Характеристика забруднення та відновлення ефективності аерації дифузора з дрібними-порами на очисних спорудах
Будучи критичним кроком у процесі обробки активного мулу на муніципальних очисних спорудах (ОСВ), аерація для подачі кисню не тільки забезпечує достатню кількість кисню для підтримки основної життєдіяльності мікроорганізмів, але й утримує мул у зваженому стані, полегшуючи адсорбцію та видалення забруднюючих речовин. Аерація також є найбільш{1}}енергоспоживаючим блоком очисних споруд, на який припадає від 45% до 75% загального енергоспоживання заводу. Таким чином, продуктивність системи аерації безпосередньо впливає на ефективність очищення та експлуатаційні витрати очисних споруд. Обладнання для аерації є ключовим компонентом системи аерації, причому дрібнопухирчасті аератори найчастіше використовуються в муніципальних очисних спорудах через їх високу ефективність переносу кисню (OTE). Однак під час тривалої -експлуатації забруднюючі речовини неминуче накопичуються на поверхні та в порах аераторів. Для забезпечення якості стоків потрібна додаткова подача повітря від повітродувок, що призводить до збільшення споживання енергії. Крім того, забруднення посилює закупорку пор і змінює матеріал аератора. Втрата тиску (динамічний вологий тиск, DWP) компонентів аератора збільшується протягом тривалої роботи, підвищуючи тиск повітря на виході з повітродувки та спричиняючи додаткові втрати енергії.
Забруднювачі, що накопичуються на поверхні та всередині пор дрібнопухирчастих аераторів, включають біологічні, органічні та неорганічні забруднення. Органічне забруднення є результатом адсорбції та осадження органічних речовин і осадження мікробних виділень. Неорганічні забруднення зазвичай складаються з хімічних осадів, утворених полівалентними катіонами, такими як оксиди металів. Залежно від того, чи можна їх видалити фізичним очищенням, забруднювачі можна класифікувати як фізично оборотні або фізично незворотні забруднення. Фізично оборотні забруднення можна видалити простими фізичними методами, такими як механічне очищення, оскільки ці забруднювачі нещільно прикріплені до поверхні аератора. Фізично незворотні забруднення не можна усунути фізичним очищенням і потребують більш ретельного хімічного очищення. У межах фізично незворотного забруднення забруднювачі, які можна видалити за допомогою хімічного очищення, називаються хімічно оборотним забрудненням, тоді як ті, які неможливо видалити навіть шляхом хімічного очищення, вважаються невідновлюваним забрудненням.
Наразі дрібнопухирчасті аератори, що використовуються в країні, включають традиційні гумові матеріали, такі як етиленпропілендієновий мономер (EPDM), і новіші матеріали, такі як поліетилен високої-щільності (HDPE). Газорозподільний шар аераторів HDPE формується шляхом покриття внутрішньої труби подачі повітря розплавленим полімером з діаметром пор приблизно (4,0 ± 0,5) мм. HDPE має хороші хімічні, механічні та ударостійкі властивості та тривалий термін служби. Однак його розміри пор є непостійними та нерівномірно розподіленими, що робить їх схильними до осадження забруднюючих речовин. Матеріал EPDM дуже гнучкий, з порами, створеними механічним різанням. Аератори з EPDM мають більшу кількість пор на одиницю площі, створюючи менші бульбашки (мінімум 0,5 мм). Гідрофільна природа гумової мембрани також сприяє утворенню бульбашок. Однак мікроорганізми, як правило, прикріплюються та ростуть на поверхнях EPDM, використовуючи пластифікатори як субстрат. Одночасно споживання пластифікаторів викликає твердіння матеріалу аератора, що в кінцевому підсумку призводить до втомного пошкодження та скорочення терміну служби. Таким чином, необхідно дослідити закономірності накопичення забруднюючих речовин на цих двох матеріалах і наступні зміни в ефективності переносу кисню та втрати тиску.
