Технически основи и оперативно управление на аерационен басейн с вентилатор с ниско{0}}натоварване
1. Преглед
1.1 Принцип на работа на вентилационните аерационни басейни
Вентилаторната аерация, често използвана в Китай, включва основно дифузна, спирална и микропореста аерация. Аерационният басейн обикновено се състои от аерационна система, структурата на басейна и входните/изходните отвори, служещи като ключова структура при пречистването на отпадъчни води с активна утайка. Обичайните методи за аериране са механично и аериране с вентилатор. Системите за аериране с вентилатор обикновено се състоят от специализирани аератори и вентилатори. Басейните често са разделени на множество отделения, всяко от които има възможност за независимо входящо захранване. Отпадъчните води влизат в басейна и излизат в противоположния край. По време на този процес въздухът се доставя чрез компресори към дифузьорите на дъното на басейна и се освобождава като мехурчета.
1.2 Свързани изследвания на аерационни басейни с вентилатори
Изследване на Cheng Dandan и др. установиха, че в китайските градски пречиствателни станции за отпадъчни води (ПСОВ), вентилаторите за аериране консумират приблизително 60% от общата енергия. Интегрирането на аерационната система с интелигентен PID контрол със затворен-контур за разтворен кислород (DO) и внедряването на стратегии за-спестяване на енергия от вентилатора могат ефективно да се справят с високото потребление на енергия в системите за аериране на ПСОВ, намалявайки го с над 30%.
Liu Xiaoqi и др. използва аератори с дисперсен поток, за да увеличи съдържанието на кислород в отпадъчните води по време на пречистването, като същевременно намали консумацията на енергия. Това също така постигна равномерно смесване и разпределение на вода-въздух, намалявайки изискването за прецизност за нивелиране на инсталацията на аератора.
Chang Kai и др. подобрена производителност на системата за конвенционален аерационен басейн чрез модифициране на оригиналния режим на събиране на въздух. Те замениха традиционните микропорести аератори с микропорести аератори със силиконова пластина с висока-пренос на кислород и замениха еднопроходни-правопоточни-поточни аерационни басейни с три-проходни серпентинообразни проточни басейни. Включването на прецизен контрол на аерацията допълнително подобри системата, като се справи с проблемите с високата консумация на енергия, ниската ефективност и лошия масов трансфер при традиционните методи за аериране с вентилатор.
1.3 Оперативно управление на аерационни басейни с вентилатори
Вентилаторните аерационни басейни се използват широко при пречистване на отпадъчни води. Следвайки принципа на „отделно третиране за различни потоци от отпадъци“, отделението за пречистване на солена отпадъчна вода на конкретна ПСОВ обработва предимно отпадъчни води от електрическо обезсоляване от атмосферна-вакуумна дестилация, дестилирана пречистена вода, отпадъчни води от неутрализация на алкилиране и някои супернатанти и отпадъчни води с висока-соленост. Това устройство разполага с три-степенна система за биологично третиране, с резервоара за аериране като вторичен етап. Неговата влиятелна средна химическа потребност от кислород (COD) е постоянно под 100 mg/L, което го класифицира като процес с активна утайка с ниско-натоварване. Освен надстройките на оборудването, поддържането на оптимална работа изисква внимателен контрол и настройка на параметрите на процеса.
2. Преглед на съоръжението
2.1 Процесен поток на инсталацията за пречистване на солени отпадъчни води
Уредбата използва процес на „изравняване + сепариране на масло + дву-етапна флотация + три-етапно биологично третиране“, като пречистените отпадъчни води се изпращат към полираща единица. Масленият сепаратор използва комбиниран дизайн с хоризонтален поток и наклонена плоча. Двата етапа на флотация използват съответно вихрова кавитационна въздушна флотация (CAF) и частична рефлуксна флотация с разтворен въздух под налягане (DAF). Трите биологични етапа са последователни: Аерационен резервоар за чист кислород III, аерационен резервоар с вентилатор и вторичен биохимичен резервоар (EM-BAF). Процесът на процеса е показан вФигура 1.
2.2 Описание на аерационния басейн с вентилатор
Басейнът за аериране с вентилатор е преработено съоръжение, първоначално построено през 1995 г. като част от секция за пречистване на мазни отпадъчни води. Той използва традиционен дизайн на аериране на поток с щеп- с ефективен обем от 3888 m³ и текущо хидравлично време на задържане (HRT) от приблизително 17,6 часа. Басейнът работи в два паралелни влака, всеки с по четири купета. На дъното са монтирани аератори, захранвани от центробежни вентилатори за осигуряване на кислород за метаболизма на активната утайка. Също така е оборудван с два вторични утаителя (Φ18m x 5m).
В три{0}}етапна биологична система:
- Етап 1 (Аерационен резервоар за чист кислород III): Основната функция е премахване на COD.
- Етап 2 (Аерационен резервоар с вентилатор): Основната функция е отстраняване на амонячен азот (NH₃-N), вторичната функция е допълнително отстраняване на COD.
