Dificultades en el control del volumen de aireación en el tratamiento de aguas residuales
Prefacio
El consumo energético del sistema de aireación por soplado generalmente representa alrededor del 60 % del consumo energético de toda la planta y es clave para el ahorro energético. La medida más fundamental para el ahorro energético es mejorar la eficiencia del control de la aireación y reducir el desperdicio de oxígeno, reduciendo así el volumen de aire.
El control del volumen de aire es el método de ahorro energético más significativo para los sistemas de aireación. Según una encuesta realizada por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos a 12 plantas de tratamiento, se puede ahorrar hasta un 33 % de electricidad controlando el volumen de aire utilizando el oxígeno disuelto (OD) como indicador. La relación entre el volumen de aire del ventilador y el consumo de energía muestra que este último varía considerablemente con el volumen de aire, por lo que el ahorro energético del control del volumen de aire es significativo, y cuanto mayor sea la potencia, más evidente será. Por supuesto, el volumen de aire no se puede reducir arbitrariamente, ya que se verá afectado por diversos factores.
Desde la perspectiva del proceso de tratamiento, el sistema de aireación debe controlarse, ya que si este no se opera correctamente y el volumen de aireación es demasiado pequeño, puede producirse corrosión del lodo en el tanque de sedimentación secundaria debido a la falta de oxígeno, es decir, la descomposición anaeróbica del lodo en el fondo del tanque. , produciendo una gran cantidad de gas, haciendo que el lodo flote. Cuando el tiempo de aireación es largo o el volumen de aireación es demasiado grande, se producirá un alto grado de nitrificación en el tanque de aireación, lo que resultará en una mayor concentración de nitratos en la solución mezclada. En este momento, puede producirse una gran cantidad de N2 en el tanque de sedimentación debido a la desnitrificación, haciendo que el lodo flote.
Además, si la distribución del volumen de aireación es equilibrada y estable también es una razón importante que afecta el efecto del tratamiento y el consumo de energía. Cuando el sistema de aireación está en funcionamiento, debido a varias interferencias, la distribución del volumen de aireación cambiará. Por ejemplo, si el cabezal de aireación en un lugar está bloqueado, el flujo de gas disminuirá. Al mismo tiempo, también hará que el flujo en otros lugares aumente. Por el contrario, si el cabezal de aireación está dañado, el flujo de gas aumentará considerablemente y el flujo en otros lugares también disminuirá drásticamente. Esto hará que la reacción biológica se desequilibre y la calidad del tratamiento disminuya. Para lograr el efecto del tratamiento, el volumen de aireación debe ajustarse. En este momento, el cambio de oxígeno disuelto en un punto determinado no puede reflejar con precisión el estado del tratamiento de la piscina biológica, lo que hace que el control que utiliza el oxígeno disuelto como indicador sea inestable y aumente el consumo de energía.
Estado de la industria
Tras resumir el funcionamiento de la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales, se observó que la inversión en equipos de automatización fue baja, el consumo energético elevado y la mayoría de los sistemas no cumplían con los requisitos de diseño al entrar en producción, o bien, tras un período de funcionamiento, pasaron a un modo de funcionamiento parcialmente automático y parcialmente manual, especialmente el sistema de aireación. Las principales razones del análisis son las siguientes:
1. Capacitación inadecuada del sistema de control automático. Muchos operadores de plantas de tratamiento de aguas residuales no han recibido capacitación sistemática del proveedor del sistema de control. Además de las operaciones básicas, no existe una explicación teórica de la tecnología de ajuste del sistema de aireación, lo que obliga a los gerentes a reevaluar su trabajo.
2. No se aprovecha la experiencia operativa. Un aspecto fundamental de las plantas de tratamiento de aguas residuales es que, tras una larga operación, las normas diarias se pueden resumir y son relativamente estables. Para los administradores, estas normas suelen ser más útiles que los costosos equipos de control automático. Sin embargo, en la construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales, muchos diseños no dejan a los administradores suficiente margen de ajuste, y esta valiosa experiencia tampoco se puede aplicar a la construcción de otras instalaciones de tratamiento de aguas residuales.
Estrategia de control
Dificultades en el control de DO
La variabilidad de la calidad de las aguas residuales y la complejidad de las reacciones bioquímicas en los sistemas de tratamiento biológico determinan que la detección y el control del oxígeno disuelto (OD) en el tratamiento de aguas residuales sea un sistema con un alto grado de retardo. Los resultados de la detección, así como el procesamiento y ajuste de los parámetros, suelen retrasarse varias horas o incluso días, lo que resulta en el vertido de una gran cantidad de agua no cualificada. La característica de este sistema es que su operación y gestión son técnicamente complejas, lo que requiere que los administradores posean sólidos conocimientos de ingeniería ambiental y amplia experiencia en operación y gestión.
Además, el índice de oxígeno disuelto no puede reflejar directamente la demanda de oxígeno de la reacción biológica. Solo refleja el nivel residual de oxígeno en el tanque de reacción, y el volumen de gas no puede calcularse directamente en función de su valor y sus variaciones.
