BADANIA SYMULACYJNE STRATEGII STEROWANIA OPARTEJ O POMIARY STOPNIA WYKORZYSTANIA TLENU METODĄ OFF-GAS

Transkrypt

1 Kamil JANIAK, Piotr BALBIERZ, Marta KNAP* Stopień wykorzystania tlenu, symulacje komputerowe, optymalizacja, sterowanie napowietrzaniem BADANIA SYMULACYJNE STRATEGII STEROWANIA OPARTEJ O POMIARY STOPNIA WYKORZYSTANIA TLENU METODĄ OFF-GAS Osiągnięcie samowystarczalności energetycznej oczyszczalni ścieków jest możliwe. W tym celu należy zwiększyć ilość produkowanej energii elektrycznej, jak również zmniejszyć zapotrzebowanie na energię poprzez optymalizację, w szczególności procesu napowietrzania, który jest zwykle najbardziej energochłonnym procesem w oczyszczalni ścieków. Ilość zużywanej energii w tym procesie jest m.in. zależna od zastosowanej strategii sterowania. Praca przedstawia badania symulacyjne strategii sterowania opartej o pomiar on-line stopnia wykorzystania tlenu, parametru określającego sprawność transferu tlenu do ścieków. Wartość tego parametru może istotnie zmieniać się w trakcie doby, co powoduje, że wymagana ilość energii potrzebnej do wpompowania jednostkowego ładunku tlenu do reaktora jest również zmienna. W strategii tej, w godzinach niskiego transferu tlenu, napowietrzanie jest więc ograniczane, co pozwala oszczędzić energię. W celu zbadania wpływu tej strategii sterowania wykorzystano model matematyczny leszczyńskiej oczyszczalni ścieków, w którym przeprowadzono symulację wpływu implementacji tej strategii na zużycie energii i skład ścieków oczyszczonych. 1. WSTĘP Zużycie energii na napowietrzanie stanowi zwykle ponad 50% ogólnego zużycia energii w oczyszczalni i jednocześnie przeważnie istnieje możliwość istotnego jego ograniczenia, ponieważ stosowane algorytmy sterowania są dalekie od optymalnych. Wszystkie standardowo wykorzystywane algorytmy opierają się na założeniu stałej sprawności napowietrzania i informacja o rzeczywistej sprawności nie jest parametrem uwzględnianym w takim algorytmie, podczas gdy może się ona istotnie zmieniać w dobie i wpływać na koszty napowietrzania. Postęp w technice pomiarowej powoduje, że obecnie możliwe są * Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Politechnika Wrocławska, pl. Grunwaldzki 9, Wrocław, kamil.janiak@pwr.wroc.pl

2 222 K.JANIAK i in. pomiary sprawności (inaczej stopnia wykorzystania tlenu) on-line, za pomocą analiz powietrza wylotowego z reaktora tlenowego. W tym celu na reaktorze montuje się specjalny kaptur ujmujący to powietrze oraz moduł pomiarowy, w którym powietrze wylotowe jest analizowane pod kątem zawartości tlenu. Im większy ubytek tlenu w tym powietrzu tym wyższa sprawność napowietrzania. Przykładowy kaptur oraz moduł pomiarowy pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Kaptur (po lewej) oraz moduł pomiarowy (po prawej) W algorytmie sterowania opartym o pomiar on-line stopnia wykorzystania tlenu wartość zadana stężenia tlenu w danej chwili jest uzależniona od rejestrowanej sprawności napowietrzania. Im niższa sprawność tym wyższe koszty natleniania ścieków, stąd zadawana wtedy wartość stężenia tlenu jest niska. Gdy sprawność napowietrzania rośnie, wtedy rośnie również wartość zadana stężenia tlenu. Najpoważniejszym problemem jest wyznaczenie takiej zależności pomiędzy wartością zadaną stężenia tlenu, a sprawnością napowietrzania, która zapewnia utrzymanie odpowiednich parametrów ścieków oczyszczonych (przy czym w Polsce normowane są średnie roczne, co oznacza, że możliwe są chwilowe przekroczenia). 2. MODEL LESZCZYŃSKIEJ OCZYSZCZALNI ŚCIEKÓW Badania strategii sterowania przeprowadzono w programie symulacyjnych SymOS, na modelu reaktorów biologicznych i osadników wtórnych leszczyńskiej oczyszczalni ścieków (LOŚ). Leszczyńska oczyszczalnia ścieków składa się z węzła mechanicznego oczyszczania ścieków, dwóch osadników wstępnych, dwóch reaktorów biologicznych wykonanych w technologii A 2 O oraz dwóch osadników wtórnych. Powstające osady poddawane są fermentacji w otwartej komorze oraz odwadnianiu.

3 Badania symulacyjne strategii sterowania opartej o pomiary stopnia wykorzystania tlenu Program symulacyjny SymOS wykorzystuje rozbudowany model ASM1 [1] oraz model sedymentacji Takacs a [2], co pozwala na symulowanie pracy osadu czynnego, w zakresie usuwania zawiesin, związków organicznych oraz azotowych. Podstawowe parametry oczyszczalni oraz parametry ścieków mechanicznie oczyszczonych przedstawiono w tabeli 1. System napowietrzania LOŚ składa się z trzech dmuchaw HV Turbo o łącznej maksymalnej wydajności m 3 N/h. Na oczyszczalni realizowana jest regulacja stałowartościowa stężenia tlenu, z wartością zadaną wynoszącą 2 g O 2 /m 3. Średni stopień wykorzystania tlenu wynosi 23% [3], a jednostkowy koszt zakupu energii elektrycznej to 0,30 zł/kwh. Tabela 1. Podstawowe parametry LOŚ oraz skład ścieków mechanicznie oczyszczonych Parametr Wartość Parametr Wartość Objętość komory AN [m 3 ] 2400 Q [m 3 /d] Objętość komory AX [m 3 ] 5544 ChZT [g O 2 /m 3 ] 531 Objętość komory OX [m 3 ] BZT 5 [g O 2 /m 3 ] 305 Recyrkulacja azotanów [m 3 /d] TKN [g N/ m 3 ] 61 Recyrkulacja osadu [m 3 /d] 8640 NH 4 [g N/ m 3 ] 53 (87% TKN) Powierzchnia osadnika wtórnego [m 2 ] 2770 NO 3 [g N/ m 3 ] 0 Głębokość czynna osadnika wtórnego [m] 4 Zawiesina org. [g sm/m 3 ] 155 Wiek osadu [d] 15 Zawiesina min. [g sm/m 3 ] 40 Temperatura w KOCz. [ C] 15 Zasadowość [val/m 3 ] 9,2 Zmienność godzinową podstawowych parametrów ścieków mechanicznie oczyszczonych (Q, Ł ChZT, Ł TKN) wykorzystaną w badania symulacyjnych pokazano na rysunku 2. Rys. 2. Zmienność godzinowa najważniejszych parametrów ścieków mechanicznie oczyszczonych

4 224 K.JANIAK i in. Jak widać, dopływający w godzinach 5 11 chwilowy ładunek ChZT oraz TKN stanowi około 60%, a w godzinach przekracza 100% średniego godzinowego ładunku. Jest to związane z istotną zmiennością natężenia dopływu ścieków surowych. 3. BADANIA SYMULACYJNE W celu przeprowadzenia badań symulacyjnych założono na początku przebieg notowanej przez urządzenie off-gas zmienności czasowej sprawności napowietrzania. Przyjęto, że współczynnik zmienności godzinowej sprawności napowietrzania będzie odwrotnie proporcjonalny do współczynnika zmienności dopływającego ładunku ChZT tzn. wzrost ładunku ChZT będzie przekładał się na spadek sprawności. Jest to założenie logiczne, ponieważ na zmienność sprawności napowietrzania kluczowy wpływ mają zanieczyszczenia (w szczególności związki powierzchniowo czynne) w ściekach zasilających komorę tlenową. Im większe stężenie zanieczyszczeń tym mniejsza sprawność. Przyjęty charakter zmienności sprawności napowietrzania pokazano na rysunku 3. Przyjęty rozrzut wartości chwilowych (godzinowych) wokół średniej dobowej jest zdecydowanie większy niż typowy rejestrowany na oczyszczalniach ścieków. Badania symulacyjne zostały więc przeprowadzone dla warunków bardzo korzystnych dla proponowanego algorytmu sterowania. Rys. 3. Przyjęta zmienność godzinowa sprawności napowietrzania W celu określenia korzyści płynących z implementacji proponowanej strategii sterowania, przeprowadzono również symulacje pracy referencyjnej stałowartościowej strategii sterowania stężeniem tlenu, która jest aktualnie eksploatowana na LOŚ. Przyjmowana wartość zadana stężenia tlenu w tej strategii była równa średniemu stężeniu tlenu w komorach w trakcie testów strategii sterowania opartej o pomiar stopnia wykorzystania tlenu. W badaniach założono również idealną pracę regulatorów stężenia tlenu.

5 Badania symulacyjne strategii sterowania opartej o pomiary stopnia wykorzystania tlenu REGULACJA STAŁOWARTOŚCIOWA Na rysunku 4. pokazano wybrane wyniki symulacji pracy oczyszczalni przy założeniu stałowartościowej regulacji stężenia tlenu (S zad =2 g O 2 /m 3 ). Oczyszczalnia spełnia wymagania dotyczące jakości ścieków oczyszczonych. Azot ogólny na odpływie wynosi około 10 g N/m 3 (rys.4), przy wartości dopuszczalnej wynoszącej 15 g N/m 3. Pozostałe parametry również są spełnione. Dobowe zużycie energii wynosi 5324 kwh (i koszcie zakupu energii około 1600 zł/d), przy istotnej zmienności godzinowej (rys 4.). Rys. 4. Zmienność godzinowa zużycia energii oraz stężenia azotu ogólnego w ściekach oczyszczonych 3.1. REGULACJA OPARTA O POMIAR SPRAWNOŚĆ NAPOWIETRZANIA WARIANT I W pierwszym wariancie przyjęto, że średnia dobowa wartość zadana stężenia tlenu będzie wynosiła również 2 g O 2 /m 3, a współczynniki godzinowe wartości zadanej stężenia tlenu będą analogiczne jak współczynniki godzinowe sprawności napowietrzania. Uzyskano pomijalny spadek zużycia energii wynoszący 2% wartości początkowej (31 zł/d oszczędności). Było to związane z faktem, że wartości zadane stężenia tlenu w godzinach wysokiej sprawności przekraczały często 3,0 g O 2 /m 3, co powodowało, że wysoka sprawność napowietrzania była częściowo niwelowana przez zbyt wysokie stężenie tlenu, a w godzinach niskiej sprawności wartości zadane oscylowały w przedziale 1,1 1,5 g O 2 /m 3, co było również wartością zbyt dużą REGULACJA OPARTA O POMIAR SPRAWNOŚĆ NAPOWIETRZANIA WARIANT II W kolejnym wariancie przyjęto więc następujące ograniczenia: 1. Wartość zadana stężenia tlenu nie może przekraczać 2 g O 2 /m 3.

6 226 K.JANIAK i in. 2. Wartość zadana stężenia tlenu w godzinach, gdy sprawność napowietrzania spada poniżej 17% (tzn. gdy współczynnik zmienności ma wartość poniżej 0,75) będzie równa 1 g O 2 /m 3. Przyjęcie tych założeń, spowodowało, że średnie dobowe stężenie tlenu spadło do wartości 1,5 g O 2 /m 3, stąd powtórzono symulację stanu referencyjnego (regulacja stałowartościowa) przy wartości zadanej 1,5 g O 2 /m 3. Przy referencyjnym algorytmie, uzyskano praktycznie identyczne parametry ścieków oczyszczonych przy spadku zużycia energii do wartości 4987 kwh/d (z 5324 kwh/d). Zmiana sposobu sterowania, podobnie jak w poprzednim przypadku przyniosła jedynie niewielkie zyski energetyczne. Zużycie energii spadło z 4987 kwh do 4877 kwh (oszczędność 33 zł/d) Porównanie wyników symulacji regulacji stałowartościowej i wariantu II regulacji opartej o pomiar sprawności napowietrzania pokazano na rysunku 5. Rys. 5. Zmienność godzinowa zużycia energii i stężenia tlenu wariant II 3.1. REGULACJA OPARTA O POMIAR SPRAWNOŚĆ NAPOWIETRZANIA WARIANT III W tym wariancie zdecydowano się na przyjęcie wartości zadanej stężenia tlenu w liniowej zależności ze sprawnością napowietrzania, przy założeniu, że przy najniższej wartości sprawności napowietrzania stężenie tlenu wynosi 0,3 g O 2 /m 3, a przy najwyższej 2,0 g O 2 /m 3. Przy takim założeniu średnie dobowe stężenie tlenu w reaktorze wynosiło 0,9 g O 2 /m 3, stąd powtórzono symulację referencyjną. Podobnie jak wcześniej obniżenie stężenia tlenu nie spowodowało pogorszenia parametrów ścieków oczyszczonych. Porównanie godzinowej zmienności zużycia energii dla obydwu algorytmów pokazano na rysunku 6.

7 Badania symulacyjne strategii sterowania opartej o pomiary stopnia wykorzystania tlenu Rys. 6. Zmienność godzinowa zużycia energii i stężenia tlenu wariant III Dzięki takiemu algorytmowi uzyskano obniżenie dobowego zużycia energii z 4609 kwh do 4366 kwh (oszczędność 73 zł/d). Podobnie więc jak w poprzednich przypadkach uzyskane efekty ekonomiczne są niewielkie. 4. PODSUMOWANIE Zakładając orientacyjny koszt wdrożenia tej strategii na poziomie przynajmniej zł i wymagany czas zwrotu nie przekraczający 5 lat oraz pomijając koszty eksploatacyjne (!), dobowe oszczędności powinny wynosić przynajmniej 110 zł/d. W żadnym przypadku wartość ta nie jest osiągana. Biorąc więc pod uwagę duży koszt wdrożenia takiego algorytmu sterowania i niewielkie oszczędności oraz możliwość zastosowania alternatywnych algorytmów (np. opartych o pomiar stężenia NH 4 w ściekach biologicznie oczyszczonych) należy stwierdzić, że jego implementacja jest prawdopodobnie nieopłacalna, niezależnie od faktu, że w badaniach symulacyjnych sprawdzono jedynie niewielką liczbę możliwych wariantów sterowania uwzględniającego pomiar sprawności napowietrzania. LITERATURA [1] HENZE M., GUJER W., GRADY Jr C.P.L., Activated sludge model no.1. Scientific and Technical Report No.1, IAWPRC London 1987 [2] TAKACS I.,PATRY G.G., NOLASCO D. A dynamic model of the clarification thickening process, Water Research, No. 25, 1991, [3] SZETELA R., JANIAK K., BALBIERZ P., KNAP M., Badania kalibracyjne oczyszczalni ścieków m.leszna, Raport z badań, Raport SPR, Politechnika Wrocławska 2012

8 228 K.JANIAK i in. SIMULATION STUDIES OF AERATION CONTROL BASED ON OXYGEN TRANSFER EFFICIENCY MEASUREMENTS BY OFF-GAS METHOD Aeration is the most energy-consuming process in wastewater treatment. Amount of energy consumed on aeration depends among others on aeration control strategy. This article presents simulation studies of novel aeration control strategy based on on-line measurements of oxygen transfer efficiency. Efficiency of this strategy is tested by simulation studies conducted on model of Leszno wastewater treatment plant. Presented results clearly show that this control strategy is probably not cost effective enough to justify implementation cost.