комплексно­го подхода впервые были применены при созда­нии первых АСУ ТП канализационных насосных станций. В дальнейшем методология комплекс­ного подхода совершенствовалась для достиже­ния основной цели — исключения человеческого фактора при принятии решения о наступлении события и управления технологическим процес­сом, обеспечения безаварийной работы и сниже­ния эксплуатационных расходов.

Создание АСУ ТП на биологических очистных сооружениях с использованием комп­лексного подхода включает пять основных эта­пов:

• Всесторонний анализ технологического и со­путствующих процессов объекта управления. Выявление технологических операций, состав­ляющих эти процессы.
• Определение комплексных показателей — кри­териев, однозначно устанавливающих текущее состояние технологического процесса и автома­тизированного технологического комплекса для всех возможных событий.
• Определение комплекса переменных, необ­ходимых и достаточных для установления управления процессом в автоматиче­ский режим; сокращение расходов воды на соб­ственные нужды; экономия электроэнергии.
• Сохранение фильтрующего слоя при промывке; оптимизация длительности и интенсивности промывки; сокращение времени восстановления фильтрующих свойств загрузки после промывки.
• Обеспечение оптимальной скорости фильтрации в смежных фильтрах блока в процессе промывки и фильтрации; выявление объективных показа­телей, определяющих наступление времени не­обходимой промывки.

Все вышеперечисленные показатели эффек­тивности процесса промывки находятся в слож­ной зависимости от смежных технологических процессов водоподготовки, охватывающих все объекты, начиная с сооружений первого подъ­ема и заканчивая резервуаром чистой воды. Вли­яние отдельных структурных частей процесса водоподготовки на процесс промывки, с сохра­нением и улучшением качественных показате­лей водоподготовки, определилось системным подходом. В своей основе системный подход фактически предусматривает синтез процесса водоподготовки с позиции автоматизации вы­деленного технологического процесса.

В техно­логических процессах водоподготовки выявля­ются операции, оказывающие количественное и качественное влияние на автоматизируемый процесс промывки.

Информационные и управляющие сигналы, необходимые и доста­точные для создания эффективной АСУ ТП про­мывки фильтров, уточняются с учетом влияния всех процессов, составляющих процесс водопод­готовки.

Системный подход создания эффективной АСУ ТП подразумевает структурирование (мо­дульность) управляемой и управляющей систе­мы, разделение управляющей системы на части (на менее сложные подсистемы), для которых разработка и внедрение алгоритмов автоматиче­ского управления по времени и затратам значи­тельно проще и доступнее.

Поэтапное создание системы автоматизации и возможность объ­ективного анализа работы оборудования обес­печивают значительное сокращение затрат на модернизацию электротехнического и техноло­гического оборудования.

Качественная оценка состояния оборудования обеспечивает принятие решения о необходимых и достаточных меро­приятиях по его адаптации к работе в составе ав­томатизированной системы. В итоге вместо ко­лоссальных затрат по замене действующего обо­рудования, ограничиваются продлением сроков его эксплуатации при незначительных затратах на модернизацию.

Системный подход позволяет придать допол­нительные качества созданной системе автомати­зации в процессе эксплуатации. Система совер­шенствуется путем уточнения ее целей и функций, состава и специфики информационных потоков, информационного состава задач и отдельных программных модулей без существенных затрат на модернизацию, поскольку структурирование системы устанавливается с учетом совместимости всех ее частей на информационном уровне.

Соз­давая систему открытой для усовершенствова­ния путем поэтапного, модульного расширения, получаем возможность инсталляции дополни­тельных функций шаг за шагом и, как следствие, поэтапное, с незначительным риском инвести­рование проекта создаваемой системы автомати­зации. Объединение всех частей позволяет рас­сматривать автоматизируемый объект в едином информационном пространстве, количественно и качественно характеризуя все составляющие технологического процесса во времени.

Основой информационного пространства яв­ляется системная платформа System Platform, на базе которой строятся все последующие сис­темы. Применение системного подхода к АСУ ТП позволяет выработать стратегию ее развития, обосновать приоритеты разработки подсистем, осуществлять контроль за их выполнением, вы­являть резерв повышения эффективности тех­нологических процессов, оценивать результаты автоматического управления.

Эффективность внедрения АСУ ТП на биологических очистных сооружениях в значительной степени за­висит от четкости формулирования целей управ­ления. В процессе эксплуатации возникает не­обходимость совершенствования действующей АСУ ТП. Системный подход, без дополнитель­ных затрат на обеспечение совместимости по результатам эксплуатации, позволяет уточнить цель автоматизации для комплексного анализа смежных технологических процессов и автома­тизировать эти процессы в составе действующей АСУ ТП.

Главная функция системного подхода состоит в выявлении взаимных связей между процесса­ми, количественной и качественной оценке вли­яния этих связей на достижение поставленной цели разработки — определение на основе уста­новленного влияния места и времени воздей­ствия на автоматизируемый процесс.

В автоматическом режиме управляющие воздей­ствия вырабатываются исполнительными меха­низмами, а в автоматизированном режиме—кос­венным воздействием (контролирующим персо­налом, службами, руководителем) или прямым воздействием (дежурным персоналом).

Применение комплексного и системного под­ходов позволило заменить общепринятое реализованное построение АСУ ТП, ориентиро­ванное на оперативно-диспетчерскую службу, дистанционный контроль и управление кор­поративной системой управления технологиче­скими процессами предприятия (рисунок). Эта система основана на автоматическом режиме работы и ориентирована на все ответственные за процесс службы.

Понятие «корпорация» означа­ет оптимальную, равноправную (с позиций опе­ративного обеспечения необходимой и достаточ­ной информацией) организацию производства.

Корпоративная система позволяет мобилизовать все службы предприятия для достижения постав­ленной цели — максимальной эффективности производства.

Главная цель корпоративной системы заклю­чается в повышении эффективности управления за счет обеспечения информационной общности персонала, в рамках которой вся деятельность участников производственного процесса объективно контролируется. При этом возрастает роль и ответственность работников за обеспечение эффективности производства: службы АСУ — за надежность работы средств автоматизации, службы главного технолога — за оптимизацию водоподготовки и водоочистки, службы главного метролога — за достоверность измерений и своевременную поверку приборов, аналогично и по другим службам.

