Beluchtingscontrole

IntelSensWijzer

Beluchtingscontrole

Inhoud:

  • Welke online metingen worden gebruikt?
  • Regelstrategieën
  • Economische analyse
  • Toepassingen

Opgeloste zuurstof (dissolved oxygen, DO) is één van de belangrijkste parameters in een aerobe zuivering. Er moet voldoende zuurstof aanwezig zijn voor de biologische afbraak van organische componenten en de omzetting van ammonium. Echter, aangezien de zuurstofinbreng d.m.v. beluchting de belangrijkste energieconsument is van de waterzuiveringsinstallatie, is een beluchtingscontrole van cruciaal belang. In de praktijk worden de meeste beluchtingssystemen aangestuurd op basis van de DO-concentratie.

Welke online metingen worden gebruikt?

DO wordt gemeten via amperometrie of fluorescentie.

Regelstrategieën

Beluchtingssysteem en controle

Figuur 1 toont de vier meest voorkomende beluchtingssystemen.

Een ejectorbeluchter zuigt lucht aan via een buis boven het wateroppervlakte door het creëren van een vacuüm onderaan. De meeste bedrijven introduceren zuurstof door de inbreng van lucht (21% zuurstof), maar het is ook mogelijk om zuivere zuurstof (99,99% zuurstof) toe te voegen. Dit type beluchter wordt meestal aan/uit geregeld tussen twee zuurstofsetpunten, bijvoorbeeld tussen 1 en 3 mg DO/L.

Een oppervlaktebeluchter is uitgerust met een schroef die het water tegen een plaat opstuwt, waardoor het water wordt verneveld. Op deze manier wordt er een groot contactoppervlak tussen water en lucht gecreëerd en wordt zuurstof overgedragen. Ook hier wordt meestal geopteerd voor een aan/uit gestuurde beluchting (zeer zelden wordt de motor frequentie gestuurd).

Een hyperboolbeluchter wordt gevoed met lucht afkomstig van een blower. Bovendien dient deze als menger gedurende onbeluchte fases. De blower wordt frequentie gestuurd zodat een bepaald setpunt bereikt wordt, bijvoorbeeld 2 mg DO/L.

Bij fijn bellenbeluchting worden verschillende netwerken van geperforeerde buizen, schijven of matten geïnstalleerd. Deze worden eveneens gevoed door een blower en frequentie gestuurd naar een bepaald DO-setpunt. Eén blower kan tegelijkertijd verschillende bekkens voorzien van lucht (zie verder).

Beluchtingssystemen en controle1
Figuur 1: Beluchtingssystemen en controle.

Fijne bellenbeluchting in meerdere bekkens aansturen

Algemene controle

In Figuur 2 wordt één blower frequentie gestuurd zodat in beide bekkens een bepaald setpunt behouden blijft. Dit heeft als nadeel dat indien de DO-concentratie in één bekken reeds het setpunt bereikt heeft en in het andere niet, de concentratie hier sterk kan stijgen.

Beter is om per bekken één blower (met kleiner vermogen) te installeren, plus eventueel een back-up blower (risicobeheersing). Dit vraagt een grotere investeringskost maar laat een fijnere sturing toe, waardoor energie bespaard kan worden. Het is ook mogelijk om met één blower en regelbare kleppen te werken. Er zijn hiervoor een aantal opties, die in wat volgt beschreven worden in volgorde van toenemende complexiteit en kost.

Blowergestuurde beluchtingscontrole1
Figuur 2: Blower gestuurde beluchtingscontrole o.b.v. DO = dissolved oxygen.

Beluchtingscontrole met drukopvolging​

Figuur 3 toont de regeling van één blower via regelbare kleppen. De DO-concentratie in beide bekkens wordt opgevolgd en regelt de opening van elke klep afzonderlijk. De blower wordt op- of afgetoerd (meestal tot minimaal 50% van het maximale toerental) op basis van de gemeten druk in de luchtleiding.

Dergelijke controle vereist een optimaal gedimensioneerde blower. Wanneer bijvoorbeeld een blower overgedimensioneerd is en de DO-setpunten in beide bekkens bijna bereikt zijn, kunnen er problemen ontstaan. Er zal dan enkel via een kleine opening (kleppen staan bijna dicht) lucht in het bekken gebracht worden waardoor de druk aan de blower sterk toeneemt (tot boven het druksetpunt) en deze potentieel uitvalt. Een blower met een kleiner vermogen veroorzaakt een minder grote druk en het druksetpunt wordt minder snel bereikt.