- Етап 3 (вторичен биохимичен резервоар - EM-BAF): Функции за допълнително полиране на отпадъчни води ХПК и NH₃-N, гарантирайки окончателно качество на водата.
2.3 Качество на притока и отпадъчните води на аерационния басейн с вентилатор
Влиянието към резервоара за аериране на вентилатора идва от резервоар за чист кислород III, с граници на замърсители: CODcr По-малко или равно на 300 mg/L, NH₃-N По-малко или равно на 30 mg/L, Суспендирани твърди вещества (SS) По-малко или равно на 50 mg/L.
Отпадъчните му води захранват вторичния биохимичен резервоар с ограничения: CODcr По-малко или равно на 120 mg/L, NH3-N По-малко или равно на 30 mg/L, SS По-малко или равно на 50 mg/L.
Крайният изтичащ поток от вторичния биохимичен резервоар трябва да отговаря на: CODcr По-малко или равно на 70 mg/L, Петрол По-малко или равно на 5 mg/L, NH3-N По-малко или равно на 3 mg/L.
През 2021 г. средният входящ CODcr на басейна беше 67,094 mg/L, а средният NH3-N беше 23,098 mg/L, като и двете отговарят на проектните изисквания. Въпреки това, особено ниското влияние на COD доведе до дефицит на въглероден източник за активната утайка, което повлия на нейния нормален метаболизъм. Обратно, достатъчно амонячен азот и ниска концентрация на органични замърсители в смесената течност благоприятстват нитрификацията, която протича ефективно.
3. Оперативни въздействащи фактори и мерки за контрол
3.1 Въздействие на натоварването с ниско влияние и стареенето на утайките
С вливаща ХПК при 67,094 mg/L-под проектната граница (По-малко или равно на 300 mg/L) и търсенето на въглерод от микроби (приблизително. 100 mg/L BOD₅)-активната утайка изпитва дефицит на въглероден източник. Ниското натоварване доведе до бавен растеж на утайката, което я направи податлива на стареене и образуване на рохкава структура. Отлежала, мъртва утайка, образувала измет, плаваща върху повърхността на вторичния утаител. При липса на оборудване за събиране на измет, тази измет изтичаше заедно с отпадъчните води, причинявайки мътност, превишаване на границите на COD и SS и впоследствие претоварвайки вторичния биохимичен резервоар надолу по веригата, засягайки окончателното му качество на отпадъчните води.
Противодействие: Оперативният екип контролира концентрацията на суспендирани твърди вещества в смесени течности (MLSS). Използвайки градуиран цилиндър от 1000 ml за 30-минутен тест за индекс на обема на утайката (SVI), те поддържат SVI около 20%, съответстващо на MLSS от приблизително 2 g/L. Тази балансирана ефективност на отстраняване на замърсителите с предотвратяване на стареенето на утайката, плаването и влошаването на качеството на водата. Бавният растеж на утайката означава минимално и рядко изхабяване на утайка, което позволява на нитрифициращите бактерии време на престой, надвишаващо минималното им време за генериране, което допълнително насърчава нитрификацията.
3.2 Въздействие на контрола на разтворения кислород (РО).
Микроорганизмите в активната утайка са предимно аеробни, като обикновено изискват DO между 1-3 mg/L. Корпоративните стандарти определят обхвата на DO за традиционните басейни за аериране с щепселен поток на 2-4 mg/L, като нитрификацията изисква DO обикновено не под 2,0 mg/L. Текущият нисък влиятелен товар и допълнително намалената концентрация на MLSS понижиха търсенето на DO, което направи контрола труден. Поддържането на пълно смесване често повишава DO над 4 mg/L, докато контролирането на DO в рамките на целевия диапазон понякога води до неадекватно смесване в някои зони, причинявайки утаяване на утайки.
Освен това високият DO ускорява разграждането на органичната материя, влошавайки стареенето на утайката. Следователно на практика РК се контролира около 3 mg/L. Освен това, всички въздушни клапани се регулират приблизително ежемесечно, за да се подобри равномерното смесване, да се реактивират пасивните флокули и да се поддържа активна биомаса.
3.3 Влияние на температурата на водата
Температурата значително влияе върху микробната активност. Подходящите температури насърчават активността, докато ниските температури я потискат или намаляват, а високите температури могат да променят физиологията или да причинят смърт. В тази система термофилните бактерии са основните функционални групи. За безопасност на системата температурата обикновено се поддържа между 15–35 градуса, въпреки че подходящият диапазон е 10–45 градуса. Надвишаването на 30 градуса може да денатурира нитрификаторните протеини, намалявайки тяхната активност. Активната утайка съдържа както разграждащи COD-, така и нитрифициращи бактерии, като нитрификацията има по-тесен оптимален диапазон от 5–30 градуса.