У цьому дослідженні в якості суб’єктів дослідження були використані дрібнопухирчасті аератори, замінені після багатьох років експлуатації з двох муніципальних очисних споруд з подібними умовами процесу. Забруднювачі на аераторах витягували та характеризували шар за шаром, щоб визначити їхні основні компоненти. На основі цього було оцінено ефективність методів очищення для відновлення ефективності передачі кисню аераторами з метою надання фундаментальних даних і технічних довідок для-довгострокової оптимізованої та стабільної роботи систем дрібнопухирцевої аерації.
1 Матеріали та методи
1.1 Вступ до очисних споруд
Обидві очисні станції розташовані в Шанхаї та використовують анаеробний-безкисневий-кисневий (AAO) процес як основний спосіб очищення. WWTP A використовує вихрову зернокамеру + звичайний AAO + високо-ефективний волокнистий фільтр + процес УФ-дезінфекції. WWTP B використовує камеру з аерованим піском + звичайний AAO + високо-ефективний відстійник + процес УФ-дезінфекції. Обидві станції стабільно відповідають стандарту класу А "Стандарту скидання забруднюючих речовин для муніципальних очисних споруд" (GB 18918-2002). Конкретні конструктивні та робочі параметри наведено вТаблиця 1.
1.2 Вилучення та характеристика забруднювачів аератора
Дрібнобульбашкові аератори, які використовувалися в експериментах, являли собою трубчастий аератор HDPE (Ecopolemer, Україна), отриманий із заводу A, і трубчастий аератор EPDM (EDI-FlexAir, США), отриманий із заводу B. Фотографії обох показано намалюнок 1. Стара трубка з поліетилену високої міцності (HDPE) працювала 10 років, розміри D×L=120 мм×1000 мм і діаметр пор (4±0,50) мм, здатні створювати дрібні бульбашки розміром 2~5 мм. Стара трубка EPDM працювала 3 роки, розміри D×L=91 мм×1003 мм, утворювали дрібні бульбашки розміром 1,0~1,2 мм, мінімальний діаметр бульбашок 0,5 мм.
Старі трубки HDPE та EPDM витягли з аеробних баків, помістили на харчову плівку та промили деіонізованою водою. Механічне очищення було виконано за допомогою-стерилізованого полум’ям леза, щоб зішкребти забруднюючі речовини, що прилипли до поверхні аератора.
Для подальшого вивчення впливу забруднення на ефективність перенесення кисню було проведено хімічне очищення труби з ПНД. Після механічного очищення трубку з ПНД замочували в 5% розчинах HCl і 5% NaClO на 24 години відповідно. Старі труби, механічно очищені труби та хімічно очищені труби сушили в духовці при 60 градусах (модель XMTS-6000) протягом 60 годин. Потім їхні поверхні досліджували за допомогою скануючої електронної мікроскопії (SEM, модель JSM-7800F, Японія), енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDX, Oxford Instruments, Великобританія) та конфокальної лазерної скануючої мікроскопії (CLSM, модель TCS SP8, Німеччина). Очисний розчин HCl фільтрували через мембрану 0,45 мкм і кількісний аналіз полівалентних катіонів (включаючи іони Ca, Mg, Al, Fe тощо) проводили за допомогою оптично-емісійної спектрометрії з індуктивно пов’язаною плазмою (ICP, модель ICPS-7510, Японія). Оскільки HCl і NaClO можуть спричинити денатурацію та старіння мембрани EPDM, хімічне очищення трубки EPDM не проводилося. Трубку EPDM розрізали на шматки мембрани 5 см × 5 см і змочували в HCl для кількісного аналізу полівалентних катіонів у розчині.
1.3 Обладнання та метод випробування ефективності передачі кисню аератором
Ефективність передачі кисню дрібнопухирцевих аераторів перевіряли відповідно до «Визначення ефективності передачі кисню чистої води дрібнопухирцевих аераторів» (CJ/T 475-2015). Тестове налаштування показано вмалюнок 2.
