Conception et mise en service d'un système d'aération précis pour une usine de traitement des eaux usées AAO à plusieurs étages
Aperçu
Le traitement des eaux usées est un élément essentiel de la construction urbaine. Ces dernières années, l'industrie chinoise du traitement des eaux usées s'est développée rapidement. La forte participation des usines de traitement des eaux usées à la réduction collaborative des émissions constitue un soutien important à la construction d'une société à faibles émissions de carbone, au développement d'une économie à faibles émissions de carbone et à la réalisation d'un développement urbain durable. Dans le cadre des objectifs « Dual Carbon », le concept d'usines de traitement des eaux usées à faible-carbone a attiré l'attention de l'industrie. Pour s'aligner sur la stratégie de développement des usines de traitement des eaux usées à faible-carbone, il est nécessaire d'analyser et d'étudier les facteurs clés influençant les économies d'énergie et la réduction des émissions.
La plupart des traitements des eaux usées domestiques utilisent des procédés à boues activées. Un facteur clé de ce traitement est de fournir une quantité appropriée d’oxygène pour les réactions d’oxydation des micro-organismes dans les réservoirs biologiques, ce qui rend crucial le contrôle du volume d’aération. Le contrôle de l'aération traditionnel, réalisé au moyen de commutateurs manuels, repose principalement sur l'expérience des opérateurs sur site-, ce qui entraîne une incertitude et un gaspillage importants. Pour obtenir un contrôle automatique de systèmes d'aération précis et réduire les interventions manuelles, les chercheurs ont étudié de manière approfondie les méthodes de contrôle de l'aération, notamment le contrôle flou, les réseaux de neurones, les réseaux de neurones flous, les algorithmes génétiques et les machines à vecteurs de support. Cet article se concentre sur le processus AAO en plusieurs étapes d'une usine de traitement des eaux usées à Shenzhen, analysant et résumant le processus de conception et de mise en service de son système d'aération précis pour fournir une référence pour des projets similaires.
1 Présentation du système
1.1 Principe du système d'aération précis
Le traitement biologique est l'étape la plus importante du processus de traitement des eaux usées, visant généralement à éliminer ou à réduire les substances cibles présentes dans les eaux usées afin de répondre aux normes de rejet en maintenant une croissance microbienne soutenue et efficace et en favorisant les processus biochimiques. Les stratégies de contrôle traditionnelles ne peuvent pas répondre en temps opportun et avec précision aux changements dans les paramètres opérationnels des usines de traitement des eaux usées modernes. Au cours de l'opération d'essai initiale, les ajustements sont souvent effectués uniquement sur les soufflantes ou sur les tuyaux d'aération du terminal, sans parvenir à effectuer une régulation en temps réel-à la demande-du volume d'aération dans les réservoirs de réaction en fonction des changements réels des conditions de fonctionnement tout en réalisant des économies d'énergie.
L'oxygène dissous (OD) est un facteur primordial affectant le processus de traitement biologique. La qualité du contrôle de l’OD a un impact direct sur l’efficacité du traitement des eaux usées. Le système d'aération précis introduit une méthode de contrôle multi-paramètres combinant "feedforward + feedback + model", traitant efficacement des caractéristiques telles que les retards importants et la non-linéarité dans les usines de traitement des eaux usées. Il prend en compte de manière exhaustive les soufflantes, les vannes de régulation sur les canalisations d'aération, ainsi que la charge en OD et en eau, pour mettre en œuvre un contrôle précis du processus de réaction biologique, réalisant une aération à la demande-, améliorant ainsi la stabilité opérationnelle du système et économisant de l'énergie.
Dans les usines de traitement des eaux usées, les signaux de rétroaction comprennent principalement les signaux de débit et de qualité des affluents ; les signaux de rétroaction comprennent principalement l'OD, les solides en suspension dans les liqueurs mélangées (MLSS) et les signaux de niveau des réservoirs biologiques.
La stratégie de contrôle de l'OD des systèmes d'aération précis comporte généralement deux approches : définir la cible de contrôle sous forme de valeur constante ou de valeur dynamique.
Habituellement, dans le cadre de la stratégie où l'objectif de contrôle de l'OD est défini comme une valeur constante, le système d'aération précis calcule le volume d'air requis pour chaque zone du réservoir biologique et le volume d'air total requis en fonction de signaux tels que la qualité de l'influent, le débit de l'influent, le point de consigne de l'OD et le MLSS du réservoir biologique. Il ajuste ensuite le système de commande principal du ventilateur et les vannes électriques des tuyaux d'aération pour faire correspondre l'alimentation en air à la demande, permettant ainsi de contrôler la valeur cible de l'OD.
