Renovace a studie výkonu jemného-bublinového provzdušňovacího systému v městské čistírně odpadních vod

Renovace a studie výkonu jemného-bublinového provzdušňovacího systému v městské čistírně odpadních vod

Zavedení

V současné době mezi hlavní procesy čištění odpadních vod používané v Číně patří oxidační příkop, SBR, aktivovaný kal a další. Proces oxidačního příkopu má problém s vysokou spotřebou energie, zejména v biologické části, která tvoří 65 %–80 % celkové spotřeby energie. Běžná provzdušňovací zařízení používaná při procesech oxidačních příkopů zahrnují provzdušňovací kartáče, provzdušňovací kotouče, provzdušňovače s vertikální hřídelí a provzdušňovače s jemnými-bublinkami. Například poté, co se komunální čistírna odpadních vod v určitém městě změnila z tradičního povrchového mechanického provzdušňování na spodní jemné-bublinkové provzdušňování, spotřeba energie klesla o 20,11 %, zatímco kvalita čistící vody se stala stabilnější. Provzdušňování jemnými-bublinami má navíc charakteristiku zónového přívodu kyslíku, který může zajistit přesnou dodávku kyslíku podle potřeby kyslíku v různých oblastech oxidačního příkopu, čímž se dále zlepšuje účinnost odstraňování dusíku a fosforu.

Systém povrchového provzdušňování v jedné městské čistírně odpadních vod byl v provozu více než deset let, s vážným stárnutím zařízení a provozními potížemi. Bylo obtížné splnit nejnovější normy pro vypouštění, takže technická renovace byla naléhavá. Tento projekt upgradoval systém na jemný-bublinový provzdušňovací systém, který může výrazně snížit spotřebu energie, optimalizovat provoz, prodloužit životnost zařízení a snížit náklady na údržbu, v souladu s národními zásadami pro úsporu energie a snižování emisí. Tento projekt renovace zavedl ekologické stavební postupy při demontáži a instalaci zařízení: klasifikovaná recyklace starého zařízení, přijetí prefabrikovaných instalací a používání strojů s nízkou hlučností a nízkými-emisemi, dosažení dvourozměrných úspor energie „procesní{6}}výstavby“- a podpora udržitelného rozvoje čistírny odpadních vod.

1 Přehled projektu

1.1 Aktuální situace

Městská čistírna odpadních vod v určitém městě má celkovou kapacitu 50 000 tun/den, budovaná ve třech fázích. Fáze I přijala proces oxidačního příkopu, fáze II a projekt pokročilé úpravy také přijaly proces oxidačního příkopu s následným pokročilým ošetřením pomocí koagulační sedimentace + filtrace látkového média + proces dezinfekce ultrafialovým zářením. Fáze III přijala upravený proces A²O. V současné době splňuje odpadní voda normu DB32/1072-2018.

1.2 Stávající problémy

1.2.1 Vliv vnější potrubní sítě

Odpadní voda v rámci sběru potrubní sítě tohoto závodu zahrnuje příspěvky od mnoha průmyslových podniků. Během každodenního provozu může docházet k nárazům abnormální odpadní vody z průmyslových podniků, což způsobí, že hodnota DO v biologické nádrži se velmi sníží, dokonce dosahuje 0 mg/l, což nesplňuje požadavky výroby. Mezitím v důsledku změn vnějších podmínek, kdy více průmyslových podniků v oblasti služeb vypouští odpadní vodu do potrubní sítě, bude tento závod v budoucnu čelit horší kvalitě přílivu vody. Jakmile přítok kolísá, rozpuštěný kyslík v biologické nádrži se výrazně sníží a rozsah nastavení provzdušňovacího objemu z rotujících disků je omezený. V některých obdobích DO v aerobní nádrži dosáhne 0 mg/l, což nutí zařízení v reakci na snížení kapacity čištění, což významně ovlivňuje aerobní prostředí biologické nádrže a kapacitu čištění.

1.2.2 Nízká DO v provzdušňovací nádrži

Vzhledem k poruchám rotujících disků způsobujících nízkou účinnost okysličování provzdušňovačů během skutečného výrobního provozu historické provozní údaje ukazují, že průměrné hodnoty DO z přístrojů uprostřed a na výstupu z provzdušňovací nádrže nepřesahují 1 mg/l, přičemž nejnižší dosahují 0 mg/l, což vážně ovlivňuje účinnost biochemické reakce.

