Огляд енергозбереження та скорочення викидів вуглекислого газу в системах аерації на очисних спорудах
Станом на кінець 2020 року в Китаї було 4326 муніципальних-рівнів і вище станцій очищення стічних вод (ОСВ), які очищували 65,59 мільярдів кубічних метрів стічних вод щорічно з річним споживанням електроенергії 33,77 мільярдів кВт-год, що становить 0,45% від загального національного споживання електроенергії. У 2020 році споживання одиниці електроенергії на кубічний метр очищеної води становило 0,405 кВт-год/м³ для очисних споруд, які впроваджують стандарт класу A або вище «Стандарту скидання забруднюючих речовин для муніципальних очисних споруд» (GB 18918-2002), і 0,375 кВт-год/м³ для тих, хто впроваджує стандарти нижче класу A. Ці цифри значно вищі, ніж в середньому в розвинених країнах. Хоча середня концентрація забруднюючих речовин у китайських очисних спорудах становить менше 50% від концентрації в розвинених країнах, споживання одиниці електроенергії на видалену забруднюючу речовину принаймні на 100% вище. Таким чином, залишається значний потенціал для енергозбереження та скорочення вуглекислого газу на очисних спорудах Китаю.
Викиди вуглецю від очисних споруд включають прямі та непрямі викиди. Згідно з «Технічною специфікацією для оцінки роботи очисних споруд з низьким{1}}вуглецевим вмістом» (T/CAEPI 49-2022), прямі викиди вуглецю в основному складаються з CH₄, N₂O та CO₂ від спалювання викопного палива. Непрямі викиди охоплюють викиди, пов’язані з придбаною електроенергією, теплом та хімікатами. Згідно з визначенням Міжурядової групи експертів зі зміни клімату (IPCC), CO₂, що виділяється в результаті процесу біологічного розкладання під час очищення стічних вод, не включається в облік викидів вуглецю. Серед різних елементів викидів вуглецю в очисних спорудах споживання електроенергії становить найбільшу частку. Jiang Fuhai та інші на основі вибірки з 10 очисних станцій виявили, що частка споживання електроенергії у викидах вуглецю коливається від 31% до 64%. Ху Сян та ін., аналізуючи 22 очисні споруди в басейні озера Чаоху, повідомили, що викиди вуглецю від споживання електроенергії становлять від 61,55% до 73,56%. Чим нижча концентрація викидів і чим вищий стандарт стоків, тим вища частка прямих викидів вуглецю, особливо від споживання електроенергії. Системи аерації споживають понад 50% електроенергії очисних споруд. Ефективність роботи систем аерації безпосередньо впливає на видалення азоту та фосфору. Надмірна аерація призводить до непотрібного споживання ендогенних джерел вуглецю у стічних водах, знижуючи ефективність біологічного видалення азоту та фосфору, тим самим збільшуючи дозування зовнішніх джерел вуглецю та хімікатів для видалення фосфору, що, у свою чергу, підвищує викиди вуглецю від споживання хімікатів. Отже, енергозбереження в системах аерації є ключовим фактором зменшення викидів вуглецю в очисних спорудах, що робить дослідження енергозберігаючих технологій систем аерації дуже важливими.
1. Причини високого енергоспоживання в системах аерації китайських очисних споруд
1.1 Фактичне впливове навантаження є нижчим за розрахункове
Низьке впливове навантаження включає як низьку швидкість потоку, так і низьку концентрацію забруднюючих речовин. Це основна причина надмірної аерації. Над-аерація не тільки збільшує споживання електроенергії, але й надмірно виснажує ендогенні джерела вуглецю в стічних водах і підвищує концентрацію розчиненого кисню в анаеробних і безкисневих резервуарах, погіршуючи видалення азоту та фосфору. Це вимагає збільшення дозування джерел вуглецю та хімікатів для видалення фосфору, збільшуючи відповідні викиди вуглецю.