Рабочее место специалиста в корпоративной системе — автоматизированное рабочее место (АРМ) представляет собой проблемно-ориентированный программно-технический комплекс, вынесенный на рабочее место для всех подраз­делений, отвечающих за текущую эксплуата­цию, перспективы повышения эффективности работы предприятия и его развития.

Внедрение АРМ в подразделения повышает оперативность управленческого труда и позволяет использо­вать объективные показатели, характеризующие экономические затраты, необходимые для рабо­ты предприятия и их оптимизацию. Корпора­тивная система обеспечивает децентрализацию, благодаря которой информация поступает в дис­петчерскую, различные службы и к руководству в реальном масштабе времени.

Руководители становятся менее зависимыми от мнения персонала, поскольку их опыт ком­пенсируется интеллектом системы управления, а также потому, что внедрение информационной техники позволяет значительно снизить субъек­тивную интерпретацию контролируемых показателей технологического процесса персоналом, ответственным за эксплуатацию.

Корпоративная система на основе комплексного и системного подходов представляет собой гибкую открытую структуру, которую можно перестраивать, адаптировать и дополнять новыми модулями или внешним программным обеспечением, органично встраиваемым в систему.

Основные свойства корпоративной системы: распределенный доступ к единой базе данных, работа в режиме реального времени, открытость для адаптации и расширения, поддержка территориально распределенных структур, работа в широком круге аппаратно-программных платформ. При этом обеспечивается следующий этап развития системы автоматизации — охват всей финансово-хозяйственной и производственной деятельности предприятия. Корпоративная АСУ ТП является базой для создания последующих систем автоматизации управления производственными процессами.

1.Основой создания эффективной АСУ ТП для биологических очистных сооружений являются комплексный и системный подходы. При комплексном подходе выделенный автоматизируемый объект всесторонне анализируется, а система автоматизации синтезируется для достижения поставленной цели при любых возможных условиях эксплуатации. При системном подходе — объект и система автоматизации синтезируются в составе системы водоснабжения или водоотве- дения для достижения поставленной цели. При этом выявляется влияние системы и ее компонентов на объект и цель автоматизации, а также взаимное влияние автоматизированного объекта на систему водоснабжения или канализации.

2.Создание корпоративной АСУ ТП является одним из основных и необходимых условий повышения эффективности эксплуатации систем водоснабжения и канализации. Корпоративная АСУ ТП обеспечивает консолидацию всех ведущих специалистов по поддержанию и совершенствованию систем ВКХ.

3.Корпоративная АСУ ТП — основа дальнейшего повышения эффективности систем водоснабжения и канализации, в том числе с последующим распространением на всю финансово-хозяйственную и производственную деятельность предприятия.

источник

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 03.02.2018 2018-02-03

Статья просмотрена: 378 раз

Чаусов Д. С., Трушников М. А. Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом очистки сточных вод // Молодой ученый. — 2018. — №5. — С. 47-50. — URL https://moluch.ru/archive/191/48196/ (дата обращения: 21.10.2019).

В данной статье предлагается рассмотреть результат разработки системы управления процессом очистки сточных вод. В результате проделанной работы предлагается обновление средств автоматизации более новыми, обеспечивающими точность измерений и компактность установки. Все функции управления возложены на панельный контроллер Овен СПК-207, обеспечивающий лучшее быстродействие, большую надежность, и позволяющую дальнейшею модернизацию оборудования, вплоть до изменения технологических программ, или расширения средств автоматизации.

Одним из главных элементов любой системы водоотведения являются очистные сооружения, призванные быть надежным препятствием на пути поступления загрязнений в окружающую среду и, в частности, в водоемы.

Выявляющиеся в ходе эксплуатации сооружений недостатки и повышающиеся требования к качеству очищенных сточных вод вызывают необходимость постоянно совершенствовать методы очистки, обработки осадков, а также технологические процессы, используемые на различных стадиях очистки.

В состав современных очистных станций систем водоотведения входят сооружения:

‒ механической очистки (решетки, песколовки, первичные отстойники);

‒ биологической очистки (аэротенки, биофильтры различных конструкций, вторичные отстойники);

‒ доочистки сточных вод (микрофильтры, фильтры, биореакторы доочистки сточных вод, сооружения для удаления биогенных элементов);

‒ по обработке осадков (стабилизаторы, илоуплотнители, сооружения по обезвоживанию).

Рис. 1. Технология очистки сточных вод

В настоящее время к качеству очищенных сточных вод предъявляются повышенные требования. Как правило, возникает необходимость производить доочистку сточных вод по взвешенным веществам, БПК и биогенным элементам. Основная направленность в развитии технологий доочистки связана с их интенсификацией, снижением затрат и повышением эффективности доочистки. Это вызвало появление новых технологий и конструкций сооружений, применения более высокоэффективных реагентов.

Особое внимание уделяется доочистке сточных вод от биогенных элементов: азота и фосфора. Заслуживает внимания технология удаления азота с использованием метода предшествующей денитрификации, которая позволяет использовать для этой цели органические вещества сточных вод. Это дает возможность экономить на энергозатратах и при денитрификации дополнительно не вводить в сточную жидкость органические вещества. Кроме того, технология предшествующей денитрификации хорошо вписывается в биологическую очистку сточных вод и не требует дополнительных сооружений при реконструкции. Обращает на себя внимание также совершенно новая технология биологического удаления фосфора, не требующая затрат реагентов.

Совершенствуются и методы обеззараживания сточных вод. На смену существующих хлораторов приходят более эффективные и безопасные в эксплуатации хлораторы. Увеличивают безопасность процесса обеззараживания электролизные установки и применение вместо газообразного хлора раствора гипохлорита натрия. Кроме того, делаются попытки использовать в больших масштабах для обеззараживания ультрафиолетовое облучение.

При разработке системы управления, в качестве объекта для исследования был выбран аэротенк, при помощи которого происходит флотация сточных вод.

Рис. 2. Выбор объекта управления при очистке вод

Аэротенк выбран в качестве основного объекта управления, так как от давления на этом объекте, зависит качество получаемого продукта. Давление в аэротенке зависит от подаваемого в него воздуха. При увеличении расхода воздуха, увеличивается давление в аэротенке. Если давление в аэротенке превысит максимальное значение, то процесс станет взрывоопасным и его придется остановить, если давление в аэротенке будет меньше заданного значения, то флотацию придется начинать заново.

