Desain dan Uji Coba Sistem Aerasi yang Tepat untuk Instalasi Pengolahan Air Limbah AAO Multi{0}}tahap
Ringkasan
Pengolahan air limbah merupakan komponen penting dalam konstruksi perkotaan. Dalam beberapa tahun terakhir, industri pengolahan air limbah Tiongkok telah berkembang pesat. Partisipasi mendalam dari instalasi pengolahan air limbah dalam pengurangan emisi kolaboratif berfungsi sebagai dukungan penting untuk membangun masyarakat-rendah karbon, mengembangkan ekonomi-rendah karbon, dan mencapai pembangunan perkotaan yang berkelanjutan. Berdasarkan sasaran "Karbon Ganda", konsep-pabrik pengolahan air limbah rendah karbon telah menarik perhatian industri. Untuk menyelaraskan dengan strategi pengembangan instalasi pengolahan air limbah rendah karbon, penting untuk menganalisis dan mempelajari faktor-faktor utama yang mempengaruhi konservasi energi dan pengurangan emisi.
Sebagian besar pengolahan air limbah domestik menggunakan proses lumpur aktif. Faktor kunci dalam pengolahan ini adalah penyediaan oksigen dalam jumlah yang sesuai untuk reaksi oksidasi oleh mikroorganisme dalam tangki biologis, sehingga pengendalian volume aerasi menjadi penting. Kontrol aerasi tradisional, yang dicapai melalui peralihan manual, terutama bergantung pada pengalaman-operator di lokasi, sehingga menimbulkan ketidakpastian dan pemborosan yang signifikan. Untuk mencapai kontrol otomatis sistem aerasi yang tepat dan mengurangi intervensi manual, para peneliti telah mempelajari metode kontrol aerasi secara ekstensif, termasuk kontrol fuzzy, jaringan saraf, jaringan saraf fuzzy, algoritma genetika, dan mesin vektor pendukung. Makalah ini berfokus pada proses AAO multi-tahap pada instalasi pengolahan air limbah di Shenzhen, menganalisis dan merangkum proses desain dan commissioning sistem aerasi yang tepat untuk memberikan referensi bagi proyek serupa.
1 Ikhtisar Sistem
1.1 Prinsip Sistem Aerasi yang Tepat
Pengolahan biologis adalah tahap paling penting dalam proses pengolahan air limbah, biasanya bertujuan untuk menghilangkan atau mengurangi zat target dalam air limbah untuk memenuhi standar pembuangan dengan mempertahankan pertumbuhan mikroba yang berkelanjutan dan efektif serta mendorong proses biokimia. Strategi pengendalian tradisional tidak dapat merespons perubahan parameter operasional instalasi pengolahan air limbah modern secara tepat waktu dan akurat. Selama operasi uji coba awal, penyesuaian sering kali dilakukan hanya pada blower atau pipa aerasi terminal, sehingga gagal melakukan pengaturan volume aerasi dalam tangki reaksi-waktu nyata dan sesuai-dalam tangki reaksi berdasarkan perubahan kondisi operasional aktual sekaligus mencapai penghematan energi.
Oksigen Terlarut (DO) merupakan faktor utama yang mempengaruhi proses pengolahan biologis. Kualitas pengendalian DO berdampak langsung pada efisiensi pengolahan air limbah. Sistem aerasi yang tepat memperkenalkan metode kontrol multi-parameter yang menggabungkan "feedforward + feedback + model", yang secara efektif mengatasi karakteristik seperti penundaan waktu yang besar dan non-linearitas di instalasi pengolahan air limbah. Hal ini secara komprehensif mempertimbangkan blower, katup pengatur pada saluran pipa aerasi, serta DO dan beban air, untuk menerapkan kontrol yang tepat atas proses reaksi biologis, mencapai-aerasi sesuai permintaan, sehingga meningkatkan stabilitas operasional sistem dan menghemat energi.
Di instalasi pengolahan air limbah, sinyal feedforward terutama mencakup sinyal aliran masuk dan kualitas; sinyal umpan balik terutama mencakup DO, padatan tersuspensi minuman keras campuran (MLSS), dan sinyal level tangki biologis.
Strategi pengendalian DO pada sistem aerasi presisi biasanya memiliki dua pendekatan: menetapkan target pengendalian sebagai nilai konstan atau sebagai nilai dinamis.
Biasanya, dalam strategi di mana target kendali DO ditetapkan sebagai nilai konstan, sistem aerasi yang tepat menghitung volume udara yang diperlukan untuk setiap zona tangki biologis dan total volume udara yang diperlukan berdasarkan sinyal seperti kualitas influen, aliran influen, titik setel DO, dan MLSS tangki biologis. Kemudian menyesuaikan sistem kendali utama blower dan katup listrik pada pipa aerasi agar sesuai dengan pasokan udara dengan kebutuhan, sehingga mencapai kendali nilai target DO.
