Pregled o uštedi energije i smanjenju ugljika u sistemima za aeraciju u postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda
Do kraja 2020., Kina je imala 4.326 općinskih-postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda (PPOV), koja su prečišćavala 65,59 milijardi kubnih metara otpadnih voda godišnje, uz godišnju potrošnju električne energije od 33,77 milijardi kWh, što čini 0,45% ukupne nacionalne potrošnje električne energije. U 2020. jedinična potrošnja električne energije po kubnom metru prečišćene vode iznosila je 0,405 kWh/m³ za PPOV koja primjenjuju standard razreda A ili više od „Standarda ispuštanja zagađujućih materija za komunalna postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda“ (GB 18918-2002), i 0,37 kWh/m³. znatno su veći od prosjeka u razvijenim zemljama. Iako je prosječna koncentracija utjecajnog zagađivača u kineskim PPOV manja od 50% one u razvijenim zemljama, jedinična potrošnja električne energije po uklonjenom zagađivaču je barem 100% veća. Stoga, ostaje značajan potencijal za uštedu energije i smanjenje ugljika u kineskim PPOV.
Emisije ugljika iz PPOV uključuju direktne i indirektne emisije. Prema "Tehničkoj specifikaciji za nisko-ocjenu rada postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda" (T/CAEPI 49-2022), direktne emisije ugljika se prvenstveno sastoje od CH₄, N₂O i CO₂ iz sagorijevanja fosilnih goriva. Indirektne emisije obuhvataju one povezane sa kupljenom električnom energijom, toplotom i hemikalijama. Kako je definirao Međuvladin panel za klimatske promjene (IPCC), CO₂ koji se emituje iz procesa biološke degradacije u tretmanu otpadnih voda nije uključen u obračun emisije ugljika. Među različitim elementima emisije ugljika u PPOV, potrošnja električne energije doprinosi najvećem udjelu. Jiang Fuhai et al., na osnovu uzorka od 10 uređaja za prečišćavanje otpadnih voda, otkrili su da se težina doprinosa potrošnje električne energije emisijama ugljika kretala od 31% do 64%. Hu Xiang et al., analizirajući 22 PPOV u slivu jezera Chaohu, izvijestili su da emisije ugljika iz potrošnje električne energije čine 61,55% do 73,56%. Što je niža koncentracija influenta i veći standard efluenta, veći je udio direktnih emisija ugljika, posebno onih iz potrošnje električne energije. Sistemi za aeraciju troše preko 50% ukupne električne energije PPOV. Operativna efikasnost sistema za aeraciju direktno utiče na uklanjanje azota i fosfora. Prekomjerna aeracija dovodi do nepotrebne potrošnje endogenih izvora ugljika u otpadnoj vodi, smanjujući efikasnost biološkog uklanjanja dušika i fosfora, čime se povećava doza vanjskih izvora ugljika i kemikalija za uklanjanje fosfora, što zauzvrat povećava emisije ugljika iz potrošnje kemikalija. Shodno tome, ušteda energije u sistemima za aeraciju ključna je za smanjenje ugljika u PPOV, što čini istraživanje tehnologija za uštedu energije sistema za aeraciju veoma značajnim.
1. Razlozi visoke potrošnje energije u aeracionim sistemima kineskih PPOV
1.1 Stvarno utjecajno opterećenje je niže od projektnog opterećenja
Nisko opterećenje utjecaja uključuje i nisku brzinu protoka i nisku koncentraciju zagađivača. To je primarni uzrok prekomjerne aeracije. Preko-aeracija ne samo da povećava potrošnju električne energije, već i prekomjerno iscrpljuje endogene izvore ugljika u otpadnoj vodi i podiže koncentraciju otopljenog kisika u anaerobnim i anoksičnim rezervoarima, ometajući uklanjanje dušika i fosfora. To zahtijeva povećane doze izvora ugljika i kemikalija za uklanjanje fosfora, povećavajući povezane emisije ugljika.
1.1.1 Niska brzina protoka
Tipično, u prvim godinama nakon izgradnje PPOV, dotok često ne dostigne projektovani kapacitet zbog zaostajanja u urbanom razvoju ili izgradnje kanalizacione mreže. Nadalje, u područjima kombinovanog kanalizacijskog sistema ili regijama s jakim miješanjem atmosferskih voda i kanalizacije, protok suvog{1}}vremena je znatno manji od protoka mokrog{2}}vremena, što rezultira velikim fluktuacijama protoka. To zahtijeva precizniju regulaciju i kontrolu aeracije; inače, prekomjerno -prozračivanje tokom perioda niskog-toka je uobičajeno, što utiče na efikasnost uklanjanja ugljika, azota i fosfora i povećava potrošnju električne energije i hemikalija.Slika 1prikazuje varijacije u zapremini prečišćavanja otpadnih voda u gradu Changsha između sušne i vlažne sezone. Obim tretmana vlažne{1}}sezone je za 30%–40% veći nego u sušnoj sezoni. Sezonske fluktuacije u zapremini tretmana zahtevaju precizniju kontrolu sistema aeracije.