По данным изменения давления в аэротенке, была определена в программном средстве MathCAD, математическая модель объекта управления.

В ходе исследования было определено, что объект имеет второй порядок, обладает временем запаздывания, равным 1. По графику, построенному в программном средстве VisSim 5.0, было выяснено, что объект управления является устойчивым, ПИ регулятор подобран, верно, так как процесс требует быстрого и точного изменения регулируемой величины, а значение перерегулирования не превышает 10 %.

При выборе технических средств, для проектируемой системы управления были сделаны следующие предпочтения. Выбираем панельный программируемый контроллер Овен СПК-207. Для ввода аналоговых сигналов в контроллер используем модуль МВ110–8А. Основные особенности модуля ввода аналоговых сигналов МВ110–8А. (8 универсальных каналов аналогового ввода; Типы входных сигналов: термопреобразователи сопротивления, термопары, унифицированные сигналы напряжения и тока (требуют использования внешнего резистора50 Ом), сопротивление до2 кОм).

Для вывода аналоговых сигналов из контроллера используем модуль МУ110–8И. Прибор предназначен для преобразования цифровых сигналов, передаваемых по сетиRS-485, в аналоговые сигналы диапазоном от4 до20 мА для управления исполнительными механизмами или для передачи сигналов приборам регистрации и самописцам.

Для измерения расхода выбираем расходомеры ЭМИС-Вихрь 200.

1. Яковлев С. В., Карюхина Е. А. Биохимические процессы в очистке сточных вод. М.: Стройиздат, 1980, -200 с.
2. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Водоотведение и очистка сточных вод/Учебник для вузов: — М.: АСВ, 2002–704 с.
3. Автоматизированные системы управления в промышленности: учеб. пособие / М. А.Трушников [и др.]; ВПИ (филиал) ВолгГТУ. — Волгоград: ВолгГТУ, 2010. — 97 с.
4. Основы автоматизации типовых технологических процессов в химической промышленности и в машиностроении: учеб. пособие / М. А. Трушников [и др.]; ВПИ (филиал) ВолгГТУ. — Волгоград: ВолгГТУ, 2012. — 107 с.

источник

Для сборки эффективной системы контроля сточных вод эксперты рекомендуют использовать автоматические приборы. Они могут выдавать актуальную информацию по интересующим показателям и сигнализировать об их отклонении от общепринятых норм. Это позволит отслеживать состояние воды в динамике и вовремя вносить необходимые коррективы. Также, используя один такой мультивариативный прибор, не придется ставить большое количество дополнительного оборудования.

Обычно, с помощью оборудования по контролю сточных вод, отслеживают такие показатели как электропроводность, температура, концентрация кислорода, а также содержание таких элементов как фтор, медь, нитраты и прочее.

При более детальном отслеживании учитывается еще большее количество химических веществ и показателей. К примеру хлориды, сухой остаток, цинк и соли (общей жесткости). Есть определенные нормы и касательно запаха, цвета, привкуса и уровня мутности. Благодаря автоматическому контролю качества сточной воды, часть этих анализов выполняет техника.

Чаще всего автоматические системы ставятся для измерения тех параметров, отслеживание которых должно проходить в практически беспрерывном режиме. К таковым относятся мутность, цветность, хлор (остаточный) и щелочность. В целом же, частота анализа остальных норм, зависит от цели, с которой выполняется мониторинг. Например, на некоторых станциях требуется кондиционирование ионной составляющей, в таком случае контроль сточных вод по заданному параметру будет проводиться гораздо чаще.

При отслеживании состояния воды обычно используются приспособления, относящиеся к группе анализаторов. Они в свою очередь также бывают разные, на больших очистных станциях в основном применяют их промышленные разновидности (для аммонийного азота, фосфатного фосфора). Для отображения уровня нитратного азота преимущественно берут УФ-приборы. На небольших станциях анализаторы сточных вод промышленного типа обычно не используются. В основном их заменяют датчики растворенного кислорода, дающие базовый минимум данных. А также датчики для отслеживания уровня мутности, по ним определяется качество очистки в целом.

Еще одним важным параметром является уровень углерода. Его можно отнести к категории общих неспецифических параметров. Для его определения преимущественно используется специальный анализатор общего углерода в сточных водах. Часто такое оборудование выпускается в комбинации с датчиком уровня азота.

Очистные станции среднего и малого уровня обычно гораздо чаще сталкиваются с трудностями в рабочем процессе нежели крупные предприятия. Связаны они с большими перепадами показателей сточной воды, ливнями, с/х выбросами и т.д. Также важным моментом является и гораздо меньшее количество персонала, из-за этого некоторые параметры просто не успевают отслеживать. Появление мультипараметрового анализатора сточных вод отчасти решило эту проблему. Для небольших станций это действительно необходимая вещь, позволяющая в значительной мере автоматизировать рабочий процесс.

Технологический прогресс значительно упростил процесс анализа состояния воды, еще совсем недавно проверка каждого показателя занимала значительно больше времени и человеческих ресурсов. Сейчас, благодаря инновационным анализаторам загрязнения сточной воды, все эти процессы стали более автоматизированы. Для полного анализа на мощных станциях используется следующий набор:

• прибор для контроля аммония
• прибор для контроля маслянной плёнки в сточных водах
• прибор для контроля общего органического углерода в сточных водах
• прибор для контроля замутнённости
• анализатор нефтепродуктов в сточных водах
• прибор для контроля pH
• анализатор поверхностных вод

Мониторинг состава и свойств сточных вод – это трудоемкий процесс, требующий большого количества времени. Однако благодаря последним разработкам в этой сфере, он становится все более автоматизированным и доступным. Набор необходимого оборудования может стать заметно короче, если использовать мультипараметровые устройства. Они значительно оптимизируют работу небольших и средних очистных станций.

источник

Вот уже несколько десятков лет во всех развитых странах Европы используются системы автономной канализации, как альтернатива простым выгребным ямам или отстойникам. По своей функциональности они опережают устаревшие типы канализации во много раз. Что касается экономии ресурсов, то автоматизация сточных вод снижает расход воды из системы водоснабжения на 30-50%, позволяя применять очищенную вторичную воду.

