Преглед на енергоспестяването и намаляването на въглеродните емисии на аерационните системи в пречиствателните станции за отпадъчни води
До края на 2020 г. Китай разполага с 4326 общински -ниво и по-високи пречиствателни станции за отпадъчни води (ПСОВ), пречистващи 65,59 милиарда кубични метра отпадъчни води годишно, с годишно потребление на електроенергия от 33,77 милиарда kWh, което представлява 0,45% от общото национално потребление на електроенергия. През 2020 г. единичното потребление на електроенергия на кубичен метър пречистена вода беше 0,405 kWh/m³ за ПСОВ, прилагащи стандарт от степен A или по-висок от „Стандарт за заустване на замърсители за общински пречиствателни станции за отпадъчни води“ (GB 18918-2002) и 0,375 kWh/m³ за тези, които прилагат стандарти под степен A. Тези цифри са значително по-високи от средно в развитите страни. Въпреки че средната концентрация на влиятелни замърсители в китайските ПСОВ е по-малко от 50% от тази в развитите страни, единичното потребление на електроенергия за отстранен замърсител е поне 100% по-високо. Следователно остава значителен потенциал за спестяване на енергия и намаляване на въглерода в ПСОВ в Китай.
Въглеродните емисии от ПСОВ включват преки и непреки емисии. Съгласно „Техническа спецификация за ниско-въглеродна оценка на работата на пречиствателни станции за отпадъчни води“ (T/CAEPI 49-2022), преките въглеродни емисии се състоят основно от CH₄, N₂O и CO₂ от изгаряне на изкопаеми горива. Непреките емисии включват тези, свързани със закупената електроенергия, топлина и химикали. Както е определено от Междуправителствения панел по изменение на климата (IPCC), CO₂, отделен от процеса на биологично разграждане при пречистване на отпадъчни води, не е включен в отчитането на въглеродните емисии. Сред различните елементи на въглеродни емисии в ПСОВ, потреблението на електроенергия има най-голям дял. Jiang Fuhai et al., базирайки се на извадка от 10 ПСОВ, установиха, че теглото на приноса на потреблението на електроенергия към въглеродните емисии варира от 31% до 64%. Hu Xiang et al., анализирайки 22 ПСОВ в басейна на езерото Chaohu, съобщават, че въглеродните емисии от потреблението на електроенергия представляват 61,55% до 73,56%. Колкото по-ниска е входящата концентрация и колкото по-висок е стандартът за отпадъчни води, толкова по-висок е делът на преките въглеродни емисии, особено тези от потреблението на електроенергия. Аерационните системи консумират над 50% от общата електроенергия на ПСОВ. Оперативната ефективност на аерационните системи влияе пряко върху отстраняването на азот и фосфор. Прекомерната аерация води до ненужна консумация на ендогенни източници на въглерод в отпадъчните води, намалявайки ефективността на биологичното отстраняване на азот и фосфор, като по този начин увеличава дозировката на външни източници на въглерод и химикали за отстраняване на фосфор, което от своя страна повишава въглеродните емисии от консумацията на химикали. Следователно спестяването на енергия в аерационните системи е от ключово значение за намаляването на въглерода в ПСОВ, което прави изследванията на енергоспестяващите технологии на аерационните системи изключително важни.
1. Причини за високата консумация на енергия в аерационните системи на китайските ПСОВ
1.1 Действителното влиятелно натоварване е по-ниско от проектното натоварване
Ниският влиятелен товар включва както нисък дебит, така и ниска концентрация на замърсители. Това е основна причина за прекомерна аерация. Прекомерната -аерация не само увеличава консумацията на електроенергия, но също така прекомерно изчерпва ендогенните източници на въглерод в отпадъчните води и повишава концентрациите на разтворен кислород в анаеробни и аноксични резервоари, нарушавайки отстраняването на азот и фосфор. Това налага повишени дози на източници на въглерод и химикали за отстраняване на фосфор, което повишава свързаните с това въглеродни емисии.
