Практический опыт автоматизации и повышения энергетической эффективности работы ОСК по требованиям НДТ

 

А.В. Смирнов¹, М.А. Есин²

¹ Смирнов Александр Владимирович, зам. начальника технологического отдела, АО «МАЙ ПРОЕКТ», тел.: (495) 981-98-80, доб. 277, smirnovav@myproject.msk.ru

² Есин Михаил Анатольевич, технический директор, АО «МАЙ ПРОЕКТ», тел.: (495) 981-98-80, доб. 273, yesin@myproject.msk.ru

Потребление электроэнергии в сфере предоставления ком. услуг в РФ, к сожалению, значительно выше среднего показателя стран той же климатической зоны. Снижение энергозатрат при очистке сточных вод – приоритетная задача НДТ (№ 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности») [1].

На городских очистных сооружениях канализации (ОСК) основное количество энергии расходуется на подачу воздуха в аэротенки биологической очистки для обеспечения растворения в иловой смеси необходимого количества кислорода, потребляемого бактериями в процессе разложения загрязнений. В идеальном случае подача воздуха и, соответственно, расход электроэнергии должны быть пропорциональны поступлению со сточными водами загрязнений, на окисление которых расходуется кислород [2]. Поскольку загрязненность сточных вод изменяется в очень широком диапазоне, то данные по энергопотреблению корректно относить к объему сточной воды, а к так называемым кислородокисляемым веществам (кислородному эквиваленту, КЭ)[1].

Согласно ИТС10-2015 идеальное (с минимальными неэффективными потерями) потребление электроэнергии на подачу воздуха в зависимости от технологического процесса составляет 0,25–0,40 кВт·ч/кг КЭ (минимум – при оптимизированной технологии удаления азота с денитрификацией, максимум – для развитой нитрификации без удаления азота денитрификацией, подробнее – см. разделы 2 и 4). Согласно НДТ14, затраты электроэнергии на процесс очистки сточных вод не должны превышать 0,7 кВт-ч/кг КЭ [2].

Фактическое потребление электроэнергии на ОСК в РФ, согласно результатам обработки анкет, собранных в ходе разработки ИТС10-2015, находится в очень широком диапазоне [2]:

• 0,23÷0,9 кВт*ч/кг КЭ для сооружений с производительностью выше 300 тыс. м³/сут.
• 0,44÷2,1 кВт*ч/кг КЭ – с производительностью 100÷300 тыс. м³/сут.
• 0,38÷14 кВт*ч/кг КЭ – с производительностью ниже 100 тыс. м³/сут.

Таким образом, для большинства существующих сооружений характерно высокое потребление энергии, причем значения могут на порядок и более отличаться от оптимальных. Обращает на себя внимание, что, чем ниже производительность ОСК, тем выше верхняя граница диапазона энергопотребления. Основная причина этого – техническая невозможность уменьшить расход воздуха в условиях недогрузки станции.

На современном уровне развития технологий очистка сточных вод располагает значительным резервом сокращения энергопотребления. Суммарное снижение энергопотребления на подачу воздуха в аэротенки может достигать 40÷50 %. Так, например, при установке нового оборудования и внедрение комплексной системы автоматического управления позволяет экономить до 15÷20 % электроэнергии, внедрение технологии нитри-денитрификации – 10÷15 %, установка современных аэрационных систем – 20÷25 % [3, 4].

В АО «МАЙ ПРОЕКТ» разработаны мероприятия по оптимизации потребления электроэнергии и повышения энергоэффективности:

1. Замена оборудования на менее энергоемкое (соответствуют нормам НДТ 14).

2. Модернизация или замена технологии очистки с внедрением нитри-денитрификации [5]

3. Внедрение комплекса КИПиА и АСУ для управления процессом очистки.

Начиная с 2012 г. АО «МАЙ ПРОЕКТ» совместно с ООО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» проводит планомерную работу по повышению энергоэффективности сооружений.

Очистные сооружения г. Набережные Челны запроектированы и построены на полную биологическую очистку хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Проектная производительность очистных сооружений составляет 380 тыс. м³/сут. Фактическое поступление сточных вод только в период 2012÷2018 гг. снизилось с 290 тыс. м³/сут. до 168 тыс. м³/сут.

