Technické základy a provozní řízení nízko{0}}zatížené provzdušňovací nádrže
1. Přehled
1.1 Princip činnosti dmychadel aeračních nádrží
Provzdušňování dmychadlem, běžně používané v Číně, zahrnuje především difuzní, spirálové a mikroporézní typy provzdušňování. Provzdušňovací nádrž typicky obsahuje provzdušňovací systém, konstrukci nádrže a vstupní/výstupní otvory, které slouží jako klíčová konstrukce při čištění odpadních vod s aktivovaným kalem. Běžné způsoby provzdušňování jsou mechanické a dmýchací provzdušňování. Provzdušňovací systémy s dmychadlem se obecně skládají ze specializovaných provzdušňovačů a dmychadel. Nádrže jsou často rozděleny do několika oddílů, z nichž každý je schopen nezávislého přítoku. Odpadní voda vstupuje do nádrže a vystupuje na opačném konci. Během tohoto procesu je vzduch dodáván přes kompresory do difuzorů na dně nádrže a uvolňován jako bubliny.
1.2 Související výzkumy dmychadel aerací
Výzkum Cheng Dandan et al. zjistili, že v čínských komunálních čistírnách odpadních vod (ČOV) spotřebují provzdušňovací dmychadla přibližně 60 % celkové energie. Integrace provzdušňovacího systému s inteligentní regulací PID s uzavřenou-smyčkou pro rozpuštěný kyslík (DO) a implementace strategií úspory energie dmychadla-může účinně řešit vysokou spotřebu energie v aeračních systémech ČOV a snížit ji o více než 30 %.
Liu Xiaoqi a kol. využívali provzdušňovače s rozptýleným průtokem ke zvýšení obsahu kyslíku v odpadní vodě během čištění a zároveň ke snížení spotřeby energie. Tím bylo také dosaženo rovnoměrného míchání a distribuce vody-vzduchu, čímž se snížily požadavky na přesnost vyrovnání instalace provzdušňovače.
Chang Kai a kol. zlepšený výkon konvenčního systému provzdušňovací nádrže úpravou původního režimu sběru vzduchu. Tradiční mikroporézní provzdušňovače nahradily vysoce kyslíkovými -účinnými silikonovými deskovými mikroporézními provzdušňovači a nahradily jednoprůchodové provzdušňovací nádrže s přímým-průtokem třemi-serpentinovými nádržkami. Začlenění přesného řízení provzdušňování dále zlepšilo systém a řešilo problémy s vysokou spotřebou energie, nízkou účinností a špatným přenosem hmoty u tradičních metod provzdušňování dmychadlem.
1.3 Provozní řízení provzdušňovacích nádrží
Provzdušňovací nádrže se široce používají při čištění odpadních vod. Podle principu „odděleného čištění pro různé toky odpadů“ specifická jednotka na úpravu solných odpadních vod ČOV primárně zpracovává odpadní vodu z elektrického odsolování z atmosférické-vakuové destilace, stripovanou vyčištěnou vodu, odpadní vodu z alkylační neutralizace a některé supernatanty a odtoky s vysokou-slaností. Tato jednotka je vybavena tří-stupňovým systémem biologického čištění s provzdušňovací nádrží s ventilátorem jako sekundárním stupněm. Jeho přílivová průměrná spotřeba chemického kyslíku (CHSK) je trvale pod 100 mg/l, což jej klasifikuje jako nízko{7}}zatížený proces aktivovaného kalu. Kromě modernizace zařízení vyžaduje udržení optimálního provozu pečlivou kontrolu a úpravu parametrů procesu.
2. Přehled zařízení
2.1 Procesní tok jednotky na úpravu solné odpadní vody
Jednotka využívá proces „Ekvalizace + Separace oleje + Dvoufázová{2}}flotace + Třífázová{4}}biologická úprava“, přičemž upravený odpad se posílá do leštící jednotky. Odlučovač oleje využívá konstrukci kombinovaného horizontálního proudění a šikmé desky. Dva flotační stupně využívají Vortex kavitační vzduchovou flotaci (CAF) a částečnou refluxní flotaci stlačeným rozpuštěným vzduchem (DAF). Tyto tři biologické stupně jsou postupně: provzdušňovací nádrž čistého kyslíku III, provzdušňovací nádrž s dmychadlem a sekundární biochemická nádrž (EM-BAF). Průběh procesu je zobrazen vObrázek 1.
