Преоборудване и проучване на ефективността на система за аериране с фини-мехурчета в градска пречиствателна станция за отпадъчни води

Преоборудване и проучване на ефективността на система за аериране с фини-мехурчета в градска пречиствателна станция за отпадъчни води

Въведение

Понастоящем основните процеси за пречистване на отпадъчни води, използвани в Китай, включват окислителен канал, SBR, активна утайка и други. Процесът на окислителен канал има проблем с високата консумация на енергия, особено в биологичната част, която представлява 65%–80% от общата консумация на енергия. Общото оборудване за аериране, използвано в процесите на окислителни канали, включва аериращи четки, аериращи дискове, аератори с вертикален вал и аератори с фини-мехурчета. Например, след като градска пречиствателна станция за отпадъчни води в определен град премина от традиционна повърхностна механична аерация към дънна аерация с фини-мехурчета, потреблението на енергия намаля с 20,11%, докато качеството на водата за пречистване стана по-стабилно. В допълнение, аерирането с фини-мехурчета има характеристиката на зонирано снабдяване с кислород, което може да осигури прецизно снабдяване с кислород според търсенето на кислород в различни зони на окислителната канавка, като допълнително подобрява ефективността на отстраняване на азот и фосфор.

Системата за повърхностна аерация в определена градска пречиствателна станция за отпадъчни води е била в експлоатация повече от десет години, със сериозно стареене на оборудването и експлоатационни затруднения. Беше трудно да се изпълнят най-новите стандарти за заустване, което наложи техническото обновяване. Този проект надстрои системата до система за аериране с фини-мехурчета, която може значително да намали потреблението на енергия, да оптимизира работата, да удължи живота на оборудването и да намали разходите за поддръжка, съобразявайки се с националните политики за пестене на енергия и намаляване на емисиите. Този проект за обновяване внедри практики за зелено строителство по време на демонтиране и инсталиране на оборудване: класифицирано рециклиране на старо оборудване, приемане на сглобяема инсталация и използване на машини с нисък-шум и ниски-емисии, постигайки „процес-строителство“ двуизмерни-спестявания на енергия и подкрепяйки устойчивото развитие на пречиствателната станция за отпадъчни води.

1 Преглед на проекта

1.1 Текуща ситуация

Градска пречиствателна станция за отпадъчни води в даден град е с общ капацитет 50 000 тона/ден, изградена на три етапа. Фаза I прие процеса на окислителна канавка, Фаза II и проектът за усъвършенствано третиране също приеха процеса на окислителна канавка, с последващо усъвършенствано третиране с използване на коагулационна седиментация + филтриране на тъканна среда + процес на ултравиолетова дезинфекция. Фаза III прие модифицирания процес A²O. В момента отпадъчните води отговарят на стандарта DB32/1072-2018.

1.2 Съществуващи проблеми

1.2.1 Въздействие на външна тръбопроводна мрежа

Отпадъчните води в обхвата на събиране на тръбопроводната мрежа на тази централа включват вноски от много промишлени предприятия. По време на ежедневна работа може да има въздействия от необичайни отпадъчни води от промишлени предприятия, причинявайки стойността на DO в биологичния резервоар да стане много ниска, дори достигайки 0 mg/L, което не отговаря на производствените изисквания. Междувременно, поради промените във външните условия, тъй като все повече промишлени предприятия в обслужвания район изхвърлят отпадъчни води в тръбопроводната мрежа, тази инсталация ще се сблъска с по-сериозно влияние върху качеството на водата в бъдеще. След като притокът варира, разтвореният кислород в биологичния резервоар ще намалее значително и обхватът на регулиране на обема на аериране от въртящите се дискове е ограничен. В някои периоди, DO в аеробния резервоар достига 0 mg/L, принуждавайки инсталацията да намали капацитета за пречистване в отговор, което значително влияе върху аеробната среда на биологичния резервоар и капацитета за пречистване.

1.2.2 Нисък DO в аерационен резервоар

Поради неизправности на въртящия се диск, причиняващи ниска ефективност на оксигенация на аераторите, по време на действителна производствена операция, историческите оперативни данни показват, че средните стойности на DO от инструментите в средата и изхода на аерационния резервоар не надвишават 1 mg/L, като най-ниската достига 0 mg/L, което сериозно засяга ефективността на биохимичната реакция.

1.2.3 Висока консумация на енергия

Биологичните резервоари от Фаза I и II на този завод са във форма на окислителен канал. Фаза I на окислителната канавка използва 8 въртящи се дискови аератора с мощност 18,5 kW, с обща повърхностна мощност на аератора 148 kW. Окислителната канавка от фаза II е четири-канален тип каруселна канавка, използваща 13 самозасмукващи-аератора Hitachi, включително 2 комплекта от 11 kW, 2 комплекта от 18,5 kW и 9 комплекта от 15 kW, с обща мощност на повърхностния аератор от 194 kW. При нормална работа, за да се осигури достатъчен обем вода, поради ниската ефективност на оксигенация на съществуващото оборудване за подаване на кислород, всички аератори трябва да бъдат напълно включени.

Консумацията на енергия за тон вода за аератори Фаза I и II е: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/тон. Въз основа на проучване на потреблението на електроенергия от биологична система в няколко околни общински пречиствателни станции за битови отпадъчни води, потреблението на енергия за 25 000 тона/ден градска инсталация за битови отпадъчни води, използваща долна система за аериране с фини{9}}мехурчета, обикновено е 0,09–0,1 RMB/тон. Консумацията на енергия на аератора с въртящ се диск е 2,4–2,7 пъти по-голяма от тази на долната система за аериране с фини-мехурчета, което показва относително висока консумация на енергия.

1.2.4 Висок процент на повреда на оборудването

С остаряването на аераторите с въртящи се дискове степента на повреда на оборудването постепенно нараства. След 11 години работа в този завод системата за аериране на въртящ се диск разви деформация на диска, причинявайки високо натоварване на оборудването и значителни вибрации. Дългосрочната-използване доведе до разхлабване на дъното, което води до несъосност в двата края и други проблеми, причинявайки повишено износване на лагерите и висок процент на повреда. Главните валове, работните колела, съединителите и базовите зъбни колела са претърпели множество ремонти или смени, достигайки по същество точката на подмяна. Лагерите и лопатките на аераторната глава на самозасмукващите аератори бяха силно износени. Последните статистически данни показват, че заводът е претърпял почти 30 ремонта годишно на въртящи се дискови аератори и самозасмукващи аератори.

2 Проектиране на техническо решение за модернизация

Цялостният подход за модернизиране е: премахнете оригиналните въртящи се дискови аератори и ги заменете с долна аерация с фини-мехурчета, със съответно добавяне на вентилатори; повдигнете преливника за отпадъчни води на биологичния резервоар, за да увеличите ефективната водна дълбочина на биологичния резервоар; добавете миксери в аеробната секция, като използвате оригиналната структура на канала, за да предотвратите локализирано натрупване на утайка.

2.1 Избор и оформление на аератор

2.1.1 Параметри на аераторния диск

Беше избран EPDM мембранен аераторен диск модел DD330, както е показано наФигура 1, със специфични параметри, показани вТаблица 1.

2.1.2 Оформление на аераторния диск

Брой аераторни дискове: нетна площ на дъното на резервоар за фаза I 864 m², нетна площ на дъното на резервоар за фаза II 1412 m², средна обслужваща площ 0,8 m²/диск, с коефициент на безопасност 1,05–1,10. Определен окончателен общ брой аераторни дискове: Фаза I 1150 диска, Фаза II 1900 диска.

Принцип на оформление: Равномерно разпределени в правилна триъгълна мрежа. Разстояние от стената на резервоара По-голямо или равно на 0,3 m за избягване на мъртви зони; разстояние от преградната стена на канала По-голямо или равно на 0,4 m за улесняване на поддръжката. Разделяне по посока на водния поток, с един електрически въздушен контролен вентил на зона за постигане на DO зонов контрол. Избягвайте смукателни отвори на помпи за утайка, улеи за вземане на проби и кабелни скари, като локално регулирате разстоянието до 1,5 m, като същевременно поддържате сервизна площ на диск По-малка или равна на 0,8 m².

Височина на монтаж и градиране на тръбата: Горната повърхност на мембранния диск е на 0,25 m от дъното на резервоара, осигурявайки потапяне по-голямо или равно на 5,0 m при минимално ниво на водата, за да се предотврати пренапрежение на вентилатора. Разклонителите използват ABS DN50 с перфорирано разпределение на въздуха; главните тръби са подредени в кръг, като скоростта на въздуха се контролира на 10–12 m·s⁻¹, материал SS304. За всеки 10 диска се предоставя чифт фланцови бързо-свързващи фитинги, което позволява цялостно повдигане за поддръжка без източване на резервоара.

2.2 Оптимизация на вентилационната система

2.2.1 Добавяне на вентилатори

Като основни възли бяха закупени вносни вентилатори с въздушно окачване и беше изградено ново вентилаторно помещение с добавени въздуховоди от неръждаема стомана.

2.2.2 Избор на вентилатор

Въз основа на действителните условия на работа на инсталацията и предвид бъдещите промени в качеството на водата, вливащата концентрация на ХПК в плана за модернизация не се различава значително от проектната стойност, със средна концентрация от около 320 mg/L. Концентрацията на БПК е изчислена въз основа на проектната стойност за фаза III от 150 mg/L, а други влиятелни показатели са изчислени въз основа на проектните концентрации на влияеми фаза III. Необходимият работен обем на въздуха за Фаза I и II на инсталацията е 103,7 m³/min (6 225,1 m³/h, два дежурни блока и един резервен, единичен въздушен обем 50 m³/min).

Като се вземат под внимание различни фактори, два внесени вентилатора с въздушно окачване NX75-C060 бяха закупени като основни единици за Фаза I и II. Трябваше да се изгради нова вентилационна стая, ориентировъчно разположена от южната страна на оригиналния цех за обезводняване на утайки, с добавени въздуховоди от неръждаема стомана към окислителната канавка. Параметри на вентилатора: въздушно налягане 0,049 MPa, въздушен обем 50 m³/min, с максимална изходна мощност 64,3 kW при тези условия на работа.

2.2.3 Модернизация на аерационната система

Методът на аериране беше променен на долна аерация. Фаза I и II биологични резервоари използват съответния брой дискови аератори и UPVC аерационни тръби. Специфичен подход за модернизация: Фаза I биологичен резервоар се очаква да използва 780 комплекта DD330 дискови аератори и UPVC аерационни тръби, Фаза II биологичен резервоар се очаква да използва 1276 комплекта DD330 дискови аератори и UPVC аерационни тръби, с работен въздушен обем на единичен аератор от 3,45 m³/h. Оформлението на главата на аератора е показано вФигури 2 и 3.

2.3 Оптимизиране на параметрите на процеса

2.3.1 Зониране на окислителните канали и стратегия за контрол на DO

По посока на водния поток на окислителната канавка аерационният участък е разделен на четири зони. Зона 1: DO 0,3–0,5 mg/L, Зона 2: DO 0,2–0,3 mg/L, Зона 3: DO 1,5–2,0 mg/L, Зона 4: DO 1,0–1,5 mg/L. Инструмент за обработка на амонячен азот е инсталиран в точката на най-висока скорост на реакция на нитрификация между Зона 2 и Зона 3, като в крайна сметка контролира изтичащия NH3-N По-малко или равно на 1,5 mg/L.

2.3.2 Оптимизиране на периода на аериране

Към съществуващата система SCADA беше добавен модул за "интермитентна аерация", който формира онлайн инструмент за DO + времева двойна затворена верига, за да се гарантира, че DO в средата на аеробната секция остава на 0,2 mg/L. Ако ДА<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 Анализ на ефекта от модернизация

Въздействието на тази инженерна модернизация върху цялостната работа на процеса беше изследвано чрез сравняване на промените в замърсителите в отпадъчни води преди и след модернизация.

3.1 Сравнение на качеството на отпадъчните води преди и след модернизация

Качеството на отпадъчните води преди и след модернизация беше стабилно, както е показано вФигура 4. Преди и след модернизация, средната ХПК в отпадъчни води остава под 30 mg/L, TP основно остава по-малко или равно на 0,3 mg/L, NH3-N по-малко или равно на 1,5 mg/L, докато TN варира около 10 mg/L. Цялостното качество на водата достигна квази-клас IV стандарти за повърхностни води, далеч надхвърляйки стандартите за заустване, изисквани за централата.

За по-интуитивен анализ на възможното въздействие на реконструкцията върху качеството на водата бяха сравнени-годишните тенденции в качеството на отпадните води преди и след реконструкцията, като се получиФигура 5. От фигурата може да се види, че без да се отчита влиянието на промените в концентрацията на влиянието, колебанията в концентрациите на COD и TP в отпадните води след модернизация са по-стабилни, отколкото преди модернизация. Въпреки че средните стойности на азотните показатели се повишиха в сравнение с преди модернизация, общата тенденция беше относително стабилна, което доведе до по-ниско общо потребление на енергия в завода и пестене на химикали.