1.1.2 Niska koncentracija utjecaja
Stvarne koncentracije zagađujućih materija u kineskim opštinskim PPOV su generalno mnogo niže od projektovanih vrednosti. U projektovanju PPOV, uticajni kvalitet se obično zasniva na srednjoročnim-do-dugoročnim-projekcijama sa kompletnom kanalizacionom mrežom. Prema "Standardu za projektovanje otpadnih voda na otvorenom" (GB 50014-2021), pet-dnevna biohemijska potreba za kiseonikom (BOD₅) za kućnu otpadnu vodu izračunata je na 40–60 g/(osoba·d), obično uzimajući 40 g/(osoba·d). Sa ispuštanjem otpadne vode po glavi stanovnika od 200–350 L/(osoba·d) u većini gradova, projektovana BPK₅ koncentracija se obično kreće od 110 do 200 mg/L. Statistike pokazuju da 68% PPOV u Kini ima stvarni godišnji prosjek BPK₅ ispod 100 mg/L, a 40% ima godišnji prosjek ispod 50 mg/L. Iz perspektive koncentracije utjecaja naspram potrebne aeracije, većina kineskih PPOV ima sisteme za aeraciju dizajnirane sa "prevelikim motorom za mala kolica"-konfiguriranim sa ventilatorima velikog-kapaciteta dok je stvarna potražnja za zrakom niska. Ova konfiguracija lako dovodi do prekomjernog prozračivanja i povećane potrošnje energije.
1.2 Nerazumna konfiguracija količine opreme za aeraciju
Mnogi PPOV su neopravdano konfigurisali broj jedinica opreme za aeraciju zbog toga što ne uzimaju u obzir česte radne uslove niskog{0}}opterećenja. Na primjer, mnoga mala i srednja-postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda tipično konfigurišu duvaljke u "2 duty + 1 standby" (ukupno 3) postavku u dizajnu prostorije za puhanje, što je optimalno u uslovima projektovanog protoka i kvaliteta. Međutim, pod uslovima malog utjecaja opterećenja, rad čak i jednog ventilatora na minimalnoj snazi može uzrokovati prekomjerno-aeraciju i povećanu potrošnju energije. Dok instaliranje frekventnih pretvarača (VFD) ili drugih sredstava za smanjenje dovoda zraka može izbjeći prekomjerno-aeraciju, ove mjere mogu pomaknuti rad ventilatora iz njegove zone visoke{10}}e, smanjujući efikasnost i trošenje energije. S obzirom na generalno niske koncentracije utjecaja, strategije kao što je povećanje broja puhala uz smanjenje kapaciteta pojedinačnih jedinica treba razmotriti kako bi se zadovoljile potrebe regulacije potražnje za zrakom tokom perioda niskog-opterećenja. Istorijski gledano, ograničeni budžeti i visoka cijena uvezenih puhača visokih{14}}performansi doveli su do manje{{15}konfiguracija jedinica. Sa sazrijevanjem domaće tehnologije puhala visokih{17}}učinaka i smanjenim troškovima, sada su povoljni uslovi za optimizaciju konfiguracija ventilatora kako bi se postigla ušteda energije i smanjenje ugljika.
1.3 Niska efikasnost opreme za aeraciju
Neki stariji uređaji za prečišćavanje otpadnih voda, izgrađeni tehnologijom svog vremena, koriste opremu za aeraciju niske{0}}efikasnosti i velike-energetske-potrošnje. Prema trenutnim standardima tehnologije i energetske efikasnosti, oprema kao što su Roots duvaljke, više{4}}niskostepene-centrifugalne puhalice, disk aeratori i aeratori sa četkicama smatraju se niskom-efikasnošću, obično u rasponu od 40% do 65% efikasnosti{{11}{4}0% niže od modernih centrifugalnih 3} do 15% duvaljke. Nadalje, u PPOV koji koriste finu-difuznu aeraciju s mjehurićima u anaerobnim-anoksičnim-oksidnim (A₂/O) ili anoksično-oksidnim (A/O) procesima, starenje ili začepljenje difuzora smanjuje efikasnost prijenosa kisika i povećava otpornost na prijenos energije.
