Štúdia modernizácie a výkonnosti systému jemného{0}}bublinového prevzdušňovania v mestskej čistiarni odpadových vôd

Štúdia modernizácie a výkonnosti systému jemného{0}}bublinového prevzdušňovania v mestskej čistiarni odpadových vôd

Úvod

V súčasnosti medzi hlavné procesy čistenia odpadových vôd používané v Číne patrí oxidačná priekopa, SBR, aktivovaný kal a iné. Proces oxidačnej priekopy má problém vysokej spotreby energie, najmä v biologickej časti, ktorá predstavuje 65 % – 80 % celkovej spotreby energie. Bežné prevzdušňovacie zariadenia používané v oxidačných priekopových procesoch zahŕňajú prevzdušňovacie kefy, prevzdušňovacie kotúče, prevzdušňovače s vertikálnym hriadeľom a prevzdušňovače s jemnými{4}}bublinkami. Napríklad po tom, čo sa mestská čistiareň odpadových vôd v určitom meste zmenila z tradičného povrchového mechanického prevzdušňovania na spodné jemné-bublinkové prevzdušňovanie, spotreba energie klesla o 20,11 %, pričom kvalita čistiacej vody sa stala stabilnejšou. Okrem toho jemnobublinkové prevzdušňovanie má charakteristiku zónového prísunu kyslíka, ktorý môže zabezpečiť presné zásobovanie kyslíkom podľa potreby kyslíka v rôznych oblastiach oxidačnej priekopy, čím sa ďalej zlepšuje účinnosť odstraňovania dusíka a fosforu.

Systém povrchového prevzdušňovania v istej mestskej čistiarni odpadových vôd bol v prevádzke viac ako desať rokov s vážnym starnutím zariadení a prevádzkovými problémami. Bolo ťažké splniť najnovšie normy pre vypúšťanie, takže technická renovácia bola naliehavá. Tento projekt inovoval systém na jemný{2}}bublinkový prevzdušňovací systém, ktorý môže výrazne znížiť spotrebu energie, optimalizovať prevádzku, predĺžiť životnosť zariadenia a znížiť náklady na údržbu, v súlade s národnými politikami na úsporu energie a znižovanie emisií. Tento projekt renovácie zaviedol ekologické stavebné postupy počas demontáže a inštalácie zariadenia: klasifikovaná recyklácia starého zariadenia, prijatie prefabrikovanej inštalácie a používanie strojov s nízkou -hlučnosťou a nízkymi{5}}emismi, dosiahnutie dvojrozmerných úspor energie „procesnej{6}}výstavby“-a podpora trvalo udržateľného rozvoja čistiarne odpadových vôd.

1 Prehľad projektu

1.1 Aktuálna situácia

Mestská čistiareň odpadových vôd v určitom meste má celkovú kapacitu 50 000 ton/deň, vybudovaná v troch etapách. Fáza I prijala proces oxidačnej priekopy, fáza II a projekt pokročilej úpravy tiež prijali proces oxidačnej priekopy s následnou pokročilou úpravou pomocou koagulačnej sedimentácie + filtrácie látkového média + procesu ultrafialovej dezinfekcie. Fáza III prijala modifikovaný proces A²O. V súčasnosti odpadová voda spĺňa normu DB32/1072-2018.

1.2 Existujúce problémy

1.2.1 Vplyv vonkajšej potrubnej siete

Odpadová voda v rámci zberu potrubnej siete tohto závodu zahŕňa príspevky od mnohých priemyselných podnikov. Počas každodennej prevádzky môže dôjsť k vplyvu abnormálnej odpadovej vody z priemyselných podnikov, čo spôsobí, že hodnota DO v biologickej nádrži bude veľmi nízka, dokonca dosahuje 0 mg/l, čo nespĺňa výrobné požiadavky. Medzitým, v dôsledku zmien vonkajších podmienok, keďže čoraz viac priemyselných podnikov v oblasti služieb vypúšťa odpadovú vodu do potrubnej siete, bude toto zariadenie v budúcnosti čeliť horšej kvalite vody. Akonáhle prítok kolíše, rozpustený kyslík v biologickej nádrži sa výrazne zníži a rozsah nastavenia prevzdušňovacieho objemu z rotujúcich kotúčov je obmedzený. V niektorých obdobiach DO v aeróbnej nádrži dosiahne 0 mg/l, čo núti závod znížiť čistiacu kapacitu v reakcii, čo výrazne ovplyvňuje aeróbne prostredie biologickej nádrže a čistiacu kapacitu.