Притокът на солени отпадъчни води съдържа потоци с висока-температура. Предишни инциденти включваха последователни дни на входяща температура над 40 градуса, което доведе до разпадане на утайката, смърт на ХПК-разградители и нитрификатори и срив на системата. Впоследствие беше монтиран термометър на линията за оттичане на изравнителния резервоар, за да се контролира стриктно температурата на изпускане да не надвишава 40 градуса, отговаряйки на изискванията за температура на утайката. През 2021 г. не е имало подобни инциденти, засягащи нитрификацията.
3.4 Влияние на алкалността
Съгласно съответните корпоративни стандарти, когато се използва активна утайка за отстраняване на амоняк, съотношението на вливащата обща алкалност към амонячен азот не трябва да бъде по-малко от 7,14; в противен случай трябва да се допълни алкалността. При проектен влиятелен NH3-N от 30 mg/L и действителна средна стойност от 23,098 mg/L, необходимата обща алкалност е не по-малка от 214,2 mg/L. Понастоящем вливащата се алкалност е недостатъчна, което изисква ежедневно добавяне на калцинирана сода (Na₂CO₃), за да се отговори на изискванията на процеса.
3.5 Влияние на pH и токсични вещества
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 или<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Аеробният микробен метаболизъм може умерено да буферира промените в pH. Например, използването на азотни съединения може да понижи pH по време на нитрификация, докато декарбоксилирането произвежда алкални амини, повишавайки pH. Това позволява дългосрочно-свикване към леко киселинни/алкални отпадъчни води. Присъщата алкалност на отпадъчните води също помага за предотвратяване на падането на pH.
Въпреки това, драстичните промени на рН (напр. внезапен алкален приток в киселинна система) значително влияят на микробите и могат да нарушат работата. Следователно необходимостта от неутрализация зависи от конкретния случай. Незначителните постоянни колебания на pH, особено при слаби киселини/основи, може да не изискват неутрализация. По-големите колебания налагат регулиране на pH до неутрално.
Нитрифициращите бактерии са силно pH-чувствителни, с оптимална нитрификация при pH 7,2–8,0, докато обикновените микроби предпочитат 6,5–8,5. За конкретни промишлени отпадъчни води видовете токсични вещества често са фиксирани, но концентрациите и обемите на изхвърляне варират. Освен изравняването, нивата на вливащи се токсични вещества трябва да се наблюдават и контролират. След аклиматизацията на утайката трябва да се установи максимална граница на вливащата концентрация въз основа на степента на аклиматизация и експлоатационния опит. Продължителното превишение изисква мерки като намаляване на притока, увеличаване на рециклирането на утайки или подобряване на оксигенацията, за да се предотврати микробно отравяне и неуспех на лечението. Към момента в притока на басейна не са открити токсични вещества, причиняващи микробно отравяне.
3.6 Въздействие на ударните натоварвания
Влиятелният COD остава стабилно нисък с незначителни колебания, а NH3-N и общият азот (TN) също остават в относително стабилни диапазони за дълги периоди. Популацията на нитрификаторите остава относително фиксирана. Въпреки това, поради бавния им темп на растеж, внезапно, значително увеличение на входящия NH3-N или TN може да насити капацитета за отстраняване на басейна, компрометирайки качеството на отпадъчния NH3-N и TN.
Теоретично търсенето на микробни N и P следва съотношение BOD5:N:P от 100:5:1. Съдържанието на N и P обаче варира значително в зависимост от типа промишлени отпадъчни води. Някои отпадъчни води са с високо съдържание на N и P, което изисква отстраняване, за да отговарят на стандартите. Други са с дефицит, което налага добавяне, за да се избегне ограничаването на метаболизма. За работещи басейни, пречистващи отпадъчни води с ниско съдържание на N/P, входящи нива от около 10 mg/L NH3-N и 5 mg/L фосфат могат да задоволят нуждите на микробите. Продължителните нива под тези изискват повишено дозиране на N/P.
Ежедневната работа изисква внимателно наблюдение на NH3-N и TN във всички входящи потоци и отпадъчните води от изравнителния резервоар, както и в рециклираните потоци от резервоарите за регулиране, за да се предотврати претоварване на блока за полиране надолу по веригата и застрашаване на безопасността на крайната изпускателна вода.
4. Заключение
Като основен нитрификационен реактор в съоръжението за пречистване на солени отпадъчни води, аерационният басейн с вентилатор изисква внимателно ежедневно наблюдение на температурата на водата, входящия NH₃-N и TN. Стриктният контрол на концентрацията на MLSS, поддържането на DO около 3 mg/L и осигуряването на адекватно добавяне на алкалност са от съществено значение. При тези оптимизирани мерки системата работи стабилно с отлично качество на отпадъчните води: среден COD от 54,213 mg/L, NH3-N от 9,678 mg/L и SS от 23,849 mg/L, отговаряйки напълно на изискванията за вливане на вторичния биохимичен резервоар. Текущото тестване, обобщаване и оптимизиране от множество аспекти също са от решаващо значение за допълнително гарантиране на надеждността на оборудването и ефективността на обработката на системата.