Fundamentele tehnice și managementul operațional al unui bazin de aerare cu suflantă cu sarcină redusă-
1. Prezentare generală
1.1 Principiul de funcționare al bazinelor de aerare cu suflantă
Aerarea cu suflantă, folosită în mod obișnuit în China, include în principal tipuri de aerare difuză, spirală și microporoasă. Un bazin de aerare cuprinde în mod obișnuit un sistem de aerare, structura bazinului și porturi de intrare/ieșire, servind ca o structură cheie în tratarea apei uzate cu nămol activ. Metodele obișnuite de aerare sunt aerarea mecanică și prin suflare. Sistemele de aerare cu suflante constau în general din aeratoare și suflante specializate. Bazinele sunt adesea împărțite în mai multe compartimente, fiecare capabil de alimentare independentă cu influenți. Apele uzate intră în bazin și ies la capătul opus. În timpul acestui proces, aerul este livrat prin compresoare către difuzoarele de la fundul bazinului și eliberat sub formă de bule.
1.2 Cercetări aferente asupra bazinelor de aerare a suflantelor
Cercetarea lui Cheng Dandan și colab. a constatat că în stațiile municipale de tratare a apelor uzate (WWTP) din China, suflantele de aerare consumă aproximativ 60% din energia totală. Integrarea sistemului de aerare cu control inteligent PID în buclă închisă-pentru oxigenul dizolvat (DO) și implementarea strategiilor de economisire a energiei-a suflantei poate aborda în mod eficient consumul mare de energie în sistemele de aerare WWTP, reducându-l cu peste 30%.
Liu Xiaoqi și colab. au folosit aeratoare cu flux dispersat pentru a crește conținutul de oxigen din apele uzate în timpul epurării, reducând în același timp consumul de energie. Acest lucru a realizat, de asemenea, amestecarea și distribuția uniformă a apei-aerului, reducând cerințele de precizie pentru nivelarea instalării aeratorului.
Chang Kai și colab. a îmbunătățit performanța sistemului convențional de aerare prin modificarea modului original de colectare a aerului. Ei au înlocuit aeratoarele microporoase tradiționale cu aeratoare microporoase cu plăci de silicon cu eficiență ridicată de transfer de oxigen-și au înlocuit bazinele de aerare cu flux drept-cu o singură trecere-pasare dreptă-cu bazine cu curgere serpentină cu trei-pasări. Încorporarea unui control precis al aerării a îmbunătățit și mai mult sistemul, abordând problemele legate de consumul ridicat de energie, eficiența scăzută și transferul slab de masă în metodele tradiționale de aerare cu suflante.
1.3 Managementul operațional al bazinelor de aerare cu suflante
Bazinele de aerare cu suflantă sunt utilizate pe scară largă în tratarea apelor uzate. Urmând principiul „tratării separate pentru diferite fluxuri de deșeuri”, o unitate specifică de tratare a apelor uzate saline a WWTP se ocupă în primul rând de apele uzate de desalinizare electrică provenite din distilarea în vid atmosferică-, apă purificată stripată, ape uzate de neutralizare prin alchilare și unele supernatant și efluenți cu salinitate ridicată-. Această unitate dispune de un sistem de tratare biologică în trei-etape, cu bazinul de aerare a suflantei ca etapă secundară. Cererea sa medie de oxigen (COD) influențată este constant sub 100 mg/L, clasificându-l ca proces cu-încărcare redusă cu nămol activat. Dincolo de upgrade-urile echipamentelor, menținerea funcționării optime necesită un control atent și ajustare a parametrilor procesului.
2. Prezentare generală a instalației
2.1 Fluxul de proces al unității de tratare a apelor uzate saline
Unitatea folosește un proces „Egalizare + Separare ulei + Flotație în două-etape + Tratare biologică în trei-etape”, cu efluentul tratat trimis la o unitate de lustruire. Separatorul de ulei utilizează un design combinat cu debit orizontal și placă înclinată. Cele două etape de flotare utilizează Vortex Cavitation Air Flotation (CAF) și, respectiv, Partial Reflux Pressurized Dissolved Air Flotation (DAF). Cele trei etape biologice sunt secvenţial: rezervor III de aerare cu oxigen pur, rezervor de aerare cu suflantă şi rezervor biochimic secundar (EM-BAF). Fluxul procesului este prezentat înFigura 1.