En adoptant un système d'aération précis, les stations d'épuration des eaux usées peuvent mieux atteindre les objectifs suivants :
(1) Réduire la consommation d’énergie par unité d’eaux usées traitées, réduisant ainsi les coûts.
(2) Améliorer la stabilité et la fiabilité globales des opérations de traitement des eaux usées.
(3) Ajustez automatiquement l'aération en fonction de la charge d'eau traitée et de la charge de pollution, pour obtenir une aération à la demande et un contrôle automatique.
(4) Améliorer la qualité des effluents et augmenter le taux de conformité de la qualité des effluents.
1.2 Conception globale du système d'aération précis
La capacité de traitement prévue de cette station d'épuration des eaux usées est de 50 000 m³/j. Il adopte un processus AAO en plusieurs étapes, équipé de 2 réservoirs biologiques. Les principaux indicateurs de qualité des effluents répondent aux normes des eaux de surface de classe IV. Le flux du processus de traitement des eaux usées est illustré dansFigure 1.
Le projet dispose de 2 réservoirs biologiques. Chaque réservoir biologique est divisé en 6 zones de contrôle OD, ce qui donne un total de 12 zones de contrôle OD pour les réservoirs biologiques de la plante. Le schéma de conception de son système d'aération précis est présenté dansFigure 2.
Pour obtenir une aération précise, un réseau de contrôle complet pour le système d’aération précis est nécessaire. La topologie de communication d'automatisation du système d'aération précis est illustrée dansFigure 3.
La station principale précise du système d'aération obtient directement les paramètres pertinents des ventilateurs d'aération via la communication, collecte les signaux des instruments de surveillance sur site- et envoie des commandes de réglage de contrôle aux vannes de l'équipement et au système de ventilateur, obtenant ainsi un contrôle entièrement automatique du processus d'aération et une régulation coordonnée des vannes de régulation de débit et des ventilateurs.
1.3 Composants matériels du système d'aération précis
Un analyseur DO en ligne est configuré pour chaque zone de contrôle DO. Un débitmètre de gaz thermique et une vanne de régulation électrique sont configurés sur le tuyau de dérivation d'aération correspondant à chaque zone de contrôle DO. Un débitmètre de gaz thermique et un transmetteur de pression sont installés sur le tuyau de sortie principal de la salle de ventilation.
Le tableau de configuration des équipements et des instruments pour le système d'aération précis est présenté dansTableau 1.
1.4 Composants logiciels du système d'aération précis
Le logiciel du système d'aération précis est installé et fonctionne sur le poste de travail du système d'aération précis, servant d'unité de traitement de base du système. Sur la base des signaux de terrain collectés, cette unité calcule la demande biologique en air des réservoirs biologiques via un modèle et émet simultanément des commandes de réglage aux dispositifs de contrôle sur le terrain. Sur le plan fonctionnel, il comprend des modules de base tels que le module de calcul du volume d'aération, le module de distribution d'air et le module de réglage de l'optimisation du ventilateur.
Le logiciel précis du système d’aération est principalement conçu sur la base des deux aspects suivants :
(1) Le système d'aération précis divise la section aérobie en plusieurs zones de contrôle de DO indépendantes, capables de s'adapter aux exigences du flux de contrôle du processus, en ajustant automatiquement le débit d'aération pour répondre aux conditions de processus de distribution de DO requises par les unités de traitement.
(2) Le système d'aération précis permet aux utilisateurs de définir indépendamment les niveaux cibles d'OD et prend en charge les points de consigne dynamiques d'OD. Compte tenu de la commodité et de l’opérabilité, les données pertinentes peuvent être visualisées et configurées dans la salle de contrôle centrale.
Le mécanisme de contrôle pour une aération précise donne la priorité au champ, suivi par l'ordinateur supérieur de contrôle central, comprenant principalement le contrôle des vannes et le contrôle du ventilateur.
Le contrôle des vannes a deux modes : le mode de contrôle local et le mode de contrôle à distance. Sur l'ordinateur supérieur de commande centrale, vous avez deux choix : le mode manuel et le mode d'aération précise.
Le contrôle de la pression du ventilateur comprend :
(1) Lorsque l'armoire de commande principale passe en mode local, le point de consigne de pression peut être réglé manuellement localement.
