Энергоэффективная система аэрации для канализационных очистных сооружений

 

Ю.В. Горнев (Генеральный директор ООО «Вистарос»)

Достаточно известным является тот факт, что от 60 до 75 процентов энергопотребления канализационных очистных сооружений (КОС) городов и крупных промышленных предприятий приходятся на подачу воздуха в систему аэрации. В данной статье рассматриваются вопросы возможной экономии энергопотребления в системе аэрации за счет применения энергоэффективных элементов системы.

Резервы экономии энергопотребления в системе аэрации КОС огромны, они могут составлять 70% и более. Рассмотрим основные элементы данной системы, существенно влияющие на энергопотребление. Если опустить такие вопросы, как необходимость поддержания в хорошем рабочем состоянии трубопроводов подачи воздуха и т.п., то к ним относятся:

1. Наличие первичных отстойников на КОС, которые позволяют снизить Биологическую Потребность в Кислороде (БПК) и Химическую Потребность в Кислороде (ХПК) стоков на входе аэротенков. Как правило первичные отстойники уже присутствуют на большинстве крупных КОС.
2. Внедрение процесса нитрификации-денитрификации, позволяющего увеличить количество растворенного кислорода в возвратном активном иле. Данный процесс все шире внедряется при строительстве и реконструкции КОС.
3. Своевременное обслуживание и замена аэраторов.
4. Применение управляемых воздуходувок оптимальной мощности, внедрение единой системы управления для всех воздуходувок.
5. Применение специализированных управляемых клапанов в системе распределения воздуха по аэротенкам.
6. Введение системы управления каждым клапаном и всеми клапанами по данным с датчиков растворенного кислорода, установленных в бассейнах аэрации.
7. Применение расходомеров воздуха для стабилизации процесса распределения воздуха и оптимизации уставки по минимальному уровню растворенного кислорода для системы управления клапанами.
8. Введение в систему управления дополнительной обратной связи по датчику аммония на выходе из аэротенков (применяется в определенных случаях).

Первые два пункта (первичные отстойники и внедрение нитрификации-денитрификации) относятся в большей степени к вопросам капитального строительства на КОС и в данной статье подробно не рассматриваются. Ниже рассматриваются вопросы внедрения современных высокотехнологичных модулей и систем, позволяющих добиться существенного сокращения потребления электроэнергии на КОС. Данные модули и системы могут внедряться как параллельно с решением первых двух пунктов, так и независимо от них.

Основным потребителем электроэнергии в системе подачи воздуха для аэрации являются воздуходувки. Их правильный выбор является основой энергосбережения. Без этого все остальные элементы системы не дадут нужного эффекта. Тем не менее мы начнем не с воздуходувок, а будем следовать тому порядку, в котором необходимо производить подбор всех модулей.

Аэраторы

Одной из основных характеристик аэраторов является удельная эффективность растворения кислорода, измеряемая в процентах на один метр глубины погружения аэраторов. Для современных новых аэраторов это значение составляет 6% и даже 9%, для старых аэраторов оно может составлять 2% и ниже. Конструкция аэраторов и применяемые материалы определяют срок их эксплуатации без потери эффективности, который для современных систем составляет от 6 до 10 лет и более. Выбор конструкции, количества и расположения аэраторов осуществляется по таким параметрам, как БПК и ХПК стоков на входе в систему аэрации, по объему поступающих стоков в единицу времени и по конструкции аэротенков. Если мы имеем дело с реконструкцией КОС с очень старыми аэраторами, находящимися в плохом состоянии, то, в некоторых случаях, только замена аэраторов и установка соответствующих новым аэраторам воздуходувок позволит сократить энергопотребление на 60-70%!

Воздуходувки

Как сказано выше, воздуходувки являются основным элементом, обеспечивающим экономию потребляемой электроэнергии. Все остальные элементы позволяют сократить потребность в подаче воздуха или снизить сопротивление воздушному потоку. Но если при этом оставить старую неуправляемую воздуходувку с низким КПД – экономии не будет. Если на станции аэрации используется несколько неуправляемых воздуходувок, то, теоретически, оптимизировав другие элементы системы и добившись снижения потребности в подаче воздуха, можно вывести из эксплуатации и перевести в резерв несколько воздуходувок из числа ранее задействованных и, таким образом, добиться снижения энергопотребления. Можно также пытаться компенсировать суточные колебания потребности системы аэрации в кислороде путем просто включения или отключения резервной воздуходувки.