2.2 Descrierea bazinului de aerare a suflantei
Bazinul de aerare cu suflantă este o instalație reutilizată construită inițial în 1995 ca parte a unei unități de tratare a apelor uzate uleioase. Utilizează un design tradițional de aerare cu debit de buj-cu un volum efectiv de 3.888 m³ și un timp de retenție hidraulică (HRT) curent de aproximativ 17,6 ore. Bazinul funcționează în două trenuri paralele, fiecare cu patru compartimente. Aeratoarele sunt instalate în partea de jos, furnizate de suflante centrifugale pentru a furniza oxigen pentru metabolismul nămolului activat. De asemenea, este echipat cu două clarificatoare secundare (Φ18m x 5m).
În cadrul sistemului biologic în trei-etape:
- Etapa 1 (rezervor de aerare cu oxigen pur III): Funcția principală este eliminarea COD.
- Etapa 2 (rezervor de aerare a suflantei): Funcția principală este îndepărtarea azotului amoniac (NH₃-N), funcția secundară este îndepărtarea suplimentară a COD.
- Etapa 3 (rezervor biochimic secundar - EM-BAF): Funcționează pentru a lustrui în continuare efluentul COD și NH₃-N, asigurând calitatea finală a apei.
2.3 Calitatea influentului și efluentului din bazinul de aerare a suflantei
Influentul în bazinul de aerare a suflantei provine din rezervorul de aerare cu oxigen pur III, cu limite de poluare: CODcr Mai mic sau egal cu 300 mg/L, NH₃-N Mai mic sau egal cu 30 mg/L, Solide în suspensie (SS) Mai mic sau egal cu 50 mg/L.
Efluentul său alimentează rezervorul biochimic secundar, cu limite: CODcr Mai mic sau egal cu 120 mg/L, NH₃-N Mai mic sau egal cu 30 mg/L, SS Mai mic sau egal cu 50 mg/L.
Efluentul final din rezervorul biochimic secundar trebuie să îndeplinească: CODcr Mai mic sau egal cu 70 mg/L, Petrol Mai mic sau egal cu 5 mg/L, NH₃-N Mai mic sau egal cu 3 mg/L.
Pe tot parcursul anului 2021, CODcr mediu de influență al bazinului a fost de 67,094 mg/L, iar NH₃-N mediu a fost de 23,098 mg/L, ambele îndeplinind cerințele de proiectare. Cu toate acestea, COD cu influență deosebit de scăzut a dus la deficiența sursei de carbon pentru nămolul activat, impactând metabolismul său normal. În schimb, suficient azot amoniac și concentrația scăzută de poluanți organici în lichidul amestecat au favorizat nitrificarea, care a avut loc eficient.
3. Factori de influență operaționali și măsuri de control
3.1 Impactul încărcăturii cu influență redusă și al îmbătrânirii nămolului
Cu COD influent la 67,094 mg/L-sub limita de proiectare (mai mică sau egală cu 300 mg/L) și cererea microbiană de carbon (aproximativ . 100 mg/L DBO₅)-nămolul activat a prezentat o deficiență a sursei de carbon. Sarcina redusă a dus la creșterea lentă a nămolului, făcându-l predispus la îmbătrânire și formând o structură liberă. Pe suprafața secundară a limpezitorului s-a format nămol învechit și mort. Lipsa echipamentului de colectare a reziduurilor, aceasta scădere s-a scurs împreună cu efluentul, provocând turbiditate, depășind limitele COD și SS, iar ulterior supraîncărcând rezervorul biochimic secundar din aval, afectând calitatea finală a efluentului acestuia.