2.2 Popis provzdušňovací nádrže ventilátoru
Dmychadlová aerační nádrž je přepracované zařízení původně postavené v roce 1995 jako součást jednotky na čištění zaolejovaných odpadních vod. Využívá tradiční konstrukci provzdušňování pomocí zástrčky{2}} s efektivním objemem 3 888 m³ a aktuálním hydraulickým retenčním časem (HRT) přibližně 17,6 hodin. Povodí funguje ve dvou paralelních vlacích, každý se čtyřmi oddíly. Ve spodní části jsou instalovány provzdušňovače, napájené odstředivými dmychadly, které zajišťují kyslík pro aktivovaný metabolismus kalu. Je také vybaven dvěma sekundárními čističi (Φ18m x 5m).
V rámci tří{0}}fázového biologického systému:
- Fáze 1 (Aerační nádrž na čistý kyslík III): Primární funkcí je odstranění COD.
- Fáze 2 (dmychadlo a provzdušňovací nádrž): Primární funkcí je odstraňování amoniakálního dusíku (NH₃-N), sekundární funkcí je další odstraňování CHSK.
- Fáze 3 (sekundární biochemická nádrž - EM-BAF): Slouží k dalšímu leštění odpadních vod COD a NH₃-N, čímž zajišťuje konečnou kvalitu vody.
2.3 Kvalita přítoku a odtoku dmychadla aerace nádrže
Přítok do provzdušňovací nádrže s ventilátorem pochází z čistého kyslíkového provzdušňovacího tanku III s limity znečišťujících látek: CHSKcr menší nebo rovno 300 mg/l, NH₃-N menší nebo rovno 30 mg/l, suspendované pevné látky (SS) menší nebo rovno 50 mg/l.
Jeho odpadní voda přivádí sekundární biochemickou nádrž s limity: CHSKcr menší nebo rovno 120 mg/l, NH₃-N menší nebo rovno 30 mg/l, SS menší nebo rovno 50 mg/l.
Konečný výtok ze sekundární biochemické nádrže musí splňovat: CHSKcr 70 mg/l nebo méně, ropa 5 mg/l nebo méně, NH₃-N 3 mg/l nebo méně.
V roce 2021 byl průměrný přítok CHSKcr povodí 67,094 mg/l a průměrný NH₃-N byl 23,098 mg/l, oba splňují požadavky návrhu. Nicméně pozoruhodně nízký přítok CHSK vedl k nedostatku zdroje uhlíku pro aktivovaný kal, což ovlivnilo jeho normální metabolismus. Naopak dostatek amoniakálního dusíku a nízká koncentrace organických polutantů ve směsné kapalině podporovaly nitrifikaci, která probíhala efektivně.
3. Faktory ovlivňující provoz a kontrolní opatření
3.1 Dopad nízkého zatížení a stárnutí kalu
S přítokem CHSK na 67,094 mg/l-pod návrhovým limitem (méně než nebo rovno 300 mg/l) i spotřebou mikrobiálního uhlíku (přibližně . 100 mg/l BSK₅)-u aktivovaného kalu došlo k nedostatku zdroje uhlíku. Nízké zatížení mělo za následek pomalý růst kalu, který byl náchylný ke stárnutí a vytváření volné struktury. Zestárlý, mrtvý kal tvořený spodinou plovoucí na povrchu sekundárního čističe. Bez zařízení na sběr kalů tyto kaly odtékaly s odpadní vodou, způsobovaly zákal, překračovaly limity CHSK a SS a následně přetěžovaly navazující sekundární biochemickou nádrž, což ovlivnilo její konečnou kvalitu odtoku.