1.2.2 Nízka DO v prevzdušňovacej nádrži

V dôsledku porúch rotujúcich diskov, ktoré spôsobujú nízku účinnosť okysličovania prevzdušňovačov, počas skutočnej výrobnej prevádzky historické prevádzkové údaje ukazujú, že priemerné hodnoty DO z prístrojov v strede a na výstupe prevzdušňovacej nádrže nepresahujú 1 mg/l, pričom najnižšie hodnoty dosahujú 0 mg/l, čo vážne ovplyvňuje účinnosť biochemickej reakcie.

1.2.3 Vysoká spotreba energie

Biologické nádrže fázy I a II tohto závodu sú vo forme oxidačnej priekopy. Oxidačná priekopa I. fázy využíva 8 rotačných diskových prevzdušňovačov s výkonom 18,5 kW, s celkovým výkonom povrchového prevzdušňovača 148 kW. Oxidačná priekopa fázy II je štvorkanálový typ Carrouselovho priekopy, ktorý používa 13 samonasávacích prevzdušňovačov Hitachi, vrátane 2 sád po 11 kW, 2 sád po 18,5 kW a 9 sád po 15 kW s celkovým výkonom povrchového prevzdušňovača 194 kW. Pri normálnej prevádzke, aby sa zabezpečil dostatočný objem vody, kvôli nízkej účinnosti okysličovania existujúceho zariadenia na dodávku kyslíka musia byť všetky prevzdušňovače úplne zapnuté.

Spotreba energie na tonu vody pre prevzdušňovače fázy I a II je: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/tona. Na základe prieskumu spotreby energie biologického systému v niekoľkých okolitých komunálnych domácich čistiarňach odpadových vôd je spotreba energie 25 000 ton/deň komunálnej domácej čistiarne odpadových vôd s použitím systému spodného prevzdušňovania jemnými bublinami vo všeobecnosti 0,09 – 0,1 RMB/tonu. Spotreba energie rotačného kotúčového prevzdušňovača je 2,4 – 2,7-násobok spotreby spodného prevzdušňovacieho systému s jemnými{15}bublinkami, čo naznačuje relatívne vysokú spotrebu energie.

1.2.4 Vysoká miera poruchovosti zariadenia

Ako prevzdušňovače s rotujúcim diskom starnú, miera zlyhania zariadenia sa postupne zvyšuje. Po 11 rokoch prevádzky v tomto závode došlo v systéme prevzdušňovania rotujúceho kotúča k deformácii kotúča, čo spôsobilo vysoké zaťaženie zariadenia a výrazné vibrácie. Dlhodobé-používanie viedlo k uvoľneniu spodnej časti, čo malo za následok nesúosovosť na oboch koncoch a ďalšie problémy, ktoré spôsobili zvýšené opotrebovanie ložísk a vysokú poruchovosť. Hlavné hriadele, obežné kolesá, spojky a základné ozubené kolesá prešli viacerými opravami alebo výmenami, ktoré v podstate dosiahli bod výmeny. Ložiská a lopatky hlavy prevzdušňovačov samonasávacích prevzdušňovačov boli vážne opotrebované. Nedávne štatistiky ukazujú, že v závode sa ročne vykonalo takmer 30 opráv rotačných diskových prevzdušňovačov a samonasávacích prevzdušňovačov.

2 Návrh technického riešenia Retrofit

Celkový prístup k modernizácii je: odstrániť pôvodné rotačné kotúčové prevzdušňovače a nahradiť ich spodným jemným{0}bublinkovým prevzdušňovaním so zodpovedajúcim pridaním dúchadiel; zvýšiť prepad odpadovej vody biologickej nádrže, aby sa zvýšila efektívna hĺbka vody v biologickej nádrži; pridajte miešačky do aeróbnej časti pomocou pôvodnej štruktúry kanála, aby ste zabránili lokalizovanej akumulácii kalu.