По компонентному содержанию система основана на поплавковых датчиках и на реле уровня, контролирующих состояние вод в сточных сооружениях. Поплавковое реле уровня работает в двух режимах, включая или выключая насос емкости в зависимости от наполненности резервуара. Поплавковый датчик помещают в емкость с жидкостью, после чего подключают через кабель к электрооборудованию. Задание уровня срабатывания происходит за счет длины отрезка кабеля выключателя, а специализированная форма противовеса в виде капли, эксцентрично закрепленного у основания корпуса, способствует резистентности поплавкового датчика к турбулентным потокам. Сами устройства контроля изготавливаются из термостойких и химически неактивных материалов, что продлевает их срок эксплуатации. Также выключатели обеспечивают предохранение насоса от состояния перегрузки в аварийных ситуациях и постоянно контролируют процесс наполнения (опорожнения) септика сточными водами. Если использовать в качестве контроля уровня вод этот вариант автоматики, то можно отметить ряд преимуществ, таких как низкая стоимость проекта и простота в его эксплуатации.

Недостатки такой системы заключаются в следующем:

1. Из-за природных биохимических процессов в водах и турбулентных потоков сложно задать точные установки срабатывания датчиков;

2. Устанавливаемые поплавковые устройства могут часто запутываться между собой из-за потоков жидкости, что требует дополнительных мер по отладке работы системы;

3. Обратная связь с центром управления (микроконтроллером) может прерываться в случае изменения физико-химических условий среды, где находятся датчики.

В барботажных системах принцип автоматического контроля вод в стоках характеризуется сложной механической доочисткой, управляемой датчиками (реле) давления и контроллером дифференциального давления. Здесь предусматривают флотационный прямоугольный септик с верхней подачей и нижним отводом осветленной воды. На дне резервуара помещают прорезиненные перфорированные трубки для подачи воздуха. Система рассчитана на удержание сточной воды в септике в течение получаса. После вода отфильтровывается через слои пены. Использованная пена, содержащая отфильтрованные загрязнения, отводится в резервуар накопитель, где очищается, насыщается кислородом посредством действия активного ила и сорбируется. После, очищенная вода из доочистки попадает в общую систему водоснабжения.

В резервуар (септик) устанавливается барботажная трубка, отводящая газы при химических процессах, что протекают в емкости. Выходной воздушный клапан монтируют непосредственно на трубке и настраивают таким образом, чтобы скорость выхода газа была равна одному пузырьку в секунду. Также в септике обязательно монтируется сливной клапан.

При такой очистке требуется насос подачи воздуха, подключенный последовательно к барботажной трубке, для поддержания процесса подъема газов в установке. После насоса подключается выпускной клапан, состояние которого (открыт либо закрыт) фиксируется управляемой задвижкой. Задвижка управляется контроллером дифференциального давления. Сегодня любой производитель автоматики выпускает датчики давления с цифровым дисплеем, применение которых упрощает наблюдение за процессом.

Главное преимущество барботажной системы – небольшая стоимость и стабильность обратной связи датчика с контроллером. Среди недостатков можно отметить

1. Воздушный насос непрерывно работает, что вызывает дополнительные затраты на электроэнергию;

2. Система сложна в исполнении, так как установка многочисленных электромеханических компонентов требует обширных знаний в области автоматики и механики;

3. Компрессор будет нуждаться в дополнительном обслуживании;

4. Этой установке необходима постоянная герметизация воздушной системы, что требует дополнительных средств.

Установка на основе ультразвукового контроля уровня жидкости обычно обеспечивается бесконтактным датчиком уровня с дистанционным дисплеем.Работа датчика основана на фиксации длин волн, отраженных от поверхности жидкости. Это выполняют встроенные генератор и приёмник ультразвуковых волн. То есть, в датчике определяется временная задержка при прохождении ультразвуковой волны через данную газовую среду от генератора к жидкости и от жидкости к приемнику. Таким образом, на выходе датчика вычисляется расстояние от поверхности жидкости до краев септика. Основное преимущество такого учета это бесконтактное измерение уровня, что предохраняет автоматику от воздействия агрессивной среды. Выносной дисплей позволяет видеть состояние жидкости постоянно, не контактируя с отходами в резервуаре. Информация, полученная с устройств в резервуаре анализируется контроллером. Среди недостатков этого варианта есть следующие:

1. Требуется относительно дорогое оборудование;

2. Влияние конденсата на анализатор может привести к потере сигнала;

3. Присутствует сложность в установке системы при выборе местоположения датчика, его калибровке, из-за погрешностей оборудования при попадании в область длины волны твердых отходов.

Во всех вышеперечисленных автоматических системах возможно использование маломощных промышленных контроллеров по небольшой стоимости, что вносит дополнительную экономию в проектирование таких сооружений своими руками. В большинстве случаев, для осуществления полной очистки можно совмещать несколько видов названных систем.

Существует множество физико-химических способов очистки стоков. В частности это коагуляция, обратный осмос, экстракция, адсорбция, выпаривание, флотация и т.д. С помощью таких методов из загрязненных стоков удаляют тонкодисперсные частицы, органические и минеральные соединения, а также растворимые газы.

источник

Разработка типовых решений по автоматизации процессов биологической очистки сточных вод с совместным удалением азота и фосфора.

Эпов А.Н. гл. технический специалист

Канунникова М.А. канд. техн. наук,
директор направления «Водоснабжения
и водоотведения» ООО «Домкопстрой»

Наиболее сложной системой управления в очистке сточных вод является управление сооружениями биоочистки с удалением азота и фосфора. В отличие от начала внедрения этих технологий в России в середине – конце 90-х годов, сейчас для реализации данной системы имеется широкий выбор надежных датчиков и контроллеров, позволяющих реализовывать практически любые идеи по автоматизации управления процессами. Благодаря современному оборудованию основные проблемы по созданию систем управления процессом биологической очистки с совместным удалением азота и фосфора в основном решены. С другой стороны, определение конфигурации системы АСУТП для таких технологий в практике проектирования до сих пор является проблемой и предметом совместного творчества проектировщика-технолога, проектировщика АСУ и специалистов заказчика. Решение о конфигурации и объеме системы АСУТП для современных сооружений биологической очистки принимается индивидуально для каждого конкретного проекта. Анализ проектов показывает, что системы управления проектируются как с избыточной сложностью, так и с недостаточной оснащенностью для поддержания технологического процесса.