1.2.3 Vysoká spotřeba energie

Biologické nádrže Fáze I a II tohoto závodu jsou ve formě oxidačního příkopu. Oxidační příkop I. fáze využívá 8 rotačních diskových provzdušňovačů o výkonu 18,5 kW, s celkovým výkonem povrchového aerátoru 148 kW. Oxidační příkop fáze II je čtyřkanálový typ příkopu Carrousel využívající 13 samonasávacích provzdušňovačů Hitachi, včetně 2 sad o výkonu 11 kW, 2 sad o výkonu 18,5 kW a 9 sad o výkonu 15 kW, s celkovým výkonem povrchového provzdušňovače 194 kW. Za normálního provozu, aby byl zajištěn dostatečný objem vody, musí být kvůli nízké účinnosti okysličování stávajícího zařízení na dodávku kyslíku všechny provzdušňovače plně zapnuty.

Spotřeba energie na tunu vody pro provzdušňovače fáze I a II je: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/tunu. Na základě průzkumu spotřeby energie biologického systému v několika okolních komunálních domovních čistírnách odpadních vod je spotřeba energie na 25 000 t/den komunální domovní čistírny odpadních vod využívající systém spodního provzdušňování s jemnými bublinami obecně 0,09–0,1 RMB/tunu. Spotřeba energie rotačního kotoučového provzdušňovače je 2,4–2,7krát vyšší než u spodního provzdušňovacího systému s jemnými bublinami, což ukazuje na relativně vysokou spotřebu energie.

1.2.4 Vysoká míra poruchovosti zařízení

Jak rotační diskové provzdušňovače stárnou, míra poruchovosti zařízení se postupně zvyšuje. Po 11 letech provozu v tomto závodě došlo u systému provzdušňování rotujících disků k deformaci disku, což způsobilo vysoké zatížení zařízení a značné vibrace. Dlouhodobé-používání vedlo k uvolnění dna, což má za následek nesouosost na obou koncích a další problémy, které způsobují zvýšené opotřebení ložisek a vysokou poruchovost. Hlavní hřídele, oběžná kola, spojky a základní ozubená kola prošly četnými opravami nebo výměnami, v podstatě dosáhly bodu výměny. Ložiska a lopatky hlavy provzdušňovače samonasávacích provzdušňovačů byly vážně opotřebeny. Nedávné statistiky ukazují, že závod prodělal ročně téměř 30 oprav rotačních diskových provzdušňovačů a samonasávacích provzdušňovačů.

2 Návrh technického řešení Retrofit

Celkový přístup k modernizaci je následující: odstranit původní rotační kotoučové provzdušňovače a nahradit je spodním jemným{0}bublinkovým provzdušňováním s odpovídajícím přidáním dmychadel; zvednout odpadní jez biologické nádrže, aby se zvýšila efektivní hloubka vody biologické nádrže; přidejte do aerobní sekce míchadla s použitím původní struktury kanálu, abyste zabránili lokalizovanému hromadění kalu.

2.1 Výběr a uspořádání provzdušňovače

2.1.1 Parametry provzdušňovacího disku

Byl vybrán EPDM membránový provzdušňovací disk model DD330, jak je znázorněno naObrázek 1, se specifickými parametry uvedenými vTabulka 1.

2.1.2 Rozložení disku provzdušňovače

Počet provzdušňovacích disků: Čistá plocha dna nádrže fáze I 864 m², čistá plocha dna nádrže fáze II 1 412 m², průměrná servisní plocha 0,8 m²/disk, s bezpečnostním faktorem 1,05–1,10. Stanovený konečný celkový počet provzdušňovacích kotoučů: Fáze I 1 150 kotoučů, Fáze II 1 900 kotoučů.

Princip rozvržení: Rovnoměrně rozmístěné v pravidelném trojúhelníkovém rastru. Vzdálenost od stěny nádrže Větší nebo rovna 0,3 m, aby se zabránilo mrtvým zónám; vzdálenost od dělicí stěny kanálu Větší nebo rovna 0,4 m pro usnadnění údržby. Přepážka podél směru toku vody, s jedním elektrickým ventilem pro regulaci vzduchu na zónu pro dosažení zónového ovládání DO. Vyhněte se sacím otvorům kalového čerpadla, vzorkovacím žlabům a kabelovým žlabům, místně upravte rozestup na 1,5 m při zachování servisní plochy na disk menší nebo rovné 0,8 m².

Výška instalace a sklon potrubí: Horní povrch membránového disku je 0,25 m od dna nádrže, což zajišťuje ponoření Větší nebo rovné 5,0 m při minimální hladině vody, aby se zabránilo rázům ventilátoru. Odbočné trubky používají ABS DN50 s perforovaným rozvodem vzduchu; hlavní potrubí jsou uspořádána do smyčky, s rychlostí vzduchu řízenou na 10–12 m·s⁻¹, materiál SS304. Na každých 10 disků je k dispozici pár přírubových rychlospojek-, které umožňují celkové zvedání za účelem údržby bez vypouštění nádrže.

