Модернізація та дослідження ефективності системи дрібно-бульбашкової аерації на міських очисних спорудах

Модернізація та дослідження ефективності системи дрібно-бульбашкової аерації на міських очисних спорудах

вступ

В даний час основні процеси очищення стічних вод, що використовуються в Китаї, включають окислювальну канаву, SBR, активний мул та інші. Процес окислювальної канави має проблему високого споживання енергії, особливо в біологічній частині, на яку припадає 65–80% загального споживання енергії. Загальне аераційне обладнання, яке використовується в процесах окислювальної канави, включає аераційні щітки, аераційні диски, аератори з вертикальним валом і дрібно{4}}бульбашкові аератори. Наприклад, після того, як міська очисна споруда в певному місті перейшла з традиційної поверхневої механічної аерації на нижню дрібно{6}}бульбашкову аерацію, споживання енергії зменшилося на 20,11%, а якість очисної води стала стабільнішою. Крім того, дрібно{9}}бульбашкова аерація має характеристику зональної подачі кисню, яка може забезпечити точну подачу кисню відповідно до потреби в кисні в різних областях окислювальної канави, ще більше покращуючи ефективність видалення азоту та фосфору.

Система поверхневої аерації на певній муніципальній очисній станції працювала більше десяти років із серйозним старінням обладнання та труднощами в експлуатації. Важко було відповідати останнім стандартам скидання, тому технічне оновлення було актуальним. Цей проект модернізував систему до системи дрібно{2}}бульбашкової аерації, яка може значно зменшити споживання енергії, оптимізувати роботу, подовжити термін служби обладнання та зменшити витрати на технічне обслуговування відповідно до національної політики енергозбереження та скорочення викидів. У цьому проекті реконструкції було впроваджено практики екологічного будівництва під час демонтажу та встановлення обладнання: класифікована переробка старого обладнання, впровадження збірної установки та використання низьких-шумних і-машин із низькими-викидами, досягнення «технологічного-будівництва» двовимірного-збереження енергії та підтримки сталого розвитку очисних споруд.

1 Огляд проекту

1.1 Поточна ситуація

Муніципальна очисна споруда в певному місті має загальну потужність 50 000 тонн на добу, будується в три черги. Фаза I застосувала процес окислювальної канави, Фаза II та проект вдосконаленої обробки також застосували процес окислювальної канави з подальшою вдосконаленою обробкою з використанням коагуляційного осадження + фільтрації тканинним середовищем + процесу ультрафіолетової дезінфекції. Фаза III застосовувала модифікований процес A²O. Наразі стоки відповідають стандарту DB32/1072-2018.

1.2 Існуючі проблеми

1.2.1 Вплив зовнішньої мережі трубопроводів

Стічні води, що потрапляють в мережу водопроводів цього заводу, включають відведення багатьох промислових підприємств. Під час повсякденної експлуатації можуть бути впливи аномальних стічних вод промислових підприємств, що призводить до того, що значення DO в біологічному резервуарі стає дуже низьким, навіть досягаючи 0 мг/л, що не відповідає виробничим вимогам. Тим часом, через зміни зовнішніх умов, оскільки все більше промислових підприємств у межах зони обслуговування скидають стічні води в трубопровідну мережу, це підприємство зіткнеться з більш серйозним впливом якості води в майбутньому. Після коливання потоку розчинений кисень у біологічному резервуарі значно зменшується, а діапазон регулювання об’єму аерації від обертових дисків обмежений. У деякі періоди DO в аеробному резервуарі досягає 0 мг/л, що змушує завод у відповідь зменшувати потужність очищення, що значно впливає на аеробне середовище біологічного резервуара та потужність очищення.

1.2.2 Низький DO в аеротенку

Через несправності обертового диска, що спричиняє низьку ефективність оксигенації аераторів, під час фактичної виробничої експлуатації історичні робочі дані показують, що середні значення DO від приладів у середині та на виході аеротенку не перевищують 1 мг/л, при цьому найнижче значення досягає 0 мг/л, що серйозно впливає на ефективність біохімічної реакції.

1.2.3 Високе споживання енергії

Біологічні резервуари фази I та II цього заводу мають форму окислювальної канави. Окислювальна канава І фази використовує 8 ротаційних дискових аераторів потужністю 18,5 кВт із загальною потужністю поверхневого аератора 148 кВт. Фаза II окислювальної канави — це чотири-канальний карусельний тип канави з використанням 13 самовсмоктуючих-аераторів Hitachi, включаючи 2 комплекти по 11 кВт, 2 комплекти по 18,5 кВт і 9 комплектів по 15 кВт із загальною потужністю поверхневого аератора 194 кВт. За нормальної роботи, щоб забезпечити достатній об’єм води, через низьку ефективність оксигенації наявного обладнання для подачі кисню, усі аератори повинні бути повністю увімкнені.

