CZ301935B6 - Zpusob automatického rízení prerušované aerace v aktivacním procesu cistíren odpadních vod - Google Patents

Abstract

Zpusob automatického rízení spocívá v tom, že se doba trvání jednotlivé fáze oxidace a redukce urcuje na základe experimentálních zjištení doby efektivní rychlosti oxidace a redukce pro urcitý aktivacní proces, z nichž se stanoví pracovní oblast, v níž se behem rízení aktivacního procesu reálné hodnoty koncentrace oxidované a/nebo redukované formy dusíku udržují a podle nich se rídí automatické presmerování procesu na fázi oxidace nebo redukce podle grafu, kde osa x je koncentrace redukovaných forem dusíku a osa y je koncentrace oxidovaných forem dusíku, a v nemž je tato pracovní oblast ohranicena funkcemi f.sub.o.n.a f.sub.r.n., které vyjadrují závislosti koncentrace oxidované formy dusíku (N.sub.ox.n.) na koncentraci redukované formy dusíku (N.sub.red.n.), pricemž f.sub.o.n.vymezuje hranici efektivního procesu nitrifikace, respektive oxidace a f.sub.r.n.vymezuje hranici efektivního procesu denitrifikace, respektive redukce, a dále je doba trvání jednotlivé fáze oxidace a redukce omezena pojistnou maximální a minimální dobou oxidace T.sub.oMAX.n.a T.sub.oMIN.n.a maximální a minimální dobou redukce T.sub.rMAX.n.a T.sub.rMIN.n..

Description

Oblast techniky

Vynález se týká automatického řízení přerušované aerace v aktivačním procesu čistíren odpadních vod.

Současný stav techniky

Přerušovaná aerace je obvykle využívána na menších a středních biologických čistírnách odpadních vod (dále jen ČOV) s odstraňováním dusíku. Doby, po kterou bude aktivační nádrž na bio15 logické ČOV provzdušňována a kdy bude provzdušňování vypnuto jsou obvykle pevně nastavené časy, trvání časů je určeno zkušeností technologa a je přizpůsobeno především typu odstraňovaného organického substrátu. Takovéto nastavení neumožňuje pružně adaptovat časy trvání jednotlivých fází podle kolísání denního zatížení ČOV, zvláště při proměnlivém zatížení amoniakálním dusíkem. Tuto nevýhodu odstraňují systémy s adaptabilním časováním fází.

Tyto systémy jsou založeny na měření parametrů v reálném čase. Možností je systém založit na sledování vedlejších veličin aktivačního systému jako je koncentrace rozpuštěného kyslíku, pH a oxidačně redukční potenciál (JP1001557, JP11253990). Dále je možno vycházet ze systému, který je určen především pro řízení fázování a směřování toků procesu BIODENITRO. Systém je založen na vymezení pracovní oblastí kriteriálními funkcemi koncentrací forem dusíku a byl testován na matematickém modelu procesu (Isaacs, S. & D. Thomberg (1998) Rule based control of a periodic activated sludge process. Water Science and Technology. 38(3), 281-289.). Svázání řízení se systémem BIODENITRO systém zásadně omezuje. Systém BIODENITRO se provádí v soustavě dvou nádrží propojených proudy aktivační směsi. Přepnutí do jiné fáze je v navrženém systému proto podmiňováno nejen splněním podmínek vyplývajících z koncentrací forem dusíku v dané nádrži, ale také v nádrži paralelní. Tak se vytváří určité doby čekání, které snižují výkon systému. V těchto dobách se uplatňuje dále řízení koncentrace rozpuštěného kyslíku ve snaze uplatnit simultánní nitrifikaci a denitrifikaci. Nejednoznačným vymezením kultivačních podmínek v dané fázi tak dochází ke zpomalení procesů biologického odstraňování dusíku. Systém není dle článku schopný správně reagovat na nerovnoměrné zatížení dvou nádrží, přestože monitorovací technika musí být umístěna v obou. Dále není popsáno jak správně nastavit pracovní oblast procesu. Autoři diskutují pouze vliv posouvání jedné z kriteriálních funkcí, možnost měnit obě funkce zároveň, nebyla zkoumána. Dále není diskutován vliv časové limitace procesů, limity jsou pro účely matematického modelu nastaveny pouze jednorázově.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob automatického řízení přerušované aerace v aktivačním procesu Čistíren odpadních vod v závislosti na jeho zatížení, který podle vynálezu spočívá v tom, že na základě experimentálních zjištění doby efektivní rychlosti oxidace a redukce pro určitý aktivační proces se stanoví pracovní oblast, v níž se reálné hodnoty koncentrace oxidované a/nebo redukované formy dusíku kontinuálně měřené během automatického řízení aktivačního procesu udržují a podle nich se řídí automatické přesměrování procesu na fázi oxidace nebo redukce systému, pracovní oblast je tvořena množinou dvojic hodnot (Nox) a (N_RED) naměřených za bezporuchového chodu systému a znázorňuje se v grafů, kde osa x je koncentrace redukovaných forem dusíku a osa y je koncentrace oxidovaných forem dusíku, a tato pracovní oblast je shora ohraničena křivkou f₀, kteréje polynomem n-tého stupně ve tvaru:

- 1 CZ 301935 B6

PÍ^OJf) = · (Ρ^Λ£θ))^{η+ k}o„~l ' (.PÍMrSdW'¹ '^koí ’ M^Ko)) + ^feo0 a zdola je ohraničena křivkou f_r, která je polynomem n-tého stupně ve tvaru:

P(^NOx) - ^krn (pC^RFd)) ^{+ k}m -1 * * ^krl ' (Ρ(^ΝΧ£θΧ) ^{+ fe}r0’ kde konstanty (koo··--^,,) a (k^..·.^) se stanovují matematickou nelineární regresí hraničních křivek f₀ a f_r, které vyjadřují závislosti koncentrace oxidované formy dusíku (Nox) na koncentraci redukované formy dusíku (N_RED), přičemž f₀ vymezuje hranici efektivního procesu nitrifikace, io respektive oxidace a f_r vymezuje hranici efektivního procesu denitrifikace, respektive redukce, a dále je doba trvání jednotlivé fáze oxidace a redukce omezena pojistnou minimální dobou oxidace a redukce T_oM|_N a T_rMIN, které jsou určeny minimální dobou mezi dvěma zapnutími aeračního systému, která nezpůsobuje zvýšené opotřebení zařízení čistírny a maximální dobou oxidace a redukce T_oMAX a T_rMAX, kde doba T_ůMax se nastaví jako 1,5 až 3 násobek doby T_rMAX a doba

Τ_γμαχ se pohybuje v rozmezí 30 až 120 min.

Vynález umožňuje na základě experimentálních výsledků vymezit optimální pracovní oblast procesů nitrifikace (oxidace) a denitrifikace (redukce) v aktivačních nádržích na biologických čistírnách odpadních vod. Udržování systému v pracovní oblasti vysokých rychlostí biochemické přeměny umožňuje zvýšit efektivitu odstraňování dusíku bez drahého navyšování objemů nádrží. Stanovení stavu systému definovaného koncentracemi oxidované a redukované formy dusíku se provádí v reálném čase pomocí automatického měření. Automatický výpočet v reálném čase umožňuje automatizaci řízení přerušované aerace.

Vynález umožňuje určení doby, po kterou bude aktivační nádrž na biologické čistírně odpadních vod provzdušňována a doby, po kterou bude provzdušňování vypnuto při zachování optimální efektivní rychlosti oxidace a redukce. Zjištění efektivní rychlosti oxidace a redukce se experimentálně zjišťuje na základě koncentrace oxidovaných a redukovaných forem dusíku definovaný obecně jako ρ(Ν_Οχ) =f(p(NnE^), kde Nox o. AWJsou koncentrace oxidovaných, respektive redu30 kovaných forem dusíku, naměřených za bezporuchového chodu systému a dále ze stanovení maximální a minimální doby fáze oxidace a redukce.

Systém bere na zřetel koncentrace oxidovaných forem dusíku (součet koncentrace dusitanů a dusičnanů), případně také koncentraci amoniakálního dusíku nebo dusíku ve formě amonného iontu jako redukované formy dusíku. Uvedené koncentrace forem dusíku jsou kontinuálně měřeny v reálném Čase automatickými měřícími zařízeními, která analyzují aktivační směs v řízeném procesu. Doba trvání fáze oxidace a redukce je dále omezena maximální a minimální dobou oxidace T_o a maximální a minimální dobou redukce T_r.

Základním kriteriem pro rozhodnutí, zda má pokračovat aerovaná nebo neaerovaná fáze nebo zda má dojít ke změně provzdušňování, je vztah koncentrace oxidovaných a redukovaných forem dusíku definovaný obecně jako ρ(Ν_Οχ) ~/(p(N_Red)), kde N_Ox a N^-d jsou koncentrace oxidovaných, respektive redukovaných forem dusíku. Koncentrací oxidované formy dusíku se rozumí součet koncentrací dusitanů (N-NOf) a dusičnanů (N-NOf) vyjádřených jako miligramy dusíku na litr. Koncentrací redukované formy dusíku se rozumí koncentrace amoniakálního dusíku (Namon) jako součet koncentrace dusíku v amonném iontu (N-NH/) a rozpuštěného amoniaku (NNH₃) nebo jen dusíku v amonném iontu (N-NH/), jde—li o městské odpadní vody s běžnými hodnotami pH = 6 až 8. V systému jsou definovány tvary funkcí f_r a f₀, které určují, za jakých koncentrací Ν_Οχ a N_RED začíná a končí efektivní provzdušňování řízené nádrže.

Funkce f₀ má tvar polynomu n-tého stupně ve tvaru p(N_ox)=k_on (p(NREo))ⁿ+k0n_, p(Niu.:n))ⁿ ‘ ktíl (p(Nreo)) + Kx). Dosáhne-li koncentrace Ν_Οχ hodnoty definované touto funkcí nebo vyšší, dojde k vypnutí provzdušňování aeračního systému. Funkce f_r má tvar polynomu n-tého stupně ve

-2CZ 301935 B6 tvaru p(N_Ox>=km (p(N_RED))ⁿ+kr„.i (p(NRED))^nl krl (p(N_RED)) + krt Dosáhne-li koncentrace N_ox hodnoty definované touto funkcí nebo nižší, dojde k zapnutí provzdušňování aeračního systému. Grafické zobrazení těchto funkcí je na obrázku 1 (obrázek bude dále diskutován v příkladu využití vynálezu).

Určení tvaru funkcí f_o a f_r je potřeba provádět pro každou ČOV individuálně. Základním požadavkem na stanovení tvaru obou funkcí f₀ a f_r je udržování systému aktivační nádrže mimo ustálený stav, což umožňuje dosahování maximálních rychlostí biochemických dějů v systému.

Při nastavení systému je nejprve nutno zvolit stupeň polynomu funkcí f₀ a fr. Pokud není v řízené nádrži k dispozici jedno z měření koncentrace N_RED nebo Nox, je možno využít pouze polynom nultého stupně. V případě, že obě měření jsou k dispozici, můžeme využít polynomy obvykle prvého, druhého nebo třetího stupně. Ve specifických podmínkách je vhodné využití polynomů vyšších stupňů.

Pro zjištění konstant k_rt, koo, k^, k_rt, k_r2, a k^ eventuelně dalších pro funkce to a f_r je třeba vyhodnotit experimentálně naměřené hodnoty koncentrací N_ox a Nred ležící na hraničních křivkách vymezujících oblast efektivního provzdušňování řízené nádrže pomocí matematické regrese. Do řízené nádrže se umístí sondy pro automatické stanovení koncentrace oxidované a redukované formy dusíku v reálném čase. Sondy měří tyto koncentrace kontinuálně anebo v krátkém časovém intervalu, přičemž pro vyhodnocení postačuje využít údaje získané periodou 5 minut. Je vhodné sledovat systém delší dobu, postačující je asi jeden měsíc. Získá se tak množina bodů, která reprezentuje koncentrace oxidovaných a redukovaných forem dusíku definovaných obecně jako p(Nox) =f(p(N_RED)) kde N_ox a Nred jsou koncentrace oxidovaných, respektive redukovaných forem dusíku, respektive stav systému v době oxidace i redukce za různých provozních podmínek. z této množiny, se vyloučí chyby měření a hodnoty odpovídající nestandardním stavům provozu (poruchy aeračního zařízení, neobvyklé nátoky apod.). Ze zbylých hodnot množiny vybereme ty, které reprezentují optimální provoz systému, tedy dobu, kdy aktivační proces plnil také stanovená kritéria pro koncentrace forem dusíku na odtoku. Tyto hodnoty se vynesou do grafu, kde na ose x je koncentrace redukovaných forem dusíku a na ose y koncentrace oxidovaných forem dusíku, vytvoří se tak pracovní oblast, kterou můžeme ohraničit shora grafickým vyjádřením funkce f_o a zdola grafickým vyjádřením funkce f_r. Matematickou nelineární regresí pak získáme parametry - konstanty obou funkcí.

Dále se provede zjištění efektivních dob oxidace a redukce experimentem, kdy se vyhodnocuje rychlost nitrifikace a denitrifikace v závislosti na době trvání fáze oxidace nebo redukce. Průběh takovéhoto experimentu na vybrané ČOV je možno vidět na obrázku 2. Tvary funkcí f₀ a f_r se upraví tak, aby respektovali výsledky tohoto experimentu, a pracovní oblast se omezí pouze na vzájemně vztažené hodnoty koncentrace N_ox a N_red, kdy je rychlost nitrifikace a denitrifikace nejvyšší.

Posledním hlediskem při nastavení konstant >>, k^, k_rl, k_r2 a M eventuelně dalších pro funkce f₀ a f_r je, aby požadovaná koncentrace celkového dusíku na odtoku a očekávaný poměr koncentrací oxidované a redukované formy dusíku na odtoku splňovaly kritéria stanovená normou nebo provozovatelem čistírny odpadních vod.

Posunování funkce f_r směrem kose koncentrací N_ox zvyšuje poměr koncentrace oxidované formy dusíku vůči redukované formě dusíku na konci provzdušňování aktivační nádrže a tak podporuje proces nitrifikace. Toto přiblížení je však limitováno snižováním rychlosti nitrifikace při snížené koncentraci redukovaných forem dusíku, která způsobuje prodlužování provzdušňovací fáze a tak snižuje ekonomickou efektivitu procesu. Posunování funkce f_r směrem k ose koncentrací N_RED snižuje poměr koncentrace oxidované a redukované formy dusíku na konci fáze vypnutí provzdušňování aktivační nádrže a tak podporuje proces denitrifikace. Toto přiblížení je však limitováno snižováním rychlosti denitrifikace se spotřebou snadno rozložitelného organického substrátu. Křivku je tedy třeba přizpůsobit dosahovaným rychlostem denitrifikace v čase,

-3CZ 301935 B6 dle experimentu popsaného na obrázku 2, tak aby nedocházelo ke zbytečně dlouhým periodám bez provzdušňování. Vzdálenost obou funkcí od sebe se upravuje na základě uvedeného experimentu a to tak, aby se koncentrace N_ox během provzdušnovací fáze a N_RED, během vypnuté aerace pohybovaly v oblasti, kdy je dosahováno vysokých rychlostí biochemických procesů.

Z praktických důvodů (jednoduchost a snadná použitelnost způsobu pro automatizované systémy řízení) je vhodné omezit stupeň polynomu a tedy i počet zjišťovaných konstant. V případě, že nelze jednu z forem dusíku měřit například kvůli absenci příslušné techniky, omezíme polynom na stupeň nula a konstanty se nastaví v následujícím rozmezí k_r0 = 2až6ak_o0 = 5až 10. Při io možnosti měření koncentrací obou forem je možno využít polynomy prvého až třetího stupně.

V takovém případě se konstanty nastaví v následujících rozmezích: M, koo = 0, k_d =0 až 2 a k_O| = 1 až 6 za podmínky k<>i > k_d, k_T2 = -0,1 až 1 k^ =-1 až 1, k_r3 = -0,03 až 0,1 al·^ = 0,1 až l, k_r4__n a ko4-_n ⁼ 0. Stanovení přesných hodnot konstant k_r4n a ko4__n připadá v úvahu jen za zcela speciálních podmínek a postupuje se dle postupu uvedeného výše. Po nastavení konstant je třeba is ověřit, že funkce jsou v očekávaném provozním rozsahu koncentrací N_Ox a N_RED rostoucí, čili každá další funkční hodnota je vyšší než předchozí nebo klesající, čili každá další funkční hodnota je nižší než předcházející.

V systému jsou dále nastaveny tzv. pojistné časy T_rMAx, T_rMi_N,T_oMAx a T_oMin·

Τγμαχ je maximální doba, po kterou může být aktivační směs ponechána bez dodávky vzduchu, aniž by došlo k poškození aktivovaného kalu. Určuje také dobu bez provzdušňování v případě výpadku měření. Závisí na vlastnostech aktivovaného kalu a množství snadno rozložitelného organického substrátu v aktivační směsi. Nastavuje se v rozmezí 30 až 120 minut, kdy při časech kratších než 30 minut nedojde k vytvoření enzymů nutných pro denitrifikaci a při časech nad 120 minut hrozí poškození aktivovaného kalu. Při dostatku snadno rozložitelného organického substrátu se nastavuje spíše k horní hranici rozmezí časů.

Τγμιν je minimální doba, po kterou může být aktivační směs ponechána bez dodávky vzduchu. Je určena konstrukcí aeračního zařízení, kdy u některých typů hrozí poškození tohoto zařízení opětovným rychlým zapnutím. Pro běžné jemnobublinné aerační systémy s dmychadly se nastavuje tato doba na hodnotu 10 minut, při použití jiných systémů se vychází z údajů výrobce čistírny.

Tomax je maximální doba po kterou je možno aktivační směs provzdušňovat. Tato maximální doba se určí tak, aby byl dostatečný čas pro splnění podmínek koncentrace forem dusíku, ale zároveň byl zajištěn ekonomický provoz v případě výpadku měření. Dále je třeba vzít v úvahu nižší rychlost nitrifikace oproti rychlosti denitrifikace a také vyšší prioritu nitrifikace. Čas se nastaví jako 1,5 až 3 násobek času T_rMAX a měl by být v rozmezí 90 až 300 minut.

T_omin je minimální doba, po kterou je třeba aktivační směs provzdušňovat. Je dána konstrukcí aeračního systému a aktivační nádrže a vlastnostmi aktivační směsi. Musí zajistit dostatečnou dodávku vzduchu pro růst populace nitrifikantů. Pro běžný aktivační systém s jemnobublinnou aerací a dmychadly postačuje 10 minut a je možněji prodloužit dle požadavků výrobce aeračního systému nebo v případě nízké nitrifikaění rychlosti.

Tyto časy jsou nadřazeným rozhodovacím kriteriem vůči podmínkám definovaným funkcemi f_{o r}. Tedy žádná fáze nemůže být ukončena do uplynutí minimální doby trvání a nemůže trvat déle, než je maximální doba trvání. V případě, že biologický stupeň ČOV je tvořen více paralelními linkami, je možno instalovat měření do jedné linky a ostatní linky řídit dle výsledků tohoto měře50 ní. Tato možnost předpokládá co nejlepší rozdělení hydraulického látkového zatížení linek. Výhodnější ovšem je instalovat měření do každé linky a řídit tak každou linku samostatně.

-4CZ 301935 B6

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 znázorňuje pracovní oblast zjištěnou na základě naměřených hodnot koncentrace Ν_Οχ v závislosti na N_REL)Obr. 2 znázorňuje koncentrace Nox a N^p v závislostí na vypnuté a zapnuté aeraci a na čase.

io Příklad provedení vynálezu

Příklad sestrojení křivek funkcí f₀ a f_r a jejich využití při automatizaci procesu řízení přerušované aerace v aktivačním procesu čistíren odpadních vod v závislosti na jeho zatížení.

Vynález byt odzkoušen na čistírně odpadních vod o výpočtové kapacitě 42 000 ekvivalentní obyvatel a průměrném denním průtoku 12 600m³/d., která je řešena jako mechanickobiologická čistírna, která byla původně provozována se simultánní nitrifikací a denitrifikací realizovanými v oběhové aktivaci. Biologický stupeň ČOV byl provozován jako dvě paralelní linky oběhové aktivace. Protože stupeň odstraňování dusíkatého znečištění nebyl dostatečný, testoval provozo20 vatel provoz s přerušovanou aerací, kde však nebyl schopen nastavit vyhovující časy trvání aerované a neaerované fáze.

Pro měření v reálném čase byly na ČOV osazeny sondy pro měření koncentrace rozpuštěného kyslíku, koncentrace dusitanů a dusičnanů a amoniakálního iontu. Všechny měřící sondy byly umístěny na stejném místě v jedné oběhové aktivační nádrži. Instalovány byly na lávku přes nádrž v oblasti oběhové aktivační nádrže, kde nejsou umístěny aerační elementy.

Na ČOV byly odzkoušeny následující varianty systému:

1. využití polynomu nultého stupně

2. využití polynomu prvého stupně.

Obě varianty byly programovány za využití matematických a logických funkcí jako vstupní hodnoty v prostředí digitálního kontroléru SCI000, s tím že výstupní signál, zda má v aktuálním čase probíhat aerované nebo neaerovaná fáze byl napojen na stávající řídicí systém.

Varianta jedna, čili využití polynomu nultého stupně, bylo využito, aby byla prokázána možnost využití způsobu pro řízení jen na základě měření koncentrace Ν_Οχ· Přehled nastavení konstant je uveden v tabulce 1. První nastavení systému bylo provedeno 23.4. a používáno do 28.4. V průběhu tohoto zkušebního provozu byly opakovaně vyhodnoceny záznamy závislosti koncentrace

Nox na Nred a ze získané množiny bodů (pracovní oblasti v daném období) byly stanoveny konstanty pro funkce f₀ a f_r. Další měření bylo provedeno pro období 28.4. až 9.6. a 9.6 až 30.6. Vzhledem k tomu, že tyto pracovní oblasti si vzájemně zcela neodpovídaly bylo přistoupeno ke snížení hodnot konstant k^ a koo na hodnoty uvedené v tabulce 1. V obrázku 1 je pak vidět poslední využité nastavení křivek funkcí f₀ a f_r. Je vidět, že by bylo možno konstanty ještě mírně snížit, ale protože na ČOV byla zjištěna oslabená nitrifikace (viz. Obrázek 2), není to již vhodné. Dále je omezena maximální doba redukce Τ_ΓΜΑχ, protože po jejím uplynutí už dle obrázku 2 nelze očekávat vysokou rychlost denitrifikace. Maximální doba oxidace T_oMAx je naopak nastavena delší, aby byla podpořena nitrifikace.

-5CZ 301935 B6

Tabulka 1 - Přehled nastavení konstant pro funkce t<, a f_r pro řízení přerušované aerace na základě nastavených limitů koncentrace dusičnanů (varianta 1)

datum	23.4 až 28.4.	28.4. až 9.6.	9.6 až 30.6.
kro	5	4,5	3,5
koo	7,5	7,0	6,0
ToMAX	90
TrMAX	70
ToMIN	15
TfMIN	15

Variantou dvě je využití polynomu druhého stupně podle vynálezu při současném měření koncentrací Nox a Nim). V tabulce 2 můžeme vidět přehled nastavení konstant. Původní nastavení systému bylo využíváno v období 30.6. až 2.7.. V průběhu tohoto zkušebního provozu byly opakovaně vyhodnoceny záznamy závislosti koncentrace Nox na N_RED a získané množiny bodů (pracovní oblasti vdaném období) byly porovnány spracovní oblastí vymezenou funkcemi f, a f_r io v dalších obdobích. Vzhledem ktomu, že tyto pracovní oblasti si vzájemně zcela neodpovídaly byla konstanta k_r( zvýšena na hodnotu 1 a konstanta kol na hodnotu 1,49. Nový tvar funkce f_r již většině naměřených dat odpovídá (viz. obrázek 1). Na obrázku 1 je také vidět, že část naměřených dat se stále nachází mimo vymezenou pracovní oblast. Tento problém by byl vyřešen použitím funkce f₀, ve tvaru polynomu třetího stupně s konstantami koo = 0, koi = 3,7, ko2=—0,4, k_O? = 0,015. Takovéto vymezení pracovní oblasti by pak naměřená data postihovalo lépe než funkce ve tvaru polynomu prvého stupně (viz. Obrázek 1). Tuto možnost nebylo možno prakticky vyzkoušet z technických důvodů. Dále byly v průběhu testování vynálezu provedeny změny maximálních a minimálních časů oxidace a redukce. Původní nastavení těchto časů používané v období 30.6. až 2.7. a 2.7. až 8.7. neposkytovalo dostatečný čas pro plné využití definované pracovní oblasti. Jak lze vidět z obrázku 2, na čistírně odpadních vod byl oslaben proces nitrifikace, proto byl pro období 8.7. až 9.7. a 9.7. až 15.8. maximální čas oxidace prodloužen na Tqmax = 150 minut. Z obrázku 2 je také vidět, že při dlouhé době redukce dochází k jejímu zpomalování, proto byl maximální čas redukce nastaven nižší na T_rMAX = 120 minut.

Tabulka 2 - Přehled nastavení konstant pro funkce f₀ a f_r pro řízení přerušované aerace na základě nastavených limitů koncentrací oxidovaných a redukovaných forem dusíku (varianta A)

datum	30.6. až 2.7.	2.7. až 8.7.	8.7. až 9.7.	9.7. až 15.8.
kr.	0,5	1	1	i
koi	1	1,49	1,49	1,49
krt)	0	0	0	0
	0	0	0	0
ToMAX	90	90	150	150
TrMAX	90	90	90	120
ToMIN	30	30	30	30
TrMIN	30	30	20	20

V tabulce 3 jsou vidět výsledky aplikace vynálezu.

V tabulce 3 jsou uvedeny výsledky čištění odpadních vod ve formě průměrných koncentrací dané složky vdaném období v mg/1. Kromě již vysvětlených složek N_Ox a Nred byly vyhodnoceny také koncentrace anorganického dusíku N-anorg, který je součtem koncentrací všech anorganic35 kých forem dusíku a celkového dusíku N-celk, který je součtem koncentrací N-anorg a koncentrací organických forem dusíku. Uvedené koncentrace byly získány akreditovanou analýzou vzorku získaného slitím vzorků odebíraných po dobu 24 hodin. V tabulce 3 jsou tyto hodnoty uvedeny pro období po aplikaci vynálezu květen až červenec 2008 (průměr 05 až 7/2008) a pro

-6CZ 301935 B6 období stejných tří měsíců jeden rok před aplikací vynálezu květen až červenec 2007 (průměr 05 až 07/2007) Nej důležitějším hodnoceným parametrem je celkový dusík, jako základní limitovaná složka odtoku. Zde byl dosažen mezi roční pokles průměrné koncentrace z 12,3 mg/1 na 9,1 mg/1. Průměrná koncentrace celkového dusíku na odtoku z čistírny odpadních vod po aplikaci vynálezu

9,1 mg/1 pak plně odpovídá emisnímu limitu 12 mg/1 N-ceík pro nejlepší dostupné technické čištění odpadních vod definovaném v Metodickém pokynu odboru ochrany vod Ministerstva životního prostředí ČR k nařízení vlády Č. 229/2007 Sb., kterým se mění nařízení vlády č. 61/2003 Sb., o ukazatelích a hodnotách přípustného znečištění povrchových vod a odpadních vod, náležitostech povolení k vypouštění odpadních vod do vod povrchových a do kanalizací a o io citlivých oblastech. Ještě větších změn bylo dosaženo v parametru koncentrace redukované formy dusíku, který zásadně ovlivňuje ekologickou stabilitu toku, kam je vyčištěná odpadní voda vypouštěna. Zde byla snížena průměrná koncentrace v odtoku o 80% z 3,9 na 1,5 mg/1. K mírnému zhoršení došlo v koncentracích oxidované formy dusíku, jejich vypouštění však nemá okamžitý zásadní vliv na tok. Toto zhoršení je zanedbatelné (o 11,7 %) a neovlivnilo výsledky v parametru celkový dusík.

Tabulka 3 — Výsledky aplikace řízení přerušované aerace v aktivačním procesu čistíren odpadních vod v závislosti na jeho zatížení podle vynálezu

měsíc	p(Nred)	P(NOx)	p(N-anorg)	p(N-celk)
Průměr 05 až 07/2007 (mg/1)	3,9	4,4	9,0	12,3
průměr 05 až 07/2008 (mg/1)	1,5	5,0	6,6	9,1
zlepšeni (%)	60,2	-11,7	27,2	26,4

Automatizace navrhovaného způsobu

Vpředu popsaným způsobem získané křivky funkcí f_o a f_r lze využít k automatizaci procesu. Je možno jej programovat do libovolného stávajícího řídicího systému, který je schopný využívat měřené hodnoty v reálném čase. Popsaný algoritmus se může použít pro libovolný počítačový systém užívaný pro řízení provozu čistíren odpadních vod (např. SCADA) neboje možné systém programovat do přídavného průmyslového počítače a jeho výstup udávající žádaný stav zapnutí nebo vypnutí provzdušňování zařadit do nadřazeného systému řízení. Na řídicí počítač systému musí být napojeny signály ze sond kontinuálního měření koncentrací Nox a Nred a musí obsaho30 vat také měření času. Do počítače jsou dále uloženy tvary funkcí vymezujících pracovní oblast f₀ a f_r a minimální a maximální doby trvání fáze oxidace a redukce T_rMAX, Τ_γΜιν, T_oMax a T_oMinV průběhu běžného provozu aktivačního systému s přerušovanou aerací sleduje řídicí počítač měřené hodnoty ze sond koncentrace Ν_Οχ a Nre_D, čas T, který uplynul od začátku probíhající reakční fáze oxidace nebo redukce a dále zda je provzdušňování řízené nádrže zapnuto nebo vypnuto. Pokud je tento čas průběhu reakční fáze nižší než minimální doba určená v řídicím systému pro dobu trvání této reakční fáze, tedy T_oMin pro oxidaci a Τ_γΜιν pro redukci, počítač neprovádí žádnou změnu a aerace zůstává ve stejném stavu, tedy zapnuto pro fázi oxidace a vypnuto pro fázi redukce. Pokud počítač zjistí, že doba trvání současné fáze již překročila minimální defi40 novanou dobu trvání této fáze, tedy T_oMIN pro oxidaci a T_rMIN pro redukci, provede zjištění, zda se systém nachází v definované pracovní oblasti, která zaručuje vysokou rychlost biochemických dějů. To počítač provede tak, že porovná aktuálně naměřenou hodnotu koncentrace Nox s hodnotou N_Ox, kterou vypočte dosazením aktuálně naměřené koncentrace hodnoty Nred do rovnice funkce vymezující pracovní oblast odpovídající právě probíhajícímu ději, tedy f₀ pro oxidaci a f_r pro redukci.

Pokud je aktivační nádrž ve fázi oxidace a počítač zjistí, že naměřená hodnota koncentrace N_Ox je vyšší než hodnota koncentrace N_ox vypočtená podle rovnice funkce f_o pro aktuální koncentraci Nred, provede ukončení fáze oxidace tak, že dá povel k zastavení provzdušňování. Pokud počítač ve fázi oxidace zjistí, že naměřená koncentrace N_Ox je nižší nebo rovna hodnotě koncentrace N_Ox vypočtená podle rovnice funkce f_o pro aktuální koncentraci Nred» provede počítač porovnání

-7CZ 301935 B6 doby trvání aktuální fáze oxidace T s maximální dobou trvání fáze oxidace Τ_οΜΑχ· Pokud zatím neuplynul čas fáze oxidace T delší než doba T_oMax+ není provedena žádná akce a počítač se vrací k počátku rozhodování, tedy nové načtení dat a nový začátek rozhodovacího procesu. Pokud již tato doba uplynula, provede počítač ukončení fáze oxidace tak, že dá povel k zastavení pro vzduš5 ň ování.

Pokud je aktivační nádrž ve fázi redukce a počítač zjistí, že naměřená hodnota koncentrace N_OX je nižší než hodnota koncentrace N_Ox vypočtená podle rovnice funkce f_r pro aktuální koncentraci Nred, provede ukončení fáze redukce tak, že dá povel k zapnutí provzdušňování. Pokud počítač io ve fázi redukce zjistí, že naměřená koncentrace N_ox je vyšší nebo rovna hodnotě koncentrace

Nox vypočtená podle rovnice funkce f_r pro aktuální koncentraci N_RED, provede počítač porovnání doby trvání aktuální fáze oxidace T s maximální dobou trvání fáze redukce T_rMAX. Pokud zatím neuplynul čas fáze redukce T delší než doba T_rMAX, není provedena žádná akce a systém se vrací k počátku rozhodování. Pokud již tato doba uplynula, provede počítač ukončení fáze redukce tak, že dá povel k zahájení provzdušňování.

Průmyslová využitelnost

Způsob řízení přerušované aerace v aktivačním procesu čistíren odpadních vod v závislosti na jeho zatížení lze využít na všech čistírnách odpadních vod s regulovatelnou aerací. Metoda byla testována na ČOV s oběhovou aktivací a přerušovanou aerací. Způsob je zvláště vhodný pro řízení ČOV s oběhovou aktivací nebo „sequencing batch reactor“ (SBR).

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob automatického řízení přerušované aerace v aktivačním procesu čistíren odpadních vod v závislosti na jeho zatížení, vyznačující se tím, že na základě experimentálních zjištění doby efektivní rychlosti oxidace a redukce pro určitý aktivační proces se stanoví pracovní oblast, v níž se reálné hodnoty koncentrace oxidované a/nebo redukované formy dusíku konti35 nuálně měřené během automatického řízení aktivačního procesu udržují a podle nich se řídí automatické přesměrování procesu na fázi oxidace nebo redukce systému, pracovní oblast je tvořena množinou dvojic hodnot (N_ox) a (N_red) naměřených za bezporuchového chodu systému znázorňuje se v grafu, kde osa x je koncentrace redukovaných forem dusíku a osa yje koncentrace oxidovaných forem dusíku, a tato pracovní oblast je shora ohraničena křivkou f₀, která je poly40 nomem n-tého stupně ve tvaru:

   p(Nox)=k_fín (p(N_RED))ⁿ+kOf,_i (p(NRED))^{n 1} kol (p(N_RED)) + 1^. a zdola je ohraničena křivkou f_r, která je polynomem n-tého stupně ve tvaru p(N_()X)=k_m (p(N_RED))ⁿ+k_{m t} k_rt (p(Nreo)) ⁺ kro, kde konstanty (1ς,₀..-.1ς,_η) a (k,o...km) se stanovují matematickou nelineární regresí hraničních křivek, které vyjadřují závislosti koncentrace oxidované formy dusíku (N_ox) na kon45 centraci redukované formy dusíku (N_red), přičemž f_o vymezuje hranici efektivního procesu nitrifikace, respektive oxidace a f_r vymezuje hranici efektivního procesu denitrifikace, respektive redukce, a dále je doba trvání jednotlivé fáze oxidace a redukce omezena pojistnou minimální dobou oxidace a redukce T_oMjn a T_rMi_N, které jsou určeny minimální dobou mezi dvěma zapnutími aeračního systému, která nezpůsobuje zvýšené opotřebení zařízení čistírny a maximální

   50 dobou oxidace a redukce T_oMax a T_rMAX, kde doba T_omax se nastaví jako 1,5 až 3 násobek doby Τ_γμαχ a doba T_rMAx se pohybuje v rozmezí 30 až 120 min.