Estudi de millora i rendiment del sistema d'aireació de bombolles fines-en una planta de tractament d'aigües residuals municipals

Estudi de millora i rendiment del sistema d'aireació de bombolles fines-en una planta de tractament d'aigües residuals municipals

Introducció

Actualment, els principals processos de tractament d'aigües residuals utilitzats a la Xina inclouen rasa d'oxidació, SBR, fangs activats i altres. El procés de rasa d'oxidació té el problema d'un alt consum d'energia, especialment en la secció biològica, que representa entre el 65% i el 80% del consum total d'energia. Els equips d'aireació habituals que s'utilitzen en els processos de rases d'oxidació inclouen els raspalls d'aireació, els discos d'aireació, els airejadors d'eix vertical i els-airejadors de bombolles fines. Per exemple, després que una planta de tractament d'aigües residuals municipals d'una ciutat determinada va passar de l'aireació mecànica superficial tradicional a l'aireació de bombolla fina-de fons, el consum d'energia va disminuir un 20,11%, mentre que la qualitat de l'aigua de tractament es va tornar més estable. A més, l'aireació de bombolles fines té la característica del subministrament d'oxigen per zones, que pot proporcionar un subministrament d'oxigen precís segons la demanda d'oxigen a diferents zones de la rasa d'oxidació, millorant encara més l'eficiència d'eliminació de nitrogen i fòsfor.

El sistema d'aireació superficial d'una determinada planta de tractament d'aigües residuals municipals portava més de deu anys en funcionament, amb greus envelliments de l'equip i dificultats operatives. Va ser difícil complir amb les darreres normes d'abocament, la qual cosa va fer urgent la renovació tècnica. Aquest projecte va actualitzar el sistema a un sistema-d'aireació de bombolles fines, que pot reduir significativament el consum d'energia, optimitzar el funcionament, allargar la vida útil dels equips i reduir els costos de manteniment, alineant-se amb les polítiques nacionals de conservació d'energia i reducció d'emissions. Aquest projecte de renovació va implementar pràctiques de construcció ecològica durant el desmantellament i la instal·lació d'equips: reciclatge classificat d'equips antics, adopció d'instal·lacions prefabricades i ús de maquinària de baix-soroll i baixes-emissions, aconseguint un estalvi energètic dual-de "procés-construcció" i donant suport al desenvolupament sostenible de la depuradora d'aigües.

1 Descripció general del projecte

1.1 Situació actual

Una depuradora municipal d'aigües residuals d'una determinada ciutat té una capacitat total de 50.000 tones/dia, construïda en tres fases. La fase I va adoptar el procés de rasa d'oxidació, la fase II i el projecte de tractament avançat també van adoptar el procés de rasa d'oxidació, amb un tractament avançat posterior mitjançant sedimentació de coagulació + filtració de mitjans de tela + procés de desinfecció ultraviolada. La fase III va adoptar el procés A²O modificat. Actualment, l'efluent compleix la norma DB32/1072-2018.

1.2 Problemes existents

1.2.1 Impacte de la xarxa de canonades externa

Les aigües residuals dins de l'àmbit de recollida de la xarxa de canonades d'aquesta planta inclouen contribucions de moltes empreses industrials. Durant el funcionament diari, pot haver-hi impactes d'aigües residuals anormals d'empreses industrials, fent que el valor de DO al tanc biològic sigui molt baix, fins i tot arribant a 0 mg/L, sense complir els requisits de producció. Mentrestant, a causa dels canvis en les condicions externes, a mesura que més empreses industrials dins de l'àrea de servei aboquen aigües residuals a la xarxa de canonades, aquesta planta s'enfrontarà a una qualitat d'aigua d'afluència més severa en el futur. Un cop fluctuï l'influent, l'oxigen dissolt al dipòsit biològic disminuirà significativament i el rang d'ajust del volum d'aireació dels discos giratoris és limitat. En alguns períodes, el DO al tanc aeròbic arriba als 0 mg/L, obligant la planta a reduir la capacitat de tractament en resposta, afectant significativament l'entorn aeròbic del dipòsit biològic i la capacitat de tractament.