Споживання електроенергії на тонну води для аераторів фази I та II становить: (18,5 кВт*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 юанів/тонна. Згідно з дослідженням енергоспоживання біологічної системи на кількох навколишніх муніципальних побутових очисних спорудах, споживання енергії для 25 000 тонн/день муніципальної побутової очисної станції з використанням нижньої дрібнопухирчастої системи аерації зазвичай становить 0,09–0,1 юаня/тонну. Енергоспоживання обертового дискового аератора в 2,4–2,7 разів перевищує споживання нижньої дрібно{15}}бульбашкової системи аерації, що вказує на відносно високе споживання енергії.

1.2.4 Висока частота відмов обладнання

У міру старіння ротаційних дискових аераторів рівень відмов обладнання поступово зростає. Після 11 років роботи на цьому заводі система аерації з обертовим диском деформувала диск, що спричинило високе навантаження на обладнання та значну вібрацію. Тривале-користування призвело до розхитування нижньої частини, що призвело до зміщення обох кінців та інших проблем, що спричинило підвищений знос підшипників і високу кількість відмов. Головні вали, робочі колеса, муфти та базові шестерні неодноразово ремонтувалися або замінювалися, фактично дійшовши до точки заміни. Підшипники та лопаті головки аератора само-аераторів були сильно зношені. Останні статистичні дані показують, що на заводі щороку проводилося близько 30 ремонтів обертових дискових аераторів і самовсмоктуючих аераторів.

2 Проект технічного рішення модернізації

Загальний підхід до модернізації такий: видаліть оригінальні дискові аератори, що обертаються, і замініть їх нижньою дрібно{0}}бульбашковою аерацією з відповідним додаванням повітродувок; підняти водозливну ємність біологічного резервуара для збільшення ефективної глибини води в біологічному резервуарі; додати змішувачі в аеробну секцію, використовуючи оригінальну структуру каналів, щоб запобігти локальному накопиченню шламу.

2.1 Вибір і схема аератора

2.1.1 Параметри диска аератора

Була обрана дискова аераторна мембрана EPDM модель DD330, як показано намалюнок 1, з конкретними параметрами, показаними вТаблиця 1.

2.1.2 Схема диска аератора

Кількість дисків аератора: корисна площа дна резервуара фази I 864 м², корисна площа дна резервуара фази ІІ 1412 м², середня робоча площа 0,8 м²/диск, із коефіцієнтом безпеки 1,05–1,10. Визначено остаточну загальну кількість аераторних дисків: Фаза І 1150 дисків, Фаза ІІ 1900 дисків.

Принцип компонування: Рівномірно розподілений у звичайній трикутній сітці. Відстань від стінки резервуара більше або дорівнює 0,3 м, щоб уникнути мертвих зон; Відстань від перегородки каналу Більше або дорівнює 0,4 м для полегшення обслуговування. Розділення вздовж напрямку потоку води з одним електричним регулюючим повітряним клапаном на зону для досягнення зонального керування DO. Уникайте всмоктувальних отворів мулових насосів, лотків для відбору проб і кабельних лотків, локально регулюючи відстань до 1,5 м, зберігаючи площу обслуговування на диск менше або дорівнює 0,8 м².

Висота встановлення та градація труби: верхня поверхня мембранного диска знаходиться на 0,25 м від дна резервуара, що забезпечує занурення більше або дорівнює 5,0 м при мінімальному рівні води, щоб запобігти стрибкам вентилятора. Патрубки використовують ABS DN50 з перфорованим розподілом повітря; магістральні труби розташовані в петлі, швидкість повітря регулюється на рівні 10–12 м·с⁻¹, матеріал SS304. Пара фланцевих швидко-з’єднувальних фітингів надається на кожні 10 дисків, що дозволяє повний підйом для технічного обслуговування без зливання бака.

2.2 Оптимізація системи повітродувки

2.2.1 Додавання повітродувок

В якості основних агрегатів були закуплені імпортні повітродувки з пневматичною підвіскою, а також було побудовано нове приміщення повітродувки з доданими повітропроводами з нержавіючої сталі.

