СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АЭРОТЕНКАМИ
METHOD AND APPARATUS FOR AUTOMATIC CONTROL OF AERATION TANKS

Усовершенствование относится к управлению аэротенками очистных сооружений и может найти использование в области очистки канализационных бытовых и промышленных сточных вод.
Известен способ автоматического управления аэротенками, включающий подачу в параллельно работающие аэротенки сточных вод через датчик расхода сточных вод и через регуляторы с исполнительными механизмами, подачу в аэротенки возвратного ила через регуляторы с исполнительными механизмами и воздуха от воздуходувок (см. описание изобретения к патенту №2057723 Российской Федерации, C02F 3/02, опубл. 10.04.1996).
Известно устройство автоматического управления аэротенками, содержащее датчик расхода сточных вод, исполнительные механизмы с регуляторами подачи сточных вод в аэротенки, датчики количества растворенного кислорода, воздуходувки, исполнительные механизмы с регуляторами подачи возвратного ила в аэротенки, логический блок, входы которого связаны сдатчиком расхода сточных вод и датчиками количества растворенного кислорода, а выходы - с воздуходувками и исполнительными механизмами регуляторов подачи возвратного ила в аэротенки (см. описание изобретения к авторскому свидетельству №724453, C02C 1/02, опубл. 30.03.80. Бюл. №12).
Недостатком известного способа и устройства является то, что они не учитывает суточные и часовые колебания концентраций загрязняющих веществ в исходных сточных водах, а, следовательно, нагрузку по загрязняющим веществам сточных вод поступающим на очистные сооружения, из-за чего не может быть гарантирована постоянная эффективность процесса биологической очистки из-за нарушения режимов питания сложных биоценозов активного ила аэротенков. Нарушение режимов питания приводит к снижению эффективности очистки сточных вод от загрязняющих веществ на выходе из вторичных отстойников. Кроме того, показания датчиков количества растворенного кислорода являются косвенными технологическими показателями, без связи с качеством аэробной биологической очистки.
Цель усовершенствования: повышение эффективности аэробной биологической очистки сточных вод, улучшение качества очищенных сточных вод, повышение надежности процесса работы очистных сооружений при аэробной биологической очистке сточных вод.
Указанная цель достигается тем, что способ автоматического управления аэротенками, включающий подачу в параллельно работающие аэротенки сточных вод через регуляторы с исполнительными механизмами, подачу в аэротенки возвратного активного ила через регуляторы с исполнительными механизмами и воздуха от воздуходувок, отличающийся тем, что автоматическое управление аэротенками осуществляют логическим программируемым блоком с установленной математической моделью работы очистных сооружений и процесса аэробной биологической очистки сточных вод, необходимые количества возвратного активного ила и воздуха подают в аэротенки по установленной в логическом программируемом блоке расчетной модели с учетом степени загрязнения притока сточных вод по сигналам управления с выходов логического программируемого блока, связанные с воздуходувками и исполнительными механизмами регуляторов подачи сточных вод, регуляторов подачи возвратного активного ила, сигналы отдатчика расхода сточных вод и датчиков измерения степени загрязнения притока сточных вод поступают на соответствующие входы логического программируемого блока с установленной математической моделью, который сравнивает текущую нагрузку с заданной постоянной нагрузкой для первой группы аэротенков и подает сигнал на регулятор подачи сточных вод, обеспечивающей постоянную часовую нагрузку по загрязняющим веществам сточных вод, а остальную часть расхода сочных вод через второй регулятор подачи сточных вод подают на вторую группу аэротенков при изменяющейся удельной нагрузке по загрязняющим сточные воды веществам.
Указанная цель достигается также тем, что устройство автоматического управления аэротенками, содержащее датчик расхода сточных вод, исполнительные механизмы с регуляторами подачи сточных вод в аэротенки, датчики количества растворенного кислорода, воздуходувки, исполнительные механизмы с регуляторами подачи возвратного активного ила в аэротенки, отличающееся тем, что содержит логический программируемый блок с установленной математической моделью работы очистных сооружений и процесса аэробной биологической очистки сточных вод, содержит датчики количества возвратного активного ила, датчики измерения степени загрязнения расхода сточных вод, выходы которых связаны с соответствующими входами логического программируемого блока.
