Fonaments tècnics i gestió operativa d'una-conca d'aireació del ventilador de càrrega baixa
1. Visió general
1.1 Principi de funcionament de les conques d'aireació del ventilador
L'aireació del ventilador, que s'utilitza habitualment a la Xina, inclou principalment tipus d'aireació difusa, espiral i microporosa. Una conca d'aireació normalment inclou un sistema d'aireació, l'estructura de la conca i els ports d'entrada/sortida, que serveixen com a estructura clau en el tractament d'aigües residuals de fangs activats. Els mètodes d'aireació habituals són l'aireació mecànica i per ventilació. Els sistemes d'aireació de bufadors consisteixen generalment en airejadors i bufadors especialitzats. Les conques sovint es divideixen en múltiples compartiments, cadascun d'ells capaç d'alimentar l'afluent independent. Les aigües residuals entren a la conca i surten per l'extrem oposat. Durant aquest procés, l'aire es lliura mitjançant compressors als difusors del fons de la conca i s'allibera com a bombolles.
1.2 Recerca relacionada amb les conques d'aireació del ventilador
Investigació de Cheng Dandan et al. va trobar que a les plantes de tractament d'aigües residuals municipals (EDAR) de la Xina, els ventiladors consumeixen aproximadament el 60% de l'energia total. La integració del sistema d'aireació amb un control intel·ligent PID tancat-per a l'oxigen dissolt (DO) i la implementació d'estratègies d'estalvi-d'energia del ventilador pot abordar de manera efectiva l'elevat consum d'energia als sistemes d'aireació de les EDAR, reduint-lo en més d'un 30%.
Liu Xiaoqi et al. van emprar airejadors de flux dispers per augmentar el contingut d'oxigen a les aigües residuals durant el tractament alhora que es redueix el consum d'energia. Això també va aconseguir una barreja i distribució uniforme d'aigua-aire, reduint el requisit de precisió per a l'anivellament de la instal·lació de l'airejador.
Chang Kai et al. millora del rendiment del sistema de conca d'aireació convencional modificant el mode de recollida d'aire original. Van substituir els airejadors microporosos tradicionals per airejadors microporosos de plaques de silicona d'alta eficiència-de transferència d'oxigen i van substituir les conques d'aireació de flux recte-de un sol pas-per un flux de tres-conques de serpentina. La incorporació d'un control d'aeració precís va millorar encara més el sistema, abordant problemes d'alt consum d'energia, baixa eficiència i mala transferència de massa en els mètodes tradicionals d'aireació del ventilador.
1.3 Gestió operativa de les conques d'aireació del ventilador
Les conques d'aireació del ventilador s'utilitzen àmpliament en el tractament d'aigües residuals. Seguint el principi de "tractament separat per a diferents corrents de residus", la unitat específica de tractament d'aigües residuals salines d'una EDAR gestiona principalment les aigües residuals de dessalinització elèctrica procedents de la destil·lació al buit-atmosfèrica, l'aigua purificada depurada, les aigües residuals de neutralització d'alquilació i alguns efluents sobrenedants i d'alta{2}salinitat. Aquesta unitat inclou un sistema de tractament biològic de tres-etapes, amb la conca d'aireació del bufador com a etapa secundària. La seva demanda química d'oxigen (DQO) mitjana influent és constantment per sota dels 100 mg/L, classificant-la com un procés de fangs activats de baixa -càrrega. Més enllà de les actualitzacions d'equips, mantenir un funcionament òptim requereix un control i un ajust acurats dels paràmetres del procés.
2. Visió general de les instal·lacions
2.1 Flux de procés de la unitat de tractament d'aigües residuals salines
La unitat utilitza un procés "Equalització + Separació d'oli + Flotació en dos-etapes + Tractament biològic en tres-etapes", amb l'efluent tractat enviat a una unitat de poliment. El separador d'oli utilitza un disseny combinat de flux horitzontal i placa inclinada. Les dues etapes de flotació utilitzen la flotació d'aire de cavitació vortex (CAF) i la flotació d'aire dissolt a pressió de reflux parcial (DAF), respectivament. Les tres etapes biològiques són seqüencials: Tanc d'aireació d'oxigen pur III, Tanc d'aireació del ventilador i Tanc bioquímic secundari (EM-BAF). El flux del procés es mostra aFigura 1.
