Studiu de modernizare și performanță a sistemului de-aerare cu bule fine într-o stație municipală de epurare a apelor uzate

Studiu de modernizare și performanță a sistemului de-aerare cu bule fine într-o stație municipală de epurare a apelor uzate

Introducere

În prezent, principalele procese de tratare a apelor uzate utilizate în China includ șanțul de oxidare, SBR, nămolul activ și altele. Procesul de șanț de oxidare are problema consumului mare de energie, în special în secțiunea biologică, care reprezintă 65%–80% din consumul total de energie. Echipamentele obișnuite de aerare utilizate în procesele de șanț de oxidare includ perii de aerare, discuri de aerare, aeratoare cu arbore vertical și aeratoare cu bule fine-. De exemplu, după ce o stație municipală de tratare a apelor uzate dintr-un anumit oraș s-a schimbat de la aerarea mecanică tradițională de suprafață la aerarea cu bule-fină de fund, consumul de energie a scăzut cu 20,11%, în timp ce calitatea apei de tratare a devenit mai stabilă. În plus, aerarea cu bule fine-are caracteristică aportului de oxigen zonat, care poate asigura o aprovizionare precisă cu oxigen în funcție de cererea de oxigen în diferite zone ale șanțului de oxidare, îmbunătățind și mai mult eficiența eliminării azotului și fosforului.

Sistemul de aerare de suprafață de la o anumită stație municipală de epurare a apelor uzate funcționa de peste zece ani, cu o îmbătrânire serioasă a echipamentelor și dificultăți de funcționare. A fost dificil să se îndeplinească cele mai recente standarde de descărcare, făcând urgentă renovarea tehnică. Acest proiect a modernizat sistemul la un sistem-de aerare cu bule fine, care poate reduce semnificativ consumul de energie, optimiza funcționarea, prelungește durata de viață a echipamentului și reduce costurile de întreținere, aliniindu-se la politicile naționale de conservare a energiei și de reducere a emisiilor. Acest proiect de renovare a implementat practici de construcție ecologică în timpul demontării și instalării echipamentelor: reciclarea clasificată a echipamentelor vechi, adoptarea instalațiilor prefabricate și utilizarea de utilaje cu emisii reduse de-zgomot, cu emisii reduse{-, realizând economii de energie duală{-dimensională de „proces-construcție și sprijinirea dezvoltării durabile a stației de tratare a apei.

1 Prezentare generală a proiectului

1.1 Situația actuală

O stație municipală de epurare a apelor uzate dintr-un anumit oraș are o capacitate totală de 50.000 tone/zi, construită în trei faze. Faza I a adoptat procesul de șanț de oxidare, Faza a II-a și proiectul de tratare avansată au adoptat și procesul de șanț de oxidare, cu un tratament avansat ulterior folosind sedimentare prin coagulare + filtrare cu materiale de pânză + proces de dezinfecție cu ultraviolete. Faza III a adoptat procesul A²O modificat. În prezent, efluentul respectă standardul DB32/1072-2018.

1.2 Probleme existente

1.2.1 Impactul rețelei de conducte externe

Apele uzate din sfera de colectare a rețelei de conducte a acestei uzine includ contribuții din partea multor întreprinderi industriale. În timpul funcționării zilnice, pot exista impacturi ale apelor uzate anormale de la întreprinderile industriale, determinând ca valoarea DO din rezervorul biologic să devină foarte scăzută, ajungând chiar la 0 mg/L, nerespectând cerințele de producție. Între timp, din cauza schimbărilor în condițiile externe, pe măsură ce mai multe întreprinderi industriale din zona de serviciu deversează ape uzate în rețeaua de conducte, această uzină se va confrunta în viitor cu o calitate mai gravă a apei influente. Odată ce influențul fluctuează, oxigenul dizolvat în rezervorul biologic va scădea semnificativ, iar intervalul de reglare a volumului de aerare de la discurile rotative este limitat. În unele perioade, OD din rezervorul aerob ajunge la 0 mg/L, forțând instalația să reducă capacitatea de tratare ca răspuns, impactând semnificativ mediul aerob al rezervorului biologic și capacitatea de tratare.

