Prehľad o úsporách energie a redukcii uhlíka v prevzdušňovacích systémoch v čistiarňach odpadových vôd
Ku koncu roka 2020 mala Čína 4 326 komunálnych-čistiarní odpadových vôd a vyšších čistiarní odpadových vôd (ČOV), ktoré ročne čistia 65,59 miliárd kubických metrov odpadovej vody s ročnou spotrebou elektriny 33,77 miliárd kWh, čo predstavuje 0,45 % celkovej národnej spotreby elektriny. V roku 2020 bola jednotková spotreba elektrickej energie na kubický meter upravenej vody 0,405 kWh/m³ pre ČOV, ktoré implementujú normu stupňa A alebo vyššiu podľa „Štandardu vypúšťania znečisťujúcich látok pre čističky komunálnych odpadových vôd“ (GB 18918-2002), a 0,375 kWh/m³ vyvinuté v krajinách s priemerom zavedeným pod úrovňou A. Tieto čísla sú podstatne vyššie, ako sú priemerné hodnoty nižšie. Hoci priemerná koncentrácia pritekajúcej znečisťujúcej látky v čínskych ČOV je nižšia ako 50 % v porovnaní s vyspelými krajinami, jednotková spotreba elektriny na odstránenú znečisťujúcu látku je minimálne o 100 % vyššia. Preto v čínskych ČOV zostáva značný potenciál na úsporu energie a zníženie uhlíka.
Emisie uhlíka z ČOV zahŕňajú priame a nepriame emisie. Podľa „Technickej špecifikácie pre nízko{1}}uhlíkové hodnotenie prevádzky čistiarní odpadových vôd“ (T/CAEPI 49-2022) priame uhlíkové emisie pozostávajú predovšetkým z CH₄, N₂O a CO₂ zo spaľovania fosílnych palív. Nepriame emisie zahŕňajú emisie spojené s nakupovanou elektrinou, teplom a chemikáliami. Ako je definované Medzivládnym panelom pre zmenu klímy (IPCC), CO₂ emitovaný z procesu biologickej degradácie pri čistení odpadových vôd nie je zahrnutý do účtovania emisií uhlíka. Spomedzi rôznych prvkov uhlíkových emisií v ČOV má najvyšší podiel spotreba elektriny. Jiang Fuhai a spol. na základe vzorky 10 ČOV zistili, že váha príspevku spotreby elektriny k emisiám uhlíka sa pohybovala od 31 % do 64 %. Hu Xiang a kol., ktorí analyzovali 22 ČOV v povodí jazera Chaohu, uviedli, že emisie uhlíka zo spotreby elektriny predstavovali 61,55 % až 73,56 %. Čím nižšia je koncentrácia prítoku a čím vyšší je štandard výtoku, tým vyšší je podiel priamych emisií uhlíka, najmä emisií zo spotreby elektrickej energie. Prevzdušňovacie systémy spotrebujú viac ako 50 % celkovej elektrickej energie ČOV. Prevádzková účinnosť prevzdušňovacích systémov má priamy vplyv na odstraňovanie dusíka a fosforu. Nadmerné prevzdušňovanie vedie k zbytočnej spotrebe endogénnych zdrojov uhlíka v odpadovej vode, čím sa znižuje účinnosť biologického odstraňovania dusíka a fosforu, čím sa zvyšuje dávkovanie externých zdrojov uhlíka a chemikálií na odstraňovanie fosforu, čo následne zvyšuje emisie uhlíka zo spotreby chemikálií. V dôsledku toho je úspora energie v prevzdušňovacích systémoch kľúčom k zníženiu uhlíka v ČOV, vďaka čomu je výskum technológií na úsporu energie v prevzdušňovacích systémoch veľmi dôležitý.
1. Dôvody vysokej spotreby energie v prevzdušňovacích systémoch čínskych ČOV
1.1 Skutočné zaťaženie je nižšie ako projektované zaťaženie
Nízka záťaž prítoku zahŕňa nízky prietok a nízku koncentráciu znečisťujúcich látok. Je to primárna príčina nadmerného prevzdušňovania. Prílišné prevzdušňovanie nielenže zvyšuje spotrebu elektriny, ale aj nadmerne vyčerpáva endogénne zdroje uhlíka v odpadovej vode a zvyšuje koncentrácie rozpusteného kyslíka v anaeróbnych a anoxických nádržiach, čím sa zhoršuje odstraňovanie dusíka a fosforu. To si vyžaduje zvýšené dávky zdrojov uhlíka a chemikálií na odstraňovanie fosforu, čím sa zvyšujú súvisiace emisie uhlíka.