Dengan mengadopsi sistem aerasi yang tepat, instalasi pengolahan air limbah dapat mencapai tujuan berikut dengan lebih baik:
(1) Mengurangi konsumsi energi per unit air limbah yang diolah, sehingga menurunkan biaya.
(2) Meningkatkan stabilitas dan keandalan operasi pengolahan air limbah secara keseluruhan.
(3) Secara otomatis menyesuaikan aerasi berdasarkan beban air yang diolah dan beban polusi, sehingga benar-benar mencapai-aerasi sesuai permintaan dan kontrol otomatis.
(4) Meningkatkan kualitas limbah cair dan meningkatkan tingkat kepatuhan kualitas limbah cair.
1.2 Desain Keseluruhan Sistem Aerasi Presisi
Kapasitas pengolahan yang dirancang dari instalasi pengolahan air limbah ini adalah 50.000 m³/hari. Ini mengadopsi proses AAO multi-tahap, dilengkapi dengan 2 tangki biologis. Indikator kualitas efluen utama memenuhi standar Air Permukaan Kelas IV. Alur proses pengolahan air limbah ditunjukkan padaGambar 1.
Proyek ini memiliki 2 tangki biologis. Setiap tangki biologis dibagi menjadi 6 zona kendali DO, sehingga total terdapat 12 zona kendali DO untuk tangki biologis pabrik. Diagram desain sistem aerasi yang tepat ditunjukkan padaGambar 2.
Untuk mencapai aerasi yang presisi, diperlukan jaringan kontrol yang lengkap terhadap sistem aerasi yang presisi. Topologi komunikasi otomasi sistem aerasi yang tepat ditunjukkan padaGambar 3.
Stasiun induk sistem aerasi yang tepat secara langsung memperoleh parameter yang relevan dari blower aerasi melalui komunikasi, mengumpulkan sinyal dari-instrumen pemantauan di lokasi, dan mengirimkan perintah penyesuaian kontrol ke katup peralatan dan sistem blower, sehingga mencapai kontrol otomatis penuh terhadap proses aerasi dan regulasi terkoordinasi pada katup dan blower kontrol aliran.
1.3 Komponen Perangkat Keras Sistem Aerasi yang Tepat
Satu penganalisis DO online dikonfigurasi untuk setiap zona kontrol DO. Satu pengukur aliran gas termal dan satu katup kontrol listrik dikonfigurasikan pada pipa cabang aerasi yang sesuai dengan setiap zona kontrol DO. Satu pengukur aliran gas termal dan satu pemancar tekanan dipasang pada pipa saluran keluar utama di ruang blower.
Tabel konfigurasi peralatan dan instrumen untuk sistem aerasi yang tepat ditunjukkan padaTabel 1.
1.4 Komponen Perangkat Lunak Sistem Aerasi Presisi
Perangkat lunak sistem aerasi presisi diinstal dan dijalankan pada stasiun kerja sistem aerasi presisi, yang berfungsi sebagai unit pemrosesan inti sistem. Berdasarkan sinyal lapangan yang dikumpulkan, unit ini menghitung kebutuhan udara biologis tangki biologis melalui model dan sekaligus mengeluarkan perintah penyesuaian ke perangkat kontrol lapangan. Secara fungsional, mencakup modul inti seperti modul perhitungan volume aerasi, modul distribusi udara, dan modul pengaturan optimasi blower.
Perangkat lunak sistem aerasi yang tepat terutama dirancang berdasarkan dua aspek berikut:
(1) Sistem aerasi yang tepat membagi bagian aerobik menjadi beberapa zona kendali DO independen, yang mampu beradaptasi dengan persyaratan aliran kendali proses, secara otomatis menyesuaikan aliran aerasi untuk memenuhi kondisi proses distribusi DO yang diperlukan oleh unit pengolahan.
(2) Sistem aerasi yang tepat memungkinkan pengguna menetapkan tingkat DO target secara mandiri dan mendukung titik setel DO dinamis. Mengingat kenyamanan dan pengoperasian, data yang relevan dapat dilihat dan dikonfigurasi di ruang kendali pusat.
Mekanisme kendali untuk aerasi yang presisi mengutamakan lapangan, disusul dengan kendali pusat komputer bagian atas, terutama meliputi kendali katup dan kendali blower.
Kontrol katup memiliki dua mode: mode kontrol lokal dan mode kendali jarak jauh. Pada komputer bagian atas kendali pusat, terdapat dua pilihan: mode manual dan mode aerasi presisi.
Kontrol tekanan blower meliputi:
(1) Ketika kabinet kontrol utama memasuki mode lokal, tekanan yang dikehendaki dapat diatur secara lokal secara manual.