Однако значительно более эффективным является применение управляемой воздуходувки, точнее, блока из нескольких управляемых компрессоров. Это позволяет обеспечить подачу воздуха в точном соответствии с потребностью, которая существенно изменяется в течение суток, а также меняется в зависимости от сезона и других факторов. Обычная постоянная подача воздуха неуправляемыми воздуходувками всегда является избыточной и приводит к перерасходу электроэнергии, а в некоторых случаях и к нарушению технологического процесса нитрификации-денитрификации из-за избытка кислорода в аэротенках. При этом недостаток подачи воздуха приводит к превышению загрязняющими веществами в стоке на выходе КОС предельно допустимых концентраций (ПДК), что недопустимо.

Точное управление подачей воздуха при постоянном контроле уровня растворенного кислорода в аэротенках (а в некоторых случаях – и при постоянном автоматическом контроле концентрации аммония и других загрязняющих веществ в стоке на выходе из аэротенков) обеспечивает оптимальный уровень энергопотребления при гарантированном соответствии очищенных стоков существующим нормативам.

Необходимость наличия нескольких воздуходувок в блоке (например, двух больших и двух маленьких) связана с тем, что диапазон регулирования воздушного компрессора сильно ограничен. Он находится в пределах, в лучшем случае, от 35% до 100% мощности, чаще от 45% до 100%. Поэтому одна управляемая воздуходувка далеко не всегда может обеспечить оптимальную подачу воздуха с учетом суточных и сезонных изменений потребности. На сегодня наиболее известными являются три типа воздуходувок: роторные, винтовые и турбо.

Выбор нужного типа воздуходувки производится в основном по следующим параметрам:

— максимальная и номинальная потребность подачи воздуха – зависит от параметров установленных аэраторов, которые в свою очередь выбираются исходя из их эффективности и из потребности всей системы аэрации в растворенном кислороде, как было описано выше;

— требуемое максимальное избыточное давление на выходе воздуходувки — определяется максимально возможной глубиной стоков бассейна аэрации, точнее глубиной расположения аэраторов, а также потерями давления при прохождении воздуха по трубопроводу и через все элементы системы, такие, как задвижки и проч.

Как правило в каждой управляемой воздуходувке имеется свой блок управления, также важно наличие общего блока управления всеми воздуходувками, обеспечивающего оптимальный режим их эксплуатации. Управление в большинстве случаев осуществляется по давлению на выходе блока воздуходувок.

Управляемые воздушные клапаны

Если в системе одна воздуходувка (или блок воздуходувок) подает воздух только в один бассейн аэрации, то можно работать без воздушных клапанов. Но, как правило, на станциях аэрации блок воздуходувок подает воздух для нескольких аэротенков. В этом случае необходимы воздушные клапаны на входе в каждый аэротенк для регулирования распределения воздушного потока. Дополнительно клапаны могут использоваться на трубах, распределяющих подачу воздуха в разные зоны одного аэротенка. Ранее для названных целей использовались поворотные заслонки, управляемые вручную. Однако для эффективного управления системой аэрации необходимо использовать дистанционно управляемые клапаны.

К важным характеристикам управляемых клапанов относятся:

1. Линейность характеристики управления, т.е. степень соответствие изменения положения привода клапана (актуатора) изменению воздушного потока через клапан во всем диапазоне управления.
2. Погрешность и повторяемость отработки приводом клапана заданной уставки по воздушному потоку. Определяется качеством клапана (линейностью характеристики управления), привода и системы управления приводом.
3. Падение давление на клапане в рабочем диапазоне раскрытия.

Падение давления на поворотных заслонках при частичном открытии может быть весьма значительным и достигать 160-190 мбар, что приводит к большим дополнительным энергозатратам.

Если в системе используются даже самые высококачественные, но универсальные клапаны (предназначенные как для воды, так и для воздуха), то падение давление на таких клапанах в рабочем диапазоне раскрытия (40-70%) обычно составляет 60-90 мбар. Простая замена такого клапана на специализированный воздушный клапан VACOMASS elliptic приведет к дополнительной экономии не менее, чем 10% электроэнергии! Это обусловлено тем, что падение давления на VACOMASS elliptic во всем рабочем диапазоне не превышает 10-12 мбар. Еще большего эффекта можно добиться при использовании клапанов VACOMASS jet для которых падение давления в рабочем диапазоне не превышает 5-6 мбар.

Характеристики струйного клапана VACOMASS jet.

Сравнение характеристики управления струйного клапана VACOMASS jet с другими типами клапанов

Управляемые специализированные воздушные клапана

VACOMASS фирмы Binder GmbH, Германия.

VACOMASS elliptic (овальная задвижка)

VACOMASS squer (квадратная задвижка)

VACOMASS jet (струйный)

 

Часто в месте установки управляемого клапана делают сужение трубопровода для применения клапана оптимального типоразмера. Так как сужение и расширение выполняется в виде трубы Вентури, это не приводит к сколь-нибудь существенному дополнительному перепаду давления на участке с клапаном. В тоже время клапан меньшего диаметра работает в оптимальном диапазоне открытия, что обеспечивает линейность управления и минимизацию перепада давления на самом клапане.

