Характеризиране на замърсяването и възстановяване на аерацията на HDPE срещу EPDM дифузори с фини-пори

Характеризиране на замърсяването и възстановяване на ефективността на аериране на дифузор с фини{0}}пори в пречиствателни станции за отпадъчни води

Като критична стъпка в процеса на активна утайка в общинските пречиствателни станции за отпадъчни води (ПСОВ), аерирането за доставка на кислород не само осигурява достатъчно кислород за поддържане на основните жизнени дейности на микроорганизмите, но също така поддържа утайката в суспендирано състояние, улеснявайки адсорбцията и отстраняването на замърсители. Аерацията също така е единицата, която-консумира най-много енергия в ПСОВ, като представлява 45% до 75% от общото потребление на енергия на инсталацията. Следователно работата на системата за аериране пряко влияе върху ефективността на пречистване и оперативните разходи на ПСОВ. Оборудването за аериране е ключов компонент на системата за аериране, като аераторите с фини мехури са най-често използваните в общинските ПСОВ поради тяхната висока ефективност на пренос на кислород (OTE). По време на продължителна -работа обаче замърсителите неизбежно се натрупват на повърхността и в порите на аераторите. За да се гарантира качеството на отпадъчните води, е необходимо допълнително подаване на въздух от вентилатори, което води до повишена консумация на енергия. Освен това замърсяването засилва запушването на порите и променя материала на аератора. Загубата на налягане (динамично мокро налягане, DWP) на компонентите на аератора се увеличава при продължителна работа, повишавайки изходящото въздушно налягане на вентилатора и причинявайки допълнителна загуба на енергия.

Замърсителите, натрупващи се на повърхността и вътре в порите на аераторите с фини мехурчета, включват биологично, органично и неорганично замърсяване. Органичното замърсяване е резултат от адсорбцията и утаяването на органична материя и отлагането на микробни секрети. Неорганичното замърсяване обикновено се състои от химически утайки, образувани от поливалентни катиони, като метални оксиди. Въз основа на това дали могат да бъдат отстранени чрез физическо почистване, замърсителите могат да бъдат категоризирани като физически обратими или физически необратими замърсявания. Физически обратимо замърсяване може да се отстрани чрез прости физически методи като механично почистване, тъй като тези замърсители са хлабаво прикрепени към повърхността на аератора. Физически необратимите замърсявания не могат да бъдат елиминирани чрез физическо почистване и изискват по-щателно химическо почистване. В рамките на физически необратимото замърсяване, замърсителите, които могат да бъдат отстранени чрез химическо почистване, се наричат ​​химически обратимо замърсяване, докато тези, които не могат да бъдат отстранени дори чрез химическо почистване, се считат за невъзстановимо замърсяване.

Понастоящем аераторите с фини мехурчета, използвани в страната, включват традиционни каучукови материали като етилен пропилей диен мономер (EPDM) и по-нови материали като полиетилен с висока-плътност (HDPE). Газоразпределителният слой на HDPE аераторите се формира чрез покриване на вътрешната тръба за подаване на въздух с разтопен полимер с диаметър на порите приблизително (4,0 ± 0,5) mm. HDPE предлага добри химически, механични и удароустойчиви свойства и дълъг експлоатационен живот. Размерите на порите му обаче са непоследователни и неравномерно разпределени, което ги прави податливи на отлагане на замърсители. EPDM материалът е много гъвкав, с пори, създадени чрез механично рязане. EPDM аераторите имат по-голям брой пори на единица площ, произвеждайки по-малки мехурчета (минимум 0,5 mm). Хидрофилната природа на гумената мембрана също благоприятства образуването на мехурчета. Микроорганизмите обаче са склонни да се прикрепят и растат върху EPDM повърхности, като използват пластификатори като субстрат. Същевременно консумацията на пластификатори води до втвърдяване на материала на аератора, което в крайна сметка води до повреда от умора и съкращаване на експлоатационния живот. Следователно е необходимо да се изследват моделите на натрупване на замърсители върху тези два материала и последващите промени в ефективността на преноса на кислород и загубата на налягане.