1.2.2 Baix DO al tanc d'aireació

A causa del mal funcionament del disc giratori que provoquen una baixa eficiència d'oxigenació dels airejadors, durant l'operació de producció real, les dades històriques de funcionament mostren que els valors de DO mitjans dels instruments al centre i la sortida del dipòsit d'aireació no superen 1 mg/L, amb el més baix arribant a 0 mg/L, afectant greument l'eficàcia de la reacció bioquímica.

1.2.3 Alt consum energètic

Els dipòsits biològics de la Fase I i II d'aquesta planta es troben en forma de rasa d'oxidació. La rasa d'oxidació de la Fase I utilitza 8 airejadors de disc giratori amb una potència de 18,5 kW, amb una potència total d'airejador de superfície de 148 kW. La rasa d'oxidació de la fase II és una rasa Carrousel de quatre-canals, que utilitza 13 airejadors auto-hitachi, inclosos 2 jocs d'11 kW, 2 jocs de 18,5 kW i 9 jocs de 15 kW, amb una potència total d'airejador de superfície de 194 kW. En funcionament normal, per garantir un volum d'aigua suficient, a causa de la baixa eficiència d'oxigenació de l'equip de subministrament d'oxigen existent, tots els airejadors s'han d'encendre completament.

El consum d'energia per tona d'aigua dels airejadors de la Fase I i II és: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25, 000=0.2392 RMB/tona. D'acord amb una enquesta sobre el consum d'energia del sistema biològic a diverses plantes de tractament d'aigües residuals domèstiques municipals dels voltants, el consum d'energia d'una planta municipal d'aigües residuals domèstiques de 25.000 tones/dia que utilitza un sistema d'aireació de bombolla fina-de fons és generalment de 0,09 a 0,1 RMB/tona. El consum d'energia de l'aireador de disc giratori és de 2,4 a 2,7 vegades el del sistema d'aireació de bombolles-fins inferiors, cosa que indica un consum d'energia relativament elevat.

1.2.4 Alta taxa de fallades de l'equip

A mesura que els airejadors de disc giratori envelleixen, les taxes de fallada de l'equip augmenten gradualment. Després d'11 anys de funcionament en aquesta planta, el sistema d'aireació del disc giratori va desenvolupar una deformació del disc, provocant una càrrega elevada de l'equip i una vibració important. L'ús-a llarg termini va provocar un afluixament inferior, donant lloc a una desalineació en ambdós extrems i altres problemes, provocant un augment del desgast dels coixinets i altes taxes de fallada. Els eixos principals, els impulsors, els acoblaments i els engranatges base han patit múltiples reparacions o substitucions, arribant essencialment al punt de substitució. Els coixinets i les fulles del cap de l'airejador dels airejadors auto-s'aspiraven molt es van desgastar. Estadístiques recents mostren que la planta va experimentar prop de 30 reparacions anuals per a airejadors de discs rotatius i airejadors auto-aspirants.

2 Disseny de Solució Tècnica de Retrofit

L'enfocament general d'adaptació és: traieu els airejadors de disc giratori originals i substituïu-los per aireació de bombolles-fines inferiors, amb la corresponent addició de ventiladors; elevar el dipòsit d'efluents del dipòsit biològic per augmentar la profunditat efectiva de l'aigua del dipòsit biològic; afegiu mescladors a la secció aeròbica utilitzant l'estructura del canal original per evitar l'acumulació localitzada de fangs.

2.1 Selecció i disseny de l'aireador

2.1.1 Paràmetres del disc airejador

Es va seleccionar el disc airejador de membrana EPDM model DD330, tal com es mostra aFigura 1, amb paràmetres específics que es mostren aTaula 1.

2.1.2 Disposició del disc airejador

Nombre de discos airejadors: àrea neta del fons del dipòsit de la Fase I 864 m², àrea neta del fons del dipòsit de la Fase II 1.412 m², àrea de servei mitjana 0,8 m²/disc, amb un factor de seguretat d'1,05 a 1,10. Es va determinar el nombre total final de discos airejadors: Fase I 1.150 discos, Fase II 1.900 discos.