Весь комплекс очистки сточных вод делится на две технологических линий: I-й и II-й очереди. В состав каждой очереди входят:

• дуговые решетки и аэрируемые песколовки;
• первичные отстойники, 4 шт.;
• аэротенки, 6 шт.;
• вторичные отстойники, 4 шт.;

Рисунок 1 –Очистные сооружения г. Набережные Челны

Обеззараживание сточных вод производится на блоке УФ ламп после вторичных отстойников, обезвоживание и сгущение осадков сточных вод – с помощью ленточных сгустителей и центрифуг. Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод представлена на рис. 2.

Аэротенки очистных сооружений (145´18´4 м) имеют три коридора шириной 6 м. каждый. Имеется возможность подачи осветленных сточных вод в 1-й или второй коридоры. На этих сооружениях, на одних из первых крупных объектов  в России, была внедрена (на ряде аэротенков) технология нитри-денитрификации, с использованием в зонах денитрификации крупнопузырчатого перемешивания.

Для обеспечения аэротенков воздухом установлены воздуходувки Н-750 и ТВ-300. До выполнения мероприятий по повышению энергоэффективности сооружений  в летнее время в эксплуатации находились 2 шт. Н-750, в зимнее время – 1 шт. Н-750 и 1 шт. ТВ-300, при этом энергопотребление очистных сооружений составляло 1,04÷1,65 кВт*ч/кг КЭ.

Техническими решениями были определены следующие направления снижения потребления электроэнергии:

• поэтапная реализация технологии нитри-денитрификации в аэротенках (2013-2018 гг.);
• замена и установка современной системы аэрации (соответствует нормам НДТ) [6];
• реализация местных систем управления подачей воздуха в аэротенках с помощью КИПиА.
• проектирование и установка новых воздуходувных агрегатов (2018-2020 гг.).

Рисунок 2 – Принципиальная схема и состав очистных сооружений

1 – здание решеток; 2 – песколовки; 3 – первичные отстойники; 4 – аэротенки; 5 – вторичные отстойники; 6 – НС циркуляционного активного ила; 7 – камера переключения ила; 8 – иловая НС

Серым цветом  выделены нереконструированные аэротенки, зеленым – реконструированные по технологиям удаления азота и фосфора.

С точки зрения энергосбережения в усовершенствованной технологии очистки воды особенно важна стадия денитрификации. Использование нитрат-иона как окислителя загрязнений поступающей сточной воды позволяет не только снизить концентрации нитратов до ПДК (а это по действующей системе оплаты за сброс загрязняющих веществ, к сожалению, не так уж и существенно с экономической точки зрения), но и вернуть 2/3 кислорода (т. е. электроэнергии!), потраченного на нитрификацию [1].

На сегодняшний день на сооружениях аэротенки работают как по классической схеме, с единой аэробной зоной (№№ 1, 2, 4, 12) так и по схеме нитри-денитрификации с биологическим удалением фосфора, с выделением анаэробных, аноксидных и аэробных зон (№№ 3, 5, 6-11) – см. рис. 3.

А. Аэротенки № 8 и 10 (далее аэротенки А)

Б. Аэротенки №№ 3, 5, 6, 7, 9, 11 (далее аэротенки Б)

Рисунок 3. Схемы аэротенков после ретехнологизации

Первыми аэротенками, в которых была реализована технологическая схема нитри-денитрификации в 2013 г., были аэротенки типа А. Эта технологическая схема известна как А2/О и содержит выделенную аноксидную и анаэробную зоны, а также рецикл иловой смеси из конца аэробной зоны в аноксидную для проведения  денитрификации. В анаэробную зону поступают сточные воды и возвратный ил из вторичного отстойника. Схема рассчитана на низкую и среднюю нагрузку по аммонийному азоту, фосфор при этом удаляется не полностью [7].

В течение года аэротенки А показали хорошие, но не оптимальные результаты по качеству очистки. АО «МАЙ ПРОЕКТ» провело полупромышленные испытания и предоставила Заказчику расчеты (протоколы математического моделирования работы биологической очистки) обосновывающие использование аэротенков по схеме Б, которая помимо более низких энергозатрат позволяет очистить сточные воды с более высоким качеством. Последующая модернизация аэротенков проводилась по схеме Б.