1.2.2 OD scăzut în rezervorul de aerare

Din cauza disfuncționalităților discului rotativ care determină o eficiență scăzută de oxigenare a aeratoarelor, în timpul funcționării efective de producție, datele istorice de funcționare arată că valorile medii ale DO de la instrumentele din mijlocul și de la evacuarea rezervorului de aerare nu depășesc 1 mg/L, cea mai mică ajungând la 0 mg/L, afectând grav eficacitatea reacției biochimice.

1.2.3 Consum ridicat de energie

Rezervoarele biologice de faza I și II ale acestei plante sunt în formă de șanț de oxidare. Faza I șanț de oxidare folosește 8 aeratoare cu discuri rotative cu o putere de 18,5 kW, cu puterea totală a aeratorului de suprafață de 148 kW. Faza II șanțul de oxidare este un șanț de tip Carrousel cu patru-canale, care utilizează 13 aeratoare Hitachi cu auto-amorsare, inclusiv 2 seturi de 11 kW, 2 seturi de 18,5 kW și 9 seturi de 15 kW, cu o putere totală a aeratorului de suprafață de 194 kW. În condiții normale de funcționare, pentru a asigura un volum suficient de apă, din cauza eficienței scăzute de oxigenare a echipamentului de alimentare cu oxigen existent, toate aeratoarele trebuie să fie complet pornite.

Consumul de energie per tonă de apă pentru aeratoarele de faza I și II este: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/tonă. Pe baza unui studiu privind consumul de energie al sistemului biologic la mai multe stații municipale de tratare a apelor uzate menajere din jur, consumul de energie pentru o stație municipală de ape uzate menajere de 25.000 de tone/zi care utilizează un sistem de aerare cu bule de fund-fină este în general 0,09–0,1 RMB/tonă. Consumul de energie al aeratorului cu disc rotativ este de 2,4–2,7 ori mai mare decât al sistemului de aerare cu bule-inferioare, ceea ce indică un consum de energie relativ ridicat.

1.2.4 Rată ridicată de defecțiuni a echipamentelor

Pe măsură ce aeratoarele cu discuri rotative îmbătrânesc, ratele de defecțiuni ale echipamentelor cresc treptat. După 11 ani de funcționare la această fabrică, sistemul de aerare cu disc rotativ a dezvoltat deformarea discului, provocând încărcare mare a echipamentului și vibrații semnificative. Utilizarea pe termen lung-a dus la slăbirea fundului, ceea ce a dus la nealinierea la ambele capete și alte probleme, provocând o uzură crescută a rulmentului și rate mari de defecțiuni. Arborii principali, rotoarele, cuplajele și angrenajele de bază au suferit mai multe reparații sau înlocuiri, ajungând în esență la punctul de înlocuire. Lagărele și lamele capului aeratorului ale aeratoarelor cu auto--amorsare au fost uzate grav. Statisticile recente arată că instalația a suferit aproape 30 de reparații anual pentru aeratoare cu discuri rotative și aeratoare cu auto-amorsare.

2 Proiectarea soluției tehnice de modernizare

Abordarea generală a modernizării este: îndepărtați aeratoarele originale cu discuri rotative și înlocuiți-le cu aerare cu bule de fund-fină, cu adăugarea corespunzătoare de suflante; ridicați șuvoiul de efluent al rezervorului biologic pentru a crește adâncimea efectivă a apei a rezervorului biologic; adăugați mixere în secțiunea aerobă folosind structura originală a canalului pentru a preveni acumularea localizată de nămol.