Protiopatření: Provozní tým kontroloval koncentraci suspendovaných pevných látek ve směsi (MLSS). Pomocí 1000 ml odměrného válce pro 30minutový test Sludge Volume Index (SVI) udržovali SVI kolem 20 %, což odpovídá MLSS přibližně 2 g/l. Tato vyvážená účinnost odstraňování znečišťujících látek zabraňuje stárnutí kalu, plovoucí vodě a zhoršení kvality vody. Pomalý růst kalu znamenal minimální a málo časté plýtvání kalem, což umožnilo nitrifikačním bakteriím dobu zdržení překračující jejich minimální dobu tvorby, což dále podporovalo nitrifikaci.
3.2 Vliv kontroly rozpuštěného kyslíku (DO).
Mikroorganismy v aktivovaném kalu jsou primárně aerobní, typicky vyžadují DO mezi 1-3 mg/l. Podnikové normy stanovují rozsah DO pro tradiční provzdušňovací nádrže s pístovým tokem na 2-4 mg/l, přičemž nitrifikace vyžaduje DO obecně ne nižší než 2,0 mg/l. Současná nízká zátěž přítoku a dále snížená koncentrace MLSS snížily potřebu DO, což ztížilo řízení. Udržování úplného promíchání často zvýšilo DO nad 4 mg/l, zatímco kontrola DO v rámci cílového rozmezí někdy vedla k nedostatečnému promíchání v některých oblastech, což způsobilo usazování kalu.
Kromě toho vysoký obsah DO urychluje rozklad organické hmoty a zhoršuje stárnutí kalu. Proto je v praxi DO řízeno kolem 3 mg/l. Kromě toho jsou všechny vzduchové ventily seřizovány přibližně měsíčně, aby se zlepšila stejnoměrnost míchání, znovu aktivovaly spící vločky a udržela se aktivní biomasa.
3.3 Vliv teploty vody
Teplota výrazně ovlivňuje mikrobiální aktivitu. Vhodné teploty podporují aktivitu, zatímco nízké teploty ji potlačují nebo snižují a vysoké teploty mohou změnit fyziologii nebo způsobit smrt. V tomto systému jsou hlavními funkčními skupinami termofilní bakterie. Pro bezpečnost systému se teplota obvykle udržuje mezi 15–35 stupni, i když vhodný rozsah je 10–45 stupňů. Překročení 30 stupňů může denaturovat nitrifikační proteiny a snížit jejich aktivitu. Aktivovaný kal obsahuje jak CHSK{10}}degradující, tak nitrifikační bakterie, přičemž nitrifikace má užší optimální rozsah 5–30 stupňů .
Přítok slané odpadní vody obsahuje vysokoteplotní-toky. Minulé incidenty zahrnovaly po sobě jdoucí dny, kdy teplota přítoku přesáhla 40 stupňů, což vedlo k rozpadu kalu, smrti degradátorů-CHSK a nitrifikátorů a kolapsu systému. Následně byl na odpadní potrubí vyrovnávací nádrže instalován teploměr, který přísně kontroloval výstupní teplotu nepřesahující 40 stupňů, splňující požadavky na teplotu kalu. V roce 2021 nedošlo k žádné podobné události ovlivňující nitrifikaci.
3.4 Vliv zásaditosti
Podle příslušných podnikových norem by při použití aktivovaného kalu pro odstraňování amoniaku neměl být poměr celkové alkality k amoniakovému dusíku nižší než 7,14; jinak je třeba doplnit zásaditost. Při projektovaném přítoku NH3-N 30 mg/l a skutečném průměru 23,098 mg/l není požadovaná celková alkalita menší než 214,2 mg/l. V současné době je přítoková alkalita nedostatečná a vyžaduje denní přidávání uhličitanu sodného (Na2CO3), aby byly splněny požadavky procesu.