Принципиальная технологическая схема аэротенков Б известна как ступенчатая или процесс Гентского университета. Реализованная в Набережных Челнах схема запатентована АО «МАЙ ПРОЕКТ» [8]. В каждую аноксидную зону подается сточная вода в качестве источника органики для денитрификации и биологического удаления фосфора. Из аэробной зоны организован нитратный рецикл для обеспечения необходимой глубины денитрификации. Схема рассчитана на средние и высокие концентрации азота и фосфора – регулирование эффективности того или иного процесса достигается балансом подачи сточных вод в анаэробную или аноксидную зону.

В аэротенках обоих типов в аноксидных и анаэробных зонах аэротенков были установлены погружные механические мешалки.  

Использованные технологические решения обеспечили глубокую очистку сточных вод (табл. 1). За счет внедрения погружных мешалок в зонах  денитрификации удалось снизить потребление воздуха в среднем на 25%.

Наиболее существенный вклад в снижение энергозатрат может внести использование эффективных аэрационных систем. Для низкоконцентрированных сточных вод общеизвестно преимущество мелкопузырчатых аэраторов: чем мельче пузырек газа и чем дольше путь этого пузырька до поверхности, тем выше растворение в иловой смеси кислорода воздуха. При этом следует отметить, что наличие такого физического явления, как коалесценция (слипание) пузырьков воздуха, ограничивает глубину целесообразного диспергирования и вообще существенно усложняет процессы, происходящие в этих системах [9].

Таблица 1 – Качество очистки сточных вод до и после мероприятий, мг/дм³

Для эффективного диспергирования воздуха в зонах аэрации была установлена современная система аэрации на базе широко применяемых на российских очистных сооружениях тороидальных аэраторов (рис. 4), которые за счет формы диффузора (мембраны) с отверстием внутри в результате эрлифтного эффекта «раздвигают» поток пузырьков воздуха и за счет этого снижают влияние  эффекта коалесценции.

Рисунок 4 – Система аэрации, уложенная на дне аэротенка и в работе

Для контроля и управления подачи воздуха в аэротенки были применены автоматизированные локальные контуры управления, которые состоят из погружных кислородомеров, вторичного преобразователя с программируемым логическим контроллером (ПЛК) и управляемой задвижкой на воздуховоде. Контроль расхода воздуха на аэрацию иловой смеси и концентрации растворенного кислорода (КРК) в аэротенках, позволяет не только экономить воздух на аэрацию, но и поддерживать технологический режим. Многолетний опыт эксплуатации очистных сооружений показывает, что концентрация растворенного кислорода в зоне аэрации должна быть в диапазоне 1,8-2,5 мг/л.

Для задач измерения КРК были выбраны люминесцентные оптические датчики КРК типа LDO, а также вторичные преобразователи серии SC1000. При реализации проекта реконструкции на очистных сооружениях г. Набережные Челны применено измерение КРК в трех точках каждого аэротенка. Точки контроля представлены на рис. 5, а пояснения к обозначениям в табл. 2.

А. В аэротенках № 8 и 10 (далее аэротенки А)

Б. В аэротенках № 3, 5, 6, 7, 9, 11 (далее аэротенки Б)

Рисунок 5 – Места установки датчиков КРК в аэротенках

Точки установки датчиков определялись из соображений информативности получаемых сведений, удобности монтажа и обслуживания. Места установки датчиков КРК по длине аэрационной зоны были определены заранее в проекте, а в ходе его реализации была обеспечена возможность перестановки датчиков в случае изменения нагрузки или выбора оптимальной точки измерения.

Обеспечение изменений в подаче воздуха при колебаниях КРК осуществляется быстродействующими регулируемыми дисковыми затворами, оснащенными неполноповоротными электроприводами. Места установки дисковых затворов на воздуховодах были определены с учетом трассировки существующей воздухоразводящей напорной сети.

