多段 AAO 廃水処理プラント用の精密曝気システムの設計と試運転
概要
廃水処理は都市建設の重要な要素です。近年、中国の下水処理産業は急速に発展しています。下水処理施設が共同で排出削減に深く参加することは、低炭素社会の構築、低炭素経済の発展、持続可能な都市開発の達成に対する重要なサポートとして機能します。{2} 「デュアルカーボン」目標の下、低炭素廃水処理プラントのコンセプトは業界の注目を集めています。-低炭素廃水処理プラントの開発戦略と一致するには、エネルギー節約と排出量削減に影響を与える主要な要因を分析および研究する必要があります。-
ほとんどの家庭廃水処理には活性汚泥法が採用されています。この処理では、水槽内の微生物による酸化反応に適量の酸素を供給することが重要であり、曝気量の制御が重要となります。手動スイッチによって実現される従来のエアレーション制御は、主に現場オペレーターの経験に依存するため、大きな不確実性と無駄が生じます。-正確なエアレーション システムの自動制御を実現し、手動介入を減らすために、研究者はファジー制御、ニューラル ネットワーク、ファジー ニューラル ネットワーク、遺伝的アルゴリズム、サポート ベクター マシンなどのエアレーション制御方法を広範囲に研究してきました。この論文は、深センの下水処理プラントの多段階 AAO プロセスに焦点を当てており、同様のプロジェクトの参考となるよう、精密曝気システムの設計と試運転プロセスを分析および要約しています。
1 システム概要
1.1 精密エアレーションシステムの原理
生物学的処理は廃水処理プロセスの最も重要な段階であり、通常、持続的かつ効果的な微生物の増殖を維持し、生化学的プロセスを促進することにより、排水基準を満たすように廃水中の対象物質を除去または削減することを目的としています。従来の制御戦略では、最新の下水処理プラントの運転パラメータの変化にタイムリーかつ正確に対応できません。初期の試運転では送風機や末端曝気管のみの調整が行われることが多く、省エネを実現しながら実際の運転条件の変化に基づいてリアルタイムでオンデマンドで反応槽の曝気量を調整することはできません。--
溶存酸素 (DO) は、生物学的処理プロセスに影響を与える主な要因です。 DO 管理の品質は、廃水処理効率に直接影響します。正確な曝気システムには、「フィードフォワード + フィードバック + モデル」を組み合わせたマルチパラメータ制御手法が導入されており、下水処理プラントにおける大きな時間遅延や非線形性などの特性に効果的に対処します。-送風機、曝気パイプラインの調整バルブ、DO と水の負荷を包括的に考慮して、生物反応プロセスを正確に制御し、オンデマンドの曝気を実現します。これにより、システムの動作安定性が向上し、エネルギーが節約されます。-
下水処理プラントでは、フィードフォワード信号には主に流入流量と水質信号が含まれます。フィードバック信号には主に、DO、混合液懸濁物質 (MLSS)、生物タンク レベルの信号が含まれます。
精密曝気システムの DO 制御戦略には通常 2 つのアプローチがあります。制御目標を定数値として設定するか動的値として設定するかです。
通常、DO 制御目標を一定値に設定する戦略のもと、精密曝気システムは、流入水質、流入流量、DO 設定値、生物タンク MLSS などの信号に基づいて、生物タンクゾーンごとの必要空気量と総必要空気量を計算します。その後、送風機の主制御システムや曝気管の電動バルブを調整し、空気の供給量と需要量を一致させ、DO目標値の制御を実現します。
正確な曝気システムを採用することで、下水処理プラントは次の目的をより適切に達成できます。
(1) 排水処理量当たりのエネルギー消費量を削減し、コストを削減します。
(2) 廃水処理業務の全体的な安定性と信頼性を向上させます。
(3) 処理水負荷と汚染負荷に基づいて曝気を自動的に調整し、真のオンデマンド曝気と自動制御を実現します。-
(4) 排水水質の改善と排水水質遵守率の向上を図る。
1.2 精密エアレーションシステムの全体設計
この下水処理場の設計処理能力は 50,000 m3/日です。多段階AAOプロセスを採用し、2つの生物タンクを備えています。主要な排水水質指標は地表水クラス IV 基準を満たしています。排水処理のプロセスフローを図に示します。図1.
このプロジェクトには 2 つの生物タンクがあります。各生物タンクは 6 つの DO 管理ゾーンに分割されており、プラントの生物タンクには合計 12 の DO 管理ゾーンが存在します。精密エアレーションシステムの設計図を以下に示します。図2.
正確なエアレーションを実現するには、正確なエアレーション システムのための完全な制御ネットワークが必要です。精密エアレーション システムの自動化通信トポロジを次の図に示します。図3.
