研究人员开发新型氨曝气控制系统,能大大降低能源消耗!

   电子分析员        

研究人员在某区域污水处理装置的一次曝气池中安装了氨氮曝气控制系统。本文分析了风机系统的能耗(以现有电表每小时千瓦计)在ABAC系统安装后七个月的情况,并与ABAC系统启用前的系统性能进行比较。处理后的数据,包括体积流量、氨负荷和处理设备效率,在ABAC系统安装前后进行了评估。曝气池内氨质量负荷和换气比是影响ABAC系统性能的主要因素,从而影响计量能耗。用反映氨负荷和空气输送比变化的两种计算比值对计量能耗数据进行归一化处理。对标准化能耗数据和计量能耗数据进行了比较,结果表明,自安装ABAC系统以来,能耗降低了。安装ABAC系统后,预计每年可节省约9±1%的能源费用。计算能耗的节约以及硝化效率的提高证实了ABAC系统在降低运行成本和加强过程控制方面的优势。


相关论文以题为“Impact of Ammonia-Based Aeration Control (ABAC) on Energy Consumption”发表在《 Applied Sciences》上。


研究人员开发新型氨曝气控制系统,能大大降低能源消耗!


研究背景


最近的技术进步提高了废水处理过程的效率,并为循环水的使用铺平了道路。尽管如此,优化处理过程同时降低运营和资本成本的挑战仍在继续。污水处理设施常常利用硝化过程来满足氨排放许可水平。为了实现完全硝化,即氨向硝酸盐的转化,硝化生物质需要足够的溶解氧(DO)、多种营养物质和适当的保留时间。在硝化过程中一个潜在的操作节省领域是能源消耗,特别是支持处理过程的好氧部分所需的机械鼓风机。通过以氨为基础的曝气控制(ABAC)系统优化曝气,可在低溶解氧浓度下进行操作。ABAC系统由开环和闭环控制器组成,在处理曝气池中设置DO设定值,使出水维持预定的氨设定值。这降低了设备的总体能源消耗,同时保持高质量的流出物。由于曝气通常占污水处理厂能源成本的很大比例,这是由于与大型鼓风机相关的运行成本,因此开发控制措施以优化曝气过程是至关重要的。此外,利用新型的曝气控制策略来优化生物过程,如硝化或除磷,已显示出在不牺牲出水水质的情况下减少了植物的化学使用。


具有硝化系统的污水处理设施通常在高浓度曝气(浓度超过2mg DO/L)下运行,以避免硝化失败,同时满足生物需氧量(BOD)去除。然而,研究表明,完全硝化可以发生在低DO浓度水平。运行在0.5 mg DO/L而不是2mg DO/L时,总体氧转移效率提高了16%,这意味着整个处理厂节能10%。然而,低DO操作可以创造一个易受丝状细菌生长造成的污泥膨胀影响的处理环境。研究表明,较低的DO浓度(0.5 ~ 2.0 mg DO/L)比较高的DO浓度(2.0 ~ 5.0 mg DO/L)产生的污泥沉降性能较差,出水浊度较高。发现其原因是丝状细菌的生长;丝状微生物在低DO水平(1.5 mg/L)[2]时可与絮凝微生物竞争。


控制曝气的策略使用特定的参数测量设备与控制程序相结合,以提供节省成本的替代方案。传感器用于测量营养物,如氨、硝酸盐、亚硝酸盐、磷和溶解氧,用于操作曝气控制策略。因此,这些测量仪器的应用必须是适当的,以避免测量误差和最大限度地减少违反许可限制的风险。大多数传统的污水处理厂最初并没有设计用于实时控制(RTC)系统,因此需要设备升级。尽管如此,治疗设施中监控和数据采集(SCADA)系统的发展已经允许设施远程监测和控制过程。因此,RTC可以通过分布式控制系统(DCS)的能力集成到SCADA中,分布式控制系统通过远程终端单元(RTUs)和比例积分微分(PID)控制算法控制工厂的运行。


研究目的


随着全球对水的可及性和卫生标准的提高,污水处理工艺和技术的进步对社会的繁荣至关重要。虽然先进的技术可能存在并改善废水处理过程,但实施这些技术的决定必须经常满足功能、成本和长期环境影响的标准。目前的技术,如ABAC系统,提供了一个长期的,具有成本效益的解决方案,以解决与废水处理相关的重大能源需求问题,而不牺牲最终水产品的质量。本研究结果将有助于了解ABAC系统及其降低污水处理设备能耗成本的效益。此外,这项研究有助于通过整体减少能源消耗来减少该行业的碳足迹。通过学术机构和公共事业机构的合作,这项研究将为未来在本地和更广泛的污水处理社区的研究和开发工作铺平道路。