2.2 Descripció de la conca d'aireació del ventilador
La conca d'aireació del bufador és una instal·lació reutilitzada construïda originalment el 1995 com a part d'una unitat de tractament d'aigües residuals olioses. Utilitza un disseny d'aireació de flux d'embotellament-tradicional amb un volum efectiu de 3.888 m³ i un temps de retenció hidràulica (HRT) actual d'aproximadament 17,6 hores. La conca funciona en dos trens paral·lels, cadascun amb quatre compartiments. Els airejadors s'instal·len a la part inferior, subministrats per bufadors centrífugs per proporcionar oxigen per al metabolisme dels fangs activats. També està equipat amb dos clarificadors secundaris (Φ18m x 5m).
Dins del sistema biològic de tres-etapes:
- Etapa 1 (tanc d'aireació d'oxigen pur III): La funció principal és l'eliminació de DQO.
- Etapa 2 (tanc d'aireació del ventilador): la funció primària és l'eliminació del nitrogen amoníac (NH₃-N), la funció secundària és l'eliminació de DQO.
- Etapa 3 (tanc bioquímic secundari - EM-BAF): Funciona per polir encara més l'efluent DQO i NH₃-N, garantint la qualitat final de l'aigua.
2.3 Qualitat de l'influent i de l'efluent de la conca d'aireació del ventilador
L'influent a la conca d'aireació del ventilador prové del dipòsit d'aireació d'oxigen pur III, amb límits contaminants: CODcr Menor o igual a 300 mg/L, NH₃-N Menor o igual a 30 mg/L, Sòlids en suspensió (SS) Menor o igual a 50 mg/L.
El seu efluent alimenta el Dipòsit Bioquímic Secundari, amb límits: CODcr Menor o igual a 120 mg/L, NH₃-N Menor o igual a 30 mg/L, SS Menor o igual a 50 mg/L.
L'efluent final del dipòsit bioquímic secundari ha de complir: CODcr Menor o igual a 70 mg/L, Petroli Menor o igual a 5 mg/L, NH₃-N Menor o igual a 3 mg/L.
Al llarg del 2021, el CODcr d'influent mitjà de la conca va ser de 67,094 mg/L i el NH₃-N mitjà va ser de 23,098 mg/L, tots dos complint els requisits de disseny. Tanmateix, el DQO d'influència notablement baix va provocar una deficiència de font de carboni per al fang activat, afectant el seu metabolisme normal. Per contra, el nitrogen d'amoníac suficient i la baixa concentració de contaminants orgànics en el licor barrejat van afavorir la nitrificació, que va procedir amb eficàcia.
3. Factors d'influència operacional i mesures de control
3.1 Impacte de la baixa càrrega d'influent i l'envelliment dels fangs
Amb el DQO influent a 67,094 mg/L-per sota del límit de disseny (menys o igual a 300 mg/L) i la demanda de carboni microbià (aproximadament . 100 mg/L DBO₅)-el fang activat va experimentar una deficiència de font de carboni. La baixa càrrega va provocar un creixement lent del fang, el que el va fer propens a l'envelliment i formant una estructura solta. Els fangs morts i envellits van formar escombra flotant a la superfície del clarificador secundari. A falta d'equips de recollida d'escombraries, aquesta escombra va sortir amb l'efluent, provocant terbolesa, superant els límits de DQO i SS i, posteriorment, sobrecarregant el dipòsit bioquímic secundari aigües avall, afectant la seva qualitat final de l'efluent.