(2) Ketika kabinet kendali utama memasuki mode otomatis jarak jauh, pengaturan tekanan dibagi menjadi dua mode: aerasi manual dan presisi, dan kendali beralih ke ruang kendali pusat.
Karena memiliki tiga mode kontrol - kontrol otomatis penuh, kontrol otomatis parsial, dan kontrol paksa manual - dan memungkinkan peralihan mode baik di-lokasi atau di ruang kontrol utama, sistem aerasi yang tepat dapat menangani berbagai situasi yang dihadapi selama pengoperasian instalasi pengolahan air limbah secara memadai.
1.5 Fungsi Sistem Aerasi Yang Tepat
1.5.1 Perhitungan Permintaan Udara
Sistem aerasi yang tepat dapat secara dinamis menghitung kebutuhan udara aktual berdasarkan perubahan berbagai faktor dalam tangki biologis, sehingga memungkinkan sistem aerasi untuk memasok udara sesuai permintaan. Model perhitungan kebutuhan udara untuk sistem aerasi yang tepat ditunjukkan pada gambarAngka4.
Dalam penerapan praktis kontrol aerasi yang tepat di instalasi pengolahan air limbah, sistem aerasi yang tepat dapat menghitung kebutuhan udara aktual secara{0}}waktu nyata seiring perubahan aliran influen dan beban kualitas, sehingga memastikan aerasi wajar yang memenuhi persyaratan biokimia sekaligus menghemat konsumsi energi aerasi yang tidak diperlukan.
1.5.2 Distribusi Volume Aerasi
Sistem aerasi yang tepat melibatkan beberapa unit kontrol aerasi. Sistem ini menggabungkan strategi kontrol pelepasan gandengan multi-katup untuk menekan interferensi dari penyesuaian-katup tunggal pada katup lainnya. Ia juga memiliki strategi kontrol bukaan optimal multi-katup, yang memungkinkan penyesuaian bukaan katup secara cepat dan optimal untuk mencapai transmisi dan distribusi volume aerasi yang cepat dan akurat di antara unit kontrol aerasi yang berbeda.
1.5.3 Kontrol Optimasi Blower
Penghematan energi pada proses aerasi dicapai dengan mengoptimalkan pengoperasian blower. Inti dari sistem aerasi adalah mengatur pengoperasian blower berdasarkan parameter operasional. Di satu sisi, penyesuaian blower perlu mempertimbangkan parameter operasional aktual; di sisi lain, penyesuaian blower juga harus mempertimbangkan perlindungan peralatan. Prinsip umumnya adalah mengoperasikan blower dalam kondisi yang paling ekonomis sekaligus mencegah kondisi blower yang tidak normal (seperti lonjakan arus).
Sistem aerasi yang tepat menghitung volume udara yang dibutuhkan berdasarkan parameter operasional proses saat ini dan kemudian mengirimkan sinyal ke kabinet kontrol blower. Operasi seperti memulai/menghentikan blower dan menyesuaikan bukaan dilakukan berdasarkan total volume udara yang dikehendaki untuk memenuhi kebutuhan aerasi sistem biologis, sedangkan tekanan pelindung lonjakan digunakan untuk melindungi blower dari lonjakan. Blower adalah peralatan proses inti di instalasi pengolahan air limbah. Sistem aerasi yang tepat harus mengatur pengoperasian blower untuk memenuhi kebutuhan aerasi tangki biologis sekaligus mencegah lonjakan blower.
2 Komisioning Sistem Aerasi yang Tepat
Untuk memastikan pengoperasian normal sistem aerasi yang tepat, masing-masing perangkat dalam sistem harus dioperasikan satu per satu terlebih dahulu. Selanjutnya, diperlukan pengaktifan katup aerasi dan blower tangki biologis yang terkoordinasi, mengatur volume udara blower, dan mengatur pemantauan tekanan pipa. Selama commissioning, semua operasi dan penyesuaian harus memastikan tidak ada dampak pada produksi. Secara khusus, tindakan pencegahan untuk pengoperasian blower darurat harus ditekankan:
(1) Selama fluktuasi signifikan dalam jangka pendek-dalam pembukaan blower. Sistem ini menggunakan blower sentrifugal bantalan magnet, yang dapat menerima setpoint yang dikirim oleh sistem aerasi tepat secara-waktu nyata. Blower menyesuaikan waktu pembukaan dan aksinya berdasarkan perbedaannya. Sistem aerasi yang presisi memiliki mekanisme perlindungan keselamatan terhadap fluktuasi blower untuk mencegah lonjakan yang disebabkan oleh fluktuasi. Kemungkinan penyebab fluktuasi signifikan jangka pendek dalam pembukaan blower mencakup perubahan kualitas influen secara tiba-tiba, parameter penyesuaian sistem yang tidak sesuai, perubahan tekanan pipa secara tiba-tiba, dan kegagalan instrumen tangki biologis. Demi keselamatan peralatan, untuk mencegah fluktuasi tekanan pipa yang besar dan risiko lonjakan blower, sistem aerasi yang tepat dapat diganti secara manual dan dialihkan ke mode manual.