1.1.1 Nízky prietok
Typicky, v prvých rokoch po výstavbe ČOV, prítok často nedosahuje projektovanú kapacitu v dôsledku zaostávania mestského rozvoja alebo výstavby kanalizačnej siete. Okrem toho v oblastiach s kombinovaným kanalizačným systémom alebo regiónoch so silným miešaním dažďovej vody a splaškových vôd je prietok za suchého-počasia výrazne nižší ako prietok za vlhkého{2}}počasia, čo vedie k veľkým výkyvom prietoku. To si vyžaduje presnejšiu reguláciu a kontrolu rýchlosti prevzdušňovania; v opačnom prípade je bežné-prevzdušňovanie počas nízkych{5}}období prietoku, čo ovplyvňuje účinnosť odstraňovania uhlíka, dusíka a fosforu a zvyšuje spotrebu elektriny aj chemikálií.Obrázok 1ukazuje rozdiely v objeme čistenia odpadových vôd v meste Changsha medzi obdobiami sucha a mokra. Objem ošetrenia v mokrom-sezóne je o 30 % – 40 % vyšší ako v suchom období. Sezónne výkyvy v objeme ošetrenia si vyžadujú presnejšie ovládanie prevzdušňovacieho systému.
1.1.2 Nízka koncentrácia prítoku
Skutočné koncentrácie znečisťujúcich látok v čínskych komunálnych ČOV sú vo všeobecnosti oveľa nižšie ako projektované hodnoty. Pri návrhu ČOV je kvalita prítoku zvyčajne založená na strednodobých-až{2}}dlhodobých-projekciách s kompletnými kanalizačnými sieťami. Podľa „Štandardu pre návrh vonkajšieho inžinierstva odpadových vôd“ (GB 50014-2021) sa päť-dňová biochemická spotreba kyslíka (BSK₅) pre domácu odpadovú vodu počíta na 40 – 60 g/(osoba·d), vo všeobecnosti 40 g/(osoba·d). Pri vypúšťaní odpadových vôd na obyvateľa 200 – 350 l/(osoba·d) vo väčšine miest sa návrhová koncentrácia BSK₅ zvyčajne pohybuje od 110 do 200 mg/l. Štatistiky ukazujú, že 68 % ČOV v Číne má skutočný priemerný ročný prítok BSK₅ nižší ako 100 mg/l, pričom 40 % má ročný priemer nižší ako 50 mg/l. Z hľadiska koncentrácie prítoku verzus potrebného prevzdušňovania má väčšina čínskych ČOV prevzdušňovacie systémy navrhnuté s „nadrozmerným motorom pre malý vozík“-konfigurovaným s vysokokapacitnými{24}}dúchadlami, zatiaľ čo skutočný dopyt po vzduchu je nízky. Táto konfigurácia ľahko vedie k prevzdušňovaniu a zvýšenej spotrebe energie.
1.2 Neprimeraná konfigurácia množstva prevzdušňovacieho zariadenia
Mnohé ČOV majú neprimerane nakonfigurovaný počet jednotiek prevzdušňovacieho zariadenia, pretože nezohľadňujú časté prevádzkové podmienky nízkeho-zaťaženia. Napríklad mnohé malé a stredné-čistiarne odpadových vôd zvyčajne konfigurujú dúchadlá v režime „2 + 1 pohotovostného režimu“ (celkom 3) v konštrukcii miestnosti s dúchadlom, čo je optimálne pri navrhovanom prietoku a podmienkach kvality. V podmienkach nízkeho zaťaženia však môže prevádzka čo i len jedného ventilátora pri minimálnom výkone spôsobiť prevzdušnenie a zvýšenú spotrebu energie. Zatiaľ čo inštaláciou pohonov s premenlivou frekvenciou (VFD) alebo iných prostriedkov na zníženie prívodu vzduchu možno zabrániť nadmernému-prevzdušňovaniu, tieto opatrenia môžu posunúť prevádzku dúchadla mimo zóny vysokej{10}}účinnosti, čím sa zníži účinnosť a plytvá energiou. Vzhľadom na všeobecne nízke koncentrácie prítoku by sa mali zvážiť stratégie, ako je zvýšenie počtu dúchadiel pri súčasnom znížení kapacity jednotlivých jednotiek, aby sa uspokojili potreby regulácie dopytu po vzduchu počas období nízkej{12}}záťaže. V minulosti viedli obmedzené rozpočty a vysoké náklady na dovážané-výkonné dúchadlá k menšiemu počtu{15}}konfigurácií jednotiek. S vyspelosťou domácej technológie vysokovýkonných ventilátorov{17}}a zníženými nákladmi sú teraz priaznivé podmienky na optimalizáciu konfigurácií ventilátorov s cieľom dosiahnuť úsporu energie a zníženie emisií uhlíka.