Това проучване взе аератори с фини мехурчета, заменени след години работа от две общински ПСОВ с подобни условия на процеса като обект на изследване. Замърсителите от аераторите бяха извлечени и характеризирани слой по слой, за да се идентифицират основните им компоненти. Въз основа на това беше оценена ефективността на методите за почистване при възстановяване на ефективността на преноса на кислород на аераторите, с цел да се осигурят основни данни и технически справки за дългосрочна-оптимизирана и стабилна работа на системи за аериране с фини мехурчета.

1 Материали и методи

1.1 Въведение в пречиствателните станции за отпадъчни води

И двете ПСОВ се намират в Шанхай и използват анаеробния-аноксичен-кислороден процес (AAO) като основно пречистване. ПСОВ А използва вихрова камера за песъчинки + конвенционален AAO + високо-ефективен филтър от влакна + процес на UV дезинфекция. ПСОВ B използва камера с аериран пясък + конвенционален AAO + високо-ефективен резервоар за утаяване + процес на UV дезинфекция. И двете инсталации стабилно отговарят на стандарта за степен А на "Стандарт за изхвърляне на замърсители за общински пречиствателни станции за отпадъчни води" (GB 18918-2002). Конкретен дизайн и експлоатационни параметри са показани вТаблица 1.

1.2 Извличане и характеризиране на замърсители от аератора

Аераторите с фини мехурчета, използвани в експериментите, бяха тръбен HDPE аератор (Ecopolemer, Украйна), събран от завод A, и тръбен EPDM аератор (EDI-FlexAir, САЩ), събран от завод B. Снимките и на двата са показани вФигура 1. Старата HDPE тръба е била в експлоатация от 10 години, с размери D×L=120 mm×1000 mm и диаметър на порите (4±0,50) mm, способни да произвеждат фини мехурчета от 2~5 mm. Старата EPDM тръба беше в експлоатация от 3 години, с размери D×L=91 mm×1003 mm, произвеждайки фини мехурчета от 1,0~1,2 mm, с минимален диаметър на мехурчетата от 0,5 mm.

Старите HDPE и EPDM тръби бяха извадени от аеробните резервоари, поставени върху хранителен филм и изплакнати с дейонизирана вода. Беше извършено механично почистване с помощта на-стерилизирано с пламък острие за изстъргване на замърсители, прикрепени към повърхността на аератора.

За по-нататъшно изследване на въздействието на замърсяването върху ефективността на преноса на кислород, беше извършено химическо почистване на HDPE тръбата. След механично измиване, HDPE тръбата се накисва съответно в 5% HCl и 5% NaClO за 24 часа. Старите тръби, механично изчистените тръби и химически почистените тръби бяха изсушени в пещ при 60 градуса (модел XMTS-6000) в продължение на 60 часа. След това техните повърхности бяха изследвани с помощта на сканираща електронна микроскопия (SEM, модел JSM-7800F, Япония), енергийно-дисперсионна рентгенова спектроскопия (EDX, Oxford Instruments, Обединеното кралство) и конфокална лазерна сканираща микроскопия (CLSM, модел TCS SP8, Германия). Почистващият разтвор на HCl се филтрува през 0, 45 μm мембрана и се извършва количествен анализ на поливалентни катиони (включително Ca, Mg, Al, Fe йони и др.) с помощта на индуктивно свързана плазмена оптична емисионна спектрометрия (ICP, модел ICPS-7510, Япония). Тъй като HCl и NaClO могат да причинят денатурация и стареене на EPDM мембраната, не е извършено химическо почистване на EPDM тръбата. EPDM тръбата се нарязва на мембранни парчета 5 cm × 5 cm и се накисва в HCl за количествен анализ на поливалентни катиони в разтвора.

1.3 Апаратура и метод за изпитване на производителността на преноса на кислород от аератора

Ефективността на преноса на кислород на аераторите с фини мехурчета е тествана съгласно „Определяне на производителността на пренос на кислород в чиста вода на аератори с фини мехурчета“ (CJ/T 475-2015). Тестовата настройка е показана вФигура 2.