Beluchtingscontrole met drukopvolging1
Figuur 2: Blower gestuurde beluchtingscontrole o.b.v. DO = dissolved oxygen.

Meest open klepcontrole

Figuur 4 toont de integratie van kleppositie-indicatoren. De stand van de kleppen wordt bepaald door de DO-concentratie in beide bekkens en bepaalt de toegestane druk in de luchtleiding.

Meest open valve controle
Figuur 4: Beluchtingscontrole o.b.v. kleppositie indicatoren; P =druk en DO = dissolved oxygen

 

Luchtdebietcontrole en meest open klepcontrole

Figuur 5 stelt de meest complexe situatie voor, waarbij het luchtdebiet na de klep wordt opgevolgd. Deze bepaalt de opening van de klep samen met de DO-concentratie in het bekken.

Luchtdebietcontrole1
Figuur 5: Beluchtingscontrole o.b.v. kleppositie indicatoren; P = druk; DO = dissolved oxygen; Qlucht = luchtdebiet.
Economische analyse

Kosten

De investerings- en operationele kost van een DO-sensor is afhankelijk van het gebruikte meetprincipe (amperometrie of fluorescentie). Tabel 1 vergelijkt beide meetprincipes, de investeringskost bedraagt enkel de kost voor de sensor. De installatie van de sensor vereist ook een software integratie, een bevestigingsarmatuur, een kabel en een transmitter. De kosten hiervoor zijn voor beide principes hetzelfde en bedragen ongeveer hiervoor 1.000 tot 3.000 euro. Het is mogelijk om een sensor aan te sluiten op een reeds geïnstalleerde transmitter waar reeds andere sensoren op zijn aangesloten.

Tabel 1: Investerings- en operationele kost voor een amperometrische en fluorescentie DO-sensor. (indicatieve waarden in september 2018!).

MeetprincipeAmperometrieFluorescentie
CAPEX (€)1 000 – 1 200*1 500 – 2 000*
OPEX (€/jaar)200 – 1 000**100 – 500**
Totale kost over 8 jaar 2 600 – 9 2002 300 – 10 000

* excl. kabel, transmitter, bevestigingsarmatuur en software integratie, reken hiervoor een extra € 1 000 – € 3 000;
**afhankelijk van de procescondities

Bij een amperometrische DO-sensor wordt er gebruik gemaakt van een membraan en elektrolyt. Nadeel van deze methode is dat het membraan gemakkelijk verstopt of beschadigd raakt, wat leidt tot foute meetwaarden. Daarnaast moet het elektrolyt regelmatig vervangen worden, wat een zekere onderhoudskost met zich meebrengt.

De optische DO-sensor is iets duurder in aankoopprijs maar vergt enkel onderhoud (eenvoudige reiniging) opdat het optisch venster vrij blijft van aanlading. Een correcte meetwaarde kan geverifieerd worden door de sensor bloot te stellen aan de lucht, waarbij de DO-concentratie tussen 8 en 10 mg O2/L aangeeft, afhankelijk van de temperatuur. De nauwkeurigheid verhoogt naarmate de DO-concentratie daalt wegens de omgekeerde evenredigheid met het meetsignaal.

 

Baten

De procesintegratie van een beluchtingscontrole zorgt voor een optimale toevoer van lucht naar het aerobe bekken, stabiliseert het proces en houdt de energieconsumptie onder controle.

Toepassingen

Ervaringen IntelSens

In totaal werden 122 DO-sensoren geïnstalleerd op de bezochte waterzuiveringen (100), 96% van de installaties was voorzien van dergelijke sensor. Een optische DO-sensor is geïnstalleerd in 82% van de gevallen. Bijna alle sensoren waren geïmplementeerd voor automatische beluchtingscontrole. Het beluchtingssysteem werd aangestuurd door frequentiecontrollers (51 %) of aan/uit controllers (49 %). In het geval van oppervlaktebeluchters werd meestal geopteerd voor een aan/uit controle. Naast de automatische controle werden drie sensoren enkel gebruikt voor het manueel instellen van de beluchters en één sensor werd helemaal niet gebruikt. De bedrijven zonder DO-sensor beluchtten de aerobe bekkens continu. Een mobiele sensor gaf in die gevallen DO-concentraties aan tussen 6 en 10 mg DO/L, veel te hoog.