Contramăsuri: Echipa de operare a controlat concentrația de Solide în Suspensie Licoare Mixtă (MLSS). Folosind un cilindru gradat de 1000 ml pentru testul de 30 de minute Sludge Volume Index (SVI), au menținut SVI în jur de 20%, corespunzând unui MLSS de aproximativ 2 g/L. Această eficiență echilibrată de eliminare a poluanților cu prevenirea îmbătrânirii nămolului, plutirii și deteriorarea calității apei. Creșterea lentă a nămolului a însemnat risipa minimă și rar întâlnită a nămolului, permițând bacteriilor nitrificatoare un timp de rezidență care depășește timpul minim de generare al acestora, promovând în continuare nitrificarea.
3.2 Impactul controlului oxigenului dizolvat (DO).
Microorganismele din nămolul activat sunt în principal aerobe, necesitând de obicei OD între 1-3 mg/L. Standardele corporative stabilesc intervalul de OD pentru bazinele tradiționale de aerare cu debit la 2-4 mg/L, nitrificarea necesitând OD, în general, nu sub 2,0 mg/L. Sarcina actuală de influență scăzută și concentrația MLSS mai redusă au scăzut cererea de DO, făcând controlul dificil. Menținerea amestecării complete a crescut adesea OD peste 4 mg/L, în timp ce controlul OD în intervalul țintă a condus uneori la amestecarea inadecvată în unele zone, provocând decantarea nămolului.
În plus, DO mare accelerează descompunerea materiei organice, exacerbând îmbătrânirea nămolului. Prin urmare, în practică, DO este controlat în jurul valorii de 3 mg/L. În plus, toate supapele de aer sunt ajustate aproximativ lunar pentru a îmbunătăți uniformitatea amestecării, pentru a reactiva flocurile latente și pentru a menține biomasa activă.
3.3 Impactul temperaturii apei
Temperatura afectează semnificativ activitatea microbiană. Temperaturile adecvate promovează activitatea, în timp ce temperaturile scăzute o inhibă sau o reduc, iar temperaturile ridicate pot modifica fiziologia sau pot provoca moartea. În acest sistem, bacteriile termofile sunt principalele grupe funcționale. Pentru siguranța sistemului, temperatura este de obicei menținută între 15 și 35 de grade, deși intervalul adecvat este de 10-45 de grade. Depășirea temperaturii de 30 de grade poate denatura proteinele nitrificatoare, reducându-le activitatea. Nămolul activat conține atât bacterii degradante COD{10}}, cât și bacterii nitrificatoare, nitrificarea având un interval optim mai restrâns de 5-30 de grade .
Fluentul de apă uzată salină conține fluxuri de-temperatură ridicată. Incidentele anterioare au implicat zile consecutive de temperatură a influentului care depășește 40 de grade, ducând la dezintegrarea nămolului, moartea degradatorilor și nitrificatorilor COD-și prăbușirea sistemului. Ulterior, pe linia de efluent a rezervorului de egalizare a fost instalat un termometru pentru a controla strict temperatura de evacuare să nu depășească 40 de grade, îndeplinind cerințele de temperatură a nămolului. Nu au avut loc incidente similare care să afecteze nitrificarea în 2021.
3.4 Impactul alcalinității
În conformitate cu standardele relevante ale întreprinderii, atunci când se utilizează nămol activ pentru îndepărtarea amoniacului, raportul alcalinitate totală a influentului și azot amoniac nu trebuie să fie mai mic de 7,14; în caz contrar, alcalinitatea trebuie completată. Cu un NH₃-N influent de proiectare de 30 mg/L și o medie reală de 23,098 mg/L, alcalinitatea totală necesară nu este mai mică de 214,2 mg/L. În prezent, alcalinitatea influentului este insuficientă, necesitând adăugarea zilnică de sodă (Na₂CO₃) pentru a satisface cerințele procesului.
3.5 Impactul pH-ului și al substanțelor toxice
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 sau<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Metabolismul microbian aerob poate tampona moderat modificările pH-ului. De exemplu, utilizarea compusului de azot poate scădea pH-ul în timpul nitrificării, în timp ce decarboxilarea produce amine alcaline, crescând pH-ul. Acest lucru permite aclimatizarea-pe termen lung la apele uzate ușor acide/alcaline. Alcalinitatea inerentă a apei uzate ajută, de asemenea, la inhibarea scăderii pH-ului.
