Retrofit i studija performansi sistema finog-mjehuraste aeracije u komunalnom postrojenju za prečišćavanje otpadnih voda

Retrofit i studija performansi sistema finog-mjehuraste aeracije u komunalnom postrojenju za prečišćavanje otpadnih voda

Uvod

Trenutno, glavni procesi tretmana otpadnih voda koji se koriste u Kini uključuju oksidacijski jarak, SBR, aktivni mulj i druge. Proces oksidacionog jarka ima problem velike potrošnje energije, posebno u biološkom dijelu, koji čini 65%-80% ukupne potrošnje energije. Uobičajena oprema za aeraciju koja se koristi u procesima oksidacionog kanala uključuje četke za aeraciju, diskove za aeraciju, aeratore s vertikalnim vratilom i aeratore s finim{4}}mjehurićima. Na primjer, nakon što je komunalno postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda u određenom gradu prešlo sa tradicionalne površinske mehaničke aeracije na donju finu-aeraciju s finim mjehurićima, potrošnja energije je smanjena za 20,11%, dok je kvalitet vode za tretman postao stabilniji. Osim toga, fino-aeracija s mjehurićima ima karakteristiku zonske opskrbe kisikom, koja može osigurati preciznu opskrbu kisikom u skladu sa potražnjom kisika u različitim područjima oksidacijskog kanala, dodatno poboljšavajući efikasnost uklanjanja dušika i fosfora.

Sistem površinske aeracije na određenom komunalnom postrojenju za prečišćavanje otpadnih voda je u funkciji više od deset godina, sa ozbiljnim zastarevanjem opreme i poteškoćama u radu. Bilo je teško ispuniti najnovije standarde pražnjenja, zbog čega je tehnička obnova bila hitna. Ovaj projekat je nadogradio sistem na fini-sistem aeracije s mjehurićima, koji može značajno smanjiti potrošnju energije, optimizirati rad, produžiti vijek trajanja opreme i smanjiti troškove održavanja, usklađujući se s nacionalnim politikama očuvanja energije i smanjenja emisija. U ovom projektu renoviranja implementirane su prakse zelene gradnje tokom demontaže i ugradnje opreme: klasificirana reciklaža stare opreme, usvajanje montažnih instalacija i korištenje nisko-mašine sa niskom-niskom emisijom, postizanje "procesne{6}}konstrukcije" dvostruke-dimenzionalne uštede energije i podrška za razvoj postrojenja za prečišćavanje vode.

1 Pregled projekta

1.1 Trenutna situacija

Postrojenje za prečišćavanje komunalnih otpadnih voda u određenom gradu ima ukupan kapacitet od 50.000 tona/dan, izgrađeno u tri faze. Faza I usvojila je proces oksidacionog jarka, faza II i projekat naprednog tretmana također su usvojili proces oksidacijskog jarka, s naknadnim naprednim tretmanom korištenjem sedimentacije koagulacije + filtracije platnenog medija + procesa ultraljubičaste dezinfekcije. Faza III usvojila je modifikovani A²O proces. Trenutno, efluent ispunjava standard DB32/1072-2018.

1.2 Postojeći problemi

1.2.1 Uticaj eksterne cevovodne mreže

Otpadne vode u okviru sakupljanja cevovodne mreže ovog postrojenja uključuju doprinose mnogih industrijskih preduzeća. Tokom svakodnevnog rada, može doći do uticaja nenormalne otpadne vode iz industrijskih preduzeća, što uzrokuje da vrijednost DO u biološkom rezervoaru postane vrlo niska, čak i do 0 mg/L, ne ispunjavajući zahtjeve proizvodnje. U međuvremenu, zbog promjena u vanjskim uslovima, budući da sve više industrijskih preduzeća unutar uslužnog područja ispušta otpadne vode u cijevnu mrežu, ovo postrojenje će se u budućnosti suočiti sa ozbiljnijim utjecajem vode. Jednom kada dotok oscilira, rastvoreni kiseonik u biološkom rezervoaru će se značajno smanjiti, a opseg podešavanja zapremine aeracije iz rotirajućih diskova je ograničen. U nekim periodima, DO u aerobnom rezervoaru dostiže 0 mg/L, prisiljavajući postrojenje da smanji kapacitet tretmana kao odgovor, značajno utičući na aerobno okruženje biološkog rezervoara i kapacitet tretmana.