Апаратът представлява конструкция от -неръждаема стомана с размери 1,2 m × 0,3 m × 1,4 m, с прозорци за наблюдение от органично стъкло от двете страни. Аераторът беше фиксиран в централното дъно с помощта на метална опора с дълбочина на потапяне 1,0 m. Много{7}}параметричен анализатор за качеството на водата (Hach HQ30D, САЩ) беше използван за наблюдение на концентрацията на разтворен кислород (DO) в реално-време. Като деоксигениращ агент се използва безводен натриев сулфит, а като катализатор кобалтов хлорид. Показанията на манометъра представляват динамичното мокро налягане на аератора (DWP, kPa). Резултатите от измерванията бяха коригирани за температура, соленост и DO. Като индекс за оценка се използва стандартизираната ефективност на пренос на кислород (SOTE, %).

Консумацията на енергия на вентилатора е свързана както с дебита на подавания въздух, така и с налягането на изходящия въздух, които се влияят съответно от SOTE и DWP на аератора. Следователно индексът на консумация на енергия при аериране J (kPa·h/g), представляващ комбинирания ефект на SOTE и DWP, беше използван за оценка на работата на аератора. Дефинира се като загубата на налягане, която аераторът трябва да преодолее за единица маса пренесен кислород. J се изчислява от наклона на напасването на линейната регресия между DWP/SOTE и дебита на въздушния поток (AFR), както е показано в следното уравнение:

където:

AFRе дебитът на въздуха, m³/h;

ρ_въздухе плътността на въздуха, взета като 1,29 × 10³ g/m³ при 20 градуса;

y_O2е съдържанието на кислород във въздуха, взето като 0,23 g O₂/g въздух.

2 Резултати и анализ

2.1 Ефективност на пренос на кислород на нови, стари и почистени аератори

Фигура 3показва SOTE и DWP на аераторите при различни скорости на въздушния поток.

От фигури 3(a) и (b) стойностите на SOTE за новите HDPE и новите EPDM тръби са съответно (7,36±0,53)% и (9,68±1,84)%. EPDM тръбата произвежда по-малки мехурчета с по-голяма специфична повърхност, увеличавайки контактната площ на газ-течност и времето на престой, което води до по-висок SOTE. SOTE и на двата аератора намалява с увеличаване на AFR, тъй като по-високият AFR увеличава броя на мехурчетата и началната скорост, което води до повече сблъсъци на мехурчета и образуването на по-големи мехурчета, което възпрепятства преноса на кислород от газова към течна фаза. SOTE на EPDM тръбата показва по-ясно изразена тенденция на намаляване с увеличаване на AFR в сравнение с HDPE тръбата. Това е така, защото порите на HDPE аератора са твърди и не се променят с AFR, докато порите на EPDM аератора са гъвкави и се отварят по-широко с увеличен AFR, образувайки по-големи мехурчета и допълнително намалявайки SOTE.

След дългосрочна-работа, SOTE на HDPE тръбата спадна до (5,39±0,62)%, намаление от 26,7%, главно поради натрупване на замърсители, запушващи порите и намаляващи броя на ефективните пори за генериране на мехурчета. Механичното почистване увеличи SOTE на HDPE тръбата до (5,59±0,66)%, но възстановяването не беше значително, вероятно защото замърсителите върху HDPE тръбата бяха не само прикрепени към повърхността, но и се отлагаха вътре в порите, което ги прави трудни за отстраняване чрез механично почистване. Jiang и др. установи, че NaClO може ефективно да отстрани замърсителите от HDPE тръбите и да възстанови тяхната аерационна производителност. След почистване с NaClO, SOTE на HDPE тръбата се възстанови до (6,14±0,63)%, което е 83,4% от нивото на новата тръба, все още не може да се възстанови напълно. Това е така, защото при продължителна работа замърсителите стават плътно прикрепени, променяйки структурата на порите, възпрепятствайки въздушния поток, увеличавайки коалесценцията на мехурчетата, намалявайки специфичната повърхност на мехурчетата и времето на престой, и по този начин възпрепятствайки преноса на кислород. Едновременно с това замърсяването причинява неравномерно разпределение на въздуха, което влошава цялостната производителност.