Апарат являє собою конструкцію з нержавіючої -сталі розміром 1,2 м × 0,3 м × 1,4 м з оглядовими вікнами з органічного скла з обох боків. Аератор закріплювався в центрі дна за допомогою металевої опори з глибиною занурення 1,0 м. Багато{7}}параметричний аналізатор якості води (Hach HQ30D, США) використовувався для моніторингу концентрації розчиненого кисню (РО) у реальному-часі. Як деоксигенуючий агент використовувався безводний сульфіт натрію, а як каталізатор – хлорид кобальту. Показання манометра представляли динамічний вологий тиск аератора (DWP, кПа). Результати вимірювань були скориговані на температуру, солоність і DO. Як оціночний показник використовували стандартизовану ефективність переносу кисню (SOTE, %).
Споживання енергії повітродувки пов’язане як з витратою повітря, що подається, так і з тиском повітря на виході, на які впливають SOTE та DWP аератора відповідно. Таким чином, індекс споживання енергії аерації J (кПа·год/г), що представляє сукупний ефект SOTE та DWP, використовувався для оцінки продуктивності аератора. Він визначається як втрата тиску, яку повинен подолати аератор на одиницю маси переданого кисню. J розраховується на основі нахилу лінійної регресії між DWP/SOTE і витратою повітря (AFR), як показано в наступному рівнянні:
Де:
AFR– витрата повітря, м³/год;
ρповітрягустина повітря, прийнята як 1,29 × 10³ г/м³ при 20 градусах;
yO2це вміст кисню в повітрі, прийнятий як 0,23 г O₂/г повітря.
2 Результати та аналіз
2.1 Ефективність передачі кисню новими, старими та очищеними аераторами
малюнок 3показує SOTE і DWP аераторів при різних витратах повітря.
З малюнків 3(a) та (b) значення SOTE для нових труб HDPE та нових труб EPDM становили (7,36±0,53)% та (9,68±1,84)%, відповідно. Трубка з EPDM утворює менші бульбашки з більшою питомою поверхнею, збільшуючи площу контакту газ-рідина та час перебування, що призводить до вищого SOTE. SOTE обох аераторів зменшувався зі збільшенням AFR, оскільки вищий AFR збільшує кількість бульбашок і початкову швидкість, що призводить до більшого зіткнення бульбашок і утворення більших бульбашок, що перешкоджає переносу кисню з газової фази в рідку. SOTE труби EPDM продемонстрував більш виражену тенденцію до зниження зі збільшенням AFR порівняно з трубою HDPE. Це пов’язано з тим, що пори аератора з ПНД є жорсткими і не змінюються з AFR, тоді як пори аератора з EPDM є гнучкими та відкриваються ширше зі збільшенням AFR, утворюючи більші бульбашки та додатково зменшуючи SOTE.
Після тривалої -експлуатації SOTE труби з ПНД впав до (5,39±0,62)%, що на 26,7%, головним чином через накопичення забруднюючих речовин, що закупорює пори та зменшує кількість ефективних пор для утворення бульбашок. Механічне чищення підвищило SOTE труби HDPE до (5,59±0,66)%, але відновлення не було значним, можливо, через те, що забруднюючі речовини на трубі HDPE не лише прикріплювалися до поверхні, але й осідали всередині пор, що ускладнювало їх видалення механічним очищенням. Jiang та ін. виявили, що NaClO може ефективно видаляти забруднювачі з труб HDPE і відновлювати їх ефективність аерації. Після очищення NaClO SOTE трубки з ПНД відновився до (6,14±0,63)%, що становить 83,4% від рівня в новій трубці, і все ще не може повністю відновитися. Це пояснюється тим, що під час тривалої роботи забруднювачі стають щільно прикріпленими, змінюючи структуру пор, перешкоджаючи потоку повітря, посилюючи коалесценцію бульбашок, зменшуючи питому площу поверхні бульбашок і час перебування, і таким чином перешкоджаючи переносу кисню. Водночас забруднення спричиняє нерівномірний розподіл повітря, погіршуючи загальну продуктивність.