1.1.1 Нисък дебит
Обикновено, в първите години след изграждането на ПСОВ, входящият поток често не успява да достигне проектния капацитет поради изоставащо градско развитие или изграждане на канализационна мрежа. Освен това, в райони с комбинирана канализационна система или региони със силно смесване на дъждовна вода и отпадни води, потокът при сухо-време е значително по-нисък от потока при мокро-време, което води до големи колебания на потока. Това изисква по-прецизно регулиране и контрол на скоростите на аериране; в противен случай прекомерната{4}}аерация по време на периоди на нисък-дебит е често срещана, което засяга ефективността на отстраняване на въглерод, азот и фосфор и увеличава както консумацията на електроенергия, така и на химикали.Фигура 1показва вариациите в обема на пречистването на отпадъчните води в град Чанша между сухите и влажните сезони. Обемът на третиране през-влажния сезон е с 30%–40% по-висок, отколкото през сухия сезон. Сезонните колебания в обема на третиране изискват по-прецизен контрол на системата за аериране.
1.1.2 Ниска концентрация на влияние
Действителните концентрации на влиятелни замърсители в китайските общински ПСОВ обикновено са много по-ниски от проектните стойности. При проектирането на ПСОВ качеството на влиянието обикновено се базира на средносрочни-до-дългосрочни-проекции с цялостни канализационни мрежи. Съгласно „Стандарт за проектиране на външно инженерство за отпадъчни води“ (GB 50014-2021), пет-дневното биохимично потребление на кислород (BOD₅) за битови отпадъчни води се изчислява на 40–60 g/(човек·ден), като обикновено се приема 40 g/(човек·ден). При заустване на отпадъчни води на глава от населението от 200–350 L/(човек·ден) в повечето градове, проектната концентрация на БПК₅ обикновено варира от 110 до 200 mg/L. Статистиката показва, че 68% от ПСОВ в Китай имат действителна средна годишна BPK5 под 100 mg/L, като 40% имат средна годишна стойност под 50 mg/L. От гледна точка на въздействащата концентрация спрямо необходимата аерация, повечето китайски ПСОВ имат системи за аерация, проектирани с „огромен двигател за малка количка“-конфигуриран с вентилатори с голям-капацитет, докато действителното търсене на въздух е ниско. Тази конфигурация лесно води до свръхаериране и повишена консумация на енергия.
1.2 Неразумна конфигурация на количеството аериращо оборудване
Много ПСОВ са конфигурирали необосновано броя на единиците за аериращо оборудване поради неотчитане на честите работни условия на ниско{0}}натоварване. Например, много малки и средни- ПСОВ обикновено конфигурират вентилатори в настройка на „2 дежурства + 1 в режим на готовност“ (общо 3) в дизайна на въздуходувното помещение, което е оптимално при проектни условия на поток и качество. Въпреки това, при условия на нисък влиятелен товар, работата дори на един вентилатор с минималната му мощност може да причини пре-аериране и увеличена консумация на енергия. Въпреки че инсталирането на задвижвания с променлива честота (VFD) или други средства за намаляване на подаването на въздух може да избегне прекомерна-аерация, тези мерки могат да изместят работата на вентилатора от неговата зона с висока-ефективност, намалявайки ефективността и губейки енергия. Като се имат предвид обикновено ниските влиятелни концентрации, трябва да се обмислят стратегии като увеличаване на броя на вентилаторите, като същевременно се намали капацитетът на отделните единици, за да се отговори на нуждите от регулиране на търсенето на въздух по време на периоди на ниско{12}}натоварване. В исторически план ограничените бюджети и високата цена на вносните високо-производителни вентилатори доведоха до по-малко-конфигурации на агрегати. Със съзряването на местната високопроизводителна-технология за вентилатори и намалените разходи, условията вече са благоприятни за оптимизиране на конфигурациите на вентилаторите за постигане на енергоспестяване и намаляване на въглеродните емисии.
1.3 Ниска ефективност на аерационното оборудване
Някои по-стари ПСОВ, построени с технологията на своето време, използват оборудване за аериране с ниска-ефективност и висока-енергийна-консумация. Съгласно настоящите технологични стандарти и стандарти за енергийна ефективност, оборудване като вентилатори Roots, много-степенни ниско-скоростни центробежни вентилатори, дискови аератори и аератори с четки се считат за ниска-ефективност, обикновено варираща от 40% до 65% ефективност-15% до 40% по-ниска от съвременните високо-скоростни центробежни вентилатори. Освен това в ПСОВ, използващи фино{14}}дифузна аерация с анаеробни-аноксични-кислородни (A₂/O) или аноксично-кислородни (A/O) процеси, стареенето или запушването на дифузорите намалява ефективността на преноса на кислород и увеличава съпротивлението, като по този начин повишава консумацията на енергия от вентилатора.