2.1 Výber a usporiadanie prevzdušňovača

2.1.1 Parametre prevzdušňovacieho disku

Bol vybraný EPDM membránový prevzdušňovací disk model DD330, ako je znázornené na obrázkuObrázok 1so špecifickými parametrami uvedenými vTabuľka 1.

2.1.2 Rozloženie prevzdušňovacieho disku

Počet prevzdušňovacích kotúčov: Čistá plocha dna nádrže Fáza I 864 m², Čistá plocha dna nádrže Fáza II 1 412 m², priemerná prevádzková plocha 0,8 m²/disk, s bezpečnostným faktorom 1,05–1,10. Stanovený konečný celkový počet prevzdušňovacích diskov: Fáza I 1 150 diskov, Fáza II 1 900 diskov.

Princíp rozloženia: Rovnomerne rozmiestnené v pravidelnom trojuholníkovom mriežkovom vzore. Vzdialenosť od steny nádrže Väčšia alebo rovná 0,3 m, aby sa zabránilo mŕtvym zónam; vzdialenosť od deliacej steny kanála Väčšia alebo rovná 0,4 m na uľahčenie údržby. Priečka pozdĺž smeru toku vody, s jedným elektrickým ventilom na reguláciu vzduchu na zónu na dosiahnutie zónovej regulácie DO. Vyhnite sa sacím otvorom kalového čerpadla, žľabom na odber vzoriek a káblovým žľabom, miestne upravte rozstup na 1,5 m pri zachovaní servisnej plochy na disk 0,8 m² alebo menej.

Inštalačná výška a triedenie potrubia: Horný povrch membránového kotúča je 0,25 m od dna nádrže, čo zaisťuje ponorenie Väčšie alebo rovné 5,0 m pri minimálnej hladine vody, aby sa zabránilo prepätiu ventilátora. Odbočné potrubia používajú ABS DN50 s perforovaným rozvodom vzduchu; hlavné potrubia sú usporiadané do slučky, s rýchlosťou vzduchu regulovanou na 10–12 m·s⁻¹, materiál SS304. Na každých 10 diskov je k dispozícii pár prírubových rýchlo{7}}spojok, ktoré umožňujú celkové zdvihnutie pri údržbe bez vypúšťania nádrže.

2.2 Optimalizácia systému ventilátora

2.2.1 Pridanie dúchadiel

Dovážané vzduchové odpružené dúchadlá boli zakúpené ako hlavné jednotky a bola postavená nová dúchacia miestnosť s pridanými vzduchovými potrubiami z nehrdzavejúcej ocele.

2.2.2 Výber ventilátora

Na základe skutočných prevádzkových podmienok elektrárne a vzhľadom na budúce zmeny kvality vody sa koncentrácia CHSK v pritekajúcej časti v pláne rekonštrukcie výrazne nelíši od projektovanej hodnoty, s priemernou koncentráciou okolo 320 mg/l. Koncentrácia BSK bola vypočítaná na základe projektovanej hodnoty fázy III 150 mg/l a ostatné ukazovatele prítoku boli vypočítané na základe projektovaných koncentrácií prítoku fázy III. Požadovaný prevádzkový objem vzduchu pre I. a II. fázu elektrárne je 103,7 m³/min (6 225,1 m³/h, dve prevádzkové jednotky a jeden pohotovostný, samostatný objem vzduchu 50 m³/min).

Po komplexnom zvážení rôznych faktorov boli zakúpené dve dovezené vzduchové odpružené dúchadlá NX75-C060 ako hlavné jednotky pre I. a II. fázu. Bolo potrebné vybudovať novú dúchaciu miestnosť, predbežne umiestnenú na južnej strane pôvodnej dielne na odvodňovanie kalu, s nerezovým vzduchovým potrubím pridaným do oxidačnej priekopy. Parametre dúchadla: tlak vzduchu 0,049 MPa, objem vzduchu 50 m³/min, s maximálnym výstupným výkonom 64,3 kW za týchto prevádzkových podmienok.