В существующей воздухораспределительной системе выделены 2 стороны подачи воздуха от центрального воздуховода – левая по расположению на рис. 6 (сюда входит первая половина 1^го и 3^го коридоров, а также вторая половина 2^го коридора) и правая по расположению (сюда входит вторая половина 1^го и 3^го коридоров, а также первая половина 2^го коридора). Для аэротенков А расход на правую сторону будет выше за счет большего количества зон аэрации, а в аэротенках Б – за счет большого потребления воздуха в первой зоне аэрации (вторая половина 1^го коридора) и зоны аэрации во второй половине 3^го коридора (расход воздуха в основном идет на перемешивание иловой смеси). Для измерения расхода воздуха по каждой стороне установлены расходомеры.

Рисунок 6 – Система распределения воздуха в аэротенках А и Б

Важным фактором регулировки и поддержания КРК является выбор алгоритма и устройства управления. Функции устройства управления должен выполнять ПЛК. Однако в рамках реконструкции всего двух аэротенков, произведенной на первом этапе работ (за один календарный год) установка ПЛК была нецелесообразна по причине его высокой стоимости. В настоящее время на рынке появились и хорошо себя зарекомендовали более простые и совершенные системы обработки цифровых данных (компактный контроллер). Коммуникационные возможности компактных контроллеров позволяют с минимальными затратами объединить цифровые сигналы от различных датчиков, произвести передачу данных, отображающих ход технологического процесса, на SCADA и создать управляющий сигнал на запорно-регулируемую арматуру [10].

 

Таблица 2 – Точки стационарного измерения КРК

Прибор (назначение)	Место установки
Аэротенки А
LDO 1 (управляющий)	Вторая половина зоны аэрации первого коридора (с возможностью изменения места установки по всему участку)
LDO 2 (управляющий)	Конец зоны аэрации второго коридора (с возможностью изменения места установки по всей длине участка)
LDO 3 (информационный)	¾ зоны аэрации третьего коридора
Аэротенки Б
LDO 1 (управляющий)	Вторая половина зоны аэрации первого коридора (с возможностью изменения места установки по всему участку)
LDO 2 (управляющий)	Конец зоны аэрации второго коридора (с возможностью изменения места установки по всей длине участка)
LDO 3 (управляющий)	Вторая половина зоны аэрации третьего коридора

Опыт эксплуатации подобных объектов определил выбор в пользу стандартного универсального контроллера sc1000 (рис. 7). Стандартная комплектация поставки универсального контроллера состоит из модуля датчиков и съемного компактного модуля дисплея. К контролеру [11] может подключаться до восьми цифровых датчиков одновременно, а для реализации функций управления дополнительно подключены модули платы аналоговых выходов.

Рисунок 7 – Вторичный преобразователь с модуль-дисплеем и датчик КРК

Функции управления в контроллере осуществляются на основе цифровых сигналов подключенных датчиков, пройденных математическую обработку для создания дополнительных переменных сигналов (аналогично функциям ПЛК, но более удобно и без знания азов специализированного программирования). Контроллер регистрирует сигналы от датчиков, проводит последующий прогнозный расчет целевого параметра и, при необходимости, выдает управляющий сигнал на привод задвижки через аналоговые выходы. Расчеты прогнозируемых значений параметров производятся на основании общепринятых способов вычисления, которые настраиваются по месту [12]. Для формирования управляющего сигнала переходного процесса используется алгоритм Proportional-Integral-Derivative Control (PID-регулирование).

Алгоритм PID-регулирования оперирует суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе – интеграл сигнала рассогласования, третье – производная сигнала рассогласования. Таким образом, данный алгоритм учитывает как текущую величину рассогласования, так и динамику ее формирования (интеграл по времени) и тенденцию изменения (производную по времени), чтобы определить требуемое значение устанавливаемого регулируемого параметра, при этом величина рассогласования стремится к нулю [12].

При проведении пусконаладочных работ были опробованы два способа управление потоком воздуха на аэрацию: релейный (полное открытие/закрытие задвижки по сигналу без PID) и управление по токовым сигналам 0…4-20 мА (4-20 мА – интервал регулирования сигнала, где 4 – полное закрытие задвижки, а 20 – полное открытие). «Нулевой» сигнал используется как защита от повреждений преобразователя или кабельного шнура и если происходит отказ преобразователя или обрыв шнура или же в линии связи возникает короткое замыкание, то ток через балластный резистор будет равен нулю, что соответствует «отрицательному» сигналу на приемной стороне. Это может быть очень легко обнаружено и использовано как аварийный сигнал «неисправность преобразователя».