1.4 Неразумна конфигурация на миксери в биологични резервоари
В окислителни канавки с повърхностни аератори, оборудването служи както за аериране, така и за смесване/натискане. Това е разумен дизайн при проектни условия на натоварване. Въпреки това, при условия на ниско -натоварване, може да се наложи намаляване или спиране на аерацията, но за да се предотврати утаяване на утайки или отделяне на течно-твърдо вещество, трябва да се поддържа достатъчна скорост на потока, което налага продължителна работа на аераторите и причинява прекомерна{4}}аерация, лошо отстраняване на хранителни вещества и загуба на енергия. За по-енергийно{6}}ефективна работа при ниски натоварвания, окислителните канавки трябва да бъдат оборудвани с правилно конфигурирани потопяеми смесители.
При A₂/O и A/O процесите аеробните резервоари обикновено са изцяло покрити с дифузори с фини-мехурчета без специални смесители, като се разчита на достатъчна аерация, за да се предотврати утаяването. При ниски натоварвания намаляването на аерацията или прилагането на периодична аерация, за да се избегне пре-аерирането, може лесно да доведе до утаяване на утайката, което да повлияе на обработката. За да работят по-ефективно при ниски натоварвания, A₂/O и A/O аеробните резервоари трябва да обмислят добавянето на подходящи миксери.
2. Технически подходи за спестяване на енергия и намаляване на въглерода в системите за аериране на ПСОВ
2.1 Подмяна с високо-ефективно аериращо оборудване
ПСОВ, които все още използват ниско{0}}ефективно оборудване като вентилатори Roots, много-степенни ниско-скоростни центробежни вентилатори, дискови аератори или аератори с четки, или такива със силно остаряло и неефективно оборудване, трябва да извършват оценки на енергийната ефективност от гледна точка на енерго-спестяване и-намаляване на-въглеродни емисии и своевременно да ги заменят с нови, високо-ефективни модели. Понастоящем високо{7}}скоростни вентилатори, като едно-степенни високо{9}}скоростни центробежни вентилатори, вентилатори с магнитни лагери и вентилатори с въздушни лагери, използвани в големи ПСОВ, обикновено се гордеят с ефективност между 80% и 85%. В момента обаче на пазара липсват центробежни вентилатори с малък-високо{14}}капацитет. ПСОВ с капацитет под 2000 m³/ден все още разчитат на по-малко ефективно оборудване като вентилатори Roots, с ефективност обикновено между 40% и 65%, което показва значителен потенциал за подобрение. Следователно разработването на по-ефективно малко{21}}оборудване за аериране е от значение за пестенето на енергия и намаляването на въглерода в малките ПСОВ.
2.2 Преминаване от повърхностна аерация към фино-мехурчеста дифузна аерация
Като се има предвид подходяща дълбочина на водата, фино{0}}дифузната аерация с мехурчета е по-енергийно{1}}ефективна от повърхностната аерация. Преобразуването на окислителните канавки от повърхностна към фина-мехурчеста дифузна аерация може да доведе до добри-резултати за пестене на енергия. От изпълнени проекти за модернизация, такива преобразувания не само постигат значителни икономии на енергия, но също така подобряват ефективността на биологичното премахване на хранителни вещества. Проучването на Chen Chao отбелязва, че след преобразуване на една ПСОВ общото потребление на електроенергия е намаляло с 24,7%, докато нивата на отстраняване на амонячен азот, ХПК и общ фосфор са се увеличили съответно с 30,39%, 5,39% и 2,09%. Xie Jici и др. съобщава за спестявания на енергия от 0,09–0,12 kWh/m³ след подобно преобразуване, със значително подобрение на ефективността на биологично отстраняване на хранителни вещества. При аериране с фини-мехурчета ефективността на преноса на кислород е в линейна положителна корелация с дълбочината на водата. Под определена критична дълбочина неговата ефективност може да бъде по-ниска от повърхностната аерация. Като цяло, дълбочина на водата над 4 m се счита за подходящо условие за превръщане на окислителните канавки в дифузна аерация с фини-мехурчета.