SOTE старої трубки EPDM впав до (9,06±1,75)%, що становить 6,4%. Крім закупорювання пор через накопичення забруднюючих речовин, біологічне забруднення споживає пластифікатори в матеріалі, зміцнюючи аератор і деформуючи пори. Деформовані пори не можуть повернутися до свого початкового стану, утворюючи більші бульбашки та знижуючи SOTE. Механічне чищення збільшило SOTE трубки EPDM до (9,47±1,87)%, майже відновивши його до рівня нової трубки, що вказує на те, що забруднювачі на трубці EPDM були нещільно прикріплені до поверхні та могли бути здебільшого видалені механічним очищенням.
З малюнків 3(c) і (d) DWP нової труби EPDM становив (6,47±0,66) кПа, що значно вище, ніж у нової труби HDPE [(1,47±0,49) кПа]. Це пояснюється тим, що діаметр пор трубки EPDM менший, ніж у трубки HDPE, що призводить до більшого опору, коли бульбашки продавлюються. Після тривалої -експлуатації DWP старої трубки з ПНД збільшився до (4,36±0,56) кПа, що в 2,97 раза більше, ніж у нової труби. Збільшення DWP пов’язане як зі ступенем закупорювання пор, так і зі змінами матеріалу. Механічне очищення зменшило DWP труби HDPE у 2,25 рази, ніж у нової труби. Очищення NaClO ще більше знизило його до (2,04±0,45) кПа, що в 1,39 рази більше, ніж у новій трубці. Це ще раз вказує на те, що більшість забруднювачів на трубці з поліетилену високої щільності (HDPE) осідали всередині пор і не могли бути ефективно видалені шляхом механічного чищення, що вимагає очищення NaClO для відновлення продуктивності. DWP старої трубки EPDM збільшився до (8,10 ± 0,94) кПа, що в 1,25 рази більше, ніж у нової трубки, і зменшився до 1,10 разів після механічного очищення.
малюнок 4показує зміну DWP/SOTE (позначається як DWP') з AFR для аераторів.
Рівняння лінійної регресії було використано для підгонки DWP' проти AFR, і параметр енергоспоживання J був отриманий з нахилу. Значення J для нових трубок з ПНД і EPDM становили 0,064 і 0,204 кПа·год/г відповідно, що вказує на те, що на одиницю маси переданого кисню трубка з EPDM повинна подолати більшу втрату тиску. На момент заміни значення J для труб ПНД та EPDM зросли до 0,251 та 0,274 кПа·год/г відповідно. Забруднення аератора, що призводить до збільшення втрати тиску, може вплинути на безпечну роботу повітродувки. Після механічного протирання значення J для труб ПЕНД і EPDM знизилися до 0,184 і 0,237 кПа·год/г відповідно. Зміни J можуть бути використані для кількісного аналізу забруднювачів аератора. Різниця в J між старою трубою та механічно очищеною трубою спричинена фізично оборотним забрудненням. Різниця між механічно очищеною трубою та новою трубою спричинена фізично необоротним забрудненням. Різниця між механічно очищеною трубкою та хімічно очищеною трубкою спричинена хімічно оборотним забрудненням, тоді як різниця між хімічно очищеною трубкою та новою трубкою спричинена невідновним забрудненням. На рисунку 5 показано зміни параметра енергоспоживання J для аераторів.
Відмалюнок 5Для труби з ПНД фізично оборотні та фізично незворотні забруднення становили 35,8% і 64,2% від загального забруднення відповідно. Серед фізично необоротного забруднення хімічно оборотне та невідновне забруднення становили 42,8% та 21,4% відповідно. Для трубки EPDM фізично оборотне та фізично незворотне забруднення становили 52,9% та 47,1% відповідно. Невиправні забруднення не з’являються спочатку, а накопичуються з часом, зрештою визначаючи термін служби аератора. Таким чином, слід встановити розумні графіки очищення, щоб уповільнити перехід від оборотного забруднення до незворотного та мінімізувати накопичення невиправного забруднення.