2.2.3 Dodatočné vybavenie prevzdušňovacieho systému

Metóda prevzdušňovania sa zmenila na prevzdušňovanie dna. Biologické nádrže fázy I a II využívajú zodpovedajúci počet diskových prevzdušňovačov a prevzdušňovacích potrubí z UPVC. Špecifický prístup modernizácie: Očakáva sa, že biologická nádrž fázy I bude používať 780 súprav diskových prevzdušňovačov DD330 a prevzdušňovacie rúrky z plastu, biologická nádrž fázy II sa očakáva, že použije 1 276 súprav diskových prevzdušňovačov DD330 a prevzdušňovacie rúrky UPVC, s prevádzkovým objemom vzduchu jedného prevzdušňovača 3,45 m³/h. Usporiadanie hlavy prevzdušňovača je zobrazené naObrázky 2 a 3.

2.3 Optimalizácia parametrov procesu

2.3.1 Zónovanie oxidačnej priekopy a stratégia kontroly DO

Pozdĺž smeru prúdenia vody oxidačnej priekopy je prevzdušňovacia časť rozdelená na štyri zóny. Zóna 1: DO 0,3–0,5 mg/l, zóna 2: DO 0,2–0,3 mg/l, zóna 3: DO 1,5–2,0 mg/l, zóna 4: DO 1,0–1,5 mg/l. Zariadenie na spracovanie amoniakového dusíka je nainštalované v bode najvyššej rýchlosti nitrifikačnej reakcie medzi zónou 2 a zónou 3, čím sa v konečnom dôsledku reguluje výstupný NH3-N menší alebo rovný 1,5 mg/l.

2.3.2 Optimalizácia periódy prevzdušňovania

K existujúcemu systému SCADA bol pridaný modul „prerušované prevzdušňovanie“, ktorý tvorí online nástroj DO + časová dvojitá uzavretá slučka, aby sa zabezpečilo, že DO v strede aeróbnej časti zostane na 0,2 mg/l. Ak 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 Analýza efektu rekonštrukcie

Vplyv tejto inžinierskej modernizácie na celkovú prevádzku procesu sa skúmal porovnaním zmien v odpadových znečisťujúcich látkach pred a po modernizácii.

3.1 Porovnanie kvality odpadovej vody pred a po rekonštrukcii

Kvalita odpadovej vody pred a po modernizácii mala tendenciu byť stabilná, ako je znázornené na obrázkuObrázok 4. Pred a po modernizácii zostala priemerná CHSK v odpadovej vode pod 30 mg/l, TP v podstate zostala menšia alebo rovná 0,3 mg/l, NH3-N menšia alebo rovná 1,5 mg/l, zatiaľ čo TN kolísala okolo 10 mg/l. Celková kvalita vody dosiahla kvázi-štandardy pre povrchovú vodu IV. triedy, čo ďaleko presahuje štandardy vypúšťania požadované pre elektráreň.

Aby sme mohli intuitívnejšie analyzovať možný vplyv modernizácie na kvalitu vody, porovnali sa-ročné trendy kvality odpadovej vody pred a po modernizácii.Obrázok 5. Z obrázku je možné vidieť, že bez zohľadnenia vplyvu zmien koncentrácie prítoku boli výkyvy koncentrácií CHSK a TP vo výtoku po modernizácii stabilnejšie ako pred retrofitom. Hoci sa priemerné hodnoty ukazovateľov dusíka v porovnaní s obdobím pred retrofitom zvýšili, celkový trend bol relatívne stabilný, čo viedlo k nižšej celkovej spotrebe energie závodu a úsporám chemikálií.

3.2 Porovnanie odstraňovania znečisťujúcich látok pred a po modernizácii

V dôsledku zlepšenia prevzdušňovacieho systému sa celková spotreba elektrickej energie v závode znížila o 1,7 % v porovnaní s predchádzajúcim obdobím, zatiaľ čo kapacita čistenia sa zvýšila o 8,33 % a zvýšilo sa aj zodpovedajúce zníženie znečisťujúcich látok, ako je uvedené vObrázok 6. Po prepočte sa zníženie CHSK zvýšilo o 948,5 tony, TP sa zvýšilo o 7,0 tony, NH₃-N sa zvýšilo o 100,4 tony a TN sa zvýšilo o 125,9 ton.

Skutočné odstraňovanie znečisťujúcich látok sa tiež zodpovedajúcim spôsobom zmenilo, ako je znázornené na obrázkuTabuľka 2. Po dodatočnom vybavení, s výnimkou zníženia miery odstraňovania NH₃-N, sa miera odstraňovania pre všetky ostatné indikátory zvýšila.