Датчики растворенного кислорода и система управления клапанами

БА1 – бассейн аэрации 1; БА2 – бассейн аэрации 2;

ПЛК – программно-логический контроллер;

БВ – блок воздуходувок;

F – расходомер воздуха; Р – датчик давления;

О2 – датчик растворенного кислорода

М – привод (актуатор) воздушного клапана

СУЗ – система управления задвижкой (клапаном)

СУВ – система управления воздуходувками

На рисунке представлена наиболее распространенная схема управления процессом подачи воздуха для нескольких бассейнов аэрации. Качество очистки стока в аэротенках определяется наличием нужного количества растворенного кислорода. Поэтому за основную контролируемую величину, как правило, принимают концентрацию растворенного кислорода [мг/литр]. Один или несколько датчиков растворенного кислорода устанавливают в каждый аэротенк. В системе управления задается уставка (установленное среднее значение) концентрации кислорода, с таким расчетом, чтобы минимальная фактическая концентрация кислорода, гарантированно обеспечивала низкую концентрацию вредных веществ (например, аммония) в стоках на выходе из системы аэрации — в пределах ПДК. Если поступающий объем стоков в тот или иной аэротенк уменьшается (либо уменьшается его БПК и ХПК), то уменьшается и потребность в кислороде. Соответственно, количество растворенного кислорода в аэротенке становится выше уставки и, по сигналу от датчика кислорода, система управления задвижками (СУЗ) уменьшает раскрытие соответствующего воздушного клапана, что приводит к уменьшению подачи воздуха в аэротенк. Одновременно это приводит к увеличению давления Р на выходе блока воздуходувок. Сигнал от датчика давления поступает на систему управления воздуходувками (СУВ), которая уменьшает подачу воздуха. В результате энергопотребление воздуходувок снижается.

Необходимо отметить, что для решения задачи энергосбережения очень важна хорошо продуманная оптимальная уставка заданной минимальной концентрации растворенного кислорода в СУЗ.

Не менее важна правильная и обоснованная уставка заданного давления Р на выходе блока воздуходувок.

Расходомеры воздуха

Основная задача расходомеров воздуха в системе аэрации с точки зрения энергосбережения – это стабилизация процесса подачи воздуха, что позволяет понизить уставку концентрации растворенного кислорода для системы управления.

Система подачи воздуха от блока воздуходувок в несколько аэротенков является достаточно сложной, с точки зрения управления. В ней, как во всякой пневматической системе, присутствуют взаимовлияние и запаздывание при отработке управляющих воздействий и сигналов от датчиков обратной связи. Поэтому фактическая концентрация растворенного кислорода постоянно колеблется возле заданного значения (уставки). Наличие расходомеров воздуха и общей системы управления всеми клапанами позволяет существенно снизить время реакции системы и уменьшить колебания. Что, в свою очередь, позволяет понизить уставку, без опасения превысить ПДК аммония и других вредных веществ в стоках на выходе КОС. Из опыта компании Binder GmbH введение в систему управления данных от расходомеров позволяет получить дополнительную экономию электроэнергии порядка 10%.

Кроме того, если на КОС идет процесс поэтапной реконструкции системы аэрации, при котором сначала устанавливают аэраторы, клапаны, систему управления клапанами и расходомеры воздуха при сохранении старой воздуходувки, а затем переходят к выбору новых управляемых воздуходувок, то данные по фактическому расходу воздуха помогут произвести оптимальный выбор воздуходувок, что приводит к существенной экономии при их закупке и эксплуатации.

Отличительной особенностью расходомеров VACOMASS фирмы Binder GmbH является их возможность работать на коротких прямых участках «до» и «после» за счет специальных технологических решений, а также устанавливаться непосредственно в блоке клапанов VACOMASS.

Датчик аммония

Датчик концентрации аммония может устанавливаться в канале на выходе стоков из системы аэротенков для контроля качества очистки. Кроме того, введение показаний от датчика аммония в систему управления позволяет дополнительно стабилизировать систему и получить дополнительную экономию электроэнергии за счет дальнейшего снижения уставки концентрации растворенного кислорода.

Пример организации системы управления подачей воздуха в аэротенки с обратной связью по датчику растворенного кислорода (DO) и аммония (NH4).

При подготовке материала использовались данные из статьи http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=362 (Автор В.И. Баженов проф., член-корр. РАЕН, исполнительный директор, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение», г. Москва)