Cu toate acestea, schimbările drastice ale pH-ului (de exemplu, afluxul alcalin brusc într-un sistem acid) au un impact semnificativ asupra microbilor și pot perturba funcționarea. Prin urmare, necesitatea neutralizării depinde de cazul specific. Fluctuațiile minore și consistente ale pH-ului, în special în cazul acizilor/bazelor slabe, pot să nu necesite neutralizare. Fluctuațiile mai mari necesită ajustarea pH-ului la neutru.
Bacteriile de nitrificare sunt foarte sensibile la pH-, cu nitrificare optimă la pH 7,2–8,0, în timp ce microbii generali preferă 6,5–8,5. Pentru anumite ape uzate industriale, tipurile de substanțe toxice sunt adesea fixate, dar concentrațiile și volumele de evacuare fluctuează. Pe lângă egalizare, nivelurile de substanțe toxice influente trebuie monitorizate și controlate. După aclimatizarea nămolului, trebuie stabilită o limită maximă a concentrației de influent pe baza gradului de aclimatizare și a experienței operaționale. Depășirea prelungită necesită măsuri precum reducerea fluxului de intrare, creșterea reciclării nămolului sau îmbunătățirea oxigenării pentru a preveni otrăvirea microbiană și eșecul tratamentului. În prezent, în afluentul bazinului nu au fost detectate substanțe toxice care provoacă otrăvire microbiană.
3.6 Impactul sarcinilor de șoc influente
COD influent rămâne stabil scăzut, cu fluctuații minore, iar NH₃-N și azotul total (TN) rămân, de asemenea, în intervale relativ stabile pe perioade lungi. Populația de nitrificatori rămâne relativ fixă. Cu toate acestea, datorită ratei lor lente de creștere, o creștere bruscă și semnificativă a NH₃-N sau TN afluentului poate satura capacitatea de îndepărtare a bazinului, compromițând calitatea NH₃{-N și TN a efluentului.
Teoretic, cererea microbiană de N și P urmează un raport BOD₅:N:P de 100:5:1. Cu toate acestea, conținutul de N și P variază foarte mult în funcție de tipul de apă uzată industrială. Unele ape uzate sunt bogate în N și P, necesitând îndepărtarea pentru a îndeplini standardele. Altele sunt deficitare, necesitând suplimentarea pentru a evita limitarea metabolismului. Pentru bazinele de exploatare care tratează ape uzate cu un nivel scăzut de N/P, nivelurile de influență de aproximativ 10 mg/L NH₃-N și 5 mg/L fosfat pot satisface nevoile microbiene. Nivelurile prelungite sub acestea necesită dozare crescută de N/P.
Funcționarea zilnică necesită o monitorizare atentă a NH₃-N și TN în toate fluxurile de afluent și efluentul rezervorului de egalizare, precum și în fluxurile de reciclare din rezervoarele de reglare, pentru a preveni supraîncărcarea unității de lustruire din aval și amenințarea siguranței apei de evacuare finală.
4. Concluzie
Fiind miezul reactorului de nitrificare din unitatea de tratare a apelor uzate saline, bazinul de aerare cu suflantă necesită o monitorizare zilnică atentă a temperaturii apei, a NH₃-N și a TN afluentului. Controlul strict al concentrației MLSS, menținerea DO în jurul a 3 mg/L și asigurarea adăugării adecvate de alcalinitate sunt esențiale. În cadrul acestor măsuri optimizate, sistemul funcționează stabil cu o calitate excelentă a efluentului: COD mediu de 54,213 mg/L, NH₃-N de 9,678 mg/L și SS de 23,849 mg/L, îndeplinind pe deplin cerințele de afluent ale rezervorului biochimic secundar. Testarea continuă, rezumarea și optimizarea din mai multe aspecte sunt, de asemenea, cruciale pentru a asigura în continuare fiabilitatea echipamentului și eficiența tratării sistemului.