Aunque el control PID tradicional se utiliza ampliamente en ingeniería, solo resuelve el problema de regulación de sistemas lineales. Si bien el PID en sistemas de aireación puede controlar el caudal, su capacidad de control sobre el efecto del tratamiento de la calidad del agua es limitada. Al controlar el oxígeno disuelto (OD), la configuración de los parámetros PID debe ajustarse continuamente según la situación real, como la estación y los cambios en la calidad del agua. Desde la perspectiva de la teoría de control, el proceso de tratamiento biológico de aguas residuales se caracteriza por un gran retardo, no linealidad, aleatoriedad y multivariabilidad, y el modelo establecido es empírico y condicional. Por lo tanto, el método de control clásico, basado únicamente en el modelo teórico, no puede satisfacer las necesidades de regulación del oxígeno disuelto (OD), lo que resulta en ajustes frecuentes de sopladores y válvulas, sobreimpulsos elevados, reducción de la vida útil del equipo y un alto consumo de energía.
Importancia del control de flujo
El flujo másico de aire es un indicador que afecta directamente el efecto del tratamiento de aireación. Desde una perspectiva de ingeniería, una piscina de reacción de gran tamaño suele requerir numerosos equipos de aireación, como tuberías, cabezales o aireadores. En condiciones reales de operación, la estabilidad de estos equipos y su capacidad para detectar y eliminar fallas a tiempo afectarán la estabilidad y el equilibrio del proceso de aireación, el efecto de la reacción biológica y el consumo de energía. Una distribución de flujo inestable alterará la verdadera función de los parámetros de detección de oxígeno disuelto, dificultando aún más el control del oxígeno disuelto, propenso a fluctuaciones.
Los tanques de aireación suelen ser piscinas de cientos o miles de metros cuadrados con agua corriente. La tubería de aire transporta aire comprimido al equipo de aireación en el fondo de la piscina a través de la tubería principal y las tuberías secundarias. Por ejemplo, el aire se transporta de A a B, C, D, E y F respectivamente. En el diseño del sistema de aireación, el volumen de aireación debe distribuirse uniformemente según sea necesario. De hecho, debido a la pérdida de presión en la tubería, existen diferencias en la presión y el flujo de aire en las posiciones B y F. Cuando el volumen total de aire se ajusta debido a cambios en la calidad o el volumen del agua, la diferencia de presión y la diferencia de flujo entre las posiciones B y F también cambiarán, lo que provocará una desviación en la distribución de la aireación, y esta desviación también es variable. Además, cuando el sistema está en funcionamiento, si las instalaciones de aireación en una posición determinada (como D) están bloqueadas o tienen fugas, provocará cambios en la presión y el flujo en esa posición y, al mismo tiempo, provocará que la presión y el flujo de toda la tubería de aire se redistribuyan, y el flujo de aire en otros puntos (B, C, E, F) también cambiará en consecuencia, provocando una desviación en la distribución de la aireación. La distribución desigual de la aireación en la operación anterior a menudo está oculta y es difícil de detectar en la superficie del agua. La distribución desigual de la aireación dificulta la disolución del oxígeno. Porque en ingeniería, el oxígeno disuelto solo se puede detectar en un punto determinado (normalmente la salida del tanque de aireación) y no puede reflejar la distribución de oxígeno. Una condición para el control del oxígeno disuelto es que el valor de oxígeno disuelto refleje fielmente el estado ambiental de la reacción biológica en el tanque de aireación. Cuando la distribución de la aireación es desigual, esta condición no es verdadera y el efecto de control no será ideal.
Por lo tanto, el control del flujo de aire es fundamental para el control de la aireación. Si se instalan equipos de detección de flujo y válvulas reguladoras en las posiciones B, C, D, E y F, y se establecen enlaces de control, se corregirán las desviaciones de flujo durante la operación y el control del oxígeno disuelto será más eficaz.
Conclusión del análisis
Las características del sistema de aireación son las siguientes:
1) La entrada de aguas residuales es una variable aleatoria y su entorno externo tiene muchos factores inciertos, por lo que es difícil establecer un modelo matemático preciso del sistema biológico aireado;
2) Los parámetros del sistema de aireación son de gran dimensión, fuertemente acoplados y altamente no lineales;
3) Existe un gran desfase temporal en el oxígeno disuelto y es difícil lograr el equilibrio del sistema en poco tiempo;
4) El proceso de tratamiento de aguas residuales requiere una gran cantidad de experiencia práctica y conocimientos de operadores capacitados;
5) La estabilidad y uniformidad de la distribución del flujo de aireación es la base para controlar el efecto del tratamiento y el ahorro de energía.
Por lo tanto, el control del sistema de aireación debe mejorarse desde dos puntos de vista: primero, resolver el problema del equilibrio y la estabilidad del flujo de aire en el tanque de aireación, y segundo, buscar una estrategia de control adecuada para el oxígeno disuelto en el flujo de aire.