2.1 Selectarea și aspectul aeratorului

2.1.1 Parametrii discului aerator

A fost selectat discul aerator cu membrană EPDM model DD330, așa cum se arată înFigura 1, cu parametri specifici indicați înTabelul 1.

2.1.2 Dispunerea discului aerator

Număr de discuri aeratoare: Faza I suprafață netă inferioară rezervorului 864 m², faza II suprafață netă inferioară rezervorului 1.412 m², suprafață medie de serviciu 0,8 m²/disc, cu un factor de siguranță de 1,05–1,10. Numărul total final de discuri aeratoare determinat: Faza I 1.150 discuri, Faza II 1.900 discuri.

Principiul aspectului: distribuit uniform într-un model de grilă triunghiulară obișnuită. Distanța liberă față de peretele rezervorului Mai mare sau egală cu 0,3 m pentru a evita zonele moarte; Distanța liberă față de peretele despărțitor al canalului Mai mare sau egală cu 0,4 m pentru a facilita întreținerea. Împărțire de-a lungul direcției de curgere a apei, cu o supapă electrică de control a aerului pe zonă pentru a obține controlul zonal DO. Evitați orificiile de aspirație ale pompei de nămol, jgheaburile de prelevare și jgheaburile pentru cabluri, ajustând local distanța la 1,5 m, menținând în același timp suprafața de serviciu pe disc Mai mică sau egală cu 0,8 m².

Înălțimea instalării și gradul țevii: Suprafața superioară a discului cu membrană este la 0,25 m de fundul rezervorului, asigurând o scufundare mai mare sau egală cu 5,0 m la nivelul minim al apei pentru a preveni supratensiunea ventilatorului. Conductele de ramificație folosesc ABS DN50 cu distribuție a aerului perforată; conductele principale sunt dispuse în buclă, cu viteza aerului controlată la 10–12 m·s⁻¹, material SS304. Pentru fiecare 10 discuri este furnizată o pereche de fitinguri cu flanșă de conectare rapidă-, permițând ridicarea generală pentru întreținere fără a goli rezervorul.

2.2 Optimizarea sistemului de suflante

2.2.1 Adăugarea suflantelor

S-au achiziționat suflante cu suspensie pneumatică importate ca unități principale și a fost construită o nouă cameră de suflante cu canale de aer din oțel inoxidabil adăugate.

2.2.2 Selectarea suflantei

Pe baza condițiilor reale de funcționare ale centralei și luând în considerare schimbările viitoare ale calității apei, concentrația de COD influent din planul de modernizare nu este semnificativ diferită de valoarea de proiectare, cu o concentrație medie de aproximativ 320 mg/L. Concentrația de DBO a fost calculată pe baza valorii de proiectare de Faza III de 150 mg/L, iar alți indicatori de influență au fost calculați pe baza concentrațiilor de influenț de Faza III. Volumul de aer de operare necesar pentru fazele I și II a instalației este de 103,7 m³/min (6.225,1 m³/h, două unități de lucru și una de rezervă, volum de aer pentru o singură unitate 50 m³/min).

Luând în considerare diverși factori, au fost achiziționate două suflante cu suspensie pneumatică NX75-C060 importate ca unități principale pentru Faza I și II. Trebuia construită o nouă cameră de suflare, amplasată provizoriu pe partea de sud a atelierului original de deshidratare a nămolului, cu canale de aer din oțel inoxidabil adăugate la șanțul de oxidare. Parametrii suflantei: presiunea aerului 0,049 MPa, volum de aer 50 m³/min, cu putere maximă de ieșire de 64,3 kW în aceste condiții de funcționare.