正確な曝気システムのマスター ステーションは、通信を介して曝気ブロワーから関連パラメータを直接取得し、現場の監視機器から信号を収集し、装置のバルブとブロワー システムに制御調整コマンドを送信します。これにより、曝気プロセスの完全自動制御と、流量制御バルブとブロワーの調整の調整が実現されます。
1.3 精密エアレーションシステムのハードウェアコンポーネント
DO 制御ゾーンごとに 1 つのオンライン DO アナライザーが構成されます。各DO管理ゾーンに対応する曝気分岐管には熱式ガス流量計と電気制御弁が1台ずつ設置されています。送風機室内の主出口配管に熱式ガス流量計と圧力発信器を 1 台ずつ設置します。
精密曝気システムの機器構成表を以下に示します。表1.
1.4 精密エアレーションシステムのソフトウェアコンポーネント
精密曝気システム ソフトウェアは、精密曝気システム ワークステーションにインストールされて実行され、システムの中核処理装置として機能します。このユニットは、収集されたフィールド信号に基づいて、モデルを通じて生物タンクの生物空気需要を計算し、同時にフィールド制御装置に調整コマンドを発行します。機能的には、曝気量計算モジュール、空気分配モジュール、送風機最適化設定モジュールなどのコアモジュールが含まれます。
精密エアレーション システム ソフトウェアは、主に次の 2 つの側面に基づいて設計されています。
(1) 正確な曝気システムは、好気セクションをいくつかの独立した DO 制御ゾーンに分割し、プロセス制御フローの要件に適応することができ、処理ユニットが要求する DO 分布プロセス条件を満たすように曝気流量を自動的に調整します。
(2) 正確なエアレーション システムにより、ユーザーは目標 DO レベルを個別に設定でき、動的な DO 設定値をサポートします。利便性と操作性を考慮し、中央制御室で関連データの閲覧・設定が可能です。
正確なエアレーションのための制御メカニズムはフィールドを優先し、主にバルブ制御とブロワー制御を含む中央制御の上部コンピューターがそれに続きます。
バルブ制御には、ローカル制御モードとリモート制御モードの 2 つのモードがあります。中央制御の上部コンピュータでは、手動モードと精密曝気モードの 2 つの選択肢があります。
ブロワー圧力制御には次のものが含まれます。
(1) 主制御盤がローカルモードになると、圧力設定値を手動でローカルに設定できます。
(2) 主制御盤が遠隔自動モードに入ると、圧力設定は手動曝気と精密曝気の 2 つのモードに分かれ、制御は中央制御室に切り替わります。
全自動制御、部分自動制御、手動強制制御-の3つの制御モードを備えており、現場または中央制御室でのモード切り替えが可能なため、下水処理場の運転中に遭遇するさまざまな状況に適切に対応できる精密な曝気システムです。
1.5 精密エアレーションシステムの機能
1.5.1 空気需要の計算
正確なエアレーション システムは、生物タンク内のさまざまな要因の変化に基づいて実際の空気需要を動的に計算し、オンデマンドで空気を供給することができます。精密曝気システムの空気需要計算モデルを以下に示します。形4.
下水処理プラントにおける正確な曝気制御の実際の応用例では、正確な曝気システムは、流入流量と品質負荷の変化に応じて実際の空気需要をリアルタイムで計算し、不必要な曝気エネルギー消費を節約しながら、生化学的要件を満たす合理的な曝気を確保します。{0}}
1.5.2 曝気量分布
正確な曝気システムには複数の曝気制御ユニットが含まれます。このシステムには、マルチバルブ デカップリング制御戦略が組み込まれており、単一バルブの調整による他のバルブへの干渉を抑制します。-また、マルチバルブの最適な開度制御戦略も備えており、迅速かつ最適なバルブ開度の調整が可能となり、異なる曝気制御ユニット間で曝気量の迅速かつ正確な伝達と分配を実現します。
1.5.3 ブロワー最適化制御
送風機の運転を最適化することで曝気工程の省エネを実現します。エアレーション システムの中核は、動作パラメータに基づいて送風機の動作を制御することです。一方で、ブロワーの調整では実際の動作パラメータを考慮する必要があります。一方で、ブロワーの調整では機器の保護も考慮する必要があります。一般原則は、送風機の異常状態 (サージングなど) を防止しながら、最も経済的な条件で送風機を運転することです。
正確な曝気システムは、現在のプロセス動作パラメータに基づいて必要な空気量を計算し、信号をブロワー制御キャビネットに送信します。送風機の起動/停止や開口部の調整などの操作は、生物システムの曝気要求を満たす総風量設定値に基づいて実行され、サージ保護圧力は送風機のサージを保護するために使用されます。ブロワーは下水処理プラントの中核となるプロセス機器です。正確な曝気システムは、ブロワーのサージを防止しながら、生物タンクの曝気要求を満たすためにブロワーの動作を調整する必要があります。