1.4 Nerazumna konfiguracija miksera u biološkim rezervoarima
U oksidacijskim kanalima sa površinskim aeratorima, oprema služi i funkcijama aeracije i miješanja/guranja. Ovo je razuman dizajn u uslovima projektovanog opterećenja. Međutim, u uslovima niskog-opterećenja, smanjenje ili zaustavljanje aeracije može biti potrebno, ali da bi se spriječilo taloženje mulja ili odvajanje tečnosti{3}}čvrste tvari, mora se održavati dovoljna brzina protoka, prisiljavajući nastavak rada aeratora i uzrokujući prekomjerno-aeraciju, loše uklanjanje hranjivih tvari i gubitak energije. Za energetski{6}}efikasniji rad pri malim opterećenjima, oksidacioni kanali bi trebali biti opremljeni pravilno konfiguriranim potopljenim miješalicama.
U A₂/O i A/O procesima, aerobni rezervoari su obično potpuno prekriveni finim-difuzerima sa finim mjehurićima bez namjenskih miješalica, oslanjajući se na dovoljno prozračivanja kako bi se spriječilo taloženje. Pod malim opterećenjima, smanjenje aeracije ili primjena povremene aeracije kako bi se izbjeglo prekomjerno-aeriranje može lako dovesti do taloženja mulja, što utiče na tretman. Da bi radili efikasnije pri malim opterećenjima, A₂/O i A/O aerobni rezervoari bi trebali razmotriti dodavanje odgovarajućih miksera.
2. Tehnički pristupi za uštedu energije i smanjenje ugljika u sistemima za aeraciju PPOV
2.1 Zamjena sa-opremom za aeraciju visoke efikasnosti
Postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda koja još uvijek koriste niskoefikasnu opremu kao što su Roots duvaljke, više-niske-centrifugalne puhalice sa niskom brzinom, disk aeratori ili aeratori sa četkom, ili oni sa jako zastarjelom i neefikasnom opremom, trebali bi provoditi procjene energetske efikasnosti iz-uspešne energije i zamijeniti ih novim, ugljičnim{4} uštedom vremena, novim visoko{5}}modeli visoke efikasnosti. Trenutno,-puhalice velike brzine kao što su jednostepene-centrifugalne puhalice velike brzine, puhala sa magnetnim ležajevima i puhala sa zračnim ležajem koji se koriste u velikim PPOV obično se mogu pohvaliti efikasnošću između 80% i 85%. Međutim, na tržištu trenutno nedostaju centrifugalni ventilatori malog{13}}kapaciteta-brzine. PPOV sa kapacitetom ispod 2.000 m³/d i dalje se oslanjaju na manje efikasnu opremu kao što su Roots duvaljke, sa efikasnošću generalno između 40% i 65%, što ukazuje na značajan potencijal za poboljšanje. Stoga je razvoj efikasnije opreme za aeraciju malih{21}}razmjera značajan za uštedu energije i smanjenje ugljika u malim PPOV.
2.2 Konverzija iz površinske aeracije u finu-aeraciju sa mjehurićima
S obzirom na odgovarajuću dubinu vode, aeracija sa finim-difuznim mjehurićima je energetski-efikasnija od površinske aeracije. Pretvaranje oksidacionih kanala iz površinske u finu-difuznu aeraciju sa mjehurićima može dati dobre rezultate-uštede energije. Iz implementiranih projekata nadogradnje, takve konverzije ne samo da postižu značajne uštede energije već i poboljšavaju efikasnost uklanjanja bioloških nutrijenata. Chen Chaoova studija je primijetila da je nakon konverzije jednog PPOV ukupna potrošnja električne energije smanjena za 24,7%, dok su stope uklanjanja amonijačnog dušika, COD-a i ukupnog fosfora porasle za 30,39%, 5,39% i 2,09%, respektivno. Xie Jici i dr. prijavile su uštede energije od 0,09–0,12 kWh/m³ nakon slične konverzije, uz značajno poboljšanje efikasnosti biološkog uklanjanja nutrijenata. U finoj-aeraciji s mjehurićima, efikasnost prijenosa kisika je u linearnoj pozitivnoj korelaciji s dubinom vode. Ispod određene kritične dubine, njegova efikasnost može biti niža od površinske aeracije. Općenito, dubina vode veća od 4 m smatra se prikladnim uvjetom za pretvaranje oksidacijskih kanala u fino-difuznu aeraciju s mjehurićima.