Contramesura: L'equip operatiu va controlar la concentració de sòlids en suspensió de licors mixts (MLSS). Utilitzant un cilindre graduat de 1000 ml per a la prova de l'índex de volum de fang (SVI) de 30 minuts, van mantenir l'SVI al voltant del 20%, corresponent a un MLSS d'aproximadament 2 g/L. Aquesta eficiència equilibrada d'eliminació de contaminants evita l'envelliment dels fangs, la flotació i el deteriorament de la qualitat de l'aigua. El creixement lent dels fangs va suposar un malbaratament mínim i poc freqüent de fangs, permetent als bacteris nitrificants un temps de residència superior al seu temps mínim de generació, afavorint encara més la nitrificació.
3.2 Impacte del control de l'oxigen dissolt (DO).
Els microorganismes dels fangs activats són principalment aeròbics, normalment requereixen OD entre 1-3 mg/L. Els estàndards corporatius estableixen el rang de DO per a les conques d'aireació de flux d'obturació tradicionals en 2-4 mg/L, amb la nitrificació que requereix un DO generalment no inferior a 2,0 mg/L. La baixa càrrega d'afluent actual i la concentració encara més reduïda de MLSS van reduir la demanda de DO, fent que el control sigui difícil. Mantenir la barreja completa sovint augmentava el DO per sobre de 4 mg/L, mentre que el control del DO dins del rang objectiu de vegades va provocar una barreja inadequada en algunes zones, provocant la sedimentació de fangs.
A més, un alt DO accelera la descomposició de la matèria orgànica, agreujant l'envelliment dels fangs. Per tant, a la pràctica, el DO es controla al voltant de 3 mg/L. A més, totes les vàlvules d'aire s'ajusten aproximadament mensualment per millorar la uniformitat de la mescla, reactivar els flocs latents i mantenir la biomassa activa.
3.3 Impacte de la temperatura de l'aigua
La temperatura afecta significativament l'activitat microbiana. Les temperatures adequades afavoreixen l'activitat, mentre que les baixes la inhibeixen o la redueixen, i les altes temperatures poden alterar la fisiologia o provocar la mort. En aquest sistema, els bacteris termòfils són els principals grups funcionals. Per a la seguretat del sistema, la temperatura es manté normalment entre 15 i 35 graus, tot i que el rang adequat és de 10 a 45 graus. Superar els 30 graus pot desnaturalitzar les proteïnes nitrificadores, reduint la seva activitat. El fang activat conté bacteris degradants de DQ{10}}i nitrificants, i la nitrificació té un rang òptim més estret de 5 a 30 graus.
L'afluent d'aigües residuals salines conté corrents d'-alta temperatura. Els incidents anteriors van implicar dies consecutius de temperatura de l'afluent superior als 40 graus, que va provocar la desintegració dels fangs, la mort dels degradadors i nitrificadors de COD-i el col·lapse del sistema. Posteriorment, es va instal·lar un termòmetre a la línia d'efluents del dipòsit d'equalització per controlar estrictament la temperatura de descàrrega que no superi els 40 graus, complint els requisits de temperatura del fang. El 2021 no es van produir incidents similars que afectin la nitrificació.
3.4 Impacte de l'alcalinitat
Segons els estàndards empresarials rellevants, quan s'utilitzen fangs activats per a l'eliminació d'amoníac, la relació entre l'alcalinitat total de l'influent i el nitrogen d'amoníac no ha de ser inferior a 7,14; en cas contrari, s'ha de complementar l'alcalinitat. Amb un NH₃-N influent de disseny de 30 mg/L i una mitjana real de 23,098 mg/L, l'alcalinitat total requerida no és inferior a 214,2 mg/L. Actualment, l'alcalinitat de l'influent és insuficient, i requereix l'addició diària de sosa (Na₂CO₃) per satisfer les demandes del procés.