2.2 Optimalizace systému ventilátoru

2.2.1 Přidání dmychadel

Jako hlavní jednotky byly zakoupeny importované vzduchové odpružené dmychadla a byla postavena nová dmychadla s přidanými nerezovými vzduchovými kanály.

2.2.2 Výběr ventilátoru

Na základě skutečných provozních podmínek elektrárny as ohledem na budoucí změny kvality vody se koncentrace CHSK v přítoku v plánu modernizace významně neliší od projektované hodnoty, s průměrnou koncentrací asi 320 mg/l. Koncentrace BSK byla vypočtena na základě návrhové hodnoty fáze III 150 mg/l a další ukazatele přítoku byly vypočteny na základě návrhových koncentrací přítoku ve fázi III. Požadovaný provozní objem vzduchu pro I. a II. fázi elektrárny je 103,7 m³/min (6 225,1 m³/h, dvě provozní jednotky a jedna pohotovostní, objem vzduchu pro jednu jednotku 50 m³/min).

Komplexně s ohledem na různé faktory byly zakoupeny dvě importované vzduchové pérové ​​dmychadla NX75-C060 jako hlavní jednotky pro I. a II. fázi. Bylo potřeba vybudovat novou dmychačku, předběžně umístěnou na jižní straně původní dílny na odvodňování kalu, s nerezovým vzduchovým potrubím přidaným do oxidačního příkopu. Parametry dmychadla: tlak vzduchu 0,049 MPa, objem vzduchu 50 m³/min, maximální výstupní výkon 64,3 kW za těchto provozních podmínek.

2.2.3 Retrofit systému provzdušňování

Způsob provzdušňování byl změněn na provzdušňování dna. Fáze I a II biologické nádrže využívají odpovídající počet diskových provzdušňovačů a provzdušňovacích trubek z UPVC. Specifický přístup modernizace: Očekává se, že biologická nádrž fáze I bude používat 780 sad diskových provzdušňovačů DD330 a provzdušňovací trubky z UPVC, biologická nádrž fáze II bude používat 1 276 sad diskových provzdušňovačů DD330 a provzdušňovací trubky UPVC, s provozním objemem vzduchu jednoho provzdušňovače 3,45 m³/h. Uspořádání hlavy provzdušňovače je znázorněno naObrázky 2 a 3.

2.3 Optimalizace parametrů procesu

2.3.1 Zónování oxidačního příkopu a strategie řízení DO

Ve směru proudění vody oxidačního příkopu je provzdušňovací úsek rozdělen do čtyř zón. Zóna 1: DO 0,3–0,5 mg/l, zóna 2: DO 0,2–0,3 mg/l, zóna 3: DO 1,5–2,0 mg/l, zóna 4: DO 1,0–1,5 mg/l. V místě nejvyšší rychlosti nitrifikační reakce mezi zónou 2 a zónou 3 je instalován procesní zařízení na výrobu amoniakového dusíku, které nakonec řídí vytékající NH3-N menší nebo rovný 1,5 mg/l.

2.3.2 Optimalizace periody provzdušňování

Ke stávajícímu SCADA systému byl přidán modul „přerušované provzdušňování“, který tvoří online nástroj DO + časová duální uzavřená smyčka, aby se zajistilo, že DO uprostřed aerobní sekce zůstane na 0,2 mg/l. Pokud DO<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 Analýza efektů modernizace

Dopad této technické renovace na celkový provoz procesu byl zkoumán porovnáním změn znečišťujících látek v odpadních vodách před a po modernizaci.

3.1 Porovnání kvality odpadní vody před a po modernizaci

Kvalita odpadní vody před a po modernizaci měla tendenci být stabilní, jak je znázorněno na obrázkuObrázek 4. Před a po modernizaci zůstala průměrná CHSK v odpadních vodách pod 30 mg/l, TP v podstatě zůstala menší nebo rovna 0,3 mg/l, NH3-N menší nebo rovna 1,5 mg/l, zatímco TN kolísala kolem 10 mg/l. Celková kvalita vody dosáhla kvazi-standardů pro povrchovou vodu IV. třídy, což daleko překračuje normy pro vypouštění požadované pro elektrárnu.

Aby bylo možné intuitivněji analyzovat možný dopad renovace na kvalitu vody, byly porovnány-roční trendy kvality odpadní vody před a po modernizaci.Obrázek 5. Z obrázku je patrné, že bez ohledu na dopad změn koncentrace přítoku byly výkyvy v koncentracích CHSK a TP ve výtocích po modernizaci stabilnější než před modernizací. Přestože průměrné hodnoty ukazatelů dusíku oproti stavu před modernizací vzrostly, celkový trend byl relativně stabilní, což vedlo k nižší celkové spotřebě energie závodu a úsporám chemikálií.