Principi de disseny: distribuït uniformement en un patró de quadrícula triangular regular. Espai lliure de la paret del dipòsit Major o igual a 0,3 m per evitar zones mortes; L'espai lliure de la paret divisoria del canal Superior o igual a 0,4 m per facilitar el manteniment. Partició al llarg de la direcció del flux d'aigua, amb una vàlvula elèctrica de control d'aire per zona per aconseguir un control zonal DO. Eviteu els ports d'aspiració de la bomba de fangs, els abeuradors de mostreig i les safates de cables, ajustant localment l'espai a 1,5 m mantenint l'àrea de servei per disc Menor o igual a 0,8 m².

Alçada de la instal·lació i classificació de la canonada: la superfície superior del disc de membrana es troba a 0,25 m de la part inferior del dipòsit, assegurant una immersió superior o igual a 5,0 m al nivell mínim d'aigua per evitar la sobrecàrrega del ventilador. Els tubs de derivació utilitzen ABS DN50 amb distribució d'aire perforada; Les canonades principals estan disposades en un bucle, amb la velocitat de l'aire controlada a 10–12 m·s⁻¹, material SS304. Es proporcionen un parell d'accessoris de connexió ràpida-brida per cada 10 discos, que permeten l'elevació general per al manteniment sense drenar el dipòsit.

2.2 Optimització del sistema de ventilació

2.2.1 Addició de bufadors

Es van comprar ventiladors de suspensió d'aire importats com a unitats principals i es va construir una nova sala de ventiladors amb conductes d'aire d'acer inoxidable afegits.

2.2.2 Selecció del ventilador

D'acord amb les condicions reals de funcionament de la planta i tenint en compte els canvis futurs en la qualitat de l'aigua, la concentració de DQO influent en el pla d'adaptació no és significativament diferent del valor de disseny, amb una concentració mitjana d'uns 320 mg/L. La concentració de DBO es va calcular a partir del valor de disseny de la Fase III de 150 mg/L, i es van calcular altres indicadors d'influents basant-se en les concentracions d'influent de disseny de la Fase III. El volum d'aire de funcionament necessari per a la Fase I i II de la planta és de 103,7 m³/min (6.225,1 m³/h, dues unitats de servei i una en espera, volum d'aire d'una sola unitat 50 m³/min).

Tenint en compte diversos factors, es van comprar dos bufadors de suspensió d'aire importats NX75-C060 com a unitats principals per a la fase I i II. Calia construir una nova sala de ventilació, ubicada provisionalment al costat sud del taller original de deshidratació de fangs, amb conductes d'aire d'acer inoxidable afegits a la rasa d'oxidació. Paràmetres del ventilador: pressió d'aire 0,049 MPa, volum d'aire 50 m³/min, amb una potència de sortida màxima de 64,3 kW en aquestes condicions de funcionament.

2.2.3 Renovació del sistema d'aireació

El mètode d'aeració es va canviar per l'aireació del fons. Els tancs biològics de les fases I i II utilitzen el nombre corresponent d'airejadors de disc i canonades d'aireació UPVC. Enfocament específic de modificació: s'espera que el dipòsit biològic de la Fase I utilitzi 780 jocs d'airejadors de disc DD330 i tubs d'aireació UPVC, el dipòsit biològic de la Fase II s'espera que utilitzi 1.276 jocs d'airejadors de disc DD330 i tubs d'aireació UPVC, amb un volum d'aire operatiu d'un airejador de 3,45 m³/h. La disposició del capçal de l'aireador es mostra aFigures 2 i 3.

2.3 Optimització de paràmetres de procés

2.3.1 Estratègia de zonificació de rases d'oxidació i control de DO

Al llarg de la direcció del flux d'aigua de la rasa d'oxidació, la secció d'aireació es divideix en quatre zones. Zona 1: DO 0,3–0,5 mg/L, Zona 2: DO 0,2–0,3 mg/L, Zona 3: DO 1,5–2,0 mg/L, Zona 4: DO 1,0–1,5 mg/L. S'instal·la un instrument de procés de nitrogen d'amoníac al punt de velocitat de reacció de nitrificació més alta entre la Zona 2 i la Zona 3, controlant finalment l'efluent NH₃-N Menor o igual a 1,5 mg/L.