SOTE на старата EPDM тръба спадна до (9,06±1,75)%, намаление от 6,4%. Освен запушване на порите от натрупване на замърсители, биологичното замърсяване консумира пластификатори в материала, втвърдява аератора и деформира порите. Деформираните пори не могат да се върнат в първоначалното си състояние, произвеждайки по-големи мехурчета и понижавайки SOTE. Механичното почистване увеличи SOTE на EPDM тръбата до (9,47±1,87)%, като почти я възстанови до нивото на новата тръба, което показва, че замърсителите върху EPDM тръбата са хлабаво прикрепени към повърхността и могат да бъдат отстранени предимно чрез механично почистване.

От фигури 3(c) и (d), DWP на новата EPDM тръба е (6,47±0,66) kPa, значително по-висока от тази на новата HDPE тръба [(1,47±0,49) kPa]. Това е така, защото диаметърът на порите на EPDM тръбата е по-малък от този на HDPE тръбата, което води до по-голямо съпротивление при натискане на мехурчета. След дългосрочна-работа, DWP на старата HDPE тръба се увеличи до (4,36±0,56) kPa, 2,97 пъти повече от тази на новата тръба. Увеличаването на DWP е свързано както със степента на запушване на порите, така и с промените в материала. Механичното почистване намали DWP на HDPE тръбата до 2,25 пъти по-голяма от тази на новата тръба. Почистването с NaClO допълнително го намали до (2,04±0,45) kPa, 1,39 пъти повече от тази на новата тръба. Това отново показва, че повечето замърсители върху HDPE тръбата са били отложени вътре в порите и не могат да бъдат ефективно отстранени чрез механично почистване, което изисква почистване с NaClO за възстановяване на ефективността. DWP на старата EPDM тръба се увеличи до (8,10 ± 0,94) kPa, 1,25 пъти повече от тази на новата тръба, и намаля до 1,10 пъти след механично почистване.

Фигура 4показва промяната на DWP/SOTE (означено като DWP') с AFR за аераторите.

Използвано е уравнение на линейна регресия, за да се напасне DWP' спрямо AFR и параметърът на потребление на енергия J е получен от наклона. Стойностите J за новите HDPE и новите EPDM тръби бяха съответно 0,064 и 0,204 kPa·h/g, което показва, че за единица маса пренесен кислород, EPDM тръбата трябва да преодолее по-голяма загуба на налягане. По време на смяната стойностите на J за HDPE и EPDM тръбите се увеличиха съответно до 0,251 и 0,274 kPa·h/g. Замърсяването на аератора, водещо до повишена загуба на налягане, може да повлияе на безопасната работа на вентилатора. След механично почистване стойностите на J за HDPE и EPDM тръбите намаляват съответно до 0,184 и 0,237 kPa·h/g. Промените в J могат да се използват за количествен анализ на замърсителите на аератора. Разликата в J между старата тръба и механично изчистената тръба е причинена от физически обратимо замърсяване. Разликата между механично изчистената тръба и новата тръба се дължи на физически необратимо замърсяване. Разликата между механично изчистената тръба и химически почистената тръба е причинена от химически обратимо замърсяване, докато разликата между химически почистената тръба и новата тръба е причинена от непоправимо замърсяване. Фигура 5 показва промените в параметъра J на ​​потребление на енергия за аераторите.

отФигура 5, за HDPE тръбата, физически обратимото и физически необратимото замърсяване представляват съответно 35,8% и 64,2% от общото замърсяване. В рамките на физически необратимите замърсявания, химически обратимите и невъзстановимите замърсявания представляват съответно 42,8% и 21,4%. За EPDM тръбата физически обратимото и физически необратимото замърсяване представляват съответно 52,9% и 47,1%. Невъзстановимите замърсявания не се появяват първоначално, а се натрупват с течение на времето, което в крайна сметка определя експлоатационния живот на аератора. Следователно трябва да се установят разумни графици за почистване, за да се забави преходът от обратимо към необратимо замърсяване и да се сведе до минимум натрупването на непоправимо замърсяване.