3.3 Porovnanie spotreby energie pred a po modernizácii

Spotreba energie tohto projektu modernizácie je uvedená vTabuľka 3. Po modernizácii sa spotreba energie na tonu vody pre systém prevzdušňovania biologických nádrží fázy I znížila o 67,3 % a pre fázu II poklesla o 80,9 %. Celková priemerná spotreba energie závodu na tonu vody sa znížila o 55,3 %, čo dokazuje významné-účinky úspory energie. Celková spotreba energie elektrárne na tonu vody klesla na 0,21 kW·h/m³, v rozsahu hodnôt spotreby energie pre podobné procesy oxidačnej priekopy na celoštátnej úrovni (0,292±0,192) kW·h/m³. Spotreba energie na jednotku hmotnosti znečisťujúcej látky pred a po modernizácii celého zariadenia je uvedená vTabuľka 4. Po modernizácii celkového systému prevzdušňovania rastlín spotreba energie na 1 kg ošetrenej CHSK klesla o 26,2 %, na 1 kg ošetreného TP sa znížila o 15,7 %, na 1 kg ošetreného NH₃-N sa znížila o 29,3 % a na 1 kg ošetreného TN klesla o 36,1 %, čo vykazuje dobré energetické{10}sa{10}

3.4 Chemické porovnanie pred a po modernizácii

Pred dodatočným vybavením bolo kvôli častým poruchám prevzdušňovacieho systému ťažké kontrolovať DO v biologickom systéme a splnenie noriem indikátorov dusíka si vyžadovalo pridanie externého zdroja uhlíka, aby sa zabezpečila účinnosť odstraňovania. Po modernizácii už nebolo pridávanie externého zdroja uhlíka v podstate potrebné. Po modernizácii sa výrazne zlepšila účinnosť biologického odstraňovania fosforu a denitrifikácie a zodpovedajúcim spôsobom sa znížila aj sprievodná chemická látka na odstraňovanie fosforu PAC a chemická látka na odvodňovanie kalu PAM. Ročné náklady na chemikálie sa v porovnaní s predchádzajúcim obdobím znížili približne o 167 000 RMB. Konkrétne zmeny sú uvedené vTabuľka 5.

3.5 Porovnanie investícií pred a po rekonštrukcii

Pred dodatočnou montážou boli ročné náklady na povrchové prevzdušňovače 1,6281 milióna RMB, pričom ročné náklady na opravu zariadenia neboli nižšie ako 250 000 RMB. Po modernizácii boli ročné náklady na dúchadlá a miešačky 714 600 RMB. Na základe tohto výpočtu boli ročné úspory nákladov na elektrinu 913 500 RMB plus ročné úspory nákladov na opravy 250 000 RMB, čo predstavuje ročné úspory vo výške 1,1635 milióna RMB. Na základe celkovej investície 3,704 milióna RMB je doba návratnosti 3,18 roka.

3.6 Stabilita procesu

Pred dodatočným vybavením, počas období poruchy, sa rozpustený kyslík v biologickej nádrži väčšinou udržiaval pod 1,0 mg/l. Po dodatočnom vybavení bol rozpustený kyslík v biologickej nádrži v priemere 1,5–2,0 mg/l. V závislosti od koncentrácie prítoku a požiadaviek procesu môže byť rozsah úpravy rozpusteného kyslíka 1,0–2,5 mg/l. Keď je koncentrácia prítoku vysoká, normálne hladiny rozpusteného kyslíka v biologickej nádrži možno udržiavať aj úpravou výkonu dúchadla. Preto sú po modernizácii splnené stabilné podmienky splnenia odpadových vôd.

4 Záver

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 kW·h, DO často<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%, môže zopakovať túto technickú renováciu. Na základe 55,3 % úspor elektrickej energie, 3,18{6}}ročnej doby návratnosti a okrajových výhod 3 – 5 % zvýšenia miery zníženia znečisťujúcich látok z tohto príkladu má investícia do renovácie vysokú bezpečnostnú rezervu a môže okamžite uvoľniť potenciál znižovania uhlíka, čím poskytuje opakovateľné a dostatočné podmienky pre ekologickú a nízkouhlíkovú modernizáciu starých oxidačných priekop.