3. Технически подходи за спестяване на енергия и намаляване на въглерода в системите за аериране на ПСОВ
3.1 Подмяна с високо-ефективно аериращо оборудване
ПСОВ, които все още използват ниско{0}}ефективно оборудване като вентилатори Roots, много-степенни ниско-скоростни центробежни вентилатори, дискови аератори или аератори с четки, или такива със силно остаряло и неефективно оборудване, трябва да извършват оценки на енергийната ефективност от гледна точка на енерго-спестяване и-намаляване на-въглеродни емисии и своевременно да ги заменят с нови, високо-ефективни модели. Понастоящем високо{7}}скоростни вентилатори, като едно-степенни високо{9}}скоростни центробежни вентилатори, вентилатори с магнитни лагери и вентилатори с въздушни лагери, използвани в големи ПСОВ, обикновено се гордеят с ефективност между 80% и 85%. В момента обаче на пазара липсват центробежни вентилатори с малък-високо{14}}капацитет. ПСОВ с капацитет под 2000 m³/ден все още разчитат на по-малко ефективно оборудване като вентилатори Roots, с ефективност обикновено между 40% и 65%, което показва значителен потенциал за подобрение. Следователно разработването на по-ефективно малко{21}}оборудване за аериране е от значение за пестенето на енергия и намаляването на въглерода в малките ПСОВ.
3.2 Преминаване от повърхностна аерация към фино-мехурчеста дифузна аерация
Като се има предвид подходяща дълбочина на водата, фино{0}}дифузната аерация с мехурчета е по-енергийно{1}}ефективна от повърхностната аерация. Преобразуването на окислителните канавки от повърхностна към фина-мехурчеста дифузна аерация може да доведе до добри-резултати за пестене на енергия. От изпълнени проекти за модернизация, такива преобразувания не само постигат значителни икономии на енергия, но също така подобряват ефективността на биологичното премахване на хранителни вещества. Проучването на Chen Chao отбелязва, че след преобразуване на една ПСОВ общото потребление на електроенергия е намаляло с 24,7%, докато нивата на отстраняване на амонячен азот, ХПК и общ фосфор са се увеличили съответно с 30,39%, 5,39% и 2,09%. Xie Jici и др. съобщава за спестявания на енергия от 0,09–0,12 kWh/m³ след подобно преобразуване, със значително подобрение на ефективността на биологично отстраняване на хранителни вещества. При аериране с фини-мехурчета ефективността на преноса на кислород е в линейна положителна корелация с дълбочината на водата. Под определена критична дълбочина неговата ефективност може да бъде по-ниска от повърхностната аерация. Като цяло, дълбочина на водата над 4 m се счита за подходящо условие за превръщане на окислителните канавки в дифузна аерация с фини-мехурчета.
3.3 Технология за периодична аерация
За ПСОВ с ниски входящи концентрации аерацията с непрекъснат-поток и прекъсвания ефективно се справя с проблемите с лошото отстраняване на хранителни вещества и високата консумация на енергия, причинени от прекомерна{1}}аерация. Това включва непрекъснат входящ и изходящ поток, докато системата за аериране работи в цикли на включване/изключване на аериране. След изследването на ARAKI et al. от 1986 г. за периодично аериране за отстраняване на азот в окислителни канавки, много учени са провели експериментални проучвания. Hou Hongxun и др. проведоха пълно{8}}изпитание в ПСОВ със 100 000 m³/d, използвайки непрекъснато-поточно периодично аериране в окислителен канал, постигайки 20% увеличение на общото отстраняване на азот, 49% увеличение на общото отстраняване на фосфор и 21% намаление на общото потребление на енергия от централата. He Quan et al., в 40 000 m³/d ПСОВ опит с окислителен канал, използвайки цикъл 2-часа включен/2-часа изключен, установиха, че в сравнение с непрекъснатата аерация, периодичната аерация спестява 42% енергия за аериране, увеличава общото отстраняване на азот с 9,6% и общото отстраняване на фосфор с 6,9% през зимата ниски{34}}температурни условия. Zheng Wanlin et al., в 40 000 m³/d ПСОВ A₂/O процес, използвайки цикъл от 3-часа включено/3-часово изключване, поддържа стабилно качество на отпадъчните води, отговарящо на стандартите, като същевременно спестява 18,3% от потреблението на електроенергия. Понастоящем пълномащабните приложения на периодична аерация с непрекъснат поток все още са ограничени, като остават няколко технически предизвикателства.
За A₂/O процеси, използващи аерация с фини-мехурчета, два фактора ограничават широкото приложение на периодичната аерация. Първо, високо-скоростните центробежни вентилатори генерират висок-децибел, остър шум при стартиране; честите цикли за периодична работа създават шумово замърсяване. Второ, честите цикли на пускане-стопиране за вентилатори с магнитни/въздушни лагери карат без{6}}контактните лагери да контактуват многократно с корпуса, което лесно води до повреда на лагера, увеличен процент на повреда и намален живот.
Когато се прилага периодична аерация към окислителни канавки или A₂/O процеси, трябва да се осигури достатъчна скорост на смесване по време на периоди без -аериране, което потенциално изисква допълнителни миксери за предотвратяване на утаяването на утайката. Концентрациите на амонячен азот могат да се повишат бързо по време на не-аериране, рискувайки моментално превишаване. Следователно са необходими по-нататъшни изследвания за научно установяване и регулиране на циклите на аериране, подобряване на спестяването на енергия и отстраняване на замърсителите, като същевременно се избягва моментално превишаване на амонячния азот.
Загрижеността на ПСОВ за потенциално моментно превишаване на амонячния азот е основна пречка за широкото прилагане на периодична аерация. През януари 2022 г. Министерството на екологията и околната среда публикува консултация относно проект за изменение на GB 18918-2002, като основно предлага да се добавят максимално допустими граници за единични измервания. Тези предложени лимити за единично измерване са значително по-високи от първоначалните средни дневни лимити, докато средните дневни стойности остават непроменени. Например, за стандарт от клас А, еднократно измерване под 10 mg/L (15 mg/L под 12 градуса) би било приемливо, ако средната дневна стойност остане под 5 mg/L (8 mg/L под 12 градуса). Ако бъде приложено, това изменение би могло да помогне за справяне с регулаторните опасения относно моментното превишаване от периодична аерация, улеснявайки приложението му в процеси на окислителни канали.
3.4 Технология за прецизна аерация
Дебитът на ПСОВ и входящите концентрации варират значително, дори през целия ден, причинявайки променливо търсене на въздух. Разчитането единствено на ръчна настройка,-базирана на опит, затруднява прецизния контрол и може да компрометира стабилността на качеството на отпадните води. С напредъка в големите данни и изкуствения интелект се появи концепцията за прецизна аерация. Технология за прецизна аерация е приложена в някои ПСОВ, като обикновено се постигат 10%–20% икономия на енергия в аерационните системи. Комбинирането на прецизна аерация с други модификации на процеса може да доведе до по-добри резултати. Zhu Jie и др. внедри прецизно преоборудване на аерацията в много-етапна ПСОВ на A/O процес, постигайки 49,8% икономия на енергия в системата за аерация. Прецизната и интелигентна аерация представлява важни бъдещи насоки за пестене на енергия и намаляване на въглеродните емисии. Съществуват настоящи ограничения в-възможностите в реално време и точността на събиране и анализ на данни за тези системи. Необходими са повече технологични пробиви в-реално време прецизен контрол на вентилаторите и клапаните и точното разпределение на въздуха.
4. Заключение
Икономията на енергия в аерационните системи е ключът към намаляването на въглерода в ПСОВ. Основната причина за високото потребление на енергия в китайските системи за аериране на ПСОВ е ниското натоварване, което лесно води до пре-аериране, загуба на електроенергия и увеличаване на въглеродните емисии от енергия и химикали. Други причини включват остаряване/ниско-ефективно оборудване и неразумна конфигурация на оборудването за аериране и смесване. Ефективните средства за постигане на енергоспестяване и намаляване на въглеродните емисии включват замяна на ниска-ефективност с високо-ефективно аериращо оборудване, преобразуване на повърхността към фино-мехурчеста дифузна аерация и прилагане на технологии като непрекъснато-поточно прекъсващо аериране и прецизна аерация.