Релейное регулирование дало возможность управлять задвижкой при постоянном изменении величины растворённого кислорода в аэротенках. Но изменение положения задвижки производилось постоянно, даже при незначительных изменениях в показаниях датчиков концентрации растворенного кислорода, находящихся в диапазоне допустимого значения, что привело к постоянному срабатыванию электрических приводов запорно-регулируемой арматуры.

Регулирование токовыми сигналами позволило управлять задвижкой только при отклонении величины растворённого кислорода в аэротенках с относительно уставки контроллера более 5 %. Допустимый диапазон изменений существенно снизил количество срабатываний запорно-регулируемой арматуры, что увеличивает срок службы последней без снижения технологического эффекта очистки.

На рис 8 показано изменение объема воздуха, подаваемого в аэротенки А, при релейном и токовым (токовыми сигналами) управлении.

А. Регулирование подачи воздуха с помощью реле

Б. Регулирование подачи воздуха с помощью токовых выходов с PID

Рисунок 8 – Сравнение регулирования подачи воздуха в аэротенках А

На рис. 8 видно, что с помощью реле происходит менее глубокое регулирование расхода воздуха, его подача относительно стабильна, что не соответствует поступлению загрязнению по часам суток. Это поступление меняется весьма существенно, а, значит, должен меняться расход воздуха и, в результате чего, должна поддерживаться КРК.

Стоит отметить, что объемы воздуха, подаваемые при разных методах регулирования, близки:

• при помощи реле расход воздуха на аэротенк составил ~120 000 м³/сут.;
• при помощи токовых выходов – 113 000 м³/сут., что на 6% меньше.

Однако, подаваемый при токовом регулировании расход воздуха более соответствует потребности аэротенка. Как показано на рис. 9, концентрация кислорода при управлении с помощью реле непостоянное и как следствие страдает качество очистки сточных вод.

Регулирование с помощью токовых выходов более чувствительно к изменениям концентрации растворенного кислорода (отражающей изменение количества поступающих загрязнений) и, как следствие, для поддержания установленной концентрации кислорода требовалось затратить меньше воздуха. При этом реле, имея замедленный отклик от установленного значения, расходует больше воздуха.

А. Аэротенк А с релейным управлением

Голубая линия – 1й коридор, розовая линия – 2й коридор, синяя линия – 3й коридор

Б. Аэротенк Б с управлением по PID -алгоритму с помощью токовых выходов

Оранжевая линия – 1й коридор, желтая линия – 2й коридор, красная линия – 3й коридор

Рисунок 9 – Поддержание уровня концентрации растворенного кислорода в аэротенках с разным управлением подачи воздуха

Аэротенки А в 3^ем коридоре не имеют контура регулирования подачи воздуха (датчик только информативный), поэтому для этих аэротенков наблюдается существенный перерасход воздуха и повышенной концентрации кислорода. Однако, в аэротенках Б в 3^ем коридоре, где есть контур регулирования подачи воздуха, также наблюдается перерасход, что вызвано сложностью поддержания баланса минимального уровня интенсивности аэрации и необходимой концентрации кислорода – к концу 3^го коридора потребление кислорода становится ниже объема, требуемого для минимальной аэрации иловой смеси.

По результатам описанных испытаний был выбран токовый способ как более щадящий для задвижек и гарантирующий стабильное поддержание КРК в регулируемых зонах с точки зрения расхода воздуха.

Фактическая экономия расхода воздуха, подаваемого в реконструируемые аэротенки представлена на рис. 10 (на примере аэротенков А, Б с нитри-денитрификацией в сравнении с аэротенками без НДН), результаты экономии количества воздуха на аэрацию при реализации регулирования (установка регулируемых воздуходувок) представлено в табл. 3.

А. Для аэротенков А

Б. Для аэротенков Б

Рисунок 10. Составляющие эффективности регулирования подачи воздуха

Эксплуатация аэротенков после реконструкции показала, что применение эффективных аэрационных систем с высокими массообменными характеристиками в совокупности с системой регулирования позволяет обеспечивать необходимую подачу воздуха и не допускать как дефицита кислорода, так и «передува» в условиях неравномерности гидравлической и массовой нагрузки на аэротенки, включая залповые поступления при сбросах в общегородскую систему канализации.