3.2 Сравнение на отстраняването на замърсители преди и след модернизация

Благодарение на подобрението в системата за аериране, общото потребление на електроенергия в централата намаля с 1,7% в сравнение с преди, докато капацитетът за пречистване се увеличи с 8,33%, а съответното намаление на замърсителите също се увеличи, както е показано вФигура 6. След изчислението намалението на COD се увеличи с 948,5 тона, TP се увеличи със 7,0 тона, NH3-N се увеличи със 100,4 тона, а TN се увеличи със 125,9 тона.

Действителното отстраняване на замърсителите също се промени съответно, както е показано вТаблица 2. След модернизация, с изключение на намаляването на степента на отстраняване на NH3-N, нивата на отстраняване за всички други показатели се увеличиха.

3.3 Сравнение на потреблението на енергия преди и след модернизация

Консумацията на енергия на този проект за модернизация е показана вТаблица 3. След модернизация, консумацията на енергия на тон вода за Фаза I система за аериране на биологичен резервоар е намаляла с 67,3%, а за Фаза II е намаляла с 80,9%. Цялостната средна консумация на енергия за тон вода намаля с 55,3%, демонстрирайки значителни-ефекти на спестяване на енергия. Общата консумация на енергия на инсталацията за тон вода намаля до 0,21 kW·h/m³, в рамките на диапазона на стойностите на потребление на енергия за подобни процеси на окислителни канали в цялата страна (0,292±0,192) kW·h/m³. Консумацията на енергия за единица тегло на замърсителя преди и след модернизация за цялата инсталация е показана вТаблица 4. След модернизиране на цялостната система за аериране на инсталацията, консумацията на енергия за 1 kg обработен COD намаля с 26,2%, за 1 kg обработен TP намаля с 15,7%, за 1 kg обработен NH3-N намаля с 29,3%, а за 1 kg обработен TN намаля с 36,1%, показвайки добри енерго-спестяващи ефекти.

3.4 Химическо сравнение преди и след модернизация

Преди модернизиране, поради честите повреди на аерационната система, РК в биологичната система беше трудно да се контролира и спазването на стандартите за азотни индикатори изискваше добавяне на външен източник на въглерод, за да се гарантира ефективността на отстраняването. След модернизация добавянето на външен източник на въглерод на практика вече не беше необходимо. След модернизация ефективността на биологичното отстраняване на фосфора и денитрификацията значително се подобри, а съпътстващият химикал за отстраняване на фосфор PAC и химикалът за обезводняване на утайки PAM бяха съответно намалени. Годишните разходи за химикали са намалели с около 167 000 RMB в сравнение с преди. Конкретните промени са показани вТаблица 5.

3.5 Сравнение на инвестициите преди и след модернизация

Преди модернизация годишните разходи за повърхностни аератори бяха 1,6281 милиона RMB, с годишни разходи за ремонт на оборудването от не по-малко от 250 000 RMB. След модернизация годишните разходи за вентилатори и миксери бяха 714 600 RMB. Въз основа на това изчисление годишните икономии на разходи за електроенергия са 913 500 RMB, плюс годишни икономии на разходи за ремонт от 250 000 RMB, общо годишни спестявания от 1,1635 милиона RMB. Въз основа на обща инвестиция от 3,704 милиона RMB, периодът на изплащане е 3,18 години.

3.6 Стабилност на процеса

Преди модернизиране, по време на периоди на неизправност, разтвореният кислород в биологичния резервоар се поддържаше предимно под 1,0 mg/L. След модернизация, разтвореният кислород в биологичния резервоар е средно 1,5–2,0 mg/L. В зависимост от вливащата концентрация и изискванията на процеса, диапазонът на регулиране на разтворения кислород може да бъде 1,0–2,5 mg/L. Когато входящата концентрация е висока, нормалните нива на разтворен кислород в биологичния резервоар също могат да се поддържат чрез регулиране на мощността на вентилатора. Следователно, след модернизация, стабилните условия за съответствие на отпадните води са изпълнени.

4 Заключение

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, DO често<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%, могат да повторят това техническо обновяване. Въз основа на 55,3% спестявания на електроенергия, 3,18-годишен период на изплащане и пределни ползи от 3%–5% увеличение на нивата на намаляване на замърсителите от този пример, инвестицията за обновяване има висок запас на безопасност и може незабавно да отключи потенциала за намаляване на въглерода, осигурявайки възпроизводими и достатъчни условия за екологично и нисковъглеродно надграждане на стари окислителни канавки.