3. Tehnički pristupi za uštedu energije i smanjenje ugljika u sistemima za aeraciju PPOV
3.1 Zamjena sa-opremom za aeraciju visoke efikasnosti
Postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda koja još uvijek koriste niskoefikasnu opremu kao što su Roots duvaljke, više-niske-centrifugalne puhalice sa niskom brzinom, disk aeratori ili aeratori sa četkom, ili oni sa jako zastarjelom i neefikasnom opremom, trebali bi provoditi procjene energetske efikasnosti iz-uspešne energije i zamijeniti ih novim, ugljičnim{4} uštedom vremena, novim visoko{5}}modeli visoke efikasnosti. Trenutno,-puhalice velike brzine kao što su jednostepene-centrifugalne puhalice velike brzine, puhala sa magnetnim ležajevima i puhala sa zračnim ležajem koji se koriste u velikim PPOV obično se mogu pohvaliti efikasnošću između 80% i 85%. Međutim, na tržištu trenutno nedostaju centrifugalni ventilatori malog{13}}kapaciteta-brzine. PPOV sa kapacitetom ispod 2.000 m³/d i dalje se oslanjaju na manje efikasnu opremu kao što su Roots duvaljke, sa efikasnošću generalno između 40% i 65%, što ukazuje na značajan potencijal za poboljšanje. Stoga je razvoj efikasnije opreme za aeraciju malih{21}}razmjera značajan za uštedu energije i smanjenje ugljika u malim PPOV.
3.2 Konverzija iz površinske aeracije u finu-aeraciju sa mjehurićima
S obzirom na odgovarajuću dubinu vode, aeracija sa finim-difuznim mjehurićima je energetski-efikasnija od površinske aeracije. Pretvaranje oksidacionih kanala iz površinske u finu-difuznu aeraciju sa mjehurićima može dati dobre rezultate-uštede energije. Iz implementiranih projekata nadogradnje, takve konverzije ne samo da postižu značajne uštede energije već i poboljšavaju efikasnost uklanjanja bioloških nutrijenata. Chen Chaoova studija je primijetila da je nakon konverzije jednog PPOV ukupna potrošnja električne energije smanjena za 24,7%, dok su stope uklanjanja amonijačnog dušika, COD-a i ukupnog fosfora porasle za 30,39%, 5,39% i 2,09%, respektivno. Xie Jici i dr. prijavile su uštede energije od 0,09–0,12 kWh/m³ nakon slične konverzije, uz značajno poboljšanje efikasnosti biološkog uklanjanja nutrijenata. U finoj-aeraciji s mjehurićima, efikasnost prijenosa kisika je u linearnoj pozitivnoj korelaciji s dubinom vode. Ispod određene kritične dubine, njegova efikasnost može biti niža od površinske aeracije. Općenito, dubina vode veća od 4 m smatra se prikladnim uvjetom za pretvaranje oksidacijskih kanala u fino-difuznu aeraciju s mjehurićima.
3.3 Tehnologija intermitentne aeracije
Za postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda sa niskim koncentracijama, kontinuirano-povremeno prozračivanje efikasno rješava probleme lošeg uklanjanja nutrijenata i velike potrošnje energije uzrokovane prekomjernom{1}}aeracijom. Uključuje kontinuirani dotok i efluent, dok sistem za aeraciju radi u ciklusima uključivanja/isključivanja aeracije. Nakon istraživanja ARAKI et al. iz 1986. o povremenoj aeraciji za uklanjanje dušika u oksidacijskim kanalima, mnogi naučnici su sproveli eksperimentalne studije. Hou Hongxun et al. izvršio ispitivanje u punom obimu u PPOV od 100.000 m³/d koristeći kontinuirano-povremeno prozračivanje u oksidacionom jarku, postižući 20% povećanja ukupnog uklanjanja dušika, 49% povećanja ukupnog uklanjanja fosfora i 21% smanjenja ukupne potrošnje energije u postrojenju. He Quan i saradnici, u ispitivanju oksidacionog kanala od 40.000 m³/d PPOV koristeći ciklus od 2-uključeno/2-satnog ciklusa, otkrili su da je u poređenju sa kontinuiranom aeracijom, intermitentna aeracija uštedjela 42% energije aeracije, povećala ukupni azot za zimu i ukupno uklanjanje azota za 9,6% pho9. niske{34}uslove temperature. Zheng Wanlin et al., u ispitivanju procesa PPOV A₂/O od 40.000 m³/d koristeći ciklus od 3-uključeno/3-satno isključenje, održali su stabilan kvalitet efluenta u skladu sa standardima uz uštedu od 18,3% u potrošnji električne energije. Trenutno su primjene pune razmjere povremene aeracije kontinuiranog protoka još uvijek ograničene, uz nekoliko preostalih tehničkih izazova.
