Economisirea energiei și reducerea carbonului în sistemele de aerare WWTP: revizuire și abordări tehnice - Știri

Revizuire privind economisirea energiei și reducerea carbonului a sistemelor de aerare din stațiile de epurare a apelor uzate

Până la sfârșitul anului 2020, China avea 4.326 de stații de epurare a apelor uzate (WWTP) la nivel municipal-și mai sus, care tratau 65,59 miliarde de metri cubi de apă uzată anual, cu un consum anual de energie electrică de 33,77 miliarde kWh, reprezentând 0,45% din consumul total de energie electrică național. În anul 2020, consumul unitar de energie electrică pe metru cub de apă tratată a fost de 0,405 kWh/m³ pentru stațiile de epurare care implementează standardul de grad A sau mai mare din „Standard de evacuare a poluanților pentru stațiile de epurare a apelor uzate municipale” (GB 18918-2002), iar 0,375 kWh/m³ sunt semnificativ mai mari pentru cele care implementează standardele de grad A/m³. in tarile dezvoltate. Deși concentrația medie de poluanți influenți în stațiile de epurare din China este mai mică de 50% față de cea din țările dezvoltate, consumul unitar de energie electrică per poluant eliminat este cu cel puțin 100% mai mare. Prin urmare, rămâne un potențial substanțial pentru economisirea energiei și reducerea carbonului în stațiile de epurare din China.

Emisiile de carbon de la stațiile de epurare includ emisii directe și indirecte. Conform „Specificației tehnice pentru evaluarea operațiunii cu emisii reduse de carbon-a stațiilor de tratare a apelor uzate” (T/CAEPI 49-2022), emisiile directe de carbon constau în principal din CH₄, N₂O și CO₂ din arderea combustibililor fosili. Emisiile indirecte le cuprind pe cele asociate cu electricitatea, căldura și substanțele chimice achiziționate. După cum este definit de Grupul Interguvernamental pentru Schimbări Climatice (IPCC), CO₂ emis din procesul de degradare biologică în tratarea apelor uzate nu este inclus în contabilitatea emisiilor de carbon. Dintre diferitele elemente de emisie de carbon din stațiile de epurare, consumul de energie electrică contribuie cu cea mai mare proporție. Jiang Fuhai și colab., pe baza unui eșantion de 10 stații de epurare, au descoperit că ponderea contribuției consumului de energie electrică la emisiile de carbon a variat între 31% și 64%. Hu Xiang et al., analizând 22 de stații de epurare din bazinul lacului Chaohu, au raportat că emisiile de carbon din consumul de energie electrică au reprezentat 61,55% până la 73,56%. Cu cât concentrația de afluent este mai mică și cu cât standardul de efluent este mai ridicat, cu atât este mai mare proporția emisiilor directe de carbon, în special cele provenite de la consumul de energie electrică. Sistemele de aerare consumă peste 50% din energia totală a unei stații de epurare. Eficacitatea operațională a sistemelor de aerare are un impact direct asupra eliminării azotului și fosforului. Aerarea excesivă duce la consumarea inutilă a surselor endogene de carbon în apele uzate, reducând eficiența eliminării biologice a azotului și fosforului, crescând astfel doza surselor externe de carbon și a substanțelor chimice de îndepărtare a fosforului, ceea ce, la rândul său, crește emisiile de carbon din consumul de substanțe chimice. În consecință, economisirea energiei în sistemele de aerare este esențială pentru reducerea carbonului în stațiile de epurare, ceea ce face ca cercetările privind tehnologiile de economisire a energiei din sistemele de aerare să fie extrem de semnificative.

1. Motive pentru consumul ridicat de energie în sistemele de aerare ale stațiilor de epurare din China

1.1 Sarcina reală de influență este mai mică decât sarcina de proiect

Sarcina de influență scăzută include atât debitul scăzut, cât și concentrația scăzută de poluanți. Este o cauză principală a aerării excesive. Supra-aerarea nu numai că crește consumul de energie electrică, ci și epuizează excesiv sursele endogene de carbon din apele uzate și crește concentrațiile de oxigen dizolvat în rezervoarele anaerobe și anoxice, afectând eliminarea azotului și a fosforului. Acest lucru necesită doze crescute de surse de carbon și substanțe chimice de îndepărtare a fosforului, crescând emisiile de carbon asociate.

