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Clair comme de la boue!

Par définition, les installations de traitement des eaux usées sont des utilisateurs très élevés de l'énergie et de leur bon fonctionnement nécessite un bon équilibre des paramètres biologiques et hydrauliques au long du processus. Toutefois, le maintien de cet équilibre peut être une tâche intimidante; surtout si la gestion opérationnelle n'ont pas accès à des données fiables et significatives en cours sur les niveaux d'interface essentiels aux étapes critiques des procédés de traitement, y compris les clarificateurs primaires, clarificateurs secondaires et épaississants.

Hycontrol’s Nigel Allen investigates the complex process control and automation problems associated with sludge blanket level and interface monitoring within waste water treatment and allied industries. Allen further outlines how the latest sonar technologies overcome traditional interface monitoring shortcomings by simultaneously monitoring RAS and FLOC levels to optimise plant control and bring significant energy savings.

Introduction
Accurate measurement of interface levels is a complex problem in the murky, turbid settling tank environment and without extensive sample extraction and subsequent lab analysis it can be extremely difficult to obtain a clear picture of the all-important density profiles. The sludge within the tank decreases in density as you move from the bottom of the tank towards the top water level. The densest sludge, sitting at the bottom of the tank, can range from 3000 to over 6000 mg/L and in a stable tank the sludge will gradually decrease in density to around 200 mg/L at the top of the column. Generally, treatment works are interested in ‘quality’ sludge which has a density greater than 2,500 mg/L. This sludge at the bottom of the tank is referred to as RAS (Returned Activated Sludge). Sludge at this density is heavy enough not to move up the tank when hydraulic or biological problems occur and is also dense enough to be termed “good quality” biomass, which can be returned to the aeration lanes to help with the pre-treatment process or diverted to waste. However, when a change occurs to the site loading process problems can occur and operators need to know the dynamics of the different interfaces to assess and effectively control the ongoing process.

Le problème
Many sonar systems struggle to provide comprehensive and reliable information under these difficult conditions because they do not have the power and the correct frequency to penetrate through the suspended solids. In the absence of anything better, the only other way of gaining a full ‘top to bottom’ picture has been to use manual dipping products such as a ‘Sludge Judge’ or a gap sensor.

Cependant, ces appareils à forte intensité de main-d'œuvre ne fournissent pas une puissance continue de tendances et de contrôle. Ils ne donnent un aperçu visuel des couches d'interface dans les réservoirs, tout en ayant des problèmes de santé et de sécurité associés et indésirable.

Comme indiqué ci-dessus, les systèmes de surveillance d'interface sonar traditionnels ne répondent pas aux exigences requises. Leur gamme de fréquence et leur manque de puissance signifient qu'ils ne peuvent pas pénétrer beaucoup plus loin que des densités d'environ 1200-1500 mg / L, leur permettant ainsi uniquement d'identifier l'interface FLOC supérieure avec n'importe quel niveau de certitude. Sur la base de ces informations, une hypothèse énorme et potentiellement catastrophique est ensuite émise selon laquelle l’interface RAS plus dense correspondante suit l’interface FLOC dans toutes les conditions. C’est ce qui se produit effectivement dans des conditions stables (voir Fig. 2 & Fig. 3). Cependant, lorsque des déséquilibres apparaissent en raison de changements dans la charge du site, le maintien de cette hypothèse ne fait qu'aggraver les choses.

Si le site utilise un instrument qui ne peut contrôler la couche léger FLOC densité comme une base pour contrôler les pompes RAS puis, quand la couche FLOC augmente en raison d'un déséquilibre, les opérateurs sont automatiquement supposant la couche RAS dense est également en hausse. En conséquence, le site sera inévitablement augmenter soit le débit de pompage RAS ou laisser tomber le évasée dans une tentative de faire la couverture de remonter vers le bas de la cuve.

However, what is actually happening is that the denser ‘good quality’ biomass has remained at the bottom of the tank and it is only the lighter FLOC layer which has lifted.

Increasing the pumping rate or dropping the bell mouth will have very little affect on the lighter FLOC layer, which has risen up the tank and these actions will very quickly remove all of the ‘good quality’ biomass from the tank and then begin to pump back a lighter density ‘poor quality’ biomass. This will subsequently increase the problem by having a negative effect on the F:M ratio (Food to Micro-organisms Ratio*).