2.2 Спостереження SEM за новими, старими та очищеними аераторами
Малюнок 6показує SEM зображення поверхонь нових, старих і механічно очищених аераторів. Пориста структура нової трубки з ПНД чітко помітна, а поверхня нової трубки з EPDM гладка з чистими-порами. Після кількох років експлуатації морфологія поверхні обох аераторів істотно змінилася. Нерівні стрижневі-подібні та блокові забруднювачі повністю вкривали поверхню, із агрегатами забруднюючих речовин навколо та всередині пор, перешкоджаючи переносу кисню та збільшуючи втрату тиску. Після механічного чищення більшість забруднюючих речовин з поверхні трубки EPDM було видалено, але пори залишилися забитими. Для труби ПНД товщина шару забруднювача зменшилася, але пори все ще були закриті.
2.3 Аналіз неорганічного забруднення нових, старих і очищених аераторів
EDX використовувався для подальшого аналізу основного елементного складу поверхонь аератора, результати наведено вТаблиця 2. Вуглець, кисень, залізо, кремній і кальцій були виявлені на поверхнях HDPE і EPDM. Трубка HDPE також містила магній, тоді як трубка EPDM містила алюміній. Зроблено припущення, що неорганічні забруднювачі на трубці з ПНД були діоксидом кремнію, карбонатом кальцію, карбонатом магнію та фосфатом заліза, тоді як на трубці з EPDM були діоксид кремнію та оксид алюмінію. Ці неорганічні опади утворилися, коли концентрація неорганічних іонів із міських стічних вод і активного мулу досягла насичення на поверхні аератора. Після механічного очищення неорганічні елементи на поверхнях аератора показали невелику різницю порівняно зі старими трубами, що вказує на те, що механічне очищення не може ефективно видалити неорганічні забруднювачі. Кім та ін. виявили, що після тривалої -експлуатації неорганічні забруднювачі покриваються органічними забруднювачами, щільно прилипаючи до поверхні та всередині пор, що ускладнює їх видалення механічним чищенням.
Після очищення HCl іони металу на поверхнях аератора були повністю видалені. HCl роз'їдав частину органічного шару, що покривав поверхню, проникав у нього та реагував з іонами металу, видаляючи неорганічні опади шляхом нейтралізації та розкладання. Очисний розчин HCl, який використовувався для замочування аераторів, аналізувався ICP для розрахунку вмісту неорганічних забруднюючих речовин. Вміст Ca, Mg і Fe для трубки HDPE становив 18,00, 1,62 і 13,90 мг/см² відповідно, тоді як для трубки EPDM вміст Ca, Al і Fe становив 9,55, 1,61 і 3,38 мг/см² відповідно.
2.4 Аналіз органічного забруднення нових, старих і очищених аераторів
Для кількісного дослідження розподілу органічних забруднювачів було використано програмне забезпечення Image J для розрахунку біооб’єму та коефіцієнта покриття субстрату загальних клітин, полісахаридів і білків з мікрофотографій CLSM, із середніми значеннями, прийнятими як кінцеві результати (Малюнок 7).
Як показано на малюнку 7(a), білки та загальні клітини були основними компонентами органічних забруднювачів на трубках із ПЕВП та EPDM, відповідно, з максимальними загальними об’ємами, що досягали 7,66×10⁵ та 7,02×105 мкм³. Загальний об’єм клітин у трубці з EPDM був у 2,5 рази більшим, ніж у трубці з поліетилену високої щільності, що узгоджується з висновками Garrido-Baserba та ін., які повідомили про вищу загальну концентрацію ДНК на старих аераторах з EPDM порівняно з іншими матеріалами. Вангер та ін. виявили, що коли мікроорганізми прикріплюються до трубок EPDM, якщо в навколишньому середовищі бракує достатньої кількості органічного субстрату, вони звернулися до використання пластифікаторів мембран EPDM. Мікроорганізми можуть використовувати пластифікатори як джерело вуглецю, прискорюючи ріст і розмноження, тим самим посилюючи біологічне забруднення на поверхні EPDM. Вміст полісахаридів і білка в трубці з EPDM був набагато нижчим, ніж у трубці з поліетилену високої щільності, можливо, через вищий вік мулу на заводі B порівняно з заводом A, що призвело до нижчої концентрації позаклітинної полімерної речовини (EPS). Будучи основними компонентами EPS, білки та полісахариди, що виділяються мікроорганізмами, стали значними джерелами органічних забруднювачів на поверхні труби HDPE на заводі A.