1.2.2 Niski DO u rezervoaru za aeraciju

Zbog kvarova rotirajućih diskova koji uzrokuju nisku efikasnost oksigenacije aeratora, tokom stvarnog pogona proizvodnje, istorijski podaci o radu pokazuju da prosječne vrijednosti DO iz instrumenata u sredini i izlazu iz aeracionog rezervoara ne prelaze 1 mg/L, a najniža dostiže 0 mg/L, što ozbiljno utiče na efikasnost biohemijske reakcije.

1.2.3 Velika potrošnja energije

Biološki rezervoari faze I i II ove biljke su u obliku oksidacionog jarka. Oksidacijski jarak I faze koristi 8 rotirajućih disk aeratora snage 18,5 kW, ukupne snage površinskog aeratora od 148 kW. Faza II oksidaciona jarka je četvorokanalni tip karusel jarka, koji koristi 13 Hitachi samousisnih aeratora, uključujući 2 seta od 11 kW, 2 seta od 18,5 kW i 9 kompleta od 15 kW, sa ukupnom snagom površinskog aeratora od 194 kW. U normalnom radu, kako bi se osigurala dovoljna količina vode, zbog niske efikasnosti oksigenacije postojeće opreme za dovod kisika, svi aeratori moraju biti potpuno uključeni.

Potrošnja energije po toni vode za aeratore faze I i II je: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/ton. Na osnovu istraživanja potrošnje energije biološkog sistema u nekoliko okolnih komunalnih postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda za domaćinstvo, potrošnja energije za 25.000 tona/dan komunalne komunalne otpadne vode koja koristi sistem za aeraciju sa finim-mjehurićima na dnu je općenito 0,09–0,1 RMB/toni. Potrošnja energije rotirajućih disk aeratora je 2,4-2,7 puta veća od donjeg sistema za aeraciju s finim-mjehurićima, što ukazuje na relativno visoku potrošnju energije.

1.2.4 Visoka stopa kvarova opreme

Kako rotirajući disk aeratori stare, stopa kvarova opreme postepeno se povećava. Nakon 11 godina rada u ovoj fabrici, rotirajući disk sistem za aeraciju je razvio deformaciju diska, što je izazvalo veliko opterećenje opreme i značajne vibracije. Dugotrajna upotreba dovela je do labavljenja dna, što je rezultiralo neusklađenošću na oba kraja i drugim problemima, uzrokujući povećano trošenje ležajeva i visoku stopu kvarova. Glavna vratila, impeleri, spojnice i osnovni zupčanici su podvrgnuti višestrukim popravkama ili zamjenama, u suštini dostižući tačku zamjene. Ležajevi i lopatice glave aeratora samousisnih aeratora su jako istrošene. Nedavni statistički podaci pokazuju da je postrojenje doživjelo skoro 30 popravki godišnje za aeratore sa rotirajućim diskovima i samousisne aeratore{9}}.

2 Dizajn tehničkog rješenja za naknadnu ugradnju

Cjelokupni pristup naknadnoj ugradnji je: uklonite originalne rotirajuće diskove za aeraciju i zamijenite ih donjom finom-aeracijom s mjehurićima, uz odgovarajući dodatak duvaljki; podići efluentnu branu biološkog rezervoara kako bi se povećala efektivna dubina vode u biološkom rezervoaru; dodajte miksere u aerobnu sekciju koristeći originalnu strukturu kanala kako biste spriječili lokalizirano nakupljanje mulja.

2.1 Izbor i raspored aeratora

2.1.1 Parametri diska za aerator

Odabran je EPDM membranski aerator disk model DD330, kao što je prikazano naSlika 1, sa specifičnim parametrima prikazanim uTabela 1.