*The F:M Ratio is one of the fundamental control parameters for the activated sludge process. The ‘food’ in the ratio is the CBOD (Carbonaceous Biochemical Oxygen Demand or Carbonaceous Biological Oxygen Demand) entering the process, the ‘micro-organisms’ are the activated sludge solids in the aeration tanks, which are measured as ppm or mg/L of MLSS (mixed liquor suspended solids). To establish and maintain a consistent CBOD and secondary waste removal from raw sewage, an activated sludge process must maintain the weight of food to weight of microorganisms under aeration.

On some sites it could take weeks to fully rectify the situation and during this time increased aeration may have been required increasing energy consumption at the plant and therefore energy costs. To optimise plant efficiency it is essential to monitor the ‘good quality’ biomass at 3,000 to 6,000 mg/L and the FLOC level simultaneously. This allows the possibility of automatic control of RAS pumps and bellmouth valves to ensure that ONLY ‘good quality’ biomass is returned back to aeration or to the thickener for wasting.

La solution
There is now a highly effective sonar system which ensures such situations cannot occur, by simultaneously monitoring both interfaces. Sonarflex’s submerged high power transducer sends ultrasonic pulses through the liquid, which are then reflected back from the different density interfaces and are even powerful enough to penetrate densities in excess of 6000 mg/L and detect the tank floor. These signals are processed by the specialist software to provide outputs relating to both the FLOC and RAS levels within the tank. This vital information forms the basis of improved process and control to enable the site to optimise energy consumption and site operations. Alarm levels can be set so that in the event of the FLOC level lifting, operators can make the necessary process changes in plenty of time to prevent the problem continuing and avert a breach of consent.

The key to the success of this innovation is the availability of a wide range of transducers, with frequencies ranging from 30 kHz to 700 kHz. Comparing the theory for ‘through air’ ultrasonics, (which is a well established technology for level measurement) it is possible to understand the need for multiple frequencies in sonar applications. Measuring the level of a simple liquid in a vessel 10 metres deep is very straightforward and almost any high frequency (40-50 kHz) transducer will give reliable and repeatable results. However, if we use this same frequency on a similar size silo that contains a solid such as cement, with high airborne dust concentrations, then the results are far from successful. It will inevitably struggle to penetrate more than a few metres and would be highly unstable in fill conditions because the suspended particles will attenuate the high frequency short wavelength signal.

By comparison, if a lower frequency (5-10 kHz) is used with a longer wavelength, then the sound wave can pass through the suspended particles more easily. A perfect example of this is the use of a foghorn. In bad weather conditions visibility is poor because the air is saturated with moisture. A high frequency – short wavelength would be far less effective in this scenario as the sound would be attenuated by the moisture particles and only travel a short distance. Foghorns use a low frequency – long wavelength to project the sound through the moisture particles miles out to sea to warn ships. This is known as the ‘Foghorn Principle’.

This same analogy remains true for sonar. Whilst traditional designs adopt a ‘one size fits all’ philosophy for sludge blanket systems (adopting a range around 600-700khz), the optimum transducer frequency needs to be selected to ensure the best engineered solution across a treatment works. Sonarflex uses a different frequency transducer for primary sedimentation, primary and secondary clarifiers, sludge thickeners, lamella clarifiers and sequential batch reactors (SBRs).

SBR”s
SBR sont généralement installés où l'espace ou le coût sont à une prime. Ils combinent le bassin de décantation primaire, le processus d'aération et de règlement final / secondaire tout en un réservoir. De par la nature du principe de leur fonctionnement, les niveaux de liquide dans les réservoirs changent et un transducteur fixe traditionnel ne peuvent pas répondre à ces changements. Pour y remédier, un transducteur unique, flottant est utilisé lui permettant de suivre l'interface de couverture de décantation que les niveaux de décantation changent. En conséquence, les temps de décantation peuvent être surveillés beaucoup plus de précision et les temps de traitement par lots améliorés peuvent augmenter le débit jusqu'à 20%.

Nettoyage Mécanisme
The waste water treatment environment is harsh and standard instrumentation designs stand little chance of surviving more than a few weeks. The ultrasonic transducers (either submerged or floating) need regular cleaning to avoid unreliable performance due to signal attenuation caused by the build up of scum, scaling, air bubbles or fats. However mechanical cleaning systems, such as wipers, have a finite life and require constant maintenance and components can often need changing as often as every few weeks. To overcome this, the Sonarflex uses a patented actuator lever arm system. (Cleaning image somewhere here) The automatic cleaning cycle is triggered on a time basis or by a predetermined reduction in signal level. When this occurs the actuator pushes the transducer support arm through the water to an angle of 45° and then returns it to the vertical. This sharp shearing action through the water removes any debris or scum from the front face and ensures optimum performance, without the need for any operator involvement.