1.3 Nízka účinnosť prevzdušňovacieho zariadenia
Niektoré staršie ČOV, postavené na technológiu svojej doby, používajú prevzdušňovacie zariadenia s nízkou{0}}účinnosťou a vysokou{1}}spotrebou energie-. Podľa súčasných technologických štandardov a noriem energetickej účinnosti sa zariadenia ako Rootsove dúchadlá, viacstupňové nízkootáčkové odstredivé dúchadlá, kotúčové prevzdušňovače a kefové prevzdušňovače považujú za zariadenia s nízkou účinnosťou-, zvyčajne s účinnosťou od 40 % do 65 %-o 15 % až 40 % nižšou ako pri moderných vysokorýchlostných{13} odstredivkách. Okrem toho v ČOV, ktoré používajú jemné-bublinkové prevzdušňovanie v anaeróbnych{15}}anoxických{16}}oxických (A₂/O) alebo anoxicko-oxických (A/O) procesoch, starnutie alebo upchávanie difúzorov znižuje účinnosť prenosu kyslíka a zvyšuje odpor, čím sa zvyšuje spotreba energie dúchadla.
1.4 Nerozumné usporiadanie miešačiek v biologických nádržiach
V oxidačných priekopách s povrchovými prevzdušňovačmi zariadenie plní funkciu prevzdušňovania aj miešania/pretláčania. Toto je rozumný návrh v podmienkach projektovaného zaťaženia. V podmienkach nízkeho{2}}zaťaženia však môže byť potrebné znížiť alebo zastaviť prevzdušňovanie, ale aby sa zabránilo usadzovaniu kalu alebo oddeľovaniu tekutých-pevných látok, musí sa udržiavať dostatočná rýchlosť prúdenia, čo núti pokračovať v prevádzke prevzdušňovačov a spôsobuje nadmerné{4}}prevzdušňovanie, slabé odstraňovanie živín a plytvanie energiou. Pre energeticky-účinnejšiu prevádzku pri nízkom zaťažení by mali byť oxidačné priekopy vybavené správne nakonfigurovanými ponornými miešadlami.
Pri procesoch A₂/O a A/O sú aeróbne nádrže zvyčajne úplne zakryté jemnými -bublinkovými difúzormi bez špeciálnych mixérov, ktoré sa spoliehajú na dostatočné prevzdušnenie, aby sa zabránilo usadzovaniu. Pri nízkej záťaži môže obmedzenie prevzdušňovania alebo vykonávanie prerušovaného prevzdušňovania, aby sa predišlo nadmernému{2}}prevzdušňovaniu, ľahko viesť k usadzovaniu kalu, čo ovplyvní spracovanie. Pre efektívnejšiu prevádzku pri nízkych zaťaženiach by aeróbne nádrže A₂/O a A/O mali zvážiť pridanie vhodných mixérov.