(2) Lorsque l'armoire de commande principale entre en mode automatique à distance, le réglage de la pression est divisé en deux modes : aération manuelle et précise, et commutateurs de commande vers la salle de contrôle centrale.
Puisqu'il possède trois modes de contrôle - contrôle entièrement automatique, contrôle automatique partiel et contrôle manuel forcé - et permet de changer de mode soit sur-site ou dans la salle de contrôle principale, le système d'aération précis peut gérer de manière adéquate diverses situations rencontrées lors du fonctionnement de l'usine de traitement des eaux usées.
1.5 Fonctions du système d'aération précis
1.5.1 Calcul de la demande en air
Le système d'aération précis peut calculer dynamiquement la demande d'air réelle en fonction des changements de divers facteurs au sein des réservoirs biologiques, permettant au système d'aération de fournir de l'air à la demande. Le modèle de calcul de la demande en air pour le système d'aération précis est présenté dansChiffre4.
Dans les applications pratiques de contrôle précis de l'aération dans les usines de traitement des eaux usées, le système d'aération précis peut calculer la demande d'air réelle en temps réel-à mesure que le débit d'affluent et les charges de qualité changent, garantissant une aération raisonnable qui répond aux exigences biochimiques tout en économisant une consommation d'énergie d'aération inutile.
1.5.2 Répartition du volume d'aération
Le système d’aération précis implique plusieurs unités de contrôle d’aération. Le système intègre une stratégie de contrôle de découplage de plusieurs-vannes pour supprimer les interférences provenant des réglages d'une seule-vanne sur d'autres vannes. Il possède également une stratégie de contrôle d'ouverture optimale de plusieurs -vannes, permettant des ajustements rapides et optimaux de l'ouverture des vannes pour obtenir une transmission et une distribution rapides et précises du volume d'aération entre les différentes unités de contrôle d'aération.
1.5.3 Contrôle d'optimisation du ventilateur
Les économies d'énergie dans le processus d'aération sont obtenues en optimisant le fonctionnement du ventilateur. Le cœur du système d’aération consiste à réguler le fonctionnement du ventilateur en fonction des paramètres opérationnels. D’une part, les réglages du ventilateur doivent tenir compte des paramètres opérationnels réels ; d’un autre côté, les réglages du ventilateur doivent également tenir compte de la protection de l’équipement. Le principe général est de faire fonctionner les ventilateurs dans les conditions les plus économiques tout en évitant des conditions anormales (telles que des surtensions).
Le système d'aération précis calcule le volume d'air requis en fonction des paramètres opérationnels actuels du processus, puis envoie le signal à l'armoire de commande du ventilateur. Les opérations telles que le démarrage/arrêt des ventilateurs et le réglage des ouvertures sont effectuées en fonction du point de consigne du volume d'air total pour répondre à la demande d'aération du système biologique, tandis que la pression de protection contre les surtensions est utilisée pour protéger les ventilateurs contre les surtensions. Les surpresseurs constituent un équipement de traitement essentiel dans les usines de traitement des eaux usées. Le système d'aération précis doit réguler le fonctionnement du ventilateur pour répondre à la demande d'aération des réservoirs biologiques tout en empêchant les surtensions du ventilateur.
2 Mise en service du système d'aération précise
Pour garantir le fonctionnement normal du système d'aération précis, les différents appareils du système doivent d'abord être mis en service un par un. Par la suite, une mise en service coordonnée des vannes d'aération et des soufflantes des réservoirs biologiques est nécessaire, en réglant le volume d'air du soufflant et en régulant la surveillance de la pression des canalisations. Lors de la mise en service, toutes les opérations et réglages doivent garantir qu’ils n’aient aucun impact sur la production. Plus particulièrement, les précautions à prendre en cas de fonctionnement d'urgence du ventilateur doivent être soulignées :
(1) Lors de fluctuations significatives à court terme-dans l'ouverture du ventilateur. Ce système utilise des ventilateurs centrifuges à roulements magnétiques, qui peuvent recevoir des points de consigne envoyés par le système d'aération précis en temps réel-. Le ventilateur ajuste son temps d'ouverture et d'action en fonction de la différence. Le système d'aération précis dispose d'un mécanisme de protection de sécurité contre les fluctuations du ventilateur afin d'éviter les surtensions causées par les fluctuations. Les raisons possibles des fluctuations significatives à court terme de l'ouverture du ventilateur incluent des changements soudains dans la qualité de l'influent, des paramètres de réglage du système incompatibles, des changements soudains de la pression du pipeline et des pannes des instruments du réservoir biologique. Pour la sécurité de l'équipement, afin d'éviter d'importantes fluctuations de pression dans les canalisations et les risques de surtension du ventilateur, le système d'aération précis peut être annulé manuellement et commuté en mode manuel.
