Technické základy a prevádzkové riadenie nízko{0}}zaťaženej prevzdušňovacej nádrže
1. Prehľad
1.1 Princíp činnosti prevzdušňovacích nádrží
Prevzdušňovanie dúchadlom, bežne používané v Číne, zahŕňa predovšetkým difúzne, špirálové a mikroporézne typy prevzdušňovania. Prevzdušňovacia nádrž typicky obsahuje prevzdušňovací systém, štruktúru nádrže a vstupné/výstupné otvory, ktoré slúžia ako kľúčová konštrukcia pri čistení odpadových vôd s aktivovaným kalom. Bežné spôsoby prevzdušňovania sú mechanické a dúchacie prevzdušňovanie. Prevzdušňovacie systémy vo všeobecnosti pozostávajú zo špecializovaných prevzdušňovačov a dúchadiel. Nádrže sú často rozdelené do viacerých oddelení, z ktorých každé je schopné nezávislého prítoku. Odpadová voda vstupuje do nádrže a vystupuje na opačnom konci. Počas tohto procesu sa vzduch dodáva cez kompresory do difúzorov na dne nádrže a uvoľňuje sa ako bubliny.
1.2 Súvisiaci výskum o prevzdušňovacích nádržiach
Výskum Cheng Dandan a kol. zistili, že v čínskych komunálnych čistiarňach odpadových vôd (ČOV) spotrebúvajú prevzdušňovacie dúchadlá približne 60 % celkovej energie. Integrácia prevzdušňovacieho systému s inteligentnou reguláciou PID v uzavretej-slučke pre rozpustený kyslík (DO) a implementácia stratégií na úsporu energie dúchadla-môže efektívne riešiť vysokú spotrebu energie v prevzdušňovacích systémoch ČOV a znížiť ju o viac ako 30 %.
Liu Xiaoqi a kol. využívali prevzdušňovače s rozptýleným prietokom na zvýšenie obsahu kyslíka v odpadovej vode počas čistenia pri súčasnom znížení spotreby energie. Dosiahlo sa tým aj rovnomerné miešanie a distribúcia vody-vzduchu, čím sa znížili požiadavky na presnosť pri inštalácii prevzdušňovača.
Chang Kai a kol. zlepšený výkon konvenčného systému prevzdušňovacej nádrže úpravou pôvodného režimu zberu vzduchu. Tradičné mikroporézne prevzdušňovače nahradili silikónovými doskovými mikroporéznymi prevzdušňovačmi s vysokou účinnosťou prenosu kyslíka a nahradili jedno-priame{4}}prevzdušňovacie nádrže s tromi-serpentínovými nádržami. Začlenenie presného riadenia prevzdušňovania ďalej zlepšilo systém a riešilo problémy vysokej spotreby energie, nízkej účinnosti a zlého prenosu hmoty pri tradičných metódach prevzdušňovania dúchadlami.
1.3 Prevádzkové riadenie prevzdušňovacích nádrží
Prevzdušňovacie nádrže sú široko používané pri čistení odpadových vôd. Podľa princípu „oddeleného čistenia pre rôzne prúdy odpadu“ špecifická jednotka na úpravu slanej odpadovej vody ČOV primárne spracováva odpadové vody z elektrického odsoľovania z atmosférickej-vákuovej destilácie, stripovanú čistenú vodu, odpadovú vodu z alkylačnej neutralizácie a niektoré supernatanty a vysoko-salinné odpadové vody. Táto jednotka je vybavená trojstupňovým systémom biologického čistenia, pričom sekundárnym stupňom je prevzdušňovacia nádrž s ventilátorom. Jeho priemerná spotreba chemického kyslíka (CHSK) je trvalo pod 100 mg/l, čo ho klasifikuje ako nízko{7}}zaťažený proces aktivovaného kalu. Okrem modernizácie zariadení si udržiavanie optimálnej prevádzky vyžaduje starostlivú kontrolu a úpravu parametrov procesu.
2. Prehľad zariadenia
2.1 Procesný tok jednotky na úpravu slanej odpadovej vody
Jednotka využíva proces „Ekvalizácia + separácia oleja + dvoj-flotácia + troj{4}}stupňová biologická úprava“, pričom upravený odpad sa posiela do leštiacej jednotky. Odlučovač oleja využíva dizajn kombinovaného horizontálneho prúdenia a šikmej dosky. Dva flotačné stupne využívajú vírivú kavitačnú vzduchovú flotáciu (CAF) a čiastočnú spätnú flotáciu stlačeným rozpusteným vzduchom (DAF). Tri biologické stupne sú postupne: prevzdušňovacia nádrž s čistým kyslíkom III, prevzdušňovacia nádrž s dúchadlom a sekundárna biochemická nádrž (EM-BAF). Priebeh procesu je znázornený vObrázok 1.
2.2 Popis prevzdušňovacej nádrže ventilátora
Prevzdušňovacia nádrž je repasované zariadenie pôvodne postavené v roku 1995 ako súčasť jednotky na čistenie zaolejovaných odpadových vôd. Používa tradičnú konštrukciu prevzdušňovania so zátkovým{2}}prietokom s efektívnym objemom 3 888 m³ a aktuálnym hydraulickým retenčným časom (HRT) približne 17,6 hodín. Povodie premáva v dvoch paralelných vlakoch, každý so štyrmi oddielmi. V spodnej časti sú nainštalované prevzdušňovače, ktoré sú napájané odstredivými dúchadlami, ktoré poskytujú kyslík pre metabolizmus aktivovaného kalu. Je tiež vybavený dvoma sekundárnymi čističmi (Φ18m x 5m).
V rámci trojstupňového{0}}biologického systému:
- Fáza 1 (prevzdušňovacia nádrž na čistý kyslík III): Primárnou funkciou je odstránenie COD.
- Stupeň 2 (dmychadlo a prevzdušňovacia nádrž): Primárnou funkciou je odstraňovanie amoniakálneho dusíka (NH₃{0}}N), sekundárnou funkciou je ďalšie odstraňovanie CHSK.
- Stupeň 3 (sekundárna biochemická nádrž - EM-BAF): Slúži na ďalšie leštenie odpadových vôd COD a NH₃-N, čím zaisťuje konečnú kvalitu vody.
2.3 Kvalita prítoku a odpadovej vody z dúchadla aerácie
Prítok do prevzdušňovacej nádrže s dúchadlom pochádza z prevzdušňovacej nádrže s čistým kyslíkom III s limitmi znečisťujúcich látok: CHSKcr menší alebo rovný 300 mg/l, NH₃-N menší alebo rovný 30 mg/l, nerozpustné látky (SS) menšie alebo rovné 50 mg/l.
Jeho odpadová voda sa privádza do sekundárnej biochemickej nádrže s limitmi: CHSKcr menej alebo rovné 120 mg/l, NH₃-N menšie alebo rovné 30 mg/l, SS menšie alebo rovné 50 mg/l.
Konečný výtok zo sekundárnej biochemickej nádrže musí spĺňať: CHSKcr menej alebo rovný 70 mg/l, ropa menší alebo rovný 5 mg/l, NH₃-N menší alebo rovný 3 mg/l.
Počas celého roku 2021 bol priemerný prítok CHSKcr povodia 67,094 mg/l a priemerný NH3-N bol 23,098 mg/l, pričom obe spĺňali konštrukčné požiadavky. Avšak výrazne nízky prítok CHSK viedol k nedostatku zdroja uhlíka pre aktivovaný kal, čo ovplyvnilo jeho normálny metabolizmus. Naopak, dostatok amoniakálneho dusíka a nízka koncentrácia organických znečisťujúcich látok v zmesovom lúhu podporovali nitrifikáciu, ktorá prebiehala efektívne.
3. Prevádzkové ovplyvňujúce faktory a kontrolné opatrenia
3.1 Vplyv nízkej záťaže a starnutia kalu
S prítokovou hodnotou CHSK 67,094 mg/l-pod konštrukčným limitom (menej alebo rovným 300 mg/l) aj spotrebou mikrobiálneho uhlíka (približne . 100 mg/l BSK₅)-aktívny kal zaznamenal nedostatok zdroja uhlíka. Nízke zaťaženie malo za následok pomalý rast kalu, čím bol náchylný na starnutie a vytváranie voľnej štruktúry. Zostarnutý, mŕtvy kal tvorený spodinou plávajúcou na povrchu sekundárneho čističa. Bez zariadenia na zber kalu tieto kaly vytekali spolu s odpadovou vodou, čo spôsobovalo zákal, prekračovanie limitov CHSK a SS a následne preťažovanie sekundárnej biochemickej nádrže, čo ovplyvňovalo jej konečnú kvalitu odpadovej vody.
Protiopatrenie: Operačný tím kontroloval koncentráciu suspendovaných tuhých látok zmiešaných likérov (MLSS). Použitím 1000 ml odmerného valca na 30-minútový test indexu objemu kalu (SVI) udržali SVI okolo 20 %, čo zodpovedá MLSS približne 2 g/l. Táto vyvážená účinnosť odstraňovania znečisťujúcich látok zabraňuje starnutiu kalu, plávaniu a zhoršeniu kvality vody. Pomalý rast kalu znamenal minimálne a zriedkavé plytvanie kalom, čo umožnilo nitrifikačným baktériám dobu zotrvania presahujúcu ich minimálnu dobu tvorby, čo ďalej podporuje nitrifikáciu.
3.2 Vplyv kontroly rozpusteného kyslíka (DO).
Mikroorganizmy v aktivovanom kale sú primárne aeróbne, zvyčajne vyžadujú DO medzi 1-3 mg/l. Firemné normy stanovujú rozsah DO pre tradičné prevzdušňovacie nádrže s piestovým tokom na 2-4 mg/l, pričom nitrifikácia vyžaduje DO vo všeobecnosti nie pod 2,0 mg/l. Súčasné nízke zaťaženie prítoku a ďalej znížená koncentrácia MLSS znížili dopyt po DO, čo sťažovalo kontrolu. Udržiavanie úplného premiešania často zvýšilo DO nad 4 mg/l, zatiaľ čo kontrola DO v rámci cieľového rozsahu niekedy viedla k nedostatočnému premiešaniu v niektorých oblastiach, čo spôsobilo usadzovanie kalu.
Okrem toho vysoký obsah DO urýchľuje rozklad organickej hmoty, čím sa zhoršuje starnutie kalu. Preto je v praxi DO kontrolovaná okolo 3 mg/l. Okrem toho sa všetky vzduchové ventily nastavujú približne mesačne, aby sa zlepšila rovnomernosť miešania, reaktivácia spiacich vločiek a udržanie aktívnej biomasy.
3.3 Vplyv teploty vody
Teplota výrazne ovplyvňuje mikrobiálnu aktivitu. Vhodné teploty podporujú aktivitu, zatiaľ čo nízke teploty ju brzdia alebo znižujú a vysoké teploty môžu zmeniť fyziológiu alebo spôsobiť smrť. V tomto systéme sú termofilné baktérie hlavnými funkčnými skupinami. Kvôli bezpečnosti systému sa teplota zvyčajne udržiava medzi 15–35 stupňami, aj keď vhodný rozsah je 10–45 stupňov. Prekročenie 30 stupňov môže denaturovať nitrifikačné proteíny, čím sa zníži ich aktivita. Aktivovaný kal obsahuje baktérie degradujúce CHSK{10}}aj nitrifikačné baktérie, pričom nitrifikácia má užší optimálny rozsah 5–30 stupňov .
Prítok slanej odpadovej vody obsahuje vysokoteplotné-toky. Minulé incidenty zahŕňali po sebe nasledujúce dni, kedy teplota prítoku presiahla 40 stupňov , čo viedlo k rozpadu kalu, smrti degradátorov-CHSK a nitrifikátorov a kolapsu systému. Následne bol na odtokovú linku vyrovnávacej nádrže nainštalovaný teplomer, ktorý prísne kontroluje vypúšťaciu teplotu tak, aby nepresiahla 40 stupňov, a spĺňal požiadavky na teplotu kalu. V roku 2021 sa nevyskytli žiadne podobné incidenty ovplyvňujúce nitrifikáciu.
3.4 Vplyv zásaditosti
Podľa príslušných podnikových noriem by pri použití aktivovaného kalu na odstraňovanie amoniaku nemal byť pomer celkovej alkality k amoniakovému dusíku nižší ako 7,14; v opačnom prípade treba doplniť zásaditosť. Pri navrhovanom prítoku NH3-N 30 mg/l a skutočnom priemere 23,098 mg/l nie je požadovaná celková alkalita menšia ako 214,2 mg/l. V súčasnosti je prítoková alkalita nedostatočná a vyžaduje denné pridávanie sódy (Na₂CO₃), aby sa splnili požiadavky procesu.
3.5 Vplyv pH a toxických látok
Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 resp<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Aeróbny mikrobiálny metabolizmus môže mierne tlmiť zmeny pH. Napríklad použitie dusíkatých zlúčenín môže znížiť pH počas nitrifikácie, zatiaľ čo dekarboxylácia produkuje alkalické amíny, ktoré zvyšujú pH. To umožňuje dlhodobú-aklimatizáciu na mierne kyslé/alkalické odpadové vody. Vlastná zásaditosť odpadovej vody tiež pomáha inhibovať pokles pH.
Avšak drastické zmeny pH (napr. náhly alkalický prítok do kyslého systému) výrazne ovplyvňujú mikróby a môžu narušiť prevádzku. Preto nutnosť neutralizácie závisí od konkrétneho prípadu. Menšie, konzistentné výkyvy pH, najmä pri slabých kyselinách/zásadách, nemusia vyžadovať neutralizáciu. Väčšie výkyvy si vyžadujú úpravu pH na neutrálnu.
Nitrifikačné baktérie sú vysoko citlivé na pH-, s optimálnou nitrifikáciou pri pH 7,2 – 8,0, zatiaľ čo bežné mikróby uprednostňujú pH 6,5 – 8,5. Pre špecifické priemyselné odpadové vody sú typy toxických látok často fixné, ale koncentrácie a vypúšťané objemy kolíšu. Okrem vyrovnávania sa musia monitorovať a kontrolovať hladiny prítoku toxických látok. Po aklimatizácii kalu by sa mal stanoviť maximálny limit koncentrácie prítoku na základe stupňa aklimatizácie a prevádzkových skúseností. Dlhodobé prekročenie si vyžaduje opatrenia, ako je zníženie prítoku, zvýšenie recyklácie kalu alebo zvýšenie okysličovania, aby sa zabránilo mikrobiálnej otrave a zlyhaniu liečby. V súčasnosti neboli v prítoku povodia zistené žiadne toxické látky spôsobujúce mikrobiálne otravy.
3.6 Vplyv nárazových zaťažení
Prítok CHSK zostáva stabilne nízky s malými výkyvmi a NH₃-N a celkový dusík (TN) tiež zostávajú v relatívne stabilných rozsahoch počas dlhých období. Populácia nitrifikátorov zostáva relatívne fixná. Náhle výrazné zvýšenie prítoku NH3-N alebo TN však v dôsledku ich pomalého tempa môže nasýtiť kapacitu odstraňovania povodia, čo ohrozuje kvalitu vytekajúceho NH₃-N a TN.
Teoreticky, dopyt mikrobiálneho dusíka a fosforu sleduje pomer BSK5:N:P 100:5:1. Obsah N a P sa však značne líši v závislosti od typu priemyselnej odpadovej vody. Niektoré odpadové vody majú vysoký obsah N a P, čo si vyžaduje odstránenie, aby spĺňali normy. Iné sú nedostatočné, vyžadujú suplementáciu, aby sa zabránilo obmedzeniu metabolizmu. V prevádzkových nádržiach, ktoré čistia odpadové vody s nízkym obsahom N/P, môžu úrovne prítoku približne 10 mg/l NH₃-N a 5 mg/l fosfátu spĺňať mikrobiálne potreby. Dlhodobé hladiny pod týmito hodnotami vyžadujú zvýšené dávkovanie N/P.
Každodenná prevádzka si vyžaduje dôkladné monitorovanie NH₃-N a TN vo všetkých prítokových tokoch a odtoku z vyrovnávacej nádrže, ako aj v recyklačných tokoch z nastavovacích nádrží, aby sa zabránilo preťaženiu následnej lešticej jednotky a ohrozeniu bezpečnosti konečnej vypúšťacej vody.
4. Záver
Ako jadrový nitrifikačný reaktor v jednotke na úpravu slanej odpadovej vody vyžaduje prevzdušňovacia nádrž dôkladné denné monitorovanie teploty vody, prítoku NH₃-N a TN. Nevyhnutná je prísna kontrola koncentrácie MLSS, udržiavanie DO okolo 3 mg/l a zabezpečenie adekvátneho pridania zásaditosti. Pri týchto optimalizovaných opatreniach systém funguje stabilne s vynikajúcou kvalitou odpadovej vody: priemerná CHSK 54,213 mg/l, NH₃-N 9,678 mg/l a SS 23,849 mg/l, čo plne spĺňa požiadavky na prítok sekundárnej biochemickej nádrže. Pokračujúce testovanie, sumarizácia a optimalizácia z viacerých aspektov sú tiež kľúčové pre ďalšie zabezpečenie spoľahlivosti zariadení a účinnosti spracovania systému.