2. Technické prístupy pre úsporu energie a redukciu uhlíka v prevzdušňovacích systémoch ČOV
2.1 Výmena za vysokoúčinné prevzdušňovacie zariadenie-
ČOV, ktoré stále používajú zariadenia s nízkou{0}}účinnosťou, ako sú Rootsove dúchadlá, viacstupňové nízkootáčkové odstredivé dúchadlá, kotúčové prevzdušňovače alebo kefové prevzdušňovače, alebo tie s veľmi starým a neefektívnym zariadením, by mali vykonávať hodnotenia energetickej účinnosti z hľadiska-úspory energie a vysokej účinnosti uhlíka{5} ich nahradiť novými,{5} a časovo náročnými modelmi. V súčasnosti sa vysokorýchlostné dúchadlá, ako sú jednostupňové vysokorýchlostné-odstredivé dúchadlá, dúchadlá s magnetickým ložiskom a dúchadlá so vzduchovým ložiskom používané vo veľkých ČOV, v súčasnosti zvyčajne pýšia účinnosťou medzi 80 % a 85 %. Na trhu však v súčasnosti chýbajú malé-vysokorýchlostné{14}}kapacitné odstredivé dúchadlá. ČOV s kapacitou pod 2 000 m³/d sa stále spoliehajú na menej účinné zariadenia, ako sú Rootsove dúchadlá, s účinnosťou vo všeobecnosti medzi 40 % a 65 %, čo naznačuje významný potenciál na zlepšenie. Vývoj účinnejších malých{21}}prevzdušňovacích zariadení je preto zmysluplný pre úsporu energie a redukciu uhlíka v malých ČOV.
2.2 Premena z povrchového prevzdušňovania na jemné-prevzdušňovanie rozptýlené bublinami
Vzhľadom na vhodnú hĺbku vody je jemné{0}}prevzdušňovanie rozptýlené bublinkami energeticky{1}}účinnejšie ako povrchové prevzdušňovanie. Premena oxidačných priekop z povrchovej na jemnú -bublinkovú difúznu aeráciu môže priniesť dobré výsledky-úspor energie. Z realizovaných projektov retrofitu takéto prestavby dosahujú nielen významné úspory energie, ale aj zlepšujú účinnosť biologického odstraňovania živín. Štúdia Chen Chao poznamenala, že po konverzii jednej ČOV sa celková spotreba elektriny znížila o 24,7 %, zatiaľ čo miery odstraňovania amoniakálneho dusíka, CHSK a celkového fosforu sa zvýšili o 30,39 %, 5,39 % a 2,09 %. Xie Jici a kol. uviedli úspory energie 0,09 – 0,12 kWh/m³ po podobnej konverzii, s výrazným zlepšením účinnosti biologického odstraňovania živín. Pri prevzdušňovaní jemnými bublinami je účinnosť prenosu kyslíka lineárne pozitívne korelovaná s hĺbkou vody. Pod určitou kritickou hĺbkou môže byť jeho účinnosť nižšia ako prevzdušňovanie povrchu. Vo všeobecnosti sa hĺbka vody väčšia ako 4 m považuje za vhodnú podmienku na premenu oxidačných priekop na jemnobublinkovú difúznu aeráciu.
3. Technické prístupy pre úsporu energie a redukciu uhlíka v prevzdušňovacích systémoch ČOV
3.1 Výmena za vysokoúčinné prevzdušňovacie zariadenie-
ČOV, ktoré stále používajú zariadenia s nízkou{0}}účinnosťou, ako sú Rootsove dúchadlá, viacstupňové nízkootáčkové odstredivé dúchadlá, kotúčové prevzdušňovače alebo kefové prevzdušňovače, alebo tie s veľmi starým a neefektívnym zariadením, by mali vykonávať hodnotenia energetickej účinnosti z hľadiska-úspory energie a vysokej účinnosti uhlíka{5} ich nahradiť novými,{5} a časovo náročnými modelmi. V súčasnosti sa vysokorýchlostné dúchadlá, ako sú jednostupňové vysokorýchlostné-odstredivé dúchadlá, dúchadlá s magnetickým ložiskom a dúchadlá so vzduchovým ložiskom používané vo veľkých ČOV, v súčasnosti zvyčajne pýšia účinnosťou medzi 80 % a 85 %. Na trhu však v súčasnosti chýbajú malé-vysokorýchlostné{14}}kapacitné odstredivé dúchadlá. ČOV s kapacitou pod 2 000 m³/d sa stále spoliehajú na menej účinné zariadenia, ako sú Rootsove dúchadlá, s účinnosťou vo všeobecnosti medzi 40 % a 65 %, čo naznačuje významný potenciál na zlepšenie. Vývoj účinnejších malých{21}}prevzdušňovacích zariadení je preto zmysluplný pre úsporu energie a redukciu uhlíka v malých ČOV.