(2) Selama blower melonjak. Selama pengujian awal, lonjakan blower terkadang tidak dapat dihindari. Kemungkinan alasannya termasuk kurangnya koordinasi antara katup dan blower, yang menyebabkan peningkatan tekanan dan lonjakan pipa; atau parameter blower yang tidak masuk akal, dengan penyesuaian pembukaan yang terlalu cepat, menyebabkan blower itu sendiri melonjak. Ketika kesalahan ini terjadi, sistem aerasi yang tepat dapat diganti secara manual dan dialihkan ke mode manual untuk pengoperasian.
3 Efektivitas Pengendalian DO dan Hasil Penghematan Energi Sistem Aerasi Presisi
3.1 Efektivitas Pengendalian DO pada Sistem Aerasi Presisi
Verifikasi efektivitas sistem aerasi yang tepat untuk proyek ini terutama dilakukan dengan membandingkan skenario dengan dan tanpa intervensi sistem. Metode pengendalian tradisional tidak dapat merespons dampak berbagai gangguan secara tepat waktu dan akurat. Ketika nilai DO yang dikontrol secara online menunjukkan fluktuasi yang besar, variasi Oksigen Terlarut (DO) dari waktu ke waktu di lokasi tertentu dalam tangki biologis tanpa aerasi yang tepat ditunjukkan padaGambar 5.
Dibandingkan dengan metode pengendalian tangki biologis tradisional, metode kontrol aerasi yang tepat dapat mengontrol DO dalam tangki biologis dengan lebih akurat, menunjukkan kemampuan beradaptasi yang lebih kuat, sehingga memungkinkan aerasi dan penghematan energi yang lebih baik. Tren Oksigen Terlarut (DO) pada lokasi tertentu dalam tangki biologis dengan aerasi yang tepat ditunjukkan pada gambarGambar 6.
Berdasarkan hasil uji coba sistem kendali presisi dalam proyek ini, kemungkinan nilai DO terdistribusi dalam ±0,5 mg/L dari target setpoint adalah 90%; probabilitas dalam ±0,3 mg/L adalah 30%; dan probabilitas dalam ±0,2 mg/L adalah 20%, memenuhi persyaratan desain dan kebutuhan operasional aktual.
3.2 Hasil Penghematan Energi Pengendalian DO dengan Sistem Aerasi Presisi
Di instalasi pengolahan air limbah AAO multi-tahap, sistem aerasi yang tepat menghitung total volume udara yang diperlukan secara-waktu nyata berdasarkan aliran influen saat ini dan beban selama kontrol blower. Kemudian mentransmisikan total setpoint permintaan udara ke kabinet kontrol utama blower, yang mengatur blower terkait sesuai dengan target yang ditetapkan. Hal ini memastikan volume aerasi memenuhi kebutuhan aktual dalam kondisi beban tinggi dan rendah sekaligus mengurangi konsumsi energi aerasi yang tidak diperlukan. Di bawah kendali tradisional, blower biasanya beroperasi terus menerus dengan daya yang relatif tinggi. Melalui kontrol blower yang tepat pada sistem aerasi,-penyesuaian daya pengoperasian secara real-time dapat dicapai, sehingga mencapai tujuan penghematan energi.
Setelah mengadopsi sistem aerasi yang presisi, instalasi pengolahan air limbah AAO multi-tahap mendapatkan keuntungan dari pengoperasian normal peralatan pengolahan, data instrumen yang akurat, aliran dan kualitas influen yang stabil (tidak melebihi ±20% dari nilai desain), tekanan pengoperasian blower yang memadai, volume udara yang dapat disesuaikan secara terus-menerus, dan pengoperasian tekanan konstan otomatis pada kabinet kontrol utama.
4 Kesimpulan
Penerapan sistem aerasi yang tepat di instalasi pengolahan air limbah AAO multi-tahap bertujuan untuk memberikan solusi operasional yang lebih baik untuk tahap aerasi dalam proses pengolahan air limbah. Solusi sistem aerasi yang presisi sepenuhnya sesuai dengan kondisi pengoperasian pabrik, sehingga menghasilkan kontrol aerasi yang presisi. Atas dasar ini, lingkungan biokimia mikroba tetap stabil, sehingga membantu instalasi pengolahan air limbah dalam mencapai pengoperasian sistem aerasi yang dimurnikan,-hemat energi, dan otomatis, sehingga meningkatkan stabilitas kualitas limbah.