1.1.1 Debit scăzut

De obicei, în primii ani după construcția unei stații de epurare, fluxul de influenț nu reușește adesea să atingă capacitatea de proiectare din cauza dezvoltării urbane întârziate sau a construcției rețelei de canalizare. În plus, în zonele de sistem combinat de canalizare sau în regiunile cu amestec puternic de ape pluviale și canalizare, debitul de vreme uscată-este semnificativ mai scăzut decât debitul de vreme umedă-, ceea ce duce la fluctuații mari de debit. Acest lucru necesită o reglare și un control mai precis al ratelor de aerare; în caz contrar, supra-aerarea în timpul perioadelor cu debit redus-este obișnuită, afectând eficiența eliminării carbonului, azotului și fosforului și crescând atât consumul de energie electrică, cât și de substanțe chimice.Figura 1arată variația volumului de tratare a apelor uzate în orașul Changsha între anotimpurile uscate și cele umede. Volumul tratamentului în sezonul umed-este cu 30%–40% mai mare decât în sezonul uscat. Fluctuațiile sezoniere ale volumului de tratament necesită un control mai precis al sistemului de aerare.

news-950-705

1.1.2 Concentrație scăzută de influență

Concentrațiile reale de poluanți influenți în stațiile de epurare municipale din China sunt în general mult mai mici decât valorile de proiectare. În proiectarea WWTP, calitatea influențelor se bazează de obicei pe proiecții pe termen mediu--lung{-cu rețele complete de canalizare. Conform „Standardului de proiectare a ingineriei apelor uzate în aer liber” (GB 50014-2021), necesarul de oxigen biochimic de cinci-zi (BOD₅) pentru apele uzate menajere este calculat la 40–60 g/(persoană·d), luând în general 40 g/(persoană·d). Cu o descărcare de apă uzată pe cap de locuitor de 200–350 L/(persoană·d) în majoritatea orașelor, concentrația de proiectare a DBO₅ variază de obicei între 110 și 200 mg/L. Statisticile arată că 68% dintre stațiile de epurare din China au o medie anuală efectivă de DBO₅ sub 100 mg/L, 40% având o medie anuală sub 50 mg/L. Din perspectiva concentrației de influenț față de aerarea necesară, majoritatea stațiilor de epurare din China au sisteme de aerare proiectate cu un „motor supradimensionat pentru un cărucior mic”-configurat cu suflante de-capacitate mare, în timp ce cererea reală de aer este scăzută. Această configurație duce cu ușurință la supraaerare și la creșterea consumului de energie.

1.2 Configurație nerezonabilă a cantității de echipamente de aerare

Multe stații de epurare au configurat în mod nerezonabil numărul de unități de echipamente de aerare, deoarece nu țin cont de condițiile operaționale frecvente de -încărcare redusă. De exemplu, multe stații de epurare de dimensiuni mici și medii-configurează de obicei suflantele într-o configurație de „2 sarcini + 1 de așteptare” (total 3) în designul camerei de suflare, ceea ce este optim în condiții de flux și calitate de proiectare. Cu toate acestea, în condiții de încărcare cu influență redusă, operarea chiar și a unei suflante la puterea sa minimă poate cauza supra-aerare și un consum crescut de energie. În timp ce instalarea variatoarelor de frecvență (VFD) sau a altor mijloace de reducere a alimentării cu aer poate evita supra-aerarea, aceste măsuri pot schimba funcționarea suflantei din zona de-înaltă eficiență, reducând eficiența și irosind energie. Având în vedere concentrațiile de influență în general scăzute, ar trebui luate în considerare strategii precum creșterea numărului de suflante, reducând în același timp capacitatea unității individuale, pentru a satisface nevoile de reglementare a cererii de aer în perioadele de-încărcare redusă. Din punct de vedere istoric, bugetele limitate și costul ridicat al suflantelor-de înaltă performanță importate au condus la mai puține-configurații de unități. Odată cu maturizarea tehnologiei casnice de-suflante de înaltă performanță și costurile reduse, condițiile sunt acum favorabile pentru optimizarea configurațiilor de suflante pentru a obține economii de energie și reducerea emisiilor de carbon.