В ранних редакциях СНиП для принятых в те годы технологий существовали основные рекомендации по объему и конфигурации систем АСУТП. Конечно, сейчас для автоматизации процессов биоочистки они значительно устарели. Можно ли определить типовой состав системы АСУТП для современных станций очистки сточных вод и тем самым избежать ошибок уже на начальной стадии разработки проекта? В зарубежной практике для выполнения таких решений используется опыт работы десятков действующих станций. Подобный подход требует значительных инвестиций в научный анализ при эксплуатации очистных сооружений с биологическим удалением азота и фосфора. В России количество сооружений, построенных по современным технологиям биоочистки, существенно меньше, чем в Европе и ряде других стран. Отсутствует целенаправленное финансирование в изучение их работы, что заставляет искать иные способы для проработки оптимальных решений.

Наилучшим вариантом, предназначенным для реализации таких задач, является математическое моделирование процессов очистки сточных вод и системы АСУТП. Применение данного метода проектирования на базе программного комплекса GPS-X совместной работы системы автоматизации и объектов очистных станций при осуществлении проектов позволяет провести подробную разработку системы, уменьшает сроки пусконаладочных работ и повышает работоспособность системы АСУТП. Это наиболее прогрессивный и эффективный метод, с помощью которого можно проанализировать работоспособность и достаточность предлагаемых решений, определить расстановку датчиков с использованием имитационной модели, выбрать оптимальный вариант схемы и установить алгоритм управления.

Математическое моделирование достаточно широко применяется в России последние 10 лет. C использованием программного комплекса GPS-X при участии авторов были проведены работы по проектированию и анализу эксплуатации свыше 20 станций очистки сточных вод общей производительности более 6 млн м3/сутки.

Накопленный опыт в применении данных методов расчета сооружений с использованием математического моделирования и анализ его результатов позволяет определить состав и предпочтительные схемы управления для процессов биологической очистки и обработки осадка.

При разработке типовых решений системы АСУТП биологической очистки следует разделять цели управления и методы реализации.

Цель управления – поддержание определённого показателя на заданном уровне или в заданном диапазоне. Цель диктуется биологией процесса, требованиями к очищенной воде и его экономикой.

Метод реализации – каким образом и где измерять заданную величину, и какими технологическими воздействиями поддерживать. Метод определяется конструктивным оформлением процесса.

Основные цели управления для поддержания процесса совместного биологического удаления азота и фосфора были полностью сформулированы в 2002 г. в руководстве по проектированию и эксплуатации станций с биологическим удалением фосфора [1]. Эти рекомендации использовались в качестве базовых при математическом моделировании систем управления станций с биологическим удалением азота и фосфора. Анализ выполненных работ по моделированию позволяет определить основные правила, соблюдение которых обеспечивает получение оптимальных по конфигурации систем управления процессом.

Правило № 1 – для стабильного удаления фосфора необходим контроль процесса удаления азота. Цели контроля:

защитить анаэробную зону от попадания нитратов;

максимально удалить нитратный азот, обеспечив совместную денитрификацию и дефосфатацию.

В основе данного правила заложено использование легко окисляемой органики фосфатаккумулирующими микроорганизмами (ФАО) и гетеротрофами в анаэробных и аноксидных условиях.

Современные представления о биохимии процесса использования легко окисляемой органики и энергии полифосфатных связей в анаэробных и аноксидных условиях, используемых в современных математических моделях, представлены на рис. 1.

Рис. 1 Использование легко окисляемой органики в математической модели Ферментируемые легко окисляемые вещества (растворенное биоокисляемое ХПК) в анаэробных условиях гидролизуется с производством летучих жирных кислот (ЛЖК), при этом происходит рост факультативно аэробных микроорганизмов гидролиза и ацидофикации. Произведённые в результате гидролиза и присутствующие в воде ЛЖК (ацетата и пропионата) используются ФАО для накопления внутреннего резерва питательных веществ в виде биополимеров РНА. Для баланса степени окисления используемых ЛЖК и запасаемых субстратов используется гликоген. В качестве источника энергии – макро энергетические связи в полифосфатах. В этом процессе используется максимум ЛЖК, накапливается максимум РНА и выделяется максимум полифосфатов.

В присутствии связанного кислорода в нитритах и нитратах ферментируемая органика и часть ЛЖК используются гетеротрофными микроорганизмами в процессе денитрификации. ФАО микроорганизмы также взаимодействуют ЛЖК, но вместо использования гликогена и энергии полифосфатов часть ЛЖК окисляются с использованием связанного кислорода.

В результате резко снижается накопление запасаемых биополимеров микроорганизмами ФАО и выделение фосфора в анаэробной зоне. Из-за этого значительно падает эффективность удаления фосфора – меньше субстрата для роста ФАО в присутствии кислорода и отсутствует необходимость восстанавливать концентрацию полифосфатов в их клетках.

При поступлении нитратов и нитритов в анаэробную зону сначала происходят процессы, характерные для аноксидных условий, а затем при снижении концентрации связанного кислорода до минимума – процессы, характерные для анаэробных условий. Таким образом, эффективность накопления запасаемых биополимеров и выделение фосфора зависят от соотношения массы поступающих легко окисляемых
веществ и массы поступающего связанного кислорода.

Рис. 2. Зависимость выделения фосфатов в анаэробной зоне и концентрации нитратов в зоне денитрификации Это хорошо подтверждается данными, полученными при обследовании и моделировании городских очистных сооружений г. Якутска (рис. 2). Масса поступающего связанного кислорода пропорциональна концентрации нитратов в конце зоны денитрификации, откуда направляется рецикл ила в анаэробную зону. Ограничение концентрации нитратов, поступающих в анаэробную зону, на уровне около 1 мг/л позволяет добиться высокого выделения в ней фосфора. Также следует отметить, что денитрификация до данного уровня протекает без снижения скорости процесса.

Правило № 2 – контроль качества очищенной воды проводится по показателям концентрации аммонийного азота. Для контроля нитрификации необходим оптимальный кислородный режим и возраст ила.