3.5 Vliv pH a toxických látek
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 nebo<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Aerobní mikrobiální metabolismus může mírně tlumit změny pH. Například využití dusíkatých sloučenin může snížit pH během nitrifikace, zatímco dekarboxylace produkuje alkalické aminy, které zvyšují pH. To umožňuje dlouhodobou-aklimatizaci na mírně kyselé/alkalické odpadní vody. Přirozená zásaditost odpadní vody také pomáhá inhibovat pokles pH.
Avšak drastické změny pH (např. náhlý alkalický přítok do kyselého systému) významně ovlivňují mikroby a mohou narušit provoz. Nutnost neutralizace tedy závisí na konkrétním případu. Menší, konzistentní výkyvy pH, zejména u slabých kyselin/zásad, nemusí vyžadovat neutralizaci. Větší výkyvy vyžadují úpravu pH na neutrální.
Nitrifikační bakterie jsou vysoce citlivé na pH-, s optimální nitrifikací při pH 7,2–8,0, zatímco běžné mikroby preferují 6,5–8,5. Pro specifické průmyslové odpadní vody jsou typy toxických látek často pevně dané, ale koncentrace a vypouštěné objemy kolísají. Kromě vyrovnání musí být monitorovány a kontrolovány hladiny přítoku toxických látek. Po aklimatizaci kalu by měl být stanoven maximální limit přítokové koncentrace na základě stupně aklimatizace a provozních zkušeností. Dlouhodobé překračování vyžaduje opatření, jako je snížení přítoku, zvýšení recyklace kalu nebo zvýšení okysličení, aby se zabránilo mikrobiální otravě a selhání léčby. V současné době nebyly v přítoku povodí zjištěny žádné toxické látky způsobující mikrobiální otravu.
3.6 Vliv přílivových šokových zátěží
Přitékající CHSK zůstává stabilně nízká s malými výkyvy a NH₃-N a celkový dusík (TN) také zůstávají po dlouhou dobu v relativně stabilních rozmezích. Populace nitrifikátorů zůstává relativně stálá. Kvůli jejich pomalému tempu růstu však může náhlý významný nárůst přítoku NH₃-N nebo TN nasytit kapacitu povodí, což ohrozí kvalitu odtékajícího NH₃-N a TN.
Teoreticky je potřeba mikrobiálního dusíku a fosforu sledovat poměr BSK5:N:P 100:5:1. Obsah N a P se však velmi liší podle typu průmyslové odpadní vody. Některé odpadní vody mají vysoký obsah dusíku a fosforu a vyžadují odstranění, aby byly splněny normy. Jiní mají nedostatek a vyžadují suplementaci, aby se zabránilo omezení metabolismu. U provozních nádrží, které čistí odpadní vody s nízkým obsahem N/P, mohou úrovně přítoku přibližně 10 mg/l NH₃-N a 5 mg/l fosfátu splňovat mikrobiální potřeby. Dlouhodobé hladiny pod těmito hodnotami vyžadují zvýšené dávkování N/P.
Každodenní provoz vyžaduje pečlivé sledování NH₃-N a TN ve všech přítokových tocích a odtocích z vyrovnávací nádrže a také v recyklačních tocích z nastavovacích nádrží, aby se zabránilo přetížení následné leštící jednotky a ohrožení bezpečnosti konečné vypouštěné vody.
4. Závěr
Jako hlavní nitrifikační reaktor v jednotce na úpravu solné odpadní vody vyžaduje provzdušňovací nádrž s dmychadlem pečlivé denní monitorování teploty vody, přítoku NH₃-N a TN. Nezbytná je přísná kontrola koncentrace MLSS, udržování DO kolem 3 mg/l a zajištění adekvátního přidání alkality. Při těchto optimalizovaných opatřeních systém pracuje stabilně s vynikající kvalitou odpadních vod: průměrná CHSK 54,213 mg/l, NH3-N 9,678 mg/l a SS 23,849 mg/l, plně splňující požadavky na přítok sekundární biochemické nádrže. Průběžné testování, sumarizace a optimalizace z různých hledisek jsou také zásadní pro další zajištění spolehlivosti zařízení a účinnosti ošetření systému.