В одной из двух групп аэротенков, например, в первой группе аэротенков автоматически поддерживают стационарный процесс очистки большей части расхода притока сточных вод с постоянной часовой нагрузкой по загрязняющим сточные воды веществам, что позволяет подавать постоянный расход воздуха от воздуходувок и постоянную дозу ила в первую группу аэротенков, что благоприятно влияет на процесс биологической очистки из-за стабилизации режимов питания сложных биоценозов активного ила в первой группе аэротенков. Перераспределение расхода сточных вод между группами аэротенков осуществляется автоматически с помощью регуляторов расхода сточных вод по команде от программируемого логического блока в функции от результатов измерения датчиком расхода сточных вод и группой датчиков измерения степени загрязнения расхода притока сточных вод.
Под датчиками измерения степени загрязнения сточных вод подразумеваются датчики, работающие в непрерывном режиме и Измеряющие, например, количество азота аммонийных солей, нитритов, нитратов, фосфатов, взвешенных веществ, общего органического углерода и других.
Во вторую группу аэротенков подают избыток расхода притока сточных вод, где величина часовой нагрузки по загрязняющим сточные воды веществам может изменяться от нуля до разности между максимальными и минимальными часовыми нагрузками по загрязняющим сточные воды веществам.
Процесс аэробной биологической очистки сточных вод во второй группе аэротенков возможно осуществлять, например, на реакторе периодического действия. При этом суточные колебания часовой нагрузки по загрязняющим сточные воды веществам и суточные изменения концентрации загрязняющих сточные воды веществ влияют на режим питания только меньшей части очищаемых сточных вод, что в сумме, при смешении очищенных сточных вод с выходов из вторичных отстойников повышает эффективность очистки и улучшает качество очищенных сточных вод, повышает стабильность и надежность работы очистных сооружений.
3
3
3
3
(БПК5)
1
1(БПК5)
1(N)
БПК5)
(N)
Например, сточные воды с изменяющимся расходом Q от 1500 м/ч до 1800 м/ч и разной концентрации С загрязняющих веществ в пределах от 300 мг/л до 400 мг/л и поступают на очистные сооружения, где расход Q сточных вод разделяется автоматически с помощью регуляторов при управлении программируемым логическим блоком на две группы аэрртенков, где в первой группе аэротенков расход Q может изменяться от 750 м/ч до 1200 м/ч, а удельная нагрузка по загрязняющим сточные воды в первой группе аэротенков веществам TL поддерживается постоянной величиной в 450 кг/ч, а удельная нагрузка TL по азоту составляет 37,5 кг/ч, при этом средняя эффективность Э( очистки сточных вод в первой группе аэротенков постоянно высокая, составляющая по биологической потребности в кислороде 98%, а средняя эффективность Э по азоту 95%.
2
2(БПК5)
3
3
Во вторую группу аэротенков поступает остальная часть сточных вод с расходом Q в пределах от 300 м/ч до 1050 м/ч, при изменяющейся удельной нагрузке по загрязняющим сточные воды веществам в пределах для TL от 150 до 270 кг/ч. Средняя эффективность очистки сточных вод во второй группе аэротенков ниже, чем в первой и составляет по биологической потребности в кислороде 95%, а по азоту 90%.
(БПК5)
(N
(БПК5)
(N)
При смешении потоков очищенных сточных вод на выходе из вторичных отстойников средняя эффективность Э очистки по биологической потребности в кислороде БПК5 увеличивается на 44%, а по соединениям азота Э) - на 53%. При этом концентрация загрязняющих веществ С в очищенных сточных водах находится в пределах от 7,22 мг/л до 21,9 мг/л, а по азоту концентрация загрязняющих веществ С в очищенных сточных водах находится в пределах от 0,96 мг/л до 5,95 мг/л.
Фиг.1. Блок-схема, поясняющая предлагаемый способ и устройство автоматического управления аэротенками.
Перечень обозначений на схеме.