1.1.1 Низька швидкість потоку
Як правило, у перші роки після будівництва очисної станції припливний потік часто не досягає проектної потужності через відставання міського розвитку або будівництва каналізаційної мережі. Крім того, у районах комбінованої каналізаційної системи або регіонах із сильним змішуванням зливових і стічних вод потік сухої-погоди значно нижчий, ніж потік-мокрої погоди, що призводить до великих коливань потоку. Це вимагає більш точного регулювання та контролю швидкості аерації; в іншому випадку надмірна{4}}аерація в періоди низького-потоку є звичайним явищем, що впливає на ефективність видалення вуглецю, азоту та фосфору та збільшує споживання електроенергії та хімікатів.малюнок 1показує коливання обсягу очищення стічних вод у місті Чанша між сухим і вологим сезонами. У вологий-сезон обсяг обробки на 30%–40% більший, ніж у сухий сезон. Сезонні коливання обсягу обробки вимагають більш точного контролю системи аерації.
1.1.2 Низька концентрація впливу
Фактичні концентрації забруднюючих речовин у муніципальних очисних спорудах Китаю, як правило, значно нижчі за проектні значення. У проекті очисних очисних споруд якість впливу зазвичай базується на середньо---довго-проекціях із повними каналізаційними мережами. Відповідно до «Стандарту проектування зовнішніх систем очищення стічних вод» (GB 50014-2021), п’яти-денна біохімічна потреба в кисні (БПК₅) для побутових стічних вод розраховується на рівні 40–60 г/(людина·день), зазвичай приймаючи 40 г/(людина·день). При скиді стічних вод на душу населення 200–350 л/(людина·день) у більшості міст проектна концентрація БПК₅ зазвичай коливається від 110 до 200 мг/л. Статистичні дані показують, що 68% очисних споруд Китаю мають фактичний середньорічний рівень БПК₅ нижче 100 мг/л, а 40% мають середньорічний рівень нижче 50 мг/л. З точки зору концентрації потоку та необхідної аерації, більшість китайських очисних споруд мають системи аерації, розроблені з використанням «великого двигуна для маленького візка»-конфігурованого з повітродувками-великої потужності, тоді як фактична потреба в повітрі низька. Така конфігурація легко призводить до надмірної аерації та збільшення споживання енергії.
1.2 Необґрунтована конфігурація кількості аераційного обладнання
Багато очисних споруд необґрунтовано налаштували кількість одиниць аераційного обладнання через неврахування частих умов роботи з низьким -навантаженням. Наприклад, багато малих і середніх- очисних споруд зазвичай налаштовують повітродувки в режимі «2 режиму роботи + 1 в режимі очікування» (загалом 3) у проекті повітряної кімнати, що є оптимальним за проектною витратою та умовами якості. Однак, за умов низького навантаження, робота навіть однієї повітродувки на мінімальній потужності може призвести до надмірної-аерації та збільшення енергоспоживання. Хоча встановлення частотно-регульованих приводів (VFD) або інших засобів для зменшення подачі повітря може уникнути надмірної-аерації, ці заходи можуть перемістити роботу повітродувки в іншу-зону високої ефективності, зменшуючи ефективність і витрачаючи енергію. Враховуючи загалом низькі впливові концентрації, слід розглянути такі стратегії, як збільшення кількості повітродувок із одночасним зменшенням потужності окремої одиниці, щоб задовольнити потреби регулювання попиту на повітря під час періодів низького -навантаження. Традиційно обмежені бюджети та висока вартість імпортованих високо-повітродувок призводили до меншої-конфігурації агрегатів. З удосконаленням вітчизняної високопродуктивної-технології повітродувок і зниженням витрат тепер створюються сприятливі умови для оптимізації конфігурацій повітродувок для досягнення енергозбереження та скорочення викидів вуглецю.
1.3 Низька ефективність аераційного обладнання
У деяких старих очисних спорудах, побудованих за технологіями свого часу, використовується аераційне обладнання з низьким-ефективністю та високим-енергоспоживанням-. За поточними технологічними стандартами та стандартами енергоефективності таке обладнання, як повітродувки Roots, багато{4}}ступеневі низькошвидкісні-відцентрові повітродувки, дискові аератори та щіткові аератори, вважаються низько-ефективними, як правило, від 40% до 65% ефективності-На 15%-40% нижчою, ніж сучасні високошвидкісні-відцентрові повітродувки. Крім того, у очисних спорудах, які використовують дрібно{14}}бульбашкову дифузійну аерацію в анаеробних-безкисневих-кисневих (A₂/O) або аноксидно-кисневих (A/O) процесах, старіння або засмічення дифузорів знижує ефективність передачі кисню та підвищує опір, тим самим збільшуючи споживання енергії вентилятором.
1.4 Невиправдана конфігурація змішувачів у біологічних резервуарах
У окислювальних канавах з поверхневими аераторами обладнання виконує функції аерації та змішування/штовхання. Це розумна конструкція в умовах проектного навантаження. Однак за умов низького -навантаження може знадобитися зменшення або припинення аерації, але щоб запобігти осіданню осаду чи відокремленню рідини-твердої речовини, необхідно підтримувати достатню швидкість потоку, що змушує аератори працювати безперервно та спричиняє надмірну{4}}аерацію, погане видалення поживних речовин і втрату енергії. Для більш-енергоефективної роботи при низьких навантаженнях окислювальні канави слід обладнати занурювальними мішалками належної конфігурації.
У процесах A₂/O та A/O аеробні резервуари зазвичай повністю покриті дифузорами з дрібними{0}}бульбашками без спеціальних змішувачів, покладаючись на достатню аерацію для запобігання осіданню. За низьких навантажень зменшення аерації або впровадження періодичної аерації, щоб уникнути надмірної -аерації, може легко призвести до осідання осаду, що вплине на очищення. Щоб ефективніше працювати при низьких навантаженнях, аеробні резервуари A₂/O та A/O повинні розглянути можливість додавання відповідних змішувачів.
2. Технічні підходи до енергозбереження та скорочення викидів вуглецю в системах аерації очисних станцій
2.1 Заміна на високо-ефективне аераційне обладнання
Очисні споруди, які все ще використовують низько{0}}ефективне обладнання, як-от повітродувки Roots, багато-ступеневі низько{2}}відцентрові повітродувки, дискові аератори чи щіткові аератори, або ті, що мають сильно застаріле та неефективне обладнання, повинні проводити оцінку енергоефективності з точки зору-збереження-викидів-викидів та вчасно замінювати їх новими, високо-ефективні моделі. Зараз високошвидкісні повітродувки, як-от одно-високошвидкісні-відцентрові повітродувки, повітродувки з магнітним підшипником і повітродувки з повітряним підшипником, що використовуються у великих очисних спорудах, зазвичай мають ефективність від 80% до 85%. Проте наразі на ринку бракує відцентрових повітродувок із малою-високою-потужністю. Очисні споруди з потужністю нижче 2000 м³/добу все ще покладаються на менш ефективне обладнання, наприклад повітродувки Roots, із ефективністю, як правило, від 40% до 65%, що вказує на значний потенціал для покращення. Таким чином, розробка більш ефективного дрібно{21}}обладнання для аерації має значення для енергозбереження та скорочення викидів вуглекислого газу на малих очисних спорудах.
2.2 Перехід від поверхневої аерації до дрібно-бульбашкової дифузної аерації
За відповідної глибини води дрібно{0}}бульбашкова дифузна аерація є більш-енергоефективною, ніж поверхнева аерація. Перетворення каналів окислення з поверхневої на дрібно{3}}бульбашкову дифузну аерацію може дати хороші-результати енергозбереження. Завдяки реалізованим проектам модернізації такі перетворення не тільки забезпечують значну економію енергії, але й покращують ефективність біологічного видалення поживних речовин. Дослідження Чень Чао зазначає, що після перетворення однієї очисної станції загальне споживання електроенергії зменшилося на 24,7%, тоді як рівень видалення аміачного азоту, ХПК і загального фосфору зріс на 30,39%, 5,39% і 2,09% відповідно. Xie Jici та ін. повідомили про економію енергії 0,09–0,12 кВт-год/м³ після аналогічного перетворення зі значним покращенням ефективності біологічного видалення поживних речовин. У дрібно{16}}бульбашковій аерації ефективність перенесення кисню лінійно позитивно корелює з глибиною води. Нижче певної критичної глибини його ефективність може бути нижчою, ніж поверхнева аерація. Як правило, глибина води понад 4 м вважається прийнятною умовою для перетворення окислювальних канав на дрібно{20}}бульбашкову дифузну аерацію.
3. Технічні підходи до енергозбереження та скорочення викидів вуглецю в системах аерації очисних станцій
3.1 Заміна на високо-ефективне аераційне обладнання
Очисні споруди, які все ще використовують низько{0}}ефективне обладнання, як-от повітродувки Roots, багато-ступеневі низько{2}}відцентрові повітродувки, дискові аератори чи щіткові аератори, або ті, що мають сильно застаріле та неефективне обладнання, повинні проводити оцінку енергоефективності з точки зору-збереження-викидів-викидів та вчасно замінювати їх новими, високо-ефективні моделі. Зараз високошвидкісні повітродувки, як-от одно-високошвидкісні-відцентрові повітродувки, повітродувки з магнітним підшипником і повітродувки з повітряним підшипником, що використовуються у великих очисних спорудах, зазвичай мають ефективність від 80% до 85%. Проте наразі на ринку бракує відцентрових повітродувок із малою-високою-потужністю. Очисні споруди з потужністю нижче 2000 м³/добу все ще покладаються на менш ефективне обладнання, наприклад повітродувки Roots, із ефективністю, як правило, від 40% до 65%, що вказує на значний потенціал для покращення. Таким чином, розробка більш ефективного дрібно{21}}обладнання для аерації має значення для енергозбереження та скорочення викидів вуглекислого газу на малих очисних спорудах.
3.2 Перехід від поверхневої аерації до дрібно-бульбашкової дифузної аерації
За відповідної глибини води дрібно{0}}бульбашкова дифузна аерація є більш-енергоефективною, ніж поверхнева аерація. Перетворення каналів окислення з поверхневої на дрібно{3}}бульбашкову дифузну аерацію може дати хороші-результати енергозбереження. Завдяки реалізованим проектам модернізації такі перетворення не тільки забезпечують значну економію енергії, але й покращують ефективність біологічного видалення поживних речовин. Дослідження Чень Чао зазначає, що після перетворення однієї очисної станції загальне споживання електроенергії зменшилося на 24,7%, тоді як рівень видалення аміачного азоту, ХПК і загального фосфору зріс на 30,39%, 5,39% і 2,09% відповідно. Xie Jici та ін. повідомили про економію енергії 0,09–0,12 кВт-год/м³ після аналогічного перетворення зі значним покращенням ефективності біологічного видалення поживних речовин. У дрібно{16}}бульбашковій аерації ефективність перенесення кисню лінійно позитивно корелює з глибиною води. Нижче певної критичної глибини його ефективність може бути нижчою, ніж поверхнева аерація. Як правило, глибина води понад 4 м вважається прийнятною умовою для перетворення окислювальних канав на дрібно{20}}бульбашкову дифузну аерацію.
3.3 Технологія періодичної аерації
Для очисних споруд з низькими концентраціями потоку переривчаста аерація безперервного-потоку ефективно вирішує проблеми поганого видалення поживних речовин і високого споживання енергії, спричинені надмірною{1}}аерацією. Він передбачає безперервний потік притоку та витоку, тоді як система аерації працює в циклах увімкнення/вимкнення аерації. Після дослідження ARAKI та ін. 1986 року щодо періодичної аерації для видалення азоту в окислювальних канавах багато вчених провели експериментальні дослідження. Hou Hongxun та ін. провів повномасштабне-випробування на 100 000 м³/день очисних споруд з використанням безперервної-переривчастої аерації потоку в окислювальній канаві, досягнувши 20% збільшення загального видалення азоту, 49% збільшення загального видалення фосфору та 21% зниження загального енергоспоживання заводу. He Quan та ін., під час 40 000 м³/день випробування окислювальної канави WWTP з використанням 2-годинного циклу/2-годинного циклу вимкнення, виявили, що порівняно з безперервною аерацією періодична аерація заощадила 42% енергії аерації, збільшила загальне видалення азоту на 9,6%, а загальне видалення фосфору на 6,9% взимку низькі-температурні умови. Zheng Wanlin та ін. під час випробування процесу A₂/O на 40 000 м³/день WWTP з використанням 3-годинного циклу ввімкнення/3-годинного вимкнення підтримували стабільну якість стоків, що відповідає стандартам, заощаджуючи при цьому 18,3% споживання електроенергії. В даний час повномасштабне застосування безперервної переривчастої аерації все ще обмежене, залишаються деякі технічні проблеми.
Для процесів A₂/O з використанням дрібно{0}}бульбашкової аерації два фактори обмежують широке застосування періодичної аерації. По-перше, високо-швидкісні відцентрові повітродувки створюють високий-децибел, різкий шум під час запуску; часте перемикання на переривчасту роботу створює шумове забруднення. По-друге, часті цикли запуску-зупинки для повітродувок із магнітним/повітряним підшипником призводять до того, що без{6}}контактні підшипники неодноразово контактують із корпусом, що легко призводить до пошкодження підшипників, збільшення кількості відмов і скорочення терміну служби.
Застосовуючи періодичну аерацію до окислювальних канав або процесів A₂/O, необхідно забезпечити достатню швидкість змішування під час періодів без -аерації, що потенційно потребує додаткових змішувачів для запобігання осіданню осаду. Концентрація аміачного азоту може швидко зростати під час відсутності-аерації, ризикуючи миттєвим перевищенням. Таким чином, необхідні подальші дослідження для наукового встановлення та коригування циклів аерації, покращення економії енергії та видалення забруднюючих речовин, уникаючи миттєвого перевищення рівня аміачного азоту.
Занепокоєння очисних споруд з приводу можливого миттєвого перевищення вмісту аміачного азоту є основною перешкодою для широкого застосування періодичної аерації. У січні 2022 року Міністерство екології та навколишнього середовища оприлюднило консультацію щодо проекту поправки до GB 18918-2002, в якій передусім пропонується додати максимально допустимі межі для одиничних вимірювань. Ці запропоновані ліміти єдиного вимірювання значно вищі за вихідні середньодобові ліміти, тоді як середні добові значення залишаються незмінними. Наприклад, для стандарту класу А одноразове вимірювання нижче 10 мг/л (15 мг/л нижче 12 градусів) буде прийнятним, якщо середньодобове значення залишається нижче 5 мг/л (8 мг/л нижче 12 градусів). У разі впровадження ця поправка може допомогти у вирішенні регуляторних проблем щодо миттєвого перевищення через періодичну аерацію, сприяючи її застосуванню в процесах окислювальних канав.
3.4 Технологія точної аерації
Швидкість потоку очисних очисних установок і концентрація притоку істотно коливаються, навіть протягом дня, викликаючи змінну потребу в повітрі. Покладаючись виключно на ручне налаштування-на основі досвіду, ускладнюється точний контроль і може погіршитися стабільність якості стоків. З розвитком великих даних і штучного інтелекту з’явилася концепція точної аерації. Технологія точної аерації була застосована в деяких очисних спорудах, що зазвичай забезпечує 10–20% економії енергії в системах аерації. Поєднання точної аерації з іншими модифікаціями процесу може дати кращі результати. Чжу Цзе та ін. реалізовано точну аераційну модернізацію в багато-ступеневій очисній станції з відведенням повітря, досягнувши 49,8% економії енергії в системі аерації. Точна та інтелектуальна аерація є важливим майбутнім напрямком енергозбереження та скорочення викидів вуглецю. Поточні обмеження існують у-можливостях у реальному часі та точності збору та аналізу даних для цих систем. Потрібні додаткові технологічні прориви в режимі-точного керування повітродувками та клапанами та точного розподілу повітря.
4. Висновок
Енергозбереження в системах аерації є ключовим фактором зменшення викидів вуглецю в очисних спорудах. Основною причиною високого енергоспоживання китайськими системами аерації очисних споруд є низьке впливове навантаження, яке легко призводить до надмірної -аерації, марної витрати електроенергії та збільшення викидів вуглецю від електроенергії та хімікатів. Інші причини включають старіння/низьку -ефективність обладнання та необґрунтовану конфігурацію обладнання для аерації та змішування. Ефективні засоби досягнення енергозбереження та скорочення вуглецю включають заміну низько-ефективного високо-ефективного аераційного обладнання, перетворення поверхні на дрібно-бульбашкову дифузну аерацію та застосування таких технологій, як безперервна-переривчаста аерація та точна аерація.