صعوبات في التحكم بحجم التهوية في معالجة مياه الصرف الصحي

يُعد التحكم في حجم الهواء من أهم طرق توفير الطاقة في أنظمة التهوية. ووفقًا لدراسة أجرتها وكالة حماية البيئة الأمريكية على 12 منشأة معالجة في الولايات المتحدة، يُمكن توفير 33% من الكهرباء عند التحكم في حجم الهواء باستخدام الأكسجين المذاب (DO) كمؤشر. ووفقًا للعلاقة بين حجم هواء المروحة واستهلاك الطاقة، يتضح أن استهلاك الطاقة يتغير بشكل كبير مع حجم الهواء، لذا فإن تأثير التحكم في حجم الهواء على توفير الطاقة كبير، وكلما زادت الطاقة، كان التأثير أوضح. وبالطبع، لا يمكن تقليل حجم الهواء بشكل عشوائي، وسيتأثر بالعديد من العوامل.

من منظور عملية المعالجة، يجب التحكم في نظام التهوية، لأنه إذا تم تشغيل نظام التهوية بشكل غير صحيح وكان حجم التهوية صغيرًا جدًا، فقد يحدث تآكل الحمأة في خزان الترسيب الثانوي بسبب نقص الأكسجين، أي التحلل اللاهوائي للحمأة في قاع الخزان. ، مما ينتج عنه كمية كبيرة من الغاز، مما يتسبب في طفو الحمأة. عندما يكون وقت التهوية طويلاً أو يكون حجم التهوية كبيرًا جدًا، ستحدث درجة عالية من النترتة في خزان التهوية، مما يؤدي إلى ارتفاع تركيز النترات في المحلول المختلط. في هذا الوقت، قد يتم إنتاج كمية كبيرة من N2 في خزان الترسيب بسبب نزع النترتة، مما يتسبب في طفو الحمأة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن ما إذا كان توزيع حجم التهوية متوازنًا ومستقرًا هو أيضًا سبب مهم يؤثر على تأثير المعالجة واستهلاك الطاقة. عند تشغيل نظام التهوية، سيتغير توزيع حجم التهوية بسبب التداخلات المختلفة. على سبيل المثال، إذا تم حظر رأس التهوية في مكان واحد، فسوف ينخفض تدفق الغاز. في الوقت نفسه، سيؤدي ذلك أيضًا إلى زيادة التدفق في أماكن أخرى. على العكس من ذلك، فإن رأس التهوية سوف يتلف، وسيزداد تدفق الغاز بشكل كبير، وسيقل التدفق في أماكن أخرى بشكل حاد. سيؤدي ذلك إلى عدم توازن التفاعل البيولوجي وستنخفض جودة المعالجة. من أجل تحقيق تأثير المعالجة، يجب تعديل حجم التهوية. في هذا الوقت، لا يمكن للتغيير في الأكسجين المذاب عند نقطة معينة أن يعكس بدقة حالة معالجة المسبح البيولوجي، مما يجعل التحكم باستخدام الأكسجين المذاب كمؤشر غير مستقر ويزيد من استهلاك الطاقة.

١. نقص التدريب على نظام التحكم الآلي. لم يتلقَّ العديد من مشغلي محطات معالجة مياه الصرف الصحي تدريبًا منهجيًا من مورد نظام التحكم. بالإضافة إلى العمليات الأساسية، لا يوجد شرح نظري لتقنية ضبط نظام التهوية، مما يُجبر المديرين على إعادة استكشافها في العمل.

٢. لا تُستغل الخبرة التشغيلية. من أهم نقاط محطات معالجة مياه الصرف الصحي أنه بعد التشغيل طويل الأمد، يُمكن تلخيص القواعد اليومية، وهي مستقرة نسبيًا. بالنسبة للمديرين، غالبًا ما تكون هذه القواعد أكثر فائدة من معدات التحكم الآلي باهظة الثمن. ومع ذلك، في بناء محطات الصرف الصحي، لا تتيح العديد من التصاميم للمديرين مساحة كافية للتعديل، كما تفتقر هذه الخبرات المفيدة إلى طرق تطبيقها في بناء مرافق الصرف الصحي الأخرى.

إن تباين جودة مياه الصرف الصحي وتعقيد التفاعلات الكيميائية الحيوية في أنظمة المعالجة البيولوجية يُحددان أن الكشف عن الأكسجين المذاب (DO) والتحكم فيه في معالجة مياه الصرف الصحي يتطلب تأخرًا كبيرًا. غالبًا ما تتأخر نتائج الكشف ومعالجة المعاملات وتعديلها لعدة ساعات أو حتى أيام، مما يؤدي إلى تصريف كميات كبيرة من المياه غير المؤهلة. ومن سمات هذا النظام أن تشغيل وإدارة نظام المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي صعب تقنيًا للغاية، ويتطلب من المديرين امتلاك معرفة جيدة بالهندسة البيئية وخبرة واسعة في التشغيل والإدارة.

بالإضافة إلى ذلك، لا يعكس مؤشر الأكسجين المذاب مباشرةً كمية الأكسجين المطلوبة للتفاعل البيولوجي، بل يعكس فقط الكمية المتبقية من الأكسجين في خزان التفاعل، ولا يمكن حساب حجم الغاز مباشرةً بناءً على قيمته وتغيراته.

على الرغم من استخدام نظام التحكم PID التقليدي على نطاق واسع في الهندسة، إلا أنه لا يحل سوى مشكلة تنظيم الأنظمة الخطية. يمكن لـ PID في نظام التهوية تحقيق التحكم في التدفق، ولكن قدرته على التحكم في تأثير معالجة جودة المياه محدودة. عند التحكم في الأكسجين المذاب (DO)، يجب تعديل إعدادات PID باستمرار وفقًا للحالة الفعلية مثل تغيرات الموسم وجودة المياه. من منظور نظرية التحكم، تتميز عملية المعالجة البيولوجية لمياه الصرف الصحي بخصائص التأخير الكبير واللاخطية والعشوائية والتعددية المتغيرات، كما أن النموذج المُعتمد تجريبي ومشروط. لذلك، لا يمكن لطريقة التحكم الكلاسيكية القائمة فقط على النموذج النظري تلبية احتياجات تنظيم الأكسجين المذاب (DO)، مما يؤدي إلى تعديل متكرر للمنفاخات والصمامات، وتجاوز كبير، وانخفاض عمر المعدات، وارتفاع استهلاك الطاقة.

أهمية التحكم في التدفق

يُعد تدفق كتلة الهواء مؤشرًا يؤثر بشكل مباشر على تأثير معالجة التهوية. من الناحية الهندسية، غالبًا ما تتطلب بركة التفاعل الكبيرة مجموعات عديدة من معدات التهوية، بما في ذلك أنابيب الهواء ورؤوس التهوية وأجهزة التهوية. في التشغيل الفعلي، سيؤثر استقرار هذه المعدات وقدرتها على اكتشاف الأعطال وإصلاحها في الوقت المناسب على استقرار وتوازن عملية التهوية، وتأثير التفاعل البيولوجي، واستهلاك الطاقة. سيؤدي عدم استقرار توزيع التدفق إلى اختلال في دقة معايير الكشف عن الأكسجين المذاب، مما يزيد من صعوبة التحكم في الأكسجين المذاب، المعرض للتذبذب.

عادةً ما تكون خزانات التهوية عبارة عن مئات أو آلاف الأمتار المربعة من أحواض المياه المتدفقة. ينقل خط أنابيب الهواء الهواء المضغوط إلى جهاز التهوية في قاع الحوض عبر الأنبوب الرئيسي والأنابيب الفرعية. على سبيل المثال، يُنقل الهواء من A إلى B وC وD وE وF على التوالي. عند تصميم نظام التهوية، يجب توزيع حجم التهوية بالتساوي حسب الحاجة. في الواقع، بسبب فقدان ضغط خط الأنابيب، توجد اختلافات في ضغط الهواء وتدفقه في الموضعين B وF. عند تعديل إجمالي حجم الهواء بسبب تغيرات في جودة المياه أو حجمها، سيتغير أيضًا فرق الضغط وفرق التدفق بين الموضعين B وF، مما سيؤدي إلى انحراف في توزيع التهوية، وهذا الانحراف متغير أيضًا؛ بالإضافة إلى ذلك، عندما يكون النظام قيد التشغيل، إذا كانت مرافق التهوية في موضع معين (مثل D) مسدودة أو متسربة، فسيؤدي ذلك إلى حدوث تغييرات في الضغط والتدفق في هذا الموضع، وفي الوقت نفسه، سيتسبب في إعادة توزيع ضغط وتدفق خط أنابيب الهواء بأكمله، وسيتغير تدفق الهواء في نقاط أخرى (B، C، E، F) وفقًا لذلك، مما يتسبب في انحراف في توزيع التهوية. غالبًا ما يكون توزيع التهوية غير المتساوي في العملية المذكورة أعلاه مخفيًا ويصعب اكتشافه على سطح الماء. يزيد توزيع التهوية غير المتساوي من صعوبة إذابة الأكسجين. لأنه في الهندسة، لا يمكن اكتشاف الأكسجين المذاب إلا عند نقطة معينة (عادةً مخرج خزان التهوية)، ولا يمكن أن يعكس توزيع الأكسجين. أحد شروط التحكم في الأكسجين المذاب هو أن تعكس قيمة الأكسجين المذاب الحالة البيئية للتفاعل البيولوجي في خزان التهوية حقًا. عندما يكون توزيع التهوية غير متساوٍ، فإن هذا الشرط غير صحيح ولن يكون تأثير التحكم مثاليًا.

لذلك، يُعدّ التحكم في تدفق الهواء جزءًا بالغ الأهمية من التحكم في التهوية. إذا رُكّبت معدات كشف التدفق وصمامات التنظيم في المواضع B وC وD وE وF، وتمّ تركيب وصلات التحكم، فسيتم تصحيح انحرافات التدفق أثناء التشغيل، وسيصبح التحكم في الأكسجين المذاب أكثر فعالية.

1) مدخلات مياه الصرف الصحي هي متغير عشوائي، وبيئتها الخارجية تحتوي على العديد من العوامل غير المؤكدة، لذلك من الصعب إنشاء نموذج رياضي دقيق للنظام البيولوجي المهوّى؛

2) معلمات نظام التهوية عالية الأبعاد، ومرتبطة بقوة، وغير خطية إلى حد كبير؛

3) هناك تأخر زمني كبير في الأكسجين المذاب، ومن الصعب تحقيق توازن النظام في وقت قصير؛

4) تتطلب عملية معالجة مياه الصرف الصحي قدرًا كبيرًا من الخبرة العملية والمعرفة لدى المشغلين المهرة؛

5) إن استقرار وتوزيع تدفق التهوية بشكل متساوي هو الأساس للتحكم في تأثير المعالجة وتوفير الطاقة.

لذلك، ينبغي تحسين التحكم في نظام التهوية من جانبين. الأول هو حل مشكلة توازن واستقرار تدفق الهواء في خزان التهوية، والثاني هو إيجاد استراتيجية تحكم مناسبة للتحكم في الأكسجين المذاب في تدفق الهواء.