(2) Pendant le sursaut du ventilateur. Lors de la première mise en service, un sursaut de la soufflante est parfois inévitable. Les raisons possibles incluent une coordination insuffisante entre les vannes et les soufflantes, entraînant une augmentation de la pression et des surtensions dans le pipeline ; ou des paramètres déraisonnables du ventilateur lui-même, avec des réglages d'ouverture trop rapides, provoquant une surtension du ventilateur lui-même. Lorsque ce défaut se produit, le système d'aération précis peut être annulé manuellement et commuté en mode manuel pour le fonctionnement.
3 DO Contrôlez l’efficacité et les résultats d’économie d’énergie du système d’aération précis
3.1 Efficacité du contrôle DO du système d’aération précis
La vérification de l'efficacité du système d'aération précis pour ce projet a été principalement réalisée en comparant des scénarios avec et sans l'intervention du système. Les méthodes de contrôle traditionnelles ne peuvent pas répondre en temps opportun et avec précision à l’impact de diverses perturbations. Lorsque la valeur DO contrôlée en ligne présente de grandes fluctuations, la variation de l'oxygène dissous (DO) au fil du temps à un certain endroit dans un réservoir biologique sans aération précise est affichée dansFigure 5.
Par rapport aux méthodes traditionnelles de contrôle des réservoirs biologiques, la méthode précise de contrôle de l'aération peut contrôler plus précisément l'OD dans le réservoir biologique, démontrant une plus grande adaptabilité, permettant ainsi une meilleure aération et des économies d'énergie. La tendance de l'oxygène dissous (OD) à un certain endroit dans un réservoir biologique avec une aération précise est illustrée dansFigure 6.
Selon les résultats des essais du système de contrôle précis de ce projet, la probabilité que les valeurs d'OD soient distribuées à ± 0,5 mg/L du point de consigne cible est de 90 % ; la probabilité à ±0,3 mg/L est de 30 % ; et la probabilité à ±0,2 mg/L est de 20 %, répondant aux exigences de conception et aux besoins opérationnels réels.
3.2 Résultats d'économie d'énergie du contrôle de l'OD avec le système d'aération précis
Dans la station d'épuration des eaux usées AAO à plusieurs étapes, le système d'aération précis calcule le volume d'air total requis en temps réel-en fonction du débit d'entrée actuel et de la charge pendant le contrôle du ventilateur. Il transmet ensuite la consigne de demande totale d'air à l'armoire de commande principale des soufflantes, qui régule les soufflantes associées en fonction de la cible fixée. Cela garantit que le volume d'aération répond aux demandes réelles dans des conditions de charge élevée et faible tout en réduisant la consommation d'énergie d'aération inutile. Sous contrôle traditionnel, les ventilateurs fonctionnent généralement en continu à une puissance relativement élevée. Grâce au contrôle précis des ventilateurs du système d'aération, un ajustement en temps réel de la puissance de fonctionnement est obtenu, atteignant ainsi l'objectif d'économie d'énergie.
Après avoir adopté un système d'aération précis, la station d'épuration des eaux usées AAO à plusieurs étages bénéficie du fonctionnement normal de l'équipement de traitement, de données d'instrument précises, d'un débit et d'une qualité d'affluent stables (ne dépassant pas ± 20 % des valeurs de conception), d'une pression de fonctionnement de la soufflante suffisante, d'un volume d'air réglable en continu et d'un fonctionnement automatique à pression constante de l'armoire de commande principale.
4 Conclusion
L'application du système d'aération précis dans la station d'épuration des eaux usées à plusieurs étages AAO vise à fournir une solution opérationnelle raffinée pour l'étape d'aération du processus de traitement des eaux usées. La solution précise du système d'aération s'adapte parfaitement aux conditions de fonctionnement de l'usine, permettant un contrôle précis de l'aération. Sur cette base, l'environnement biochimique microbien reste stable, aidant ainsi la station d'épuration des eaux usées à obtenir un fonctionnement raffiné, économe en énergie et automatisé du système d'aération, améliorant ainsi la stabilité de la qualité des effluents.