3.5 Impacte del pH i substàncies tòxiques
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 o<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
El metabolisme microbià aeròbic pot amortir moderadament els canvis de pH. Per exemple, la utilització de compostos de nitrogen pot reduir el pH durant la nitrificació, mentre que la descarboxilació produeix amines alcalines, augmentant el pH. Això permet l'aclimatació-a llarg termini a les aigües residuals lleugerament àcides/alcalines. L'alcalinitat inherent de les aigües residuals també ajuda a inhibir la caiguda del pH.
Tanmateix, els canvis dràstics del pH (per exemple, l'entrada sobtada alcalina a un sistema àcid) afecten significativament els microbis i poden interrompre el funcionament. Per tant, la necessitat de neutralització depèn del cas concret. Les fluctuacions menors i consistents del pH, especialment amb àcids/bases febles, poden no requerir neutralització. Les fluctuacions més grans necessiten l'ajust del pH a neutre.
Els bacteris nitrificants són molt sensibles al pH-, amb una nitrificació òptima a pH 7,2-8,0, mentre que els microbis generals prefereixen 6,5-8,5. Per a aigües residuals industrials específiques, sovint es fixen tipus de substàncies tòxiques, però les concentracions i els volums de descàrrega fluctuen. A més de l'equiparació, s'han de controlar i controlar els nivells de substàncies tòxiques influents. Després de l'aclimatació dels fangs, s'ha d'establir un límit màxim de concentració d'influent en funció del grau d'aclimatació i de l'experiència operativa. La superació prolongada requereix mesures com reduir l'entrada, augmentar el reciclatge de fangs o millorar l'oxigenació per evitar l'enverinament microbià i el fracàs del tractament. Actualment, no s'han detectat substàncies tòxiques que causen intoxicació microbiana a l'afluent de la conca.
3.6 Impacte de les càrregues de xoc influents
El DQO de l'influent es manté establement baix amb fluctuacions menors, i el NH₃-N i el nitrogen total (TN) també es mantenen dins d'intervals relativament estables durant períodes llargs. La població de nitrificadors es manté relativament fixa. Tanmateix, a causa del seu lent creixement, un augment sobtat i significatiu de l'afluent NH₃-N o TN pot saturar la capacitat d'eliminació de la conca, comprometent la qualitat de l'efluent NH₃{-N i TN.
Teòricament, la demanda microbiana de N i P segueix una relació DBO₅:N:P de 100:5:1. Tanmateix, el contingut de N i P varia molt segons el tipus d'aigua residual industrial. Algunes aigües residuals són altes en N i P, i cal eliminar-les per complir amb els estàndards. Altres són deficients, i necessiten suplements per evitar limitar el metabolisme. Per a les conques operatives que tracten aigües residuals de baix N/P, els nivells d'afluents d'uns 10 mg/L de NH₃-N i 5 mg/L de fosfat poden satisfer les necessitats microbianes. Els nivells prolongats per sota d'aquests requereixen una dosi augmentada de N/P.
El funcionament diari requereix un seguiment estret de NH₃-N i TN a tots els corrents d'afluent i a l'efluent del dipòsit d'equalització, així com als fluxos de reciclatge dels dipòsits d'ajust, per evitar la sobrecàrrega de la unitat de poliment aigües avall i amenaçar la seguretat de l'aigua de descàrrega final.
4. Conclusió
Com a reactor de nitrificació central de la unitat de tractament d'aigües residuals salines, la conca d'aireació del ventilador requereix un seguiment diari estret de la temperatura de l'aigua, l'afluent de NH₃-N i TN. És essencial un control estricte de la concentració de MLSS, mantenir el DO al voltant de 3 mg/L i garantir una addició adequada d'alcalinitat. Sota aquestes mesures optimitzades, el sistema funciona de manera estable amb una qualitat d'efluent excel·lent: DQO mitjà de 54,213 mg/L, NH₃-N de 9,678 mg/L i SS de 23,849 mg/L, complint totalment els requisits d'afluent del tanc bioquímic secundari. Les proves, el resum i l'optimització en curs des de múltiples aspectes també són crucials per garantir encara més la fiabilitat dels equips i l'eficiència del tractament del sistema.