2.1.2 Raspored diska za aerator

Broj diskova za aerator: Faza I neto površina dna rezervoara 864 m², Faza II neto površina dna rezervoara 1.412 m², prosječna servisna površina 0,8 m²/disk, sa sigurnosnim faktorom 1,05–1,10. Utvrđen je konačan ukupan broj diskova aeratora: faza I 1.150 diskova, faza II 1.900 diskova.

Princip rasporeda: Ravnomjerno raspoređeni u pravilnom trouglastom rešetkastom uzorku. Razmak od zida rezervoara Veći ili jednak 0,3 m da bi se izbegle mrtve zone; razmak od pregradnog zida kanala Veći ili jednak 0,4 m radi lakšeg održavanja. Podijelite duž smjera protoka vode, s jednim električnim ventilom za kontrolu zraka po zoni za postizanje DO zonske kontrole. Izbjegavajte usisne otvore pumpe za mulj, korita za uzorkovanje i nosače kablova, lokalno prilagođavajući razmak na 1,5 m uz održavanje servisne površine po disku manje od ili jednako 0,8 m².

Visina ugradnje i rangiranje cijevi: Gornja površina membranskog diska je 0,25 m od dna rezervoara, osiguravajući uranjanje veće od ili jednako 5,0 m na minimalnom nivou vode kako bi se spriječio udar ventilatora. Razvodne cijevi koriste ABS DN50 sa perforiranom distribucijom zraka; glavne cijevi su raspoređene u petlju, sa kontrolom brzine zraka od 10-12 m·s⁻¹, materijal SS304. Za svakih 10 diskova obezbeđen je par prirubničkih priključaka za brzo{7}spajanje, što omogućava ukupno podizanje radi održavanja bez pražnjenja rezervoara.

2.2 Optimizacija sistema ventilatora

2.2.1 Dodavanje puhala

Kao glavne jedinice kupljene su uvozne puhalice sa zračnim ovjesom, a izgrađena je i nova prostorija za puhanje sa dodanim kanalima za zrak od nehrđajućeg čelika.

2.2.2 Odabir ventilatora

Na osnovu stvarnih uslova rada postrojenja i imajući u vidu buduće promene kvaliteta vode, uticajna koncentracija CPK u planu rekonstrukcije se ne razlikuje značajno od projektovane vrednosti, sa prosečnom koncentracijom od oko 320 mg/L. Koncentracija BPK je izračunata na osnovu projektovane vrednosti Faze III od 150 mg/L, a drugi indikatori uticaja izračunati su na osnovu projektovanih influentnih koncentracija faze III. Potrebna radna zapremina vazduha za fazu I i II postrojenja je 103,7 m³/min (6.225,1 m³/h, dve radne jedinice i jedna rezervna, zapremina vazduha za jednu jedinicu 50 m³/min).

Sveobuhvatno uzimajući u obzir različite faktore, kupljena su dva uvozna puhala sa vazdušnim ovjesom NX75-C060 kao glavne jedinice za Fazu I i II. Trebalo je izgraditi novu prostoriju za puhanje, probno smještenu na južnoj strani originalne radionice za odvodnjavanje mulja, sa kanalima za zrak od nehrđajućeg čelika koji su dodati u oksidacijski jarak. Parametri ventilatora: pritisak vazduha 0,049 MPa, zapremina vazduha 50 m³/min, sa maksimalnom izlaznom snagom od 64,3 kW u ovim uslovima rada.

2.2.3 Retrofit sistema za aeraciju

Metoda aeracije je promijenjena u donju aeraciju. Biološki rezervoari faze I i II koriste odgovarajući broj disk aeratora i UPVC cevi za aeraciju. Specifičan pristup rekonstrukciji: Očekuje se da će Faza I biološki rezervoar koristiti 780 kompleta DD330 disk aeratora i UPVC cijevi za aeraciju, a biološki rezervoar Faze II se očekuje da koristi 1.276 kompleta DD330 disk aeratora i UPVC cijevi za aeraciju, sa jednim aeratorom radne zapremine zraka od 4 h³. Izgled glave aeratora je prikazan uSlike 2 i 3.