Після механічного очищення загальна кількість клітин, полісахаридів і білків на пробірці HDPE зменшилася на 1,49 × 10⁵, 0,13 × 10⁵ і 1,33 × 10⁵ мкм³ відповідно. На трубці EPDM відповідне зменшення становило 2,20 × 10⁵, 1,88 × 10⁵ і 2,38 × 10⁵ мкм³ відповідно. Це вказує на те, що механічне очищення може певною мірою зменшити органічне забруднення.
Однак для трубки з ПНД площа покриття субстрату полісахаридами та білками зросла після механічного очищення-з 2,75% і 6,28% до 4,67% і 7,09% відповідно [Малюнок 7(b)]. Це сталося через те, що позаклітинні полімерні речовини (ППС) мають високу в'язкість. Отже, механічне очищення мало контрпродуктивний ефект поширення білків, полісахаридів і неорганічних забруднюючих речовин ширше по поверхні труби HDPE, що призвело до більшого покриття площі. Ймовірно, це пояснює, чому механічне очищення не змогло суттєво відновити ефективність аерації труби HDPE.
Після очищення NaClO загальна кількість клітин, полісахаридів і білків на пробірці з ПНД зменшилася на 2,34 × 10⁵, 3,42 × 10⁵ і 4,53 × 10⁵ мкм³ відповідно, демонструючи значно вищу ефективність видалення, ніж механічне очищення. NaClO окислює функціональні групи органічних забруднювачів до кетонів, альдегідів і карбонових кислот, підвищуючи гідрофільність вихідних сполук і знижуючи адгезію забруднюючих речовин до аератора. Крім того, пластівці мулу та колоїди можуть розкладатися окислювачами на дрібні частинки та розчинені органічні речовини.
3 Висновки
①Значення SOTE для нових труб HDPE та нових труб EPDM становили (7,36±0,53)% та (9,68±1,84)%, відповідно. SOTE труби EPDM продемонстрував більш виражену тенденцію до зниження зі збільшенням AFR порівняно з трубою HDPE. Це пов’язано з тим, що пори аератора з ПНД є жорсткими і не змінюються з AFR, тоді як пори аератора з EPDM є гнучкими та відкриваються ширше зі збільшенням AFR, утворюючи більші бульбашки та додатково зменшуючи SOTE.
②Через накопичення забруднюючих речовин на поверхні та всередині пор ефективність передачі кисню трубки з ПНД знизилася на 26,7%, а втрати тиску зросли до 2,97 разів, ніж у новій трубці. Оскільки більшість забруднювачів на трубі з ПНД осідали всередині пор, механічне очищення не було ефективним. Після хімічного очищення SOTE труби HDPE відновився до 83,4% від рівня нової труби, а DWP зменшився до 1,39 разів, ніж у новій трубі, демонструючи значне покращення продуктивності. Однак через випадіння забруднюючих речовин він не міг повністю відновитися до початкового стану. Для труб ПНД фізично оборотне, хімічно оборотне та невідновне забруднення становили 35,8%, 42,8% і 21,4% відповідно.
③Після тривалої -експлуатації ефективність передачі кисню трубки EPDM зменшилася на 6,4%, а втрати тиску зросли в 1,25 рази, ніж у новій трубці. Після механічного чищення ефективність аерації EPDM-трубки була майже відновлена до рівня нової трубки, що вказує на те, що забруднюючі речовини на EPDM-трубці були нещільно прикріплені до поверхні та могли бути значною мірою видалені шляхом механічного очищення. Для трубки EPDM фізично оборотне та фізично незворотне забруднення становили 52,9% та 47,1% відповідно.
④Білки були основним компонентом органічних забруднювачів на трубці HDPE, тоді як загальні клітини були головним компонентом на трубці EPDM. Це тому, що мікроорганізми використовують пластифікатори в матеріалі EPDM як джерело вуглецю, прискорюючи їх ріст і розмноження, тим самим посилюючи біологічне забруднення на аераторах матеріалу EPDM.