Концентрация растворенного кислорода и концентрация аммонийного азота наряду с органическими и неорганическими ингибиторами оказывают решающее влияние на скорость роста микроорганизмов нитрификаторов как первой, так и второй фазы нитрификации.
Контроль концентрации растворенного кислорода – наиболее распространенный параметр при построении схем АСУТП. Цели контроля:

обеспечить требуемую глубину очистки по БПК и азоту аммонийному;

избежать перерасхода энергии на аэрацию.

Рис. 3. Экспериментальное определение влияния концентрации растворенного кислорода на скорость потреблением кислорода микроорганизмами нитрификаторами Оптимальная концентрация растворенного кислорода для процесса нитрификации определена как по литературным данным, так и экспериментально – рис. 3. Во всех случаях повышение концентрации кислорода выше оптимальной не ведет к улучшению нитрификации, а только вызывает перерасход воздуха [2].

Возраст ила является ключевым фактором во всех методиках расчета сооружений с биологическим удалением азота и фосфора и при эксплуатации сооружений [3].

В современных моделях различают следующие показатели возраста ила:

Аэробный возраст ила эта величина определяет допустимые скорости роста микроорганизмов нитрификации первой и второй фазы. Рис. 4. Зависимость аэробного возраста ила от температуры при разной глубине нитрификации Определяется как отношение массы ила, находящейся в аэробных условиях, к массе выводимого из сооружений ила. Меньшие значения возраста принимаются при концентрациях аммонийного азота от 1 мг/л в отсутствии жёсткого нормирования по нитритам. Для достижения более глубокой нитрификации принимаются большие значения возраста ила. Также увеличение или уменьшение возраста ила связано с изменением температуры стока и наличием ингибиторов нитрификации. На рис. 4 [4] представлена зависимость аэробного возраста ила от температуры при полной нитрификации, а также возраст ила, необходимый для начала процесса нитрификации в аэротенках.

Анаэробный возраст ила отвечает за рост микроорганизмов гидролиза и ацидофикации, происходящих в анаэробных условиях. В зависимости от необходимости получать дополнительные ЛЖК в анаэробной зоне возраст анаэробного ила составляет от 1-х до 3-х суток. Определяется как отношение массы ила в анаэробной зоне к общей массе выводимого ила.

Общий возраст ила определяет соотношение видов биомассы в биоценозе и глубину самоокисления ила. Общий возраст ила определяется как отношение массы ила во всех зонах аэротенка (анаэробной, аноксидной и аэробной) к массе выводимого с приростом ила. В каждом случае в процессе существует оптимальный возраст ила. Уменьшение общего возраста ила не позволяет получить оптимальные аэробный и анаэробный возраст ила и осуществлять процессы денитрификации. Увеличение возраста приводит к развитию процессов автолиза ила и снижению эффективности удаления фосфора (рис. 5 и рис. 6).

Рис. 5. Результаты моделирования состава биомассы при изменении общего возраста ила при температуре 20 °С Рис. 6. Результаты моделирования эффективности удаления фосфора фосфатов от общего возраста ила в процессе UCT3

Приоритетность целей управления

Поскольку рассмотренные цели управления могут противоречить друг другу при работе конкретной станции, при проектировании системы управления надо определить приоритеты.

Приоритетность целей управления показана на рис. 7 и объясняется следующим образом:
Рис. 7. Приоритетность целей управления • восстановление нитрификации связано с ростом нитрификаторов и может занимать до двух недель. Действия системы управления ни в коем случае не должны приводить к потере нитрифицирующих микроорганизмов. В зарубежной практике, в том числе в рекомендациях по расчёту аэротенков ATV при неблагоприятных условиях (к примеру, сезонном снижении температуры стоков) рекомендуется предусматривать возможность увеличения аэробного объема аэротенков за счет зоны денитрификации;
• восстановление денитрификации связано с перестройкой ферментативной системы и занимает от нескольких минут (переключение на другой фермент в дыхательной цепи) до нескольких часов (синтез ферментов). Следует учитывать, что при нарушении или недостаточном времени денитрификации растет концентрация нитратов в очищенной воде.
Величина концентрации азота нитратов в очищенной воде технологически может корректироваться только при наличии специальных сооружений доочистки. Поэтому при необходимости допускается при неблагоприятных условиях использовать для денитрификации часть или всю анаэробную зону аэротенка;
• восстановление удаления фосфора связано как с перестройкой ферментативной системы, так и с ростом ФАО. Восстановление процесса занимает от нескольких минут (переключения в ферментативной системе) до суток (рост концентрации ФАО в биоценозе). Концентрация фосфора легко корректируется реагентом как на стадии биологической очистки, так и при доочистке, поэтому временная потеря эффективности дефосфатации при управлении дозированием реагента не ведет к ухудшению качества очищенной воды.

Рассмотрим, какими методами может быть реализована система управления, решающая поставленные цели, на примере схемы биологической очистки стоков с применением процесса UCT.
Рис. 8. Схема процесса UCT На рис. 8 представлена принципиальная схема процесса UCT в наиболее полном варианте реализации, включающая анаэробную зону, аноксидную зону, зону с переменным режимом (можно поддерживать различные условия – аэробные, аноксидные или периодической аэрации), аэробную зону и вторичный отстойник. Первая цель – ограничить массу азота нитратов (и нитритов) Q2CNO3 так, чтобы она была значительно меньше массы поступающих органических веществ Q1C1. Основной проблемой в этом случае является вопрос, чем померить это соотношение. Здесь, на первый взгляд, напрашиваются два варианта:
1) Измерить концентрации поступающего азота нитратов и растворенных органических или растворенных биоокисляемых веществ. Для реализации такого подхода потребуется измерять два расхода, концентрацию азота нитратов и концентрацию растворенных органических веществ химическими или биохимическими методами. Такое измерение возможно, но система получится достаточно сложной и дорогой.
2) Поскольку мы ограничиваем влияние азота нитратов – измерять их концентрацию в анаэробной зоне. Здесь надо учитывать, что при низких концентрациях азота нитратов он является лимитирующим фактором процесса денитрификации (как акцептор электронов аналогично кислороду в аэробных процессах). Следовательно, остаточная концентрация азота нитратов будет подчиняться уравнению Моно. Т.е. при низких концентрациях азота нитратов они практически не удаляются вследствие падения скорости реакции. В результате при низких концентрациях (по результатам моделирования – менее 0,1 мг/л) азота нитратов в анаэробной зоне возможны два варианта:
• низкая концентрация достигнута в результате малой массы азота нитратов, поступающей в анаэробную зону;
• низкая концентрация достигнута в результате удаления азота нитратов в анаэробной.