L'attention au détail dans la conception de la Sonarflex couvre à la fois les fonctions opérationnelles électroniques et mécaniques. Il existe une version zone ATEX dangereuse, qui peut être utilisé pour le nombre croissant de bassins de décantation clos, construit pour réduire les odeurs libération dans l'atmosphère ou de capturer et de réutiliser les gaz de méthane. Une large gamme de protocoles de communication, y compris Fieldbus, Profibus, DeviceNet et HART, assurer une intégration transparente avec l'instrumentation de l'usine moderne et DCS. Le capteur peut être placé jusqu'à 500m de l'unité de commande et une option robuste de liaison sans fil peut fournir une communication pour faire tourner les unités équipées de ponts, tandis que la connectivité GSM fournit un accès instantané à tous les paramètres pour l'entretien, le support technique et la mise en service. Sorties et des relais multiples peuvent être utilisés pour des fonctions d'alarme et de contrôle ainsi que de nettoyage bras actionnement.

Versatilité
En fournissant à la fois analogique et une large gamme d'options de protocole de communication de bus AS sorties Sonarflex peut aider à maximiser l'efficacité du processus. Lors de l'utilisation de la version analogique de l'appareil, deux sorties 4-20 mA sont disponibles pour la surveillance des différentes densités à l'intérieur du réservoir. Sur un réservoir principal de l'interface peut être contrôlée à l'aide d'une sortie, tandis que les matières en suspension entre la face du transducteur et l'interface peuvent être contrôlés en utilisant la sortie CLARITY, fournir une indication de la façon dont le réservoir s'installe. Cette deuxième sortie peut être utilisée pour optimiser le contrôle de dosage par dosage qu'en cas de besoin et non sur une base temporelle traditionnelle, la quantité de floculant ou coagulant utilisé peut être réduite et d'importantes économies de coûts faite.

Sur un réservoir secondaire (image réservoir secondaire par ici), les deux sorties peuvent être utilisées pour surveiller la couche d'accès distant et la couche fournissant FLOC contrôle de la RAS pompes ou évasée pour optimiser la densité étant retourné à l'aération et à assurer une densité uniforme est gaspillée à l'épaississant. La sortie de FLOC plus faible densité peut fournir une indication de problèmes de processus et fournir un avertissement précoce d'une éventuelle violation de consentement. Dans un épaississant les deux sorties peuvent être utilisées pour contrôler le niveau de LIT et la clarté de l'eau. Surveiller le niveau de BED assure les filtres-presses ou le digesteur reçoit boues de densité compatible avec faible teneur en eau, des pompes à débordement bas. Cela réduit la formation de mousse et l'usure mécanique, rendant le processus plus efficace. Suivi CLARTE (solides en suspension entre la face du transducteur et le niveau du lit) fournit un contrôle pour le dosage de sorte que l'instrument fournira un signal de sortie indiquant la concentration des matières en suspension. Comme les matières en suspension augmentation, le dosage peut être augmenté et où ils diminuent, le dosage peut également être réduite, ce qui maximise le processus de dosage et de réduire les déchets au cours de l'administration.

Par ailleurs, si l'instrument est utilisé à l'aide des options de comms alors la plante PLC peut recevoir trois sorties avec n'importe quelle combinaison de RAS, FLOC, BED (niveau), et la clarté étant disponible. Que d'utiliser l'appareil en utilisant les deux sorties analogiques ou quatre sorties comms, les précieuses informations fournies peuvent améliorer le contrôle à travers les œuvres, fournir une indication rapide des problèmes de processus, prévenir les violations du consentement de décharge, le contrôle de dosage dans les réservoirs primaire et épaississants ainsi que la réduction l'usure des filtres-presses. Tout ce qui précède peut aider à réduire les coûts d'ensemble de la consommation d'énergie, de maintenance et chimiques sur les sites.

As Allen concludes: “Until now operators have been literally ‘operating in the dark’ when it comes to having reliable data on critical interface levels in a range of tanks at various parts of their process. Our solution now gives them data they can use with absolute confidence for the betterment of their process. Energy savings at plants where Sonarflex has been installed around the world are very impressive and we expect UK companies to see similar advantages within a relatively short period.”

Hycontrol limitée
Redditch
Worcs.

Peut être contacté sur

Tel: 01527 406800
Fax: 01527 406810
www.hycontrol.com
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