2.3 Optimizacija parametara procesa

2.3.1 Zoniranje oksidacionog jarka i strategija kontrole DO

Duž smjera toka vode kroz oksidacijski jarak, aeracijski dio je podijeljen u četiri zone. Zona 1: DO 0,3–0,5 mg/L, Zona 2: DO 0,2–0,3 mg/L, Zona 3: DO 1,5–2,0 mg/L, Zona 4: DO 1,0–1,5 mg/L. Instrument za proces amonijačnog azota je instaliran na tački najveće stope reakcije nitrifikacije između Zone 2 i Zone 3, čime se na kraju kontroliše efluent NH₃-N manji od ili jednak 1,5 mg/L.

2.3.2 Optimizacija perioda aeracije

Modul "intermitentne aeracije" dodat je postojećem SCADA sistemu, formirajući DO online instrument + vremensku dvostruku zatvorenu petlju kako bi se osiguralo da DO u sredini aerobne sekcije ostane na 0,2 mg/L. Ako 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 Analiza efekta naknadne ugradnje

Utjecaj ove inženjerske rekonstrukcije na cjelokupni rad procesa ispitan je poređenjem promjena u zagađivačima efluenta prije i nakon rekonstrukcije.

3.1 Poređenje kvaliteta otpadne vode prije i poslije rekonstrukcije

Kvalitet otpadne vode prije i nakon rekonstrukcije bio je stabilan, kao što je prikazano uSlika 4. Prije i nakon rekonstrukcije, prosječni COD efluenta ostao je ispod 30 mg/L, TP je u osnovi ostao manji ili jednak 0,3 mg/L, NH₃-N manji ili jednak 1,5 mg/L, dok je TN fluktuirao oko 10 mg/L. Ukupni kvalitet vode dostigao je kvazi{7}}standarde površinskih voda klase IV, daleko premašujući standarde za ispuštanje potrebne za postrojenje.

Da bi se intuitivnije analizirao mogući uticaj rekonstrukcije na kvalitet vode, upoređeni su jednogodišnji trendovi kvaliteta otpadne vode prije i nakon rekonstrukcije, dajućiSlika 5. Iz slike se može vidjeti da su, bez uzimanja u obzir utjecaja promjene koncentracije influenta, fluktuacije u koncentracijama COD i TP efluenta nakon retrofita bile stabilnije nego prije retrofita. Iako su prosječne vrijednosti indikatora dušika porasle u odnosu na prije rekonstrukcije, ukupni trend je bio relativno stabilan, što je rezultiralo manjom ukupnom potrošnjom energije u postrojenju i uštedama kemikalija.

3.2 Poređenje uklanjanja zagađivača prije i poslije rekonstrukcije

Zbog poboljšanja sistema aeracije ukupna potrošnja električne energije u postrojenju smanjena je za 1,7% u odnosu na ranije, dok je kapacitet prečišćavanja povećan za 8,33%, a odgovarajuće smanjenje zagađivača je takođe povećano, kao što je prikazano uSlika 6. Nakon proračuna, smanjenje COD-a je povećano za 948,5 tona, TP je povećan za 7,0 tona, NH₃-N je povećan za 100,4 tona, a TN je povećan za 125,9 tona.

Stvarno uklanjanje zagađivača se također promijenilo u skladu s tim, kao što je prikazano uTabela 2. Nakon rekonstrukcije, osim smanjenja stope uklanjanja NH₃-N, stope uklanjanja za sve ostale indikatore su se povećale.

3.3 Poređenje potrošnje energije prije i poslije rekonstrukcije

Potrošnja energije ovog projekta rekonstrukcije prikazana je uTabela 3. Nakon rekonstrukcije, potrošnja energije po toni vode za sistem aeracije biološkog rezervoara Faze I smanjena je za 67,3%, a za Fazu II smanjena je za 80,9%. Ukupna prosječna potrošnja energije u postrojenju po toni vode smanjena je za 55,3%, pokazujući značajne efekte{5}}uštede energije. Ukupna potrošnja energije postrojenja po toni vode smanjena je na 0,21 kW·h/m³, u rasponu vrijednosti potrošnje energije za slične procese oksidacionog jarka u cijeloj zemlji (0,292±0,192) kW·h/m³. Prikazana je potrošnja energije po jedinici težine zagađivača prije i nakon rekonstrukcije za cjelokupno postrojenjeTabela 4. Nakon rekonstrukcije cjelokupnog sistema za aeraciju postrojenja, potrošnja energije po 1 kg tretiranog COD smanjena je za 26,2%, po 1 kg tretiranog TP smanjena za 15,7%, po 1 kg tretiranog NH₃-N tretiranog je smanjena za 29,3%, a po 1 kg tretiranog TN smanjena je za 36,1%, pokazuju dobre uštede energije{1}%.

3.4 Hemijsko poređenje prije i poslije naknadne ugradnje

Prije rekonstrukcije, zbog čestih kvarova sistema za aeraciju, DO u biološkom sistemu je bilo teško kontrolisati, a ispunjavanje standarda indikatora azota zahtijevalo je dodatak vanjskog izvora ugljika kako bi se osigurala efikasnost uklanjanja. Nakon rekonstrukcije, dodatak vanjskog izvora ugljika u osnovi više nije bio potreban. Nakon rekonstrukcije, efikasnost biološkog uklanjanja fosfora i denitrifikacije značajno je poboljšana, a prateća kemijska PAC za uklanjanje fosfora i kemijska PAM za odvodnjavanje mulja su shodno tome smanjene. Godišnji troškovi hemikalija smanjeni su za oko 167.000 RMB u odnosu na ranije. Specifične promjene su prikazane uTabela 5.

3.5 Poređenje investicija prije i poslije rekonstrukcije

Prije rekonstrukcije, godišnji trošak za površinske aeratore iznosio je 1,6281 miliona RMB, sa godišnjim troškovima popravke opreme od najmanje 250,000 RMB. Nakon rekonstrukcije, godišnji trošak za duvaljke i miksere iznosio je 714.600 RMB. Na osnovu ove kalkulacije, godišnja ušteda troškova električne energije iznosila je 913.500 RMB, plus godišnja ušteda troškova popravke od 250.000 RMB, što je ukupno godišnje uštede od 1.1635 miliona RMB. Na osnovu ukupne investicije od 3,704 miliona RMB, period povrata je 3,18 godina.

3.6 Stabilnost procesa

Prije rekonstrukcije, tokom perioda kvara, rastvoreni kiseonik u biološkom rezervoaru se uglavnom održavao ispod 1,0 mg/L. Nakon rekonstrukcije, rastvoreni kiseonik u biološkom rezervoaru je u proseku iznosio 1,5-2,0 mg/L. Ovisno o koncentraciji utjecaja i zahtjevima procesa, raspon podešavanja otopljenog kisika može biti 1,0-2,5 mg/L. Kada je koncentracija dotoka visoka, normalni nivoi rastvorenog kiseonika u biološkom rezervoaru se takođe mogu održavati podešavanjem snage ventilatora. Stoga, nakon rekonstrukcije, stabilni uslovi usklađenosti efluenta su zadovoljeni.

4 Zaključak

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 često<1 mg/L, and annual repair cost increases >15% može ponoviti ovu tehničku obnovu. Na osnovu uštede električne energije od 55,3%, perioda povrata od 3,18- godina i marginalnih koristi od 3%-5% povećanja stope smanjenja zagađivača iz ovog primjera, investicija za renoviranje ima visoku sigurnosnu marginu i može odmah otključati potencijal smanjenja ugljika, pružajući replicirajuće i dovoljne uslove za zelenu i niskougljičnu nadogradnju starih oksidacijskih dit.