2.2 SEM наблюдение на нови, стари и почистени аератори

Фигура 6показва SEM изображения на повърхностите на нови, стари и механично почистени аератори. Порестата структура на новата HDPE тръба е ясно видима, докато повърхността на новата EPDM тръба е гладка с чисти-изрязани пори. След няколко години работа повърхностната морфология на двата аератора се промени значително. Неравномерни пръчкови-подобни и блокови замърсители покриха изцяло повърхността, със замърсителни агрегати около и вътре в порите, възпрепятствайки преноса на кислород и увеличавайки загубата на налягане. След механично почистване повечето замърсители от повърхността на EPDM тръбата бяха отстранени, но порите останаха запушени. За HDPE тръбата дебелината на замърсителния слой намаля, но порите все още бяха покрити.

2.3 Анализ на неорганично замърсяване на нови, стари и почистени аератори

EDX беше използван за по-нататъшен анализ на основния елементен състав на повърхностите на аератора, като резултатите са показани вТаблица 2. Въглерод, кислород, желязо, силиций и калций бяха открити както върху HDPE, така и върху EPDM повърхности. HDPE тръбата също съдържа магнезий, докато EPDM тръбата съдържа алуминий. Изводът е, че неорганичните замърсители на HDPE тръбата са били силициев диоксид, калциев карбонат, магнезиев карбонат и железен фосфат, докато тези на EPDM тръбата са били силициев диоксид и алуминиев оксид. Тези неорганични утайки се образуват, когато концентрациите на неорганични йони от градските отпадъчни води и активната утайка достигнат насищане на повърхността на аератора. След механично почистване, неорганичните елементи на повърхностите на аератора показват малка разлика в сравнение със старите тръби, което показва, че механичното почистване не може ефективно да премахне неорганичните замърсители. Ким и др. установи, че след дългосрочна-работа неорганичните замърсители се покриват от органични замърсители, плътно прилепнали към повърхността и вътре в порите, което ги прави трудни за отстраняване чрез механично почистване.

След почистване с HCl, металните йони върху повърхностите на аератора бяха напълно отстранени. HCl корозира част от органичния слой, покриващ повърхността, прониква в него и реагира с метални йони, премахвайки неорганичните утайки чрез неутрализация и разлагане. Почистващият разтвор на HCl, използван за накисване на аераторите, беше анализиран от ICP, за да се изчисли съдържанието на неорганични замърсители. Съдържанието на Ca, Mg и Fe за HDPE тръбата е съответно 18,00, 1,62 и 13,90 mg/cm², докато за EPDM тръбата съдържанието на Ca, Al и Fe е съответно 9,55, 1,61 и 3,38 mg/cm².

2.4 Анализ на органично замърсяване на нови, стари и почистени аератори

За количествено изследване на разпределението на органични замърсители, софтуерът Image J беше използван за изчисляване на биообема и коефициента на покритие на субстрата на общите клетки, полизахариди и протеини от CLSM микрографии, като средните стойности бяха взети като крайни резултати (Фигура 7).

От Фигура 7(a), протеините и общите клетки са основните компоненти на органичните замърсители на HDPE и EPDM тръбите, съответно, с максимални общи обеми, достигащи 7,66×10⁵ и 7,02×105 μm³. Общият клетъчен обем на EPDM тръбата е 2,5 пъти по-голям от този на HDPE тръбата, в съответствие с констатациите на Garrido-Baserba et al., които съобщават за по-висока обща концентрация на ДНК върху стари EPDM аератори в сравнение с други материали. Wanger и др. установиха, че когато микроорганизмите се прикрепят към EPDM тръби, ако в околната среда липсва достатъчно органичен субстрат, те се обърнаха към използването на пластификатори за EPDM мембрани. Микроорганизмите могат да използват пластификатори като източник на въглерод, ускорявайки растежа и размножаването, като по този начин засилват биологичното замърсяване на EPDM повърхността. Съдържанието на полизахарид и протеин в EPDM тръбата е много по-ниско от това в HDPE тръбата, вероятно поради по-високата възраст на утайката в завод B в сравнение с завод A, което води до по-ниска концентрация на извънклетъчно полимерно вещество (EPS). Като основни компоненти на EPS, протеините и полизахаридите, секретирани от микроорганизми, станаха значителни източници на органични замърсители върху повърхността на HDPE тръбата в завод A.