3.2 Konverzia z povrchového prevzdušňovania na jemné-prevzdušňovanie rozptýlené bublinami
Vzhľadom na vhodnú hĺbku vody je jemné{0}}prevzdušňovanie rozptýlené bublinkami energeticky{1}}účinnejšie ako povrchové prevzdušňovanie. Premena oxidačných priekop z povrchovej na jemnú -bublinkovú difúznu aeráciu môže priniesť dobré výsledky-úspor energie. Z realizovaných projektov retrofitu takéto prestavby dosahujú nielen významné úspory energie, ale aj zlepšujú účinnosť biologického odstraňovania živín. Štúdia Chen Chao poznamenala, že po konverzii jednej ČOV sa celková spotreba elektriny znížila o 24,7 %, zatiaľ čo miery odstraňovania amoniakálneho dusíka, CHSK a celkového fosforu sa zvýšili o 30,39 %, 5,39 % a 2,09 %. Xie Jici a kol. uviedli úspory energie 0,09 – 0,12 kWh/m³ po podobnej konverzii, s výrazným zlepšením účinnosti biologického odstraňovania živín. Pri prevzdušňovaní jemnými bublinami je účinnosť prenosu kyslíka lineárne pozitívne korelovaná s hĺbkou vody. Pod určitou kritickou hĺbkou môže byť jeho účinnosť nižšia ako prevzdušňovanie povrchu. Vo všeobecnosti sa hĺbka vody väčšia ako 4 m považuje za vhodnú podmienku na premenu oxidačných priekop na jemnobublinkovú difúznu aeráciu.
3.3 Technológia prerušovaného prevzdušňovania
V prípade ČOV s nízkymi koncentráciami prítoku kontinuálne{0}}prerušované prevzdušňovanie efektívne rieši problémy so slabým odstraňovaním živín a vysokou spotrebou energie spôsobenou nadmerným{1}}prevzdušňovaním. Zahŕňa nepretržitý prítok a odtok, zatiaľ čo prevzdušňovací systém funguje v cykloch zapínania a vypínania prevzdušňovania. Po výskume ARAKI et al. z roku 1986 o prerušovanom prevzdušňovaní na odstraňovanie dusíka v oxidačných priekopách mnohí vedci vykonali experimentálne štúdie. Hou Hongxun a kol. vykonali v plnom rozsahu{8}}skúšku na ČOV s objemom 100 000 m³/d pomocou kontinuálneho{11}}prerušovaného prevzdušňovania v oxidačnej priekope, čím sa dosiahlo 20 % zvýšenie celkového odstraňovania dusíka, 49 % zvýšenie celkového odstraňovania fosforu a 21 % zníženie celkovej spotreby energie zariadenia. He Quan a spol. v 40 000 m³/d oxidačnej priekopy ČOV s použitím 2-hodinového cyklu zapnutia/2-hodinového vypnutia zistili, že v porovnaní s nepretržitým prevzdušňovaním ušetrilo prerušované prevzdušňovanie 42 % energie na prevzdušňovanie, celkové odstraňovanie dusíka o 9,6 % a celkové množstvo fosforu o 6 %. nízkych-teplotách. Zheng Wanlin a spol., v 40 000 m³/d procesnej skúšky ČOV A₂/O s použitím 3-hodinového cyklu zapnutia/3 hodiny vypnutia, udržali stabilnú kvalitu odpadovej vody v súlade s normami a zároveň ušetrili 18,3 % spotreby elektrickej energie. V súčasnosti sú aplikácie kontinuálneho prerušovaného prevzdušňovania stále obmedzené, pričom zostáva niekoľko technických problémov.
Pre procesy A₂/O využívajúce prevzdušňovanie jemnými{0}bublinkami obmedzujú široké použitie prerušovaného prevzdušňovania dva faktory. Po prvé, vysokorýchlostné odstredivé dúchadlá generujú vysoký-decibel, ostrý hluk pri spustení; časté cyklovanie pre prerušovanú prevádzku vytvára hluk. Po druhé, časté cykly spustenia{5}}zastavovania pre dúchadlá s magnetickým/vzduchovým ložiskom spôsobujú, že bez-dotykové ložiská sa opakovane dotýkajú krytu, čo ľahko vedie k poškodeniu ložísk, zvýšenej poruchovosti a skráteniu životnosti.