1.3 Eficiența scăzută a echipamentelor de aerare

Unele stații de epurare mai vechi, construite cu tehnologia vremii lor, folosesc echipamente de aerare cu -eficiență scăzută,-energie-înaltă. Conform standardelor tehnologice și de eficiență energetică actuale, echipamente precum suflantele Roots, suflantele centrifuge cu mai multe trepte de viteză joasă{{5}, aeratoarele cu discuri și aeratoarele cu perii sunt considerate cu eficiență scăzută, de obicei variind de la 40% la 65% eficiență-15% până la 40%{13} mai mici decât aeratoarele moderne cu turație înaltă. În plus, în stațiile de epurare care utilizează aerare difuză cu bule fine în procese anaerobe-anoxice-oxice (A₂/O) sau anoxic-oxice (A/O), îmbătrânirea sau înfundarea difuzoarelor reduce eficiența transferului de oxigen și crește rezistența, crescând astfel consumul de energie.

1.4 Configurație nerezonabilă a mixerelor în rezervoarele biologice

În șanțurile de oxidare cu aeratoare de suprafață, echipamentul servește atât funcții de aerare, cât și de amestecare/împingere. Acesta este un design rezonabil în condițiile de sarcină de proiectare. Cu toate acestea, în condiții de-încărcare scăzută, poate fi necesară reducerea sau oprirea aerării, dar pentru a preveni sedimentarea nămolului sau separarea lichidului-solidului, trebuie menținută o viteză suficientă a curgerii, forțând funcționarea continuă a aeratoarelor și provocând supra-aerarea, eliminarea slabă a nutrienților și risipa de energie. Pentru o funcționare mai eficientă energetic-la sarcini reduse, șanțurile de oxidare ar trebui să fie echipate cu malaxoare submersibile configurate corespunzător.

În procesele A₂/O și A/O, rezervoarele aerobe sunt de obicei acoperite complet cu difuzoare cu bule-fine, fără mixere dedicate, bazându-se pe o aerare suficientă pentru a preveni sedimentarea. La sarcini reduse, reducerea aerării sau implementarea aerării intermitente pentru a evita supra-aerarea poate duce cu ușurință la decantarea nămolului, afectând tratarea. Pentru a funcționa mai eficient la sarcini mici, rezervoarele aerobe A₂/O și A/O ar trebui să ia în considerare adăugarea de mixere adecvate.

2. Abordări tehnice pentru economisirea energiei și reducerea carbonului în sistemele de aerare a WWTP

2.1 Înlocuire cu un echipament de aerare de înaltă-eficiență

Stațiile de epurare care folosesc încă echipamente cu eficiență redusă, cum ar fi suflantele Roots, suflantele centrifuge cu mai multe trepte, cu viteză joasă-, aeratoare cu discuri sau aeratoare cu perii, sau cele cu echipamente învechite și ineficiente, ar trebui să efectueze evaluări ale eficienței energetice dintr-o perspectivă de-economisire a energiei și să le înlocuiască cu modele noi de eficiență{4}{5}{4}}de reducere a emisiilor de carbon și a timpului ridicat. În prezent, suflantele cu viteză mare-cum ar fi suflantele centrifuge cu o singură treaptă-viteză mare, suflantele cu rulmenți magnetici și suflantele cu rulmenți cu aer utilizate în stațiile de epurare mari se laudă de obicei cu eficiențe între 80% și 85%. Cu toate acestea, piața nu are în prezent produse de suflantă centrifugă de-capacitate mică-de viteză mare. Stațiile de epurare cu capacități sub 2.000 m³/zi încă se bazează pe echipamente mai puțin eficiente, cum ar fi suflantele Roots, cu eficiențe în general între 40% și 65%, indicând un potențial semnificativ de îmbunătățire. Prin urmare, dezvoltarea de echipamente de aerare la scară mică-mai eficiente este semnificativă pentru economisirea energiei și reducerea carbonului în stațiile de epurare mici.

2.2 Conversia de la aerarea de suprafață la aerarea difuză cu bule-fină

Având în vedere adâncimea adecvată a apei, aerarea difuză cu-bule fine este mai eficientă-din energie decât aerarea la suprafață. Conversia șanțurilor de oxidare de la suprafață în aerare difuză cu-bule fine poate produce rezultate bune de economisire-de energie. Din proiectele de modernizare implementate, astfel de conversii nu numai că realizează economii semnificative de energie, ci și îmbunătățesc eficiența eliminării nutrienților biologici. Studiul lui Chen Chao a remarcat că, după transformarea unei stații de epurare, consumul total de energie electrică a scăzut cu 24,7%, în timp ce ratele de eliminare a azotului amoniac, COD și fosfor total au crescut cu 30,39%, 5,39% și, respectiv, 2,09%. Xie Jici și colab. au raportat economii de energie de 0,09–0,12 kWh/m³ după o conversie similară, cu o îmbunătățire semnificativă a eficienței de îndepărtare a nutrienților biologici. În cazul aerării cu bule fine, eficiența transferului de oxigen este corelată liniar pozitiv cu adâncimea apei. Sub o anumită adâncime critică, eficiența acestuia poate fi mai mică decât aerarea la suprafață. În general, o adâncime a apei mai mare de 4 m este considerată o condiție adecvată pentru transformarea șanțurilor de oxidare în aerare difuză cu bule fine-.

3. Abordări tehnice pentru economisirea energiei și reducerea emisiilor de carbon în sistemele de aerare a WWTP

3.1 Înlocuire cu un echipament de aerare de înaltă-eficiență

3.2 Conversia de la aerarea la suprafață la aerarea difuză cu bule-fină

3.3 Tehnologia de aerare intermitentă

Pentru stațiile de epurare cu concentrații scăzute de influenți, aerarea intermitentă cu flux continuu-abordează în mod eficient problemele legate de eliminarea deficitară a nutrienților și consumul ridicat de energie cauzat de supra-aerare. Implică flux continuu de efluent și efluent, în timp ce sistemul de aerare funcționează în cicluri de aerare pornit/oprit. În urma cercetărilor din 1986 ale lui ARAKI și colab. privind aerarea intermitentă pentru îndepărtarea azotului în șanțurile de oxidare, mulți oameni de știință au efectuat studii experimentale. Hou Hongxun și colab. a efectuat o încercare la scară completă într-o stație de epurare de 100.000 m³/zi folosind aerare intermitentă-continuă într-un șanț de oxidare, obținând o creștere cu 20% a eliminării totale a azotului, o creștere cu 49% a eliminării totale a fosforului și o reducere cu 21% a consumului total de energie a instalației. He Quan și colab., într-un proces de 40.000 m³/zi pe șanțul de oxidare al WWTP folosind un ciclu de 2-ore pornit/2-ore oprit, au descoperit că, în comparație cu aerarea continuă, aerarea intermitentă a economisit 42% din energia de aerare, a crescut eliminarea totală a azotului cu 9,6% și eliminarea totală a fosforului în timpul iernii cu 69% condiții de temperatură scăzută. Zheng Wanlin și colab., într-o încercare a procesului WWTP A₂/O de 40.000 m³/zi, folosind un ciclu de pornire/3 ore oprit, au menținut o calitate stabilă a efluentului conform standardelor, economisind în același timp 18,3% din consumul de energie electrică. În prezent, aplicațiile la scară completă ale aerării intermitente cu flux continuu sunt încă limitate, rămânând mai multe provocări tehnice.

Pentru procesele A₂/O care utilizează aerarea cu bule-fină, doi factori limitează aplicarea largă a aerării intermitente. În primul rând, suflantele centrifuge de-viteză mare generează un zgomot puternic de-decibeli la pornire; Ciclul frecvent pentru funcționare intermitentă creează poluare fonică. În al doilea rând, ciclurile frecvente de pornire-oprire pentru suflantele cu rulmenți magnetici/aer fac ca rulmenții fără-contact să intre în contact repetat cu carcasa, ducând cu ușurință la deteriorarea rulmentului, creșterea ratei de defecțiuni și reducerea duratei de viață.

Atunci când se aplică aerare intermitentă șanțurilor de oxidare sau proceselor A₂/O, trebuie să se asigure o viteză suficientă de amestecare în perioadele de neaerare{0}, putând fi nevoie de amestecătoare suplimentare pentru a preveni sedimentarea nămolului. Concentrațiile de azot de amoniac pot crește rapid în timpul ne-aerării, riscând depășirea instantanee. Prin urmare, sunt necesare cercetări suplimentare pentru a stabili și ajusta în mod științific ciclurile de aerare, îmbunătățind mai bine economiile de energie și eliminarea poluanților, evitând în același timp depășirea instantanee a azotului amoniac.

Preocuparea WWTP-urilor cu privire la potențiala depășire instantanee a azotului amoniac este o barieră majoră în calea aplicării pe scară largă a aerării intermitente. În ianuarie 2022, Ministerul Ecologiei și Mediului a emis o consultare cu privire la un proiect de modificare a GB 18918-2002, propunând în primul rând adăugarea limitelor maxime admisibile pentru măsurători unice. Aceste limite de măsurare unice propuse sunt semnificativ mai mari decât limitele medii zilnice originale, în timp ce mediile zilnice rămân neschimbate. De exemplu, pentru standardul de grad A, o singură măsurătoare sub 10 mg/L (15 mg/L sub 12 grade) ar fi acceptabilă dacă media zilnică rămâne sub 5 mg/L (8 mg/L sub 12 grade). Dacă va fi implementat, acest amendament ar putea ajuta la abordarea preocupărilor de reglementare cu privire la depășirea instantanee din cauza aerării intermitente, facilitând aplicarea sa în procesele de șanț de oxidare.

3.4 Tehnologia de aerare precisă

Debitele stației de epurare și concentrațiile de afluenți fluctuează semnificativ, chiar și pe parcursul zilei, determinând o cerere variabilă de aer. Bazându-vă exclusiv pe reglarea bazată pe experiență manuală-, face un control precis dificil și poate compromite stabilitatea calității efluentului. Odată cu progresele în big data și inteligența artificială, a apărut conceptul de aerare precisă. Tehnologia de aerare precisă a fost aplicată în unele stații de epurare, realizând de obicei economii de energie de 10%-20% în sistemele de aerare. Combinarea aerării precise cu alte modificări ale procesului poate da rezultate mai bune. Zhu Jie și colab. a implementat modernizarea precisă a aerării într-o stație de epurare cu proces A/O în mai multe-etape, realizând economii de energie de 49,8% în sistemul de aerare. Aerarea precisă și inteligentă reprezintă direcții viitoare importante pentru economisirea energiei și reducerea carbonului. Există limitări actuale în-capacitatea și acuratețea în timp real a achiziției și analizei datelor pentru aceste sisteme. Sunt necesare mai multe progrese tehnologice în-controlul precis al suflantelor și supapelor și distribuția precisă a aerului.

4. Concluzie

Economisirea energiei în sistemele de aerare este cheia pentru reducerea carbonului în stațiile de epurare. Motivul principal pentru consumul ridicat de energie în sistemele de aerare a stației de epurare din China este sarcina scăzută de influență, care duce cu ușurință la supra-aerare, risipa de electricitate și creșterea emisiilor de carbon atât de la energie, cât și de la substanțe chimice. Alte motive includ echipamentul vechi/-scăzut de eficiență și configurația nerezonabilă a echipamentelor de aerare și amestecare. Mijloacele eficiente pentru a realiza economisirea energiei și reducerea emisiilor de carbon includ înlocuirea echipamentelor de aerare cu eficiență redusă-cu eficiență ridicată-, transformarea suprafeței în aerare difuză cu bule fine-și aplicarea de tehnologii precum aerarea intermitentă cu flux continuu-și aerarea precisă.