2.2.3 Reabilitarea sistemului de aerare

Metoda de aerare a fost schimbată la aerarea de jos. Rezervoarele biologice de faza I și II utilizează un număr corespunzător de aeratoare cu discuri și țevi de aerare UPVC. Abordare specifică de modernizare: rezervorul biologic de Faza I este de așteptat să folosească 780 de seturi de aeratoare cu discuri DD330 și țevi de aerare UPVC, rezervorul biologic de Faza II este de așteptat să utilizeze 1.276 de seturi de aeratoare cu discuri DD330 și țevi de aerare UPVC, cu un volum de aer de operare a unui singur aerator de 3,45 m³/h. Dispunerea capului aeratorului este prezentată înFigurile 2 și 3.

2.3 Optimizarea parametrilor de proces

2.3.1 Zonarea șanțurilor de oxidare și strategia de control al DO

De-a lungul direcției de curgere a apei a șanțului de oxidare, secțiunea de aerare este împărțită în patru zone. Zona 1: OD 0,3–0,5 mg/L, Zona 2: OD 0,2–0,3 mg/L, Zona 3: OD 1,5–2,0 mg/L, Zona 4: OD 1,0–1,5 mg/L. Un instrument de procesare cu azot amoniac este instalat în punctul cu cea mai mare viteză de reacție de nitrificare între Zona 2 și Zona 3, controlând în cele din urmă efluentul NH₃-N mai mic sau egal cu 1,5 mg/L.

2.3.2 Optimizarea perioadei de aerare

Un modul de „aere intermitentă” a fost adăugat sistemului SCADA existent, formând un instrument online DO + buclă închisă dublă de timp pentru a se asigura că DO în mijlocul secțiunii aerobe rămâne la 0,2 mg/L. Dacă 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 efectului de modernizare

Impactul acestei modernizări inginerești asupra funcționării generale a procesului a fost examinat prin compararea modificărilor poluanților din efluenți înainte și după modernizare.

3.1 Comparația calității apei efluente înainte și după modernizare

Calitatea apei efluente înainte și după modernizare tinde să fie stabilă, așa cum se arată înFigura 4. Înainte și după modernizare, COD medie a efluentului a rămas sub 30 mg/L, TP a rămas practic mai mic sau egal cu 0,3 mg/L, NH₃-N mai mic sau egal cu 1,5 mg/L, în timp ce TN a fluctuat în jurul valorii de 10 mg/L. Calitatea generală a apei a atins standardele de cvasi-clasa IV pentru apă de suprafață, depășind cu mult standardele de debit necesare pentru centrală.

Pentru a analiza mai intuitiv impactul posibil al modernizării asupra calității apei, au fost comparate tendințele de un-an privind calitatea apei efluente înainte și după modernizare, rezultândFigura 5. Din figură se poate observa că, fără a lua în considerare impactul modificărilor concentrației de influent, fluctuațiile concentrațiilor de efluent COD și TP după modernizare au fost mai stabile decât înainte de modernizare. Deși valorile medii ale indicatorilor de azot au crescut în comparație cu înainte de modernizare, tendința generală a fost relativ stabilă, ceea ce a dus la un consum global de energie mai mic și economii de substanțe chimice.

3.2 Comparație între eliminarea poluanților înainte și după modernizare

Datorită îmbunătățirii sistemului de aerare, consumul total de energie electrică a centralei a scăzut cu 1,7% față de anterior, în timp ce capacitatea de tratare a crescut cu 8,33%, iar reducerea corespunzătoare a poluanților a crescut, de asemenea, după cum se arată înFigura 6. După calcul, reducerea COD a crescut cu 948,5 tone, TP a crescut cu 7,0 tone, NH₃-N a crescut cu 100,4 tone și TN a crescut cu 125,9 tone.

Eliminarea efectivă a poluanților s-a schimbat în consecință, așa cum se arată înTabelul 2. După modernizare, cu excepția unei scăderi a ratei de eliminare a NH₃-N, ratele de eliminare pentru toți ceilalți indicatori au crescut.

3.3 Comparația consumului de energie înainte și după modernizare

Consumul de energie al acestui proiect de modernizare este prezentat înTabelul 3. După modernizare, consumul de energie pe tonă de apă pentru sistemul de aerare a rezervoarelor biologice de Faza I a scăzut cu 67,3%, iar pentru Faza II a scăzut cu 80,9%. Consumul general de energie electrică medie pe tonă de apă a scăzut cu 55,3%, demonstrând efecte semnificative de economisire-de energie. Consumul total de energie electrică a instalației pe tonă de apă a scăzut la 0,21 kW·h/m³, în intervalul valorilor consumului de energie pentru procese similare de șanț de oxidare la nivel național (0,292±0,192) kW·h/m³. Consumul de energie electrică pe unitate de greutate a poluantului înainte și după modernizare pentru întreaga instalație este prezentat înTabelul 4. După modernizarea întregului sistem de aerare a instalației, consumul de energie la 1 kg de COD tratat a scăzut cu 26,2%, la 1 kg de TP tratat a scăzut cu 15,7%, la 1 kg de NH₃-N tratat a scăzut cu 29,3% și la 1 kg de TN tratat a scăzut cu 3106.

3.4 Comparație chimică înainte și după modernizare

Înainte de modernizare, din cauza defecțiunilor frecvente ale sistemului de aerare, DO din sistemul biologic a fost dificil de controlat, iar îndeplinirea standardelor de indicatori de azot necesita adăugarea unei surse externe de carbon pentru a asigura eficacitatea eliminării. După modernizare, adăugarea unei surse externe de carbon practic nu a mai fost necesară. După modernizare, eficiența eliminării biologice a fosforului și a denitrificării s-a îmbunătățit semnificativ, iar substanța chimică de îndepărtare a fosforului însoțitoare și substanța chimică de deshidratare a nămolului PAM au fost reduse în mod corespunzător. Costurile anuale cu produsele chimice au scăzut cu aproximativ 167.000 RMB față de înainte. Modificările specifice sunt afișate înTabelul 5.

3.5 Comparația investițiilor înainte și după modernizare

Înainte de modernizare, costul anual pentru aeratoarele de suprafață era de 1,6281 milioane RMB, cu costuri anuale de reparare a echipamentelor de nu mai puțin de 250.000 RMB. După modernizare, costul anual pentru suflante și mixere a fost de 714.600 RMB. Pe baza acestui calcul, economiile anuale ale costurilor de energie electrică au fost de 913.500 RMB, plus economii anuale ale costurilor de reparații de 250.000 RMB, însumând economii anuale de 1,1635 milioane RMB. Pe baza unei investiții totale de 3,704 milioane RMB, perioada de rambursare este de 3,18 ani.

3.6 Stabilitatea procesului

Înainte de modernizare, în perioadele de defecțiune, oxigenul dizolvat în rezervorul biologic a fost menținut în mare parte sub 1,0 mg/L. După modernizare, oxigenul dizolvat în rezervorul biologic a fost în medie de 1,5-2,0 mg/L. În funcție de concentrația influentului și de cerințele procesului, intervalul de ajustare a oxigenului dizolvat poate fi de 1,0–2,5 mg/L. Când concentrația de influenț este mare, nivelurile normale de oxigen dizolvat în rezervorul biologic pot fi, de asemenea, menținute prin ajustarea puterii suflantei. Prin urmare, după modernizare, sunt îndeplinite condițiile stabile de conformitate a efluentului.

4 Concluzie

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, faceți frecvent<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%, poate replica această renovare tehnică. Pe baza economiilor de energie electrică de 55,3%, a perioadei de rambursare de 3,18-ani și a beneficiilor marginale de creștere cu 3%-5% a ratelor de reducere a poluanților din acest exemplu, investiția în renovare are o marjă de siguranță ridicată și poate debloca imediat potențialul de reducere a carbonului, oferind condiții replicabile și suficiente pentru modernizarea ecologică și cu emisii scăzute de carbon a șanțurilor vechi de oxidare.