1 - датчик расхода сточных вод;
2 - приток сточных вод;
3 - датчики измерения степени загрязнения сточных вод;
4 - датчики количества ила;
5 - датчики растворенного кислорода;
6 - логический программируемый блок;
7 - регулятор подачи сточных вод;
8 - первая группа аэротенков;
9 - регулятор подачи сточных вод;
10 - вторая группа аэротенков;
11 - регулятор подачи возвратного активного ила;
12, 13 - воздуходувки;
14 - выход смеси сточных вод и ила из первой группы аэротенков 8;
15 - выход смеси сточных вод и ила из второй группы аэротенков 10;
16 - исполнительный механизм;
17 - входы логического программируемого блока 6;
18 - выходы логического программируемого блока 6;
19, 20 - вторичные отстойники;
21, 22 - выходы очищенных сточных вод;
23, 24 - выходы избыточного активного ила;
25, 26 - выходы возвратного активного ила.
Устройство, которое реализует способ автоматического управления аэротенками, содержит: датчик 1 расхода сточных вод, приток 2 сточных вод, датчики 3 измерения степени загрязнения сточных вод, датчики 4 количества ила и датчики 5 количества растворенного кислорода, логический программируемый блок 6, регулятор 7 подачи сточных вод на первую группу аэротенков 8, регулятор 9 подачи сточных вод на вторую группу аэротенков 10, регулятор 11 подачи возвратного активного ила, воздуходувки 12, 13, выход 14 смеси сточных вод и ила из первой группы аэротенков 8, выход 15 смеси сточных вод и ила из второй группы аэротенков 10, исполнительные механизмы 16 регуляторов 7, 9, 11, входы 17 и выходы 18 логического программируемого блока 6, вторичные отстойники 19 смеси сточных $од и ила из первой группы аэротенков 8, вторичные отстойники 20 смеси сточных вод и ила из второй группы аэротенков 10, выход 21 очищенных сточных вод из вторичных отстойников 19, выход 22 очищенных сточных вод из вторичных отстойников 20, выход 23 избыточного активного ила из вторичных отстойников 19, выход 24 избыточного активного ила из вторичных отстойников 20, выход 25 возвратного активного ила из вторичных отстойников 19, выход 26 возвратного активного ила из вторичных отстойников 20.
Выход 25 возвратного активного ила из вторичных отстойников, 19 сообщен с первой группой аэротенков 8 через регулятор 11 подачи возвратного активного ила из первой группы аэротенков 8.
Выход 26 возвратного активного ила из вторичных отстойников 20 сообщен с первой группой аэротенков 10 через регулятор 11 подачи возвратного активного ила из второй группы аэротенков 10.
Выход 14 смеси сточных вод и ила из первой группы аэротенков 8 сообщен со вторичными отстойниками 19.
Выход 15 смеси сточных вод и ила из второй группы аэротенков 10 сообщен со вторичными отстойниками 20.
Исполнительные механизмы 16 соединены с регуляторами 7, 9 подачи сточных вод в группы аэротенков 8, 10.
Логический блок 6 выполнен программируемым с установленной математической моделью работы очистных сооружений и процесса аэробной биологической очистки сточных вод.
Входы 17 логического программируемого блока 6 связаны с выходом датчика 1 расхода сточных вод, выходом датчика 5 количества растворенного кислорода, выходом датчика 4 количества возвратного активного ила, выходом датчика 3 измерения степени загрязнения расхода сточных вод.
Выходы 18 логического программируемого блока 6 связаны с воздуходувками 12, 13 и исполнительными механизмами 16 регуляторов 7, 9 подачи сточных вод, регуляторов 11 подачи возвратного активного ила.
Под датчиками 3 измерения степени загрязнения сточных вод подразумеваются датчики 3, работающие в непрерывном режиме и измеряющие, например, количество азота аммонийных солей, нитритов, нитратов, фосфатов, взвешенных веществ, общего органического углерода и других.