2.3.2 Optimització del període d'aireació

Es va afegir un mòdul d'"aireació intermitent" al sistema SCADA existent, formant un instrument en línia DO + bucle tancat dual de temps per garantir que el DO al mig de la secció aeròbica es mantingui a 0,2 mg/L. Si 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 Anàlisi de l'efecte de retrofit

L'impacte d'aquesta modificació d'enginyeria en el funcionament global del procés es va examinar comparant els canvis en els efluents contaminants abans i després de la modificació.

3.1 Comparació de la qualitat de l'aigua efluent abans i després de la modificació

La qualitat de l'aigua efluent abans i després de la modificació tendeix a ser estable, tal com es mostra aFigura 4. Abans i després de la modificació, el DQO mitjà de l'efluent es va mantenir per sota dels 30 mg/L, el TP es va mantenir bàsicament inferior o igual a 0,3 mg/L, NH₃-N Menor o igual a 1,5 mg/L, mentre que el TN va fluctuar al voltant de 10 mg/L. La qualitat general de l'aigua va assolir quasi-estàndards d'aigua superficial de classe IV, superant amb escreix els estàndards de descàrrega requerits per a la planta.

Per analitzar de manera més intuïtiva el possible impacte de la rehabilitació en la qualitat de l'aigua, es van comparar les tendències d'un-any de la qualitat de l'aigua efluent abans i després de la rehabilitació, donant resultatsFigura 5. Es pot veure a la figura que, sense tenir en compte l'impacte dels canvis de concentració d'afluents, les fluctuacions de les concentracions d'efluents de COD i TP després de la readaptació eren més estables que abans de la readaptació. Tot i que els valors mitjans dels indicadors de nitrogen van augmentar en comparació amb abans de la readaptació, la tendència general va ser relativament estable, donant lloc a un menor consum energètic de la planta i un estalvi químic.

3.2 Comparació de l'eliminació de contaminants abans i després de la modificació

A causa de la millora del sistema d'aireació, el consum global d'electricitat de la planta va disminuir un 1,7% respecte a abans, mentre que la capacitat de tractament va augmentar un 8,33%, i la corresponent reducció de contaminants també va augmentar, tal com es mostra aFigura 6. Després del càlcul, la reducció de COD va augmentar en 948,5 tones, el TP va augmentar en 7,0 tones, el NH₃-N va augmentar en 100,4 tones i el TN va augmentar en 125,9 tones.

L'eliminació real de contaminants també va canviar en conseqüència, tal com es mostra aTaula 2. Després de la modificació, excepte per una disminució de la taxa d'eliminació de NH₃-N, les taxes d'eliminació de tots els altres indicadors van augmentar.

3.3 Comparació del consum d'energia abans i després de la modificació

El consum d'energia d'aquest projecte de modernització es mostra aTaula 3. Després de la modernització, el consum d'energia per tona d'aigua per al sistema d'aireació del tanc biològic de la Fase I va disminuir un 67,3% i per a la Fase II es va reduir un 80,9%. El consum mitjà d'energia total de la planta per tona d'aigua va disminuir un 55,3%, cosa que demostra efectes significatius d'estalvi-d'energia. El consum total d'energia de la planta per tona d'aigua va disminuir a 0,21 kW·h/m³, dins del rang de valors de consum d'energia per a processos de rases d'oxidació similars a tot el país (0,292±0,192) kW·h/m³. A continuació es mostra el consum d'energia per unitat de pes de contaminant abans i després de la modificació de la planta globalTaula 4. Després de la readaptació del sistema d'aireació general de la planta, el consum d'energia per 1 kg de COD tractat va disminuir un 26,2%, per 1 kg de TP tractat va disminuir un 15,7%, per 1 kg de NH₃-N tractat va disminuir un 29,3% i per 1 kg de TN tractat es va reduir un bon estalvi d'energia, mostrant un bon estalvi d'energia.

3.4 Comparació química abans i després de la modificació

Abans de la modernització, a causa de les freqüents fallades del sistema d'aireació, el DO al sistema biològic era difícil de controlar i complir els estàndards d'indicadors de nitrogