Автоматизация на процесите в ПСОВ

Поради увеличеното значение на автоматизацията на процесите в общинските ПСОВ и изискванията за пречистване, самите процеси са станали по-сложни. Изпълнението на европейската директива 91/271/ЕИО за пречистване на отпадъчните води, опазване на водата в околната среда придоби повишена обществена осведоменост сред страните от Европейския съюз, изискванията за третиране в ПСОВ се определят заедно с националното законодателство, основаващо се на изпълнението на европейските директиви в зависимост от чувствителността на водния обект, който се получава по отношение на еутрофикацията, особено за изискванията за отстраняване на азот.

През последните години се увеличава значително необходимостта от икономически ефективни и надеждни процеси за обработка на отпадъци, за да може да се отговори на непрекъснато повишаващото се и по-строго ниво за опазване на околната среда, а в по-голям мащаб, за да се постигнат най-предизвикателните национални цели за намаляване на органичните замърсители във водните обекти. В резултат на тези наредби са предприемани мерки за съществени подобрения и нови строителни работи, по-специално за по-ефективно отстраняване на биогенни елементи. Прилагането на по-модерни системи със средства за автоматизация, управление и автоматизация (ICA) е правилният начин за обновяване на ПСОВ, което води до по-оптимално използване на процесите. Освен това, измерванията в реално време и управлението въз основа на тях са от съществено значение за гъвкавата и рентабилна експлоатация на съвременните инсталации за отстраняване на хранителните вещества.

В ПСОВ през годините са провеждани най-съвременните изследвания върху ICA от гледна точка на различните страни. Като се започне с един от първите прегледи на ICA в скандинавските страни, и в същото време в САЩ, интересът при изпълнението на автоматизация в ПСОВ постепенно се разраства. Направено е международно проучване, което дава интересна картина за действителното използване на сензори и управления в инсталациите, базирани на ключови показатели за изпълнение. В европейските страни фокусът е върху нивото на апаратурата, използвана в инсталации по-големи от 50000 е.ж. (еквивалент жители) за контрол в реално време. Също така са били проведени проучвания върху ICA във водния сектор на национално ниво. Напоследък международното положение на ICA бе обобщено и актуализирано, чиито основни заключения бяха, че е достигнато едно добре изградено ниво на автоматизация на базата на физически променливи и основен контрол на разтворен кислород (DO), а управлението на базата на по-съвременните сензори се все още в начална фаза.

Общ преглед на моделирането и управлението на ПСОВ
В този материал ще направим общ преглед на моделирането и управлението на процесите, с особен акцент върху тяхното прилагане към процесите за пречистване на отпадни води. Типичните компоненти на един обикновен контур за управление с един вход и с един изход включват сензори за измерване, обратна връзка, регулатор и контролер за управление. Като цяло производителността на системата за управление зависи от правилния избор на всеки компонент на управляващата верига.

Обикновено представянето на процеса се прави с математически модел, който се опитва да намери аналитични решения, които позволяват прогнозиране на поведението на системата от набор от параметри и начални условия. Техниките за моделиране включват статистически методи, компютърна симулация, система за идентификация и анализ на чувствителността. Въпреки това, всеки един от тях е толкова важен, колкото способността да се разбират основите на динамиката на една сложна система.

По отношение на биологичните процеси в ПСОВ разработването на модели, предложени от Международната асоциация по водите (IWA), представлява съществен принос. Моделите от фамилията ASM (ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3) се използват в повечето от изследванията за моделиране и симулация, а също и в комерсиалните симулационни платформи. Според международно активирано проучване за моделиране на утайки, 80% от анкетираните казват, че използват АСМ моделите за различни цели. В днешната практика, моделът Takacs е най-широко използваният за математическо представяне на утаители. Съществуват също така модели за анаеробно разграждане на утайки (например ADM1) и са разработени интерфейси за процесни модели на отпадъчни води и третиране на утайките, с цел да се даде голяма възможност за моделиране и оптимизиране на инсталацията.

Познаването на процеса чрез неговото математическо представяне представлява първите стъпки за базираното на модел управление на процеси. Най-общо казано, целта на системата за управление трябва да се направи така, че изходът на процеса да се държи по желания начин чрез манипулиране на входовете на инсталацията, променяйки задвижванията на вентили и помпи. Това води до благоприятни условия за процеса и търсените резултати, а от там и работа при икономически ефективен процес. В съвременните ПСОВ процесите, като вентилиране, химически емисии и изпомпване на утайки, обикновено се контролират чрез измервания от сензори в реално време.

В ПСОВ преобладават основно два вида алгоритми за управление на процесите. Единият алгоритъм е включване/изключване на определено оборудване при дефинираните условия, а другият алгоритъм е пропорционално-интегрално-диференциално (PID) регулиране на процеса. Устройствата за извършване на включване-изключване предоставят проста и евтина обратна връзка за управление, в която контролерът превключва задвижващ механизъм между две състояния според измерванията от сензора и закона за управление. По този начин управляваната променлива се поддържа в определени граници. Управлението на помпите във вентилационните шахти и потока от излишни утайки са типични примери за прилагане на алгоритъма за включване-изключване в пречистването на отпадните води. PID регулирането е метод за управление с обратна връзка, при който изходът на контролера е пропорционален на грешката (P), нейната история във времето (I) и скоростта, с която тя се променя (D). Въпреки, че са били предложени много усъвършенствани системи за управление, конвенционалните PID алгоритми за управление са най-популярни в ПСОВ. Контролерът с обратна връзка не предприема коригиращи действия, докато след смущение процесът се нарушава и генерира сигнал за грешка. Понякога, ако се измерват характеристиките на вливане и дебита (смущения), е възможно да се изчисли необходимата промяна във въздушния поток (манипулирана променлива), подаван на процеса с активна утайка, за да се поддържа постоянна концентрация на разтворен кислород (контролирана променлива), т.е. може да бъде приложено управление чрез задаване на променливата. В практическото приложение, управлението чрез задаване на променлива обикновено се използва в комбинация с обратна връзка за управление. Тази комбинация може да осигури по-отзивчива, стабилна и надеждна система за контрол. Било е предложено също комбинирано управление чрез задаване на променливата и PI регулатор, например за управление на външния въглероден поток и концентрацията на разтворен кислород в процеси с активирани утайки.

Един алтернативен подход за контрол с обратна връзка, която може значително да подобри динамичната реакция на смущенията, е да се използват вторични измервателни точки и второстепенна обратната връзка за управление. Вторичната точка за измерване е разположена така, че тя да разпознае нарушеното състояние по-рано от регулираната променлива, но смущението не е необходимо да се измерва. Този подход се нарича каскадно управление. Един контролер с обратна връзка, идентифициран като първичен контур, се използва за изчисляване на заданието на друг контролер с обратна връзка, който представлява второстепенен контур. Например каскаден контролер е използван за регулиране на концентрацията на нитрат в отпадъчни води в процеса за предварително денитрифициране чрез манипулиране на дозата на външния въглерод.

В ПСОВ има авангардни стратегии за управление, например, моделът на предсказуемо управление (MPC), базиран на избора на бъдещи корекции на манипулирани променливи, се използва в отпадъчните води за контрол на концентрацията на азот и управление на разтворен кислород. Например за контролиране нивото на покривката на утайка във второстепенен пречиствател е била приложена размита логика, за определяне на скоростта на рециркулация на нитрат в потока и външно добавяне на въглерод в процес на активирана утайка, както и за оптимизиране на разпределението на обема във всеки етап от процеса на подаване. Управлението е изработено на базата на установени методи, което извършва операции върху размитите множества и смущенията. В крайна сметка, изкуствените невронни мрежи (ANN), парадигмата за обработката на информация, вдъхновена от начина, по който биологичната нервна система обработва информация, имат голям потенциал в управлението на процеси за пречистване на отпадни води като цяло и анаеробното разграждане на утайки, в частност.

Задвижващите механизми във веригата за управление като клапани, помпи и компресори работят в съответствие с изходите на контролера, за да се запази контролната точка на регулираната променлива. Чрез изпълнителните механизми се контролират параметрите на изтичането на газове, течности, утайки и твърди вещества. Вентилите за контрол се отварят и затварят напълно или частично в отговор на сигналите, получавани от администраторите. Вентилите могат да се управляват ръчно, електрически, пневматично, механично, хидравлично или комбинация от два или повече от тези методи. При избора на вентили за приложение при отпадъчни води, трябва да се обърне особено внимание на следните фактори: спадане на налягането, максимален дебит, диапазон на възможността, чувствителност, линейност и хистерезис. Ефективността и гъвкавостта на компресорите, помпите и вентилите са важни аспекти, за да има адекватен контрол на процеса.

Сензори, използвани в ПСОВ
За управлението на процесите са необходими сензори и анализатори за продължително измерване в реално време. Най-често се използват сензори за поток, ниво, налягане, температура, рН, Redox потенциал, проводимост, кислород, а нарастващата им употреба в ПСОВ поражда важно подобрение в експлоатационната безопасност и по-добра оперативна икономичност. По-специално, технологията на традиционния сензор за хранителни вещества е базирана на автоматизирани лабораторни методи, тя изисква проба от поток без разтворени вещества (SS), които представляват в някаква степен слабостта в измерването в реално време: вземане на проби, филтриране и възможно предварително третиране на пробата от потока. Най-новата технология без реагенти и вземане на проби за измерване на концентрациите на амоняк и нитрати се основават съответно на йон-селективни електроди и фотометрия. Когато необходимите измервания не са достъпни в реално време, по успешен начин те могат да бъдат оценени със софтуерен сензор, който представлява комбинация от твърди сензори и математически модел, който да реконструира еволюцията на времето на неизмерените състояния.

Според направеното проучване, в ПСОВ в реално време се измерват общо взето 18 различни характеристики на отпадъчните води. Сензорите за DO, SS, температура, рН и ниво са установени и утвърдени технологии в ПСОВ. Измерванията за разтворени вещества се използват например при управление на изпомпването на върнатите утайки. Все по-често се използват оптични сензори за DO вместо галванични и полярографски DO сензори.

Сензорите за хранителни вещества се използват предимно в инсталации, които имат изискване за пълно отстраняване на азота. Освен това, най-модерните анализатори в реално време за хранителни вещества са калибрирани автоматично. Обичайните места на анализаторите за хранителни вещества са на басейните за активна утайка и отпадъчни води, но анализатори за NH4-N се използват и в други части на процеса, например първични утаители и входния поток в някои от инсталациите.

Сензорите за скорост на въздушния поток и налягане на въздуха са обичайна технология в ПСОВ. Измерванията от двата вида сензори се използват при управлението на аерацията. Сензорите за проводимост се използват, например за наблюдение на промишлени отпадъчни води, а в някои случаи за прогнозиране на притока на азот, идващ от басейните с активната утайка. Сензорите за мътност, ниво на покривката на утайката и Redox потенциал се използват по-рядко.

Според проучването средния брой на променливите, измервани непрекъснато в реално време и променливите, използвани за управление на ПСОВ с различни предписания за третиране на азотни съединения и целия процес на отстраняване на азота са 11.2. Освен това, 4.4 от измерванията на променливите в реално време се използват за управление на процесите.

Управление на процесите в ПСОВ
Най-прилаганият метод за управление на аерацията е контрол на DO профила. При този метод басейнът за аерация е разделен на няколко зони, в които зададените DO точки се различават и се използват няколко сензора за измерване на DO концентрациите в реално време. Количеството на аерираните и неаерираните зони се определя автоматично. Отделно от входящия поток от отпадъчни води и изпомпването на излишната утайка, контролирането на алкалността на химическото осигуряване, утаяването на химическото осигуряване, аерация, компресори, проветряване, управляващ вентил, изпомпване на върнатите утайки са непрекъснати.

Основната част от управлението на ПСОВ се осъществява чрез използване на основните контролери за обратна връзка, настройката се прави от контролната зала от страна на операторите. Съвременните контролери, като адаптивен регулатор, контролер за размита логика и модел на предсказуем контролер, са в употреба за различни цели, като например управление на въздушния поток при аериране, управление на масовия дебит на върнатата утайка, центробежно обезводняване на утайки, осигуряване на метанол и утайка на химическо осигуряване. Размитата логика се използва също и при прогнозирането на притока на азот, влизащ в басейните на активната утайка.

Управлението на аларми с различни нива също са взети под внимание, показващи възникнали грешки в технологичното оборудване. Обикновено в най-модерните инсталации за процеса за третиране може да се наблюдава и контролира от разстояние, например в събота и неделя, особено за обработка на алармите.

За да се направи една инсталация по-ефективна, трябва да има прогнозиране на дебита на отпадъчните води и натоварването в реално време, да се използват в управлението автоматични анализатори в реално време, да се реализира по-добро управление на аерацията и да се правят по-надеждни измервания в реално време. Въпреки това, надеждността и точността на сензорите за измерване в реално време прави използването на тези измервания в управлението по-приложимо.

През последните години се е увеличила популярността на динамичното моделиране на процесите. При нови и обновени инсталации се разчита на конвенционалната ICA технология, освен с няколко изключения. Голямата част от инсталациите не се възползват от пълният потенциал на сензорите и другите ICA технологии, а нейното значение ще се разбере в бъдещето. Трябва да се обърне специално внимание на възможностите на ICA при проектирането на инсталации с цел оптимизиране на оперативните разходи. В допълнение, при обновяването на съществуващи инсталации, автоматизацията и управлението следва да бъдат взети под внимание, тъй като производителите на сензори и анализатори извършват продължителна работа за разработка. Разширени стратегии за контрол за отстраняване на азота биха били полезни за изпълнение, както и проучване на възможностите за софтуерни сензори и динамично моделиране в експлоатацията на централата.