Способ автоматического управления аэротенками, включает автоматическое управление первой группой аэротенков 8 и второй группой аэротенков 10 с помощью логического программируемого блока 6 с установленной математической моделью работы очистных сооружений и процесса аэробной биологической очистки сточных вод, необходимые количества возвратного активного ила и воздуха подают в группы аэротенков 8,10 по установленной в логическом программируемом блоке 6 расчетной модели с учетом степени загрязнения притока 2 сточных вод по сигналам управления с выходов 18 логического программируемого блока 6, связанные с воздуходувками 12, 13 и исполнительными механизмами регуляторов 9 подачи сточных вод, регуляторов 11 подачи возвратного активного ила, сигналы от датчика 1 расхода сточных вод и датчиков 3 измерения степени загрязнения притока 2 сточных вод поступают на соответствующие входы 17 логического программируемого блока 6 с установленной математической моделью, который сравнивает текущую нагрузку с заданной постоянной нагрузкой для первой группы 8 аэротенков и подает сигнал на регулятор 7 подачи сточных вод, обеспечивающей постоянную часовую нагрузку по загрязняющим веществам сточных вод, а остальную часть расхода сточных вод через регулятор 9 подачи сточных вод подают на вторую группу 10 аэротенков при изменяющейся удельной нагрузке по загрязняющим сточные воды веществам.
Устройство автоматического управления аэротенками работает следующим образом.
Расход сточных вод разделяют на две автономные группы аэротенков 8, 10.
Сигналы отдатчика 1 расхода сточных вод и датчиков 3 измерения степени загрязнения сточных вод поступают на соответствующие входы 17 логического программируемого блока 6. Логический программируемый блок 6 сравнивает текущую нагрузку с заданной постоянной нагрузкой для первой группы аэротенков 8 и подает сигнал на регулятор 7 расхода сточных вод, который обеспечивает постоянную часовую нагрузку по загрязняющим веществам сточных вод. Остальная часть расхода сточных вод через регулятор 9 поступает на вторую группу аэротенков 10 согласно формуле:
<mrow><mi>T</mi><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>T</mi><mi>L</mi><mo>−</mo><munder><munder><mrow><mi>T</mi><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo stretchy="true">︸</mo></munder><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow></munder><mo>=</mo><mi>Q</mi><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>−</mo><msub><mi>Q</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
1
2
1
1
1
где TL - удельная нагрузка степени загрязнения притока 2 сточных вод на очистные сооружения, TL и TL - соответствующая удельная нагрузка степени загрязнения сточных вод на первую группу аэротенков 8 и вторую группу аэротенков 10 соответственно, Q и Q - расход сточных вод, общий для очистных сооружений и для первой группы аэротенков 8 соответственно, k и k - концентрации загрязняющих веществ общие для очистных сооружений и для первой группы сооружений 8 соответственно. Затем величина TL, которая является постоянной, сравнивается с величиной TL и на основании полученной разницы подается сигнал управления на регулятор 7 подачи сточных вод.
Управление технологическим процессом осуществляется логическим программируемым блоком 6, согласно с установленной математической моделью работы очистных сооружений и процесса аэробной биологической очистки сточных вод, включающий аэробную биологическую очистку сточных вод активным илом в группе аэротенков 8, отстаивание смеси сточной воды и активного ила во вторичных отстойниках, подачу возвратного активного ила в группу аэротенков 8 для участия в биохимическом процессе окисления, вывод избыточного активного ила из вторичных отстойников и отвод очищенных сточных вод из очистных сооружений.
Математическая модель, установленная в логический программируемый блок 6 представляет собой модель работы активного ила, например, ASM (active sludge model). Модель калибруется и настраивается, учитывая специфику сточных вод очистных сооружений в каждом конкретном случае, но математические зависимости модели остаются постоянными.
На выходе логического программируемого блока 6 образуются сигналы, управляющие работой воздуходувок 12, 13, регуляторами 7, 9 подачи сточных вод, подаваемых в группы аэротенков 8, 10, регуляторами 11 количества возвратного ила подаваемого в группы аэротенков 8, 10.
Производительность воздуходувок 12, 13 определяется в зависимости от сигнала датчика 5 количества растворенного кислорода, с коррекцией по сигналам датчика 1 расхода сточных вод и датчиков 3 измеряющих степень загрязнения сточных вод.