След механично почистване, количествата на общите клетки, полизахариди и протеини върху HDPE тръбата намаляват съответно с 1,49 × 10⁵, 0,13 × 10⁵ и 1,33 × 105 μm³. При EPDM тръбата съответните намаления бяха съответно 2,20 × 10⁵, 1,88 × 10⁵ и 2,38 × 105 μm³. Това показва, че механичното почистване може да намали до известна степен органичното замърсяване.

Въпреки това, за HDPE тръбата, площта на покритие на субстрата от полизахариди и протеини се увеличи след механично почистване-от 2,75% и 6,28% съответно до 4,67% и 7,09% [Фигура 7(b)]. Това се дължи на факта, че извънклетъчните полимерни вещества (EPS) притежават висок вискозитет. Следователно, механичното почистване имаше контрапродуктивния ефект на разпространение на протеини, полизахариди и неорганични замърсители по-широко по повърхността на HDPE тръбата, което доведе до по-голямо покритие на площта. Това вероятно обяснява защо механичното почистване не успя да възстанови значително ефективността на аериране на HDPE тръбата.

След почистване с NaClO общите клетки, полизахариди и протеини в HDPE тръбата намаляват съответно с 2,34 × 10⁵, 3,42 × 10⁵ и 4,53 × 10⁵ μm³, което показва значително по-висока ефективност на отстраняване от механичното почистване. NaClO окислява функционални групи от органични замърсители в кетони, алдехиди и карбоксилни киселини, повишавайки хидрофилността на изходните съединения и намалявайки адхезията на замърсителите към аератора. Освен това утайките и колоидите могат да бъдат разложени от окислители на фини частици и разтворена органична материя.

3 Изводи

①Стойностите на SOTE за новите HDPE и новите EPDM тръби бяха съответно (7,36±0,53)% и (9,68±1,84)%. SOTE на EPDM тръбата показва по-ясно изразена тенденция на намаляване с увеличаване на AFR в сравнение с HDPE тръбата. Това е така, защото порите на HDPE аератора са твърди и не се променят с AFR, докато порите на EPDM аератора са гъвкави и се отварят по-широко с увеличен AFR, образувайки по-големи мехурчета и допълнително намалявайки SOTE.

②Поради натрупването на замърсители на повърхността и вътрешните пори, ефективността на преноса на кислород на HDPE тръбата намаля с 26,7%, а загубата на налягане се увеличи до 2,97 пъти от тази на новата тръба. Тъй като повечето замърсители върху HDPE тръбата се отлагат вътре в порите, механичното почистване не е ефективно. След химическо почистване, SOTE на HDPE тръбата се възстанови до 83,4% от нивото на новата тръба, а DWP намаля до 1,39 пъти от тази на новата тръба, което показва значително подобрение на производителността. Въпреки това, поради отлагането на замърсители, той не може да се възстанови напълно до първоначалното си състояние. За HDPE тръбата физически обратимите, химически обратимите и невъзстановимите замърсявания представляват съответно 35,8%, 42,8% и 21,4%.

③След дългосрочна-работа ефективността на преноса на кислород на EPDM тръбата намаля с 6,4%, а загубата на налягане се увеличи до 1,25 пъти от тази на новата тръба. След механично почистване ефективността на аериране на EPDM тръбата беше почти възстановена до нивото на новата тръба, което показва, че замърсителите върху EPDM тръбата са хлабаво прикрепени към повърхността и могат да бъдат до голяма степен отстранени чрез механично почистване. За EPDM тръбата физически обратимото и физически необратимото замърсяване представляват съответно 52,9% и 47,1%.

④Протеините бяха основният компонент на органичните замърсители в HDPE тръбата, докато общите клетки бяха основният компонент в EPDM тръбата. Това е така, защото микроорганизмите използват пластификатори в EPDM материала като източник на въглерод, ускорявайки техния растеж и размножаване, като по този начин засилват биологичното замърсяване върху аераторите за EPDM материал.