3.2 Porovnání odstraňování znečišťujících látek před a po modernizaci

V důsledku zlepšení provzdušňovacího systému se celková spotřeba elektrické energie závodu snížila o 1,7 % ve srovnání s dříve, zatímco kapacita čištění se zvýšila o 8,33 % a zvýšilo se také odpovídající snížení znečišťujících látek, jak je uvedeno vObrázek 6. Po výpočtu se redukce CHSK zvýšila o 948,5 tun, TP se zvýšila o 7,0 tun, NH₃-N se zvýšila o 100,4 tun a TN se zvýšila o 125,9 tun.

Skutečné odstraňování znečišťujících látek se také odpovídajícím způsobem změnilo, jak je znázorněno naTabulka 2. Po dodatečné montáži, kromě snížení míry odstraňování NH₃-N, se míra odstraňování u všech ostatních indikátorů zvýšila.

3.3 Porovnání spotřeby energie před a po modernizaci

Spotřeba energie tohoto projektu modernizace je uvedena vTabulka 3. Po modernizaci se spotřeba energie na tunu vody u biologického systému provzdušňování nádrže I. fáze snížila o 67,3 % a u II. fáze se snížila o 80,9 %. Celková průměrná spotřeba energie elektrárny na tunu vody se snížila o 55,3 %, což prokázalo významné účinky-úspory energie. Celková spotřeba energie elektrárny na tunu vody klesla na 0,21 kW·h/m³, v rozsahu hodnot spotřeby energie pro obdobné procesy oxidační příkopy celostátně (0,292±0,192) kW·h/m³. Spotřeba energie na jednotku hmotnosti znečišťující látky před a po modernizaci celého zařízení je uvedena vTabulka 4. Po modernizaci celkového systému provzdušňování závodu se spotřeba energie na 1 kg ošetřené CHSK snížila o 26,2 %, na 1 kg ošetřeného TP se snížila o 15,7 %, na 1 kg ošetřeného NH₃-N klesla o 29,3 % a na 1 kg ošetřeného TN klesla o 36,1 %, což vykazuje dobré energetické{10}sa{1}

3.4 Chemické srovnání před a po modernizaci

Před dodatečnou montáží bylo kvůli častým poruchám provzdušňovacího systému obtížné kontrolovat DO v biologickém systému a splnění standardů indikátorů dusíku vyžadovalo přidání externího zdroje uhlíku, aby byla zajištěna účinnost odstraňování. Po modernizaci již nebylo přidávání externího zdroje uhlíku v podstatě potřeba. Po modernizaci se výrazně zlepšila účinnost biologického odstraňování fosforu a denitrifikace a odpovídajícím způsobem se snížily doprovodné chemikálie pro odstraňování fosforu PAC a chemikálie pro odvodňování kalu PAM. Roční náklady na chemikálie se ve srovnání s dříve snížily o přibližně 167 000 RMB. Konkrétní změny jsou uvedeny vTabulka 5.

3.5 Srovnání investic před a po modernizaci

Před modernizací činily roční náklady na povrchové provzdušňovače 1,6281 milionu RMB, přičemž roční náklady na opravy zařízení nebyly nižší než 250 000 RMB. Po modernizaci byly roční náklady na dmychadla a mixéry 714 600 RMB. Na základě tohoto výpočtu činily roční úspory nákladů na elektřinu 913 500 RMB plus roční úspory nákladů na opravy ve výši 250 000 RMB, což představuje roční úsporu 1,1635 milionu RMB. Na základě celkové investice 3,704 milionu RMB je doba návratnosti 3,18 let.

3.6 Stabilita procesu

Před rekonstrukcí, během období poruchy, byl rozpuštěný kyslík v biologické nádrži většinou udržován pod 1,0 mg/l. Po modernizaci dosahoval rozpuštěný kyslík v biologické nádrži v průměru 1,5–2,0 mg/l. V závislosti na koncentraci přítoku a požadavcích procesu může být rozsah úpravy rozpuštěného kyslíku 1,0–2,5 mg/l. Když je koncentrace přítoku vysoká, normální hladiny rozpuštěného kyslíku v biologické nádrži lze také udržovat úpravou výkonu dmychadla. Proto jsou po modernizaci splněny podmínky pro stabilní odpadní vody.

4 Závěr

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 často<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%, může replikovat tuto technickou renovaci. Na základě 55,3% úspory elektřiny, 3,18-leté doby návratnosti a okrajových přínosů 3%–5% zvýšení míry snížení znečišťujících látek z tohoto příkladu má investice do renovace vysokou bezpečnostní rezervu a může okamžitě uvolnit potenciál snížení uhlíku, čímž poskytuje opakovatelné a dostatečné podmínky pro ekologickou a nízkouhlíkovou modernizaci starých oxidačních příkopů.