Таким образом, измерение окажется малочувствительным.

В руководстве по проектированию и эксплуатации станций с биологическим удалением фосфора [1] отмечалось, что при контроле удаления азота одним из полезных измерений является измерение окислительно-восстановительного потенциала Еh. Величина Еh (при постоянном рН) определяется балансом окислителей и восстановителей в растворе, т.е. способностью принимать или отдавать электроны, а также характером окислителя и восстановителя. Величина Еh существенно падает при изменении окислителей в следующем порядке – растворенный кислород – нитриты и нитраты – сульфаты. Таким образом, использование датчика Еh позволяет оценить роль нитритов и нитратов в процессах, происходящих в анаэробной зоне, и соотношение окислителя и органики.

Поэтому использование Еh для контроля анаэробной зоны является достаточно простым и надежным методом.

Для того, чтобы поддерживать оптимальную величину Еh, в рассматриваемой технологии возможно управлять расходом Q2 и концентрацией нитратов CNO3.

Управление расходом реализуется достаточно просто за счет применения насоса с использованием частотных регуляторов, и, как правило, используется во всех схемах с процессами на основе UCT, однако это влияет на диапазон регулирования (ограничено в интервале ±30 %). Уменьшать величину расхода рецикла меньше нерационально, так как это противоречит основной задаче данного рецикла – подаче активного ила в анаэробную зону. Увеличивать более тоже нецелесообразно, так как с увеличением расхода растет не только масса подаваемого ила, но и снижает ся время нахождения в анаэробной зоне.

Для того, чтобы управлять концентрацией нитратов CNO3, есть несколько вариантов. Первый вариант – управлять массой поступающего азота в рецикле денитрификации Q4CNO3 выход за счет изменения расхода Q4. Данный принцип управления наиболее легко реализуем – концентрация нитратов измеряется непосредственно в конце зоны денитрификации, а насос регулируется частотным регулятором. Управление данным рециклом применяется в большинстве схем с удалением азота и совместным удалением азота и фосфора. Регулирование данного рецикла технически ограничено возможностями совместной работы насоса и частотного регулятора, а технологически – достижением необходимой концентрации нитратов в очищенной воде.

Аналогично массой поступающего азота Q3CNO3выход можно управлять за счет изменения расхода Q3. Данный вид управления сложней, та как, как правило, расход возвратного ила регулируется не насосом, а водосливами на камерах возвратного ила, а насос вторично регулируется по уровню в резервуаре. Также данный вид регулирования технически ограничен повышением уровня стояния ила во вторичном отстойнике LeSL (см. рис. 8) при снижении расхода рецикла. Такое регулирование применяется в технологических схемах, создаваемых на основе процесса MUCT4 – с выделением отдельной зоны денитрификации возвратного ила. При этом желательно отслеживать уровень стояния ила во вторичных отстойниках.

Другим вариантом управления массой азота, поступающей в денитрификатор (Q3 + Q4)∙CNO3выход, является регулирование концентрации азота нитратов в очищенной воде. Такой метод регулирования применяется, как правило, совместно с регулированием расхода рецикла денитрификации, при наличии зон с переменным режимом. Для регулирования нитри-денитрификации в зонах с переменным режимом используется расход воздуха Qair1.

Снижение концентрации растворенного кислорода до уровня одновременной нитри-денитрифкации или периодическое отключение подачи воздуха происходит всегда с обратной связью по концентрации азота аммонийного NH4, чтобы не нарушить процесс нитрификации. При этом обязательно вносится поправка в расчет аэробного возраста.

Для зон с периодической аэрацией аэробный возраст рассчитывается как:

где TA/TD отношение времени аэрации и денитрификации;
W – объем зоны аэротенка, м3;
ai – доза ила, г/л;
ar – доза ила в возвратном иле, г/л;
qi – расход избыточного ила, м3/сутки.

В некоторых проектах для организации процесса нитри-денитрификации используются аэротенки с «карусельным» принципом перемешивания. В этом случае при организации регулирования следует различать два принципиально разных случая.

Рис. 9. Управление «короткой» каруселью с выделением зоны денитрификации «во времени» Первый случай – «короткая карусель» (рис. 9). Если на выходе из системы аэрации поддерживается концентрация растворенного кислорода, оптимальная для процесса нитрификации, то за время прохождения потока от выхода из системы аэрации до возвращения, концентрация растворенного кислорода не успевает снизиться до уровня прохождения процессов денитрификации. При этом справедливо:

где L – длина пробега от конца до начала аэрационной системы (м), v – скорость движения воды в «карусели» (м/сек), CO2 – концентрация
кислорода после аэрационной системы (мг/л), OUR – средняя скорость потребления кислорода (мгО2/г СВ в сек), ai – доза ила (г/л).
В среднем длина пробега для потери кислорода составляет 50 м.
Такие сооружения оптимально работают в режиме периодической аэрации, который контролируется по датчикам растворенного кислорода и азота аммонийного. По концентрации азота аммонийного происходит включение/выключение подачи воздуха.

Принципиально другим случаем является «длинная карусель» (L/v››CO2 / (OUR∙ai), когда время пробега позволяет снизить кислород до оптимума денитрификации и выделить в «карусели» зону денитрификации в пространстве (рис. 10).

Рис. 10. Управление «каруселью» с выделением зоны денитрификации «в пространстве» В этом случае можно регулировать протяжённость зоны денитрификации, т.е. устраивать зону с переменным режимом в «карусели». Управление зоной переменного режима осуществляется по общему принципу – включение/выключение подачи воздуха Qair1 осуществляется по датчику азота аммонийного. При включенной системе аэрации концентрация кислорода поддерживается на оптимуме нитрификации по датчику кислорода О2(1). Подача воздуха в часть карусели, которая всегда аэробна, производится по датчику кислорода О2(2), расположенному в конце аэробной зоны и обеспечивающему начало процесса денитрификации в точке подачи стока.

Поддержание концентрации растворенного кислорода в аэрируемых зонах может происходить с использованием разных алгоритмов.
Рассмотрим подробнее их достоинства и недостатки.
Прямое регулирование расхода воздуха представлено на рис. 11. Рис. 11. Прямое регулирование расхода воздуха Это самый простой в осуществлении алгоритм регулирования. Такое регулирование может осуществляться непосредственно от встроенных контроллеров приборов определения концентрации растворенного кислорода. Данный метод имеет следующие ограничения:
• Нет защиты по минимальному расходу воздуха – при снижении расхода может быть нарушена минимальная интенсивность аэрации с расслоением иловой смеси и выпадением ила на дно аэротенка.
• Нет защиты по максимальному расходу воздуха – при увеличении расхода воздуха возможны длительные перегрузки аэрационной системы.
• Нет обратной связи по азоту аммонийному.

Данный метод рекомендуется для дополнительного регулирования расхода воздуха в отдельных аэрируемых зонах по длине аэротенка, он неприменим для зон с переменным режимом и при регулировании всей системы аэрации задвижкой на главном воздуховоде, так как может приводить к нарушениям технологии очистки и снижению срока службы аэрационной системы.

Рис. 12. Однокаскадный алгоритм управления расходом воздуха Второй метод управления – однокаскадный алгоритм управления расходом воздуха (рис. 12). В этом случае по результату сравнения заданной и текущей концентрации кислорода рассчитывается новое значение расхода воздуха, которое поддерживается задвижкой по расходомеру.

Такой алгоритм регулирования значительно надежней и является основным, принимаемым для управления расходом воздуха, в том числе и одной задвижкой на главном воздуховоде.

В данном случае можно поддерживать как минимальный, так и максимальный расход воздуха, обеспечивая минимальную интенсивность аэрации и предотвращая перегрузки системы аэрации. Отсутствует только связь с концентрацией азота аммонийного.

При необходимости использования сигнала датчика азота аммонийного используется наиболее сложный двухкаскадный алгоритм регулирования (рис. 13).

Рис. 13. Двухкаскадное регулирование расхода воздуха В этом случае к регулированию расхода воздуха по предыдущему принципу добавляется изменение «уставки» по растворенному кислороду по результатам измерения концентрации азота аммонийного. Это самый сложный алгоритм управления и самый дорогой по приборному обеспечению. Его рекомендуется применять в зонах с переменным режимом для получения наиболее глубокой денитрификации при сохранении качества очистки по азоту аммонийному.

Управление возрастом ила – процесс медленный, который, в принципе, может осуществляться как системой автоматики, так и оператором. При поддержании возраста наиболее важен рассчитываемый при моделировании так называемый «динамический возраст ила» – средняя величина за последний интервал времени, соответствующий величине расчетного возраста. На многих действующих станциях контроль возраста ила не ведется или ведется неправильно, так как определения прироста рассчитывается по различным формулам (часто устаревшим).

Концентрация ила в иловом рецикле со вторичных отстойников исходя из баланса масс может быть рассчитана:

Для сооружений, где весь активный ил подается в голову аэротенков, текущая величина возраста ила может быть рассчитана следующим образом:

где SAт – общий возраст ила, Waт – общий объем аэротенка, Qi – расход избыточного ила, Ri – коэффициент рециркуляции ила.

При наличии анаэробной зоны, куда подается ил из зоны денитрификации, доза ила в ней меньше и зависит от коэффициента рециркуляции в анаэробную зону. В этом случае доза ила в анаэробной части рассчитывается:

где: aan– доза ила в анаэробной части сооружения, ai – доза ила в аноксидной и аэробных зонах, Ra – коэффициент рециркуляции в анаэробную зону.

Тогда общий возраст ила в таких сооружениях:

Такой метод расчета возраста учитывает только значения расходов и значительно проще реализуется при автоматизации управления.

В заключение рассмотрим схему управления двух коридорным аэротенков с применением процесса UCT, разработанную с применением описанных принципов для очистных сооружений г. Киров (рис. 14).

Рис. 14. Схема управления аэротенком с процессом UCT Ограничение массы поступающих в анаэробную зону нитратов достигается за счет регулирования расхода рецикла в анаэробную зону по датчику Еh и за счет регулирования рецикла денитрификации по датчику азота нитратов NO3 в зоне денитрификации. Предусмотрено автоматическое регулирование «уставки» NO3 при невозможности достижения заданного диапазона величины Еh путем регулирования рецикла в анаэробную зону. Для использования анаэробной зоны в качестве денитрификатора в неблагоприятных условиях предусмотрено введение оператором более высокой «уставки» Еh.

Общее регулирование концентрации растворённого кислорода происходит по двухкаскадному принципу от кислородного датчика О2 и расходомера воздуха Qair общей задвижкой на воздуховоде. Достижение постоянной концентрации кислорода по длине аэротенка обеспечивается изменением плотности раскладки аэраторов. Поскольку в начале аэробной зоны колебания расхода при соблюдении заданной концентрации менее выражены, для корректировки расхода воздуха в этой зоне используется однокаскадный принцип регулирования с дополнительным датчиком кислорода.

Вычисление величины возраста ила происходит автоматически по описанному принципу за счет измерения расходов. Корректировка массы выводимого ила и оптимума возраста должна производиться оператором.

Применение математического моделирования позволяет определить основные принципы конструирования систем автоматического управления аэротенками с биологическим удалением азота и фосфора.

Для контроля процесса удаления фосфора необходимо минимизировать влияние нитратов, поступающих с рециркуляционными потоками в анаэробную зону, для чего контролируется масса азота нитратов в рециркуляционных потоках. Основным методом контроля массы азота нитратов, поступающего в анаэробную зону, является контроль процесса денитрификации путем изменения рециркуляционных расходов
и кислородного режима в зонах с переменным режимом.

Контроль процесса в анаэробной зоне рационально проводить по датчику окислительно-восстановительного потенциала.

Для поддержания процесса нитрификации следует контролировать кислородный режим и аэробный возраст ила.

При построении системы следует придерживаться следующих приоритетов: сохранение процесса нитрификации, сохранение процесса денитрификации и лишь затем – биологическое удаление фосфора.

источник