Case

Een afvalverwerker heeft twee parallelle SBR-type actief slibsystemen ter verwijdering van organische stof en stikstof. In februari 2018 werd gestart met een energiestudie in het kader van een eindwerk, in navolging van het IntelSensadvies. Tabel 2 geeft een overzicht van de verschillende regelstrategieën.

Gedurende situatie 1 is geen beluchtingscontrole geïntegreerd en wordt continu belucht (referentie). Een beluchtingscontrole op basis van de opgeloste zuurstofmeting wordt toegepast in situatie 2. Deze wordt uitgebreid met een redoxregeling in SBR1 tijdens situatie 3 en in SBR2 tijdens situatie 5 (niet meteen in SBR2 omdat de sensor stuk was).

Tijdens de roerfase wordt er koolstofbron gedoseerd voor een optimale denitrificatie. Tijdens de dosering van koolstofbron wordt er continu met drie beluchters gewerkt om het slib in suspensie te houden. Tijdens de overige tijd in de denitrificatiefase wordt hiervoor één beluchter (doorschuifsysteem) gebruikt. Dit verlaagt het energieverbruik en bevordert ook het denitrificatieproces. In situatie 4 gaat men over van drie beluchters tijdens de eerste 20 min naar twee pompen, echter in situatie 6 wordt de menging voorzien door één pomp.

Tabel 2: Beschrijving regelstrategieën in verschillende situaties, aanpassingen werden schuingedrukt. S1 – S6 staan voor Situatie 1 – Situatie 6.

 

 

BeluchtingscontroleMengingscontrole
Opgeloste zuurstofRedox
NiveauRegel# pompenNiveauRegel# pompenTijd (min)# pompen
S1Referentie – geen beluchtingscontrole
S2H2O2 > 5 mg/L1     
H15 > O2 > 2 mg/L3     
L1O2 < 2 mg/L3     
S3H3O2 > 5 mg/L0Enkel in SBR1  
H2O2 > 4 mg/L1H2Redox >  200 mV0  
H14 > O2 > 2 mg/L3H1Redox > 170 mV1  
L1O2 < 2 mg/L3L1Redox < 170 mV3  
S4H3O2 > 5 mg/L0Enkel in SBR1203
H2O2 > 4 mg/L1H2Redox >  200 mV03402
H14 > O2 > 2 mg/L3H1Redox > 170 mV1  
L1O2 < 2 mg/L3L1Redox < 170 mV3  
S5H3O2 > 5 mg/L0Ook in SBR2 (nieuwe sensor)203
H2O2 > 4 mg/L1H2Redox >  200 mV03402
H14 > O2 > 2 mg/L3H1Redox > 170 mV1  
L1O2 < 2 mg/L3L1Redox < 170 mV3  
S6H3O2 > 5 mg/L0Ook ins SBR2 (nieuwe sensor203
H2O2 > 4 mg/L1H2Redox >  200 mV03401
H14 > O2 > 2 mg/L3H1Redox > 170 mV1  
L1O2 < 2 mg/L3L1Redox < 170 mV3  

Figuur 6 toont een daling van het  totale energieverbruik en van het energieverbruik tijdens het beluchten en mengen. De beluchtingsenergie vermindert met 455 kWh of 73% wanneer men de eindsituatie (6) vergelijkt met de referentiesituatie (1). De mengingsenergie vermindert met 130 kWh of 63%. In totaal is er een energieverbruiksafname van 585 kWh of 66% Dit betekent, als er wordt gerekend met 0,1 €/kWh, dat er een besparing is van 21 352 €/jaar. De investeringskost omvatte de programmatie van het sturingsprogramma, wat ongeveer neerkomt op € 2 160 (24 uur aan 90 euro/uur). Deze kleine ingreep heeft een terugverdientijd van anderhalve maand en maakt een enorm verschil op vlak van de operationele energiekost. Een randvoorwaarde waaraan te allen tijden voldaan werd, is dat de effluentkwaliteit ongewijzigd bleef.Figuur 5: Beluchtingscontrole o.b.v. kleppositie indicatoren; P = druk; DO = dissolved oxygen; Qlucht = luchtdebiet.

Energieverbruik IMOG
Figuur 6: Totaal energieverbruik opgesplitst in energieverbruik tijdens beluchtings- en roerfasen.