Pri aplikácii prerušovaného prevzdušňovania oxidačných priekop alebo procesov A₂/O musí byť zabezpečená dostatočná rýchlosť miešania počas neprevzdušňovacích období, čo si môže vyžadovať ďalšie miešadlá, aby sa zabránilo usadzovaniu kalu. Koncentrácie amoniakálneho dusíka môžu počas neprevzdušňovania rýchlo stúpať, čo predstavuje riziko okamžitého prekročenia. Preto je potrebný ďalší výskum na vedecké nastavenie a úpravu cyklov prevzdušňovania, čím sa zlepší úspora energie a odstraňovanie znečisťujúcich látok a zároveň sa zabráni okamžitému prekročeniu množstva amoniakálneho dusíka.
Obavy ČOV z potenciálneho okamžitého prekročenia amoniakálneho dusíka sú hlavnou prekážkou širokého používania prerušovaného prevzdušňovania. V januári 2022 Ministerstvo ekológie a životného prostredia vydalo konzultáciu k návrhu novely GB 18918-2002, v ktorej sa navrhuje predovšetkým doplniť maximálne prípustné limity pre jednotlivé merania. Tieto navrhované limity jednotlivých meraní sú výrazne vyššie ako pôvodné denné priemerné limity, pričom denné priemery zostávajú nezmenené. Napríklad pre štandard stupňa A by bolo prijateľné jedno meranie pod 10 mg/l (15 mg/l pod 12 stupňov), ak denný priemer zostane pod 5 mg/l (8 mg/l pod 12 stupňov). Ak by sa tento pozmeňujúci a doplňujúci návrh implementoval, mohol by pomôcť riešiť regulačné obavy týkajúce sa okamžitého prekročenia z prerušovaného prevzdušňovania, čím by sa uľahčila jeho aplikácia v procesoch oxidačných priekop.
3.4 Technológia presného prevzdušňovania
Prietoky ČOV a koncentrácie prítoku výrazne kolíšu, dokonca aj počas dňa, čo spôsobuje premenlivú potrebu vzduchu. Spoliehanie sa výlučne na manuálne nastavenie-sťažuje presné ovládanie a môže ohroziť stabilitu kvality odpadovej vody. S pokrokom v oblasti veľkých dát a umelej inteligencie sa objavil koncept presného prevzdušňovania. V niektorých čistiarňach odpadových vôd sa použila presná prevzdušňovacia technológia, ktorá zvyčajne dosahuje 10 až 20 % úspory energie v prevzdušňovacích systémoch. Kombinácia presného prevzdušňovania s inými modifikáciami procesu môže priniesť lepšie výsledky. Zhu Jie a kol. implementovala precíznu renováciu prevzdušňovania vo viacstupňovom A/O procese ČOV, čím sa dosiahla 49,8 % úspora energie v prevzdušňovacom systéme. Presné a inteligentné prevzdušňovanie predstavuje dôležité budúce smery pre úsporu energie a redukciu uhlíka. V súčasnosti existujú obmedzenia v{13}}schopnosti a presnosti získavania a analýzy údajov pre tieto systémy v reálnom čase. V presnom{15}riadení dúchadiel a ventilov a presnej distribúcii vzduchu sú potrebné ďalšie technologické objavy.
4. Záver
Úspora energie v prevzdušňovacích systémoch je kľúčom k zníženiu uhlíka v ČOV. Hlavným dôvodom vysokej spotreby energie v čínskych prevzdušňovacích systémoch ČOV je nízka záťaž, ktorá ľahko vedie k nadmernému-prevzdušňovaniu, plytvaniu elektrickou energiou a zvyšovaniu emisií uhlíka z energie aj chemikálií. Medzi ďalšie dôvody patrí starnúce/nízko{3}}účinné zariadenie a neprimeraná konfigurácia prevzdušňovacieho a miešacieho zariadenia. Efektívne prostriedky na dosiahnutie úspory energie a zníženia emisií uhlíka zahŕňajú nahradenie nízko{5}}účinnosti vysokoúčinným{6}}prevzdušňovacím zariadením, konverziu povrchu na jemné{7}}bublinkové prevzdušňovanie a používanie technológií, ako je kontinuálne-prerušované prevzdušňovanie a presné prevzdušňovanie.