Таблица 3 – Снижение расхода воздуха при регулировании

В аэротенках А аноксидная и анаэробная зоны выделены компактно в двух третях 1^го коридора и составляет 22%. При этом основной смысл схемы в удалении фосфатов, доказательством чего служит точка подачи нитратного рецикла. В аэротенках Б аноксидная и анаэробная зоны разделены между 1^м и 2^м коридорами и их суммарный объем составляет 33%. При этом в схеме соблюден баланс между процессами удаления азота и фосфора за счет четко выделенных зон, а также разделения подачи сточной воды между аноксидной и анаэробной зоной. Такое распределение также позволяет эффективнее удалить органические загрязнения, окисление которых требует большего расхода воздуха. Как следствие, за счет большего объема без аэрации, а также приведенных технологических особенностей протекания процесса очистки, аэротенки Б являются более энергоэффективными.

Реализованная система управления подачей воздуха совместно с технологией нитри-денитрификации и высокоэффективными системами аэрации дает возможность экономии потребления электроэнергии до 50 %. При этом стоит отметить, что все работы были выполнены за собственные средства ООО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» с выделением основных 6 этапов реконструкции. Суммарные затраты 5 этапов, которые были выполнены до 2018 г., включают в себя выше описанные работы и примерно равны затратам 6-го этапа – замена воздуходувных агрегатов, который является наиболее дорогостоящим.

На 6-м этапе предполагается установка 2-х высоковольтных (на 6 кВт) многоступенчатых воздуходувок, регулируемых за счет изменения количества рабочих ступеней, с характеристиками 45 000 м³/ч, 62 кПа, 1000 кВт. Установка новых воздуходувок с возможностью регулирования производительности позволит практически получить создаваемую системой управления экономию электроэнергии, что в свою очередь повысит окупаемость воздуходувок. Удельное энергопотребление очистных сооружений снизится с начального 1,345 кВт*ч/кг КЭ до 0,725 кВт*ч/кг КЭ.

Литература

1. Данилович Д.А. Энергосбережение и альтернативная энергетика на очистных сооружениях канализации вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2011. №1, с. 9-20.
2. ИТС 10-2015, Очистка сточных вод с использованием централизованных систем водоотведения поселений, городских округов. М: Бюро НДТ, 2015, 377 с.
3. Lawrence J. Pakenas, P.E. Energy efficiency in municipal wastewater treatment plants. Technology assessment. New York state, Energy research and development authority. (2012).
4. Lawrence J. Pakenas, P.E. Wastewater treatment and sludge management. Energy reference guide. New York state, Energy research and development authority. (2012).
5. Мешенгиссер Ю. М., Щетинин А. И., Есин М. А., Реготун А. А. Опыт ретехнологизации действующих сооружений биологической очистки сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2012. №1, с. 43-52.
6. Данилович Д.А. Система подачи и диспергирования воздуха в аэротенках: опыт эксплуатации, оценка эффективности и соответствия НДТ. М: «НДТ», 2017, 2, с. 6-18.
7. Смирнов А.В., Есин М.А. Пути решения непростой задачи: реализация схем биологического удаления фосфора из сточных вод // ВодаMagazine, 2014. №8 (84), с. 20-25.
8. Патент на изобретение №2508252 «Способ и устройство автоматического управления аэротенками», патент на полезную модель №115162 «Способ и устройство автоматического управления аэротенками»
9. Мешенгиссер Ю. М., Щетинин А. И., Остроущенко Н. Г., Коннов В. Н., Марченко Ю. Г., Михайлов В. К., Михайлов А. В., Минабутдинов А. С. Системы аэрации большой мощности// Водоснабжение и санитарная техника. 2010. №11, с. 55-59.
10. Hack M., Платонов М. М.
11. Платонов М.М.
12. Шилин А.А., Букреев В.Г.. Оптимальное релейное управление с программно реализуемой обратной связью // Труды XII Всероссийского совещания по проблемам управления, Москва, 16-19 июня 2014 г., – М.: ИПУ РАН, 2014. – С. 471–481.