研究材料和方法


在这项研究中,一个ABAC系统安装在内陆帝国公用事业局的区域水回收厂1号(RP-1),位于加利福尼亚州的安大略。内陆帝国公用事业署(IEUA)是一个区域污水处理和水务机构,为加利福尼亚州圣贝纳迪诺县的部分地区提供污水处理、生物泥处理和循环水。RP-1目前是IEUA服务区内最大的处理厂,设计处理量为4400万加仑/天。RP-1处理过程包括三个活性污泥系统,包括两个曝气系统,每个曝气系统共6个曝气系统。一级污水和回流活性污泥的组合流由进水闸门分流到每列火车。每组包括三个池,作为常规的巴登婆处理系统:第一个池混合水流,提供缺氧处理,接下来的三个池可通过四个大型鼓风机提供的细气泡扩散系统添加空气,提供好氧处理。2015年,RP-1开始了一项试点研究,以测试ABAC系统的兼容性。2019年,ABAC机组被购买并安装在曝气系统中进行进一步测试。


研究人员通过这些因素对数据进行归一化处理,调整了计量能耗,以考虑自2018年初设施内曝气扩散板更换以来污染物负荷的变化以及空气传输比的变化。测量数据由安置在处理过程中的各种探头和传感器:DO探头、氨分析仪、悬浮物传感器、紫外硝酸盐传感器。实时控制器模块和数字控制器是安装的ABAC系统的主要控制模块。根据仪表的不同,设备校准计划按每个制造商的建议每月或每季度进行,并根据系统的运行压力和温度进行。该设备测量的数据由IEUA的SCADA系统进行采集和记录。其他植物因素,如进水进料速率、生化需氧量、总有机碳(TOC)和总悬浮物(TSS)也进行了分析,以确定可能导致能源消耗速率的剧烈变化。实验室分析的进水氨样本数据,TOC、BOD和TSS也可通过SCADA每日数据点查询,并按月平均;对所使用的所有数据参数进行数据分析时,获得了10%的标准偏差。图1是曝气系统的示意图,显示了特定于ABAC系统的探针的位置。


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图1.RP-1曝气处理流程示意图,包括基于氨氮的曝气控制(ABAC)系统部件的位置3。


数据处理


从2019年8月到2020年3月,ABAC已经投入使用的几个月的平均月耗电量分析显示,与2018年同期相比,该比例更高,如图2所示。能耗的增加与空气流量的增加有关。与ABAC机组投入使用前后相比,4台风机提供给曝气池的空气流量也有所增加,如图3所示。


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图2.按曝气鼓风机上现有的电表计算的千瓦小时平均每日能源消耗。2018年8月至12月日平均能耗1.34万kwh, 2019年同期能耗1.67万kwh。


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图3.每日平均空气流量,标准立方英尺每小时(SCFH),由现有的曝气鼓风机上的仪表测量。2018年8月至12月日均空气流量为16,500 kWh,而2019年同期为17,200 kWh。


氨质量负载


空气速率的增加通常是系统中污染物负荷增加的结果。如图4所示,在整个研究期间,装置的进水容积流量保持稳定。然而,图5显示了同一时期氨负荷的减少。尽管如此,其他污染物加载装置,如TOC, BOD,和TSS增加自安装ABAC单元,如图A1,图A2和A3,附录a虽然曝气过程将主要为氨、其他需氧组件,如前面提到的,预计将增加溶解氧的必要性在盆地。

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图4.工厂日平均进水流量(百万加仑/天)。2018年8月至12月,日平均进水喂料量为24.97 MGD, 2019年为24.90 MGD。


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图5.日平均进水氨质量负荷速率,单位为磅/天。2018年8月至12月,日平均氨负荷为7919磅/天。2019年8月至12月的平均日氨负荷为7513磅/天。


结论


基于目前安装在IEUA RP-1设施的ABAC系统的工艺数据分析,研究人员建议继续监测装置的能耗,以获得至少一整年的数据。由于这些因素对能源消耗的影响最大,因此必须将数据归一化以考虑入水污染物的负荷和空气传输比。通过本研究分析的4个月(2019年8月至12月),ABAC系统显示能源消耗节约约9%,而2020年3个月收集的数据显示了持续节约的良好趋势。此外,系统氨负荷趋势、DO设定值和读数以及漂白剂用量的改进均表明ABAC机组运行正常。IEUA的高级操作人员支持使用ABAC系统,因为它提供了一个可靠的工具,以缓解高氨负荷插曲。本研究的局限性包括使用不到一年的工艺数据来确定趋势;随着使用中的ABAC单位收集到更多的数据,预计成本节约分析的准确性将会提高。


安装在IEUA RP-1装置上的ABAC系统,已被ABAC应用理论成功地证明能够降低装置运行的能耗成本。组成ABAC系统的控制系统和设备能够根据来氨负荷准确设定合适的DO水平,通过对供气量的控制达到曝气池中相应的DO浓度。初步数据显示,该设施整体使用的漂白剂有所减少,但是否可完全归因于ABAC系统,还有待进一步调查。除了节约成本外,ABAC系统提供的实时氨负荷数据还为RP-1公司提供了更好的过程控制和优化机会。这种控制方面的改进提高了治疗效率和长期操作策略。因此,研究结果为进一步研究大规模废水处理应用中的能源消耗和化学用量降低提供了依据。此外,本研究提供了一个框架,以分析从ABAC系统收集的数据,以适当地考虑系统因素。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/15/5227/htm



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