2.2.2 Вибір повітродувки

Базуючись на фактичних умовах експлуатації станції та враховуючи майбутні зміни якості води, впливова концентрація ГПК у плані модернізації істотно не відрізняється від проектного значення із середньою концентрацією близько 320 мг/л. Концентрація БПК була розрахована на основі проектного значення фази III 150 мг/л, а інші впливові показники були розраховані на основі проектних концентрацій впливу фази III. Необхідний робочий об’єм повітря для І та ІІ фази установки становить 103,7 м³/хв (6225,1 м³/год, два робочих блоки та один резервний, об’єм повітря одного агрегату 50 м³/хв).

Комплексно враховуючи різні фактори, дві імпортні повітродувки з пневматичною підвіскою NX75-C060 були придбані як основні агрегати для Етапу I та II. Потрібно було побудувати нову повітродувку, орієнтовно розташовану на південній стороні початкового цеху зневоднення осаду, з повітроводами з нержавіючої сталі, доданими до канави окислення. Параметри повітродувки: тиск повітря 0,049 МПа, витрата повітря 50 м³/хв, максимальна вихідна потужність 64,3 кВт за даних умов експлуатації.

2.2.3 Модернізація системи аерації

Спосіб аерації змінено на донну. У біологічних резервуарах фази I та II використовується відповідна кількість дискових аераторів та аераційних труб ПВХ. Конкретний підхід до модернізації: очікується, що біологічний резервуар Фази I використовуватиме 780 комплектів дискових аераторів DD330 і аераційних труб ПВХ, Очікується, що біологічний резервуар Фази II використовуватиме 1276 комплектів дискових аераторів DD330 і труб аерації ПВХ, з робочим об’ємом повітря одного аератора 3,45 м³/год. Схема головки аератора показана наМалюнки 2 і 3.

2.3 Оптимізація параметрів процесу

2.3.1 Зонування канави окислення та стратегія контролю DO

Уздовж напрямку потоку води окислювальної канави ділянка аерації розділена на чотири зони. Зона 1: DO 0,3–0,5 мг/л, Зона 2: DO 0,2–0,3 мг/л, Зона 3: DO 1,5–2,0 мг/л, Зона 4: DO 1,0–1,5 мг/л. Прилад для обробки аміачного азоту встановлюється в точці найвищої швидкості реакції нітрифікації між зоною 2 і зоною 3, остаточно контролюючи витік NH3-N менше або дорівнює 1,5 мг/л.

2.3.2 Оптимізація періоду аерації

Модуль «переривчастої аерації» був доданий до існуючої системи SCADA, утворюючи онлайн-інструмент DO + час подвійного замкнутого циклу, щоб гарантувати, що DO в середині аеробної секції залишається на рівні 0,2 мг/л. Якщо DO<0.2 mg/L at the end of the air-off period, an additional 5 minutes of micro-aeration is automatically added (to protect mixers). After the cycle count reaches 12 times (6×24/120=12), the blower is forced to rest for 30 minutes (to prevent overheating from frequent start-stop cycles).

3 Аналіз ефекту модернізації

Вплив цієї інженерної модернізації на загальну роботу процесу досліджували шляхом порівняння змін забруднюючих речовин у стічних водах до та після модернізації.

3.1 Порівняння якості стічної води до та після модернізації

Якість стічної води до і після модернізації була стабільною, як показано вмалюнок 4. До і після модернізації середній ХПК у стічних водах залишався нижче 30 мг/л, TP в основному залишався менше або дорівнює 0,3 мг/л, NH₃-N менше або дорівнює 1,5 мг/л, тоді як TN коливається близько 10 мг/л. Загальна якість води досягла квазі-стандартів поверхневих вод класу IV, значно перевищуючи стандарти скидів, необхідні для заводу.

Щоб більш інтуїтивно проаналізувати можливий вплив модернізації на якість води, порівняли-річні тенденції якості стічної води до та після модернізації, що даломалюнок 5. З малюнка видно, що без урахування впливу змін концентрації потоку, коливання концентрацій COD і TP після модернізації були більш стабільними, ніж до модернізації. Хоча середні значення показників азоту зросли порівняно з до модернізації, загальна тенденція була відносно стабільною, що призвело до зниження загального енергоспоживання заводу та економії хімікатів.

3.2 Порівняння видалення забруднюючих речовин до та після модернізації

Завдяки вдосконаленню системи аерації загальне споживання електроенергії станцією зменшилося на 1,7% порівняно з попереднім періодом, тоді як потужність очищення зросла на 8,33%, а відповідне скорочення забруднюючих речовин також зросло, як показано наМалюнок 6. Після розрахунку зниження COD зросло на 948,5 тонн, TP збільшився на 7,0 тонн, NH₃-N збільшився на 100,4 тонн, а TN збільшився на 125,9 тонн.