Так же определяется и производится регулировка подачи возвратного активного ила регуляторами 11 подачи возвратного ила и выводом избыточного ила из вторичных отстойников (на схеме не показаны). Количество подаваемого воздуха для первой группы аэротенков 8 воздуходувками 12 всегда является величиной постоянной.
Количество подаваемого воздуха для второй группы аэротенков 10 воздуходувками 13 является величиной изменяемой и определяется логическим программируемым блоком 6 с установленной математической моделью работы очистных сооружений и процесса аэробной биологической очистки сточных вод, включающий аэробную биологическую очистку сточных вод активным илом в аэротенках 10, отстаивание смеси сточных вод и возвратного активного ила во вторичных отстойниках, подачу возвратного активного ила в аэротенки 10 для участия в биохимическом процессе окисления, вывод избыточного активного ила из вторичных отстойников и отвод очищенных сточных вод из очистных сооружений.
Количество активного ила в группах аэротенков 8, 10 устанавливается согласно показаниям датчиков 4 количества ила регуляторами 11 количества возвратного ила подаваемого по сигналу от логического программируемого блока 6.
Во вторую группу аэротенков 10 подают избыток расхода притока 2 сточных вод, где величина часовой нагрузки по загрязняющим сточные воды веществам может изменяться от нуля до разности между максимальными и минимальными часовыми нагрузками по загрязняющим сточные воды веществам.
Процесс аэробной биологической очистки сточных вод во второй группе аэротенков 10 возможно осуществлять, например, на реакторе периодического действия (на чертежах не показан). При этом суточные колебания часовой нагрузки по загрязняющим сточные воды веществам и суточные изменения концентрации загрязняющих сточные воды веществ влияют на режим питания только меньшей части очищаемых сточных вод, что в сумме, при смешении очищенных сточных вод с выходов 21, 22 из вторичных отстойников 19, 20 повышает эффективность очистки и улучшает качество очищенных сточных вод, повышает стабильность и надежность работы очистных сооружений.
3
3
3
3
(БПК5)
1
1(БПК5)
1(N)
(БПК5)
(N)
Например, сточные воды с изменяющимся расходом Q от 1500 м/ч до 1800 м/ч и разной концентрации С загрязняющих веществ в пределах от 300 мг/л до 400 мг/л и поступают на очистные сооружения, где расход Q сточных вод разделяется автоматически с помощью регуляторов 7, 9 при управлении программируемым логическим блоком на две группы аэротенков 8,10, где в первой группе аэротенков 8 расход Q может изменяться от 750 м/ч до 1200 м/ч, а удельная нагрузка TL по загрязняющим сточные воды веществам в первой группе аэротенков 8 поддерживается постоянной величиной в 450 кг/ч, а удельная нагрузка TL по азоту составляет 37,5 кг/ч, при этом средняя эффективность Э очистки сточных вод в первой группе аэротенков 8 постоянно высокая, составляющая по биологической потребности в кислороде 98%, а средняя эффективность Э по азоту 95%.
2
2(БПК5)
2(N)
(БПК5)
3
3
Во вторую группу аэротенков 10 поступает остальная часть сточных вод с расходом Q в пределах от 300 м/ч до 1050 м/ч, при изменяющейся удельной нагрузке по загрязняющим сточные воды веществам в пределах для TL от 150 до 270 кг/ч, a TL от 7,5 до 42,0 кг/ч. Средняя эффективность очистки сточных вод во второй группе аэротенков 10 ниже, чем в первой группе аэротенков 8 и по биологической потребности в кислороде Э составляет 95%, а по азоту Э<м>составляет 90%.
(БПК5)
5
(N)
(БПК5)
(N)
При смешении потоков очищенных сточных вод на выходах 21, 22 из вторичных отстойников 19, 20 средняя эффективность Э очистки по биологической потребности в кислороде БПК увеличивается на 44%, а по соединениям азота Э - на 53%. При этом концентрация загрязняющих веществ C в очищенных сточных водах находится в пределах от 7,22 мг/л до 21,9 мг/л, а по азоту концентрация загрязняющих веществ C в очищенных сточных водах находится в пределах от 0,96 мг/л до 5,95 мг/л.