Za A₂/O procese koji koriste finu-aeraciju s mjehurićima, dva faktora ograničavaju široku primjenu povremene aeracije. Prvo, centrifugalni ventilatori velike brzine-generiraju visok -decibel, oštru buku pri pokretanju; česti ciklusi za povremeni rad stvaraju zagađenje bukom. Drugo, česti ciklusi pokretanja{5}}zaustavljanja za duvaljke sa magnetnim/zračnim ležajevima uzrokuju da beskontaktni ležajevi neprestano dodiruju kućište, što lako dovodi do oštećenja ležaja, povećane stope kvarova i smanjenog vijeka trajanja.
Prilikom primjene povremene aeracije na oksidacijske kanale ili A₂/O procese, mora se osigurati dovoljna brzina miješanja tokom perioda bez-aeracije, što potencijalno zahtijeva dodatne miješalice kako bi se spriječilo taloženje mulja. Koncentracije amonijačnog azota mogu brzo porasti tokom ne-aeracije, rizikujući trenutno prekoračenje. Stoga su potrebna dalja istraživanja kako bi se naučno postavili i prilagodili ciklusi aeracije, bolje poboljšala ušteda energije i uklanjanje zagađivača uz izbjegavanje trenutnog prekoračenja amonijačnog azota.
Zabrinutost PPOV zbog potencijalnog trenutnog prekoračenja amonijačnog azota glavna je prepreka širokoj primjeni povremene aeracije. U januaru 2022. godine Ministarstvo ekologije i životne sredine izdalo je konsultacije o nacrtu amandmana na GB 18918-2002, prvenstveno predlažući da se dodaju maksimalno dozvoljene granice za pojedinačna mjerenja. Ove predložene granice pojedinačnog mjerenja su značajno veće od prvobitnih dnevnih prosječnih granica, dok dnevni prosjeci ostaju nepromijenjeni. Na primjer, za standard razreda A, jedno mjerenje ispod 10 mg/L (15 mg/L ispod 12 stepeni) bi bilo prihvatljivo ako dnevni prosjek ostane ispod 5 mg/L (8 mg/L ispod 12 stepeni). Ako se implementira, ovaj amandman bi mogao pomoći u rješavanju regulatornih zabrinutosti u vezi s trenutnim prekoračenjem zbog povremene aeracije, olakšavajući njegovu primjenu u procesima oksidacionog jarka.
3.4 Tehnologija precizne aeracije
Brzine protoka PPOV i koncentracije dotoka značajno fluktuiraju, čak i tokom dana, uzrokujući promjenjivu potražnju zraka. Oslanjajući se isključivo na ručno podešavanje zasnovano na iskustvu-otežava preciznu kontrolu i može ugroziti stabilnost kvaliteta otpadnih voda. Sa napretkom u oblasti velikih podataka i veštačke inteligencije, pojavio se koncept precizne aeracije. Precizna tehnologija aeracije je primijenjena u nekim PPOV, postižući tipično 10%-20% uštede energije u sistemima za aeraciju. Kombinacija precizne aeracije sa drugim modifikacijama procesa može dati bolje rezultate. Zhu Jie et al. implementirao preciznu naknadnu aeraciju u višestepeni A/O proces PPOV, postižući 49,8% uštede energije u sistemu aeracije. Precizna i inteligentna aeracija predstavlja važne buduće smjernice za uštedu energije i smanjenje ugljika. Postoje trenutna ograničenja u mogućnosti-u realnom vremenu i tačnosti prikupljanja i analize podataka za ove sisteme. Potrebno je više tehnoloških otkrića u realnom-preciznom upravljanju duvaljkama i ventilima i preciznoj distribuciji zraka.
4. Zaključak
Ušteda energije u sistemima za aeraciju ključna je za smanjenje ugljika u PPOV. Primarni razlog velike potrošnje energije u kineskim sistemima za aeraciju PPOV je nisko opterećenje utjecaja, što lako dovodi do prekomjerne-aeracije, trošenja električne energije i povećanja emisije ugljika iz struje i hemikalija. Ostali razlozi uključuju starenje/nisku-efikasnost opreme i nerazumnu konfiguraciju opreme za aeraciju i miješanje. Efikasna sredstva za postizanje uštede energije i smanjenja ugljika uključuju zamjenu niske{5}}efikasnosti visokoefikasnom-opremom za aeraciju, pretvaranje površine u fino-difuznu aeraciju s mjehurićima i primjenu tehnologija kao što su kontinuirano-povremeno prozračivanje i precizna aeracija.