2 精密エアレーションシステムの試運転
正確な曝気システムの正常な動作を保証するには、まずシステム内の個々のデバイスを 1 つずつ作動させる必要があります。その後、ブロワーの空気量を設定し、パイプラインの圧力監視を調整することで、生物タンクの曝気バルブとブロワーを調整して試運転する必要があります。試運転中は、すべての操作と調整が生産に影響を及ぼさないようにする必要があります。特に、緊急送風機の作動に関する注意事項を強調する必要があります。
(1) ブロワー開度の短期的な大幅な変動。-このシステムは磁気ベアリング遠心ブロワーを使用しており、正確なエアレーション システムから送信された設定値をリアルタイムで受信できます。-ブロワーはその差に基づいて、その開度と動作時間を調整します。精密エアレーションシステムはブロワ変動安全保護機構を備えており、変動によるサージングを防止します。送風機の開度が短期的に大きく変動する原因としては、流入水の水質の突然の変化、システム調整パラメータの不一致、パイプライン圧力の突然の変化、生物タンク機器の故障などが考えられます。-機器の安全性を確保するため、パイプライン圧力の大きな変動やブロワーのサージングリスクを防ぐために、精密エアレーションシステムを手動で無効にして手動モードに切り替えることができます。
(2) ブロワサージング時。初期の試運転中は、ブロワーのサージングが避けられない場合があります。考えられる理由としては、バルブとブロワー間の調整が不十分で、パイプラインの圧力が上昇し、サージングが発生することが含まれます。または、ブロワーパラメータ自体が不当で、開度調整が速すぎるため、ブロワー自体が急上昇することがあります。この障害が発生した場合、精密エアレーション システムを手動で無効にして手動モードに切り替えて操作することができます。
3 精密曝気システムによるDO制御効果と省エネ効果
3.1 精密曝気システムのDO制御効果
このプロジェクトにおける精密エアレーション システムの有効性検証は、主にシステムの介入がある場合とない場合のシナリオを比較することによって行われました。従来の制御方法では、さまざまな外乱の影響にタイムリーかつ正確に対応できません。オンライン制御の DO 値が大きな変動を示す場合、正確な曝気を行わない生物タンク内の特定の場所における溶存酸素 (DO) の経時変化は次のようになります。図5.
従来の生物タンク制御方法と比較して、精密曝気制御方法は生物タンク内のDOをより正確に制御でき、より強い適応性を示し、それによってより良い曝気とエネルギーの節約が可能になります。正確なエアレーションを行った生物水槽内の特定の場所における溶存酸素 (DO) の傾向を次の図に示します。図6.
本プロジェクトにおける精密制御システムの試運転結果によれば、DO 値が目標設定値の±0.5 mg/L 以内に分布する確率は 90% である。 ±0.3 mg/L以内の確率は30%です。 ±0.2 mg/L 以内の確率は 20% であり、設計要件と実際の運用ニーズを満たしています。
3.2 精密曝気システムによるDO制御による省エネ効果
多段階の AAO 廃水処理プラントでは、正確な曝気システムが、ブロワー制御中の現在の流入流量と負荷に基づいて必要な総空気量をリアルタイムで計算します。-次に、総空気需要設定値をブロワーの主制御キャビネットに送信し、設定された目標に従って関連するブロワーを制御します。これにより、不必要な曝気エネルギー消費を削減しながら、高負荷条件と低負荷条件の両方で曝気量が実際の需要を満たすことが保証されます。従来の制御では、ブロワーは通常、比較的高い出力で連続的に動作します。エアレーション システムによる送風機の正確な制御により、動作電力のリアルタイム調整が実現され、エネルギー節約の目標が達成されます。-
精密曝気システムの採用により、多段階 AAO 廃水処理プラントは、処理装置の通常の動作、正確な機器データ、安定した流入流量と品質（設計値の ±20% を超えない）、十分なブロワー動作圧力、連続的に調整可能な空気量、主制御キャビネットの自動定圧動作の恩恵を受けています。{0}
4 結論
多段階 AAO 廃水処理プラントにおける精密曝気システムの適用は、廃水処理プロセスの曝気段階に洗練された運用ソリューションを提供することを目的としています。{0}プラントの運転条件に完全に適合した正確な曝気システム ソリューションにより、正確な曝気制御を実現します。これに基づいて、微生物の生化学的環境は安定した状態に保たれ、それによって下水処理プラントが曝気システムの洗練された、省エネ、自動化された運転を達成するのに役立ち、その結果、排水品質の安定性が向上します。-