Фактичне видалення забруднюючих речовин також змінилося відповідно, як показано наТаблиця 2. Після модернізації, за винятком зниження швидкості видалення NH₃-N, швидкість видалення для всіх інших показників зросла.

3.3 Порівняння енергоспоживання до та після модернізації

Енергоспоживання цього проекту модернізації показано вТаблиця 3. Після модернізації споживання електроенергії на тонну води для системи аерації біологічних резервуарів І черги зменшилося на 67,3%, а для ІІ фази – на 80,9%. Загальне середнє споживання електроенергії на тонну води зменшилося на 55,3%, демонструючи значний-ефект енергозбереження. Загальне споживання електроенергії заводом на тонну води зменшилося до 0,21 кВт·год/м³, у межах діапазону значень енергоспоживання для подібних процесів окислювальних канав по всій країні (0,292±0,192) кВт·год/м³. Споживання електроенергії на одиницю ваги забруднювача до та після модернізації для всього заводу показано вТаблиця 4. Після модернізації загальної системи аерації заводу споживання електроенергії на 1 кг обробленого COD зменшилося на 26,2%, на 1 кг обробленого TP зменшилося на 15,7%, на 1 кг обробленого NH3-N зменшилося на 29,3%, а на 1 кг обробленого TN зменшилося на 36,1%, демонструючи хороший ефект-збереження енергії.

3.4 Порівняння хімічних речовин до та після модернізації

До модернізації через часті збої в системі аерації було складно контролювати DO в біологічній системі, і відповідність стандартам показників азоту вимагала додавання зовнішнього джерела вуглецю для забезпечення ефективності видалення. Після модернізації додавання зовнішнього джерела вуглецю практично більше не було потрібно. Після модернізації ефективність біологічного видалення фосфору та денітрифікації значно покращилася, а супутні хімічні засоби для видалення фосфору PAC та хімічні речовини для зневоднення осаду PAM були відповідно зменшені. Річні витрати на хімікати зменшилися приблизно на 167 000 юанів порівняно з попереднім періодом. Конкретні зміни показано вТаблиця 5.

3.5 Порівняння інвестицій до та після модернізації

До модернізації річна вартість поверхневих аераторів становила 1,6281 мільйона юанів, а щорічні витрати на ремонт обладнання становили не менше 250 000 юанів. Після модернізації річні витрати на повітродувки та змішувачі становили 714 600 юанів. Виходячи з цього розрахунку, річна економія електроенергії становила 913 500 юанів, а також річна економія витрат на ремонт у 250 000 юанів, що в цілому становить 1,1635 млн юанів. Виходячи із загального обсягу інвестицій у 3,704 мільйона юанів, термін окупності становить 3,18 року.

3.6 Стабільність процесу

До модернізації, протягом періодів несправності, розчинений кисень у біологічному баку здебільшого підтримувався нижче 1,0 мг/л. Після модернізації вміст розчиненого кисню в біологічному резервуарі становив у середньому 1,5–2,0 мг/л. Залежно від концентрації потоку та вимог процесу, діапазон регулювання розчиненого кисню може становити 1,0–2,5 мг/л. Коли вхідна концентрація висока, нормальний рівень розчиненого кисню в біологічному резервуарі також можна підтримувати шляхом регулювання потужності повітродувки. Таким чином, після модернізації умови стабільної відповідності стоків задовольняються.

4 Висновок

Before technical renovation, this plant faced common problems with the oxidation ditch process: aging rotating discs → attenuation of oxygenation efficiency → insufficient DO, along with skyrocketing energy consumption and failure rates. Replacing them with a bottom fine-bubble aeration-mixer-blower system can reversely amplify the oxygen mass transfer coefficient, increase HRT in section A, and improve zonal oxygen supply precision, simultaneously enhancing denitrification without adding carbon sources. For similar plants: any oxidation ditch that has been in operation for ≥10 years, with aeration power consumption per ton of water >0,23 кВт·год, РОБИТИ часто<1 mg/L, and annual repair cost increases >15% може повторити це технічне оновлення. Враховуючи 55,3% економії електроенергії, період окупності 3,18- року та граничну вигоду від 3%–5% збільшення рівня скорочення забруднюючих речовин у цьому прикладі, інвестиції в реконструкцію мають високий запас безпеки та можуть негайно розкрити потенціал скорочення викидів вуглецю, забезпечуючи відтворювані та достатні умови для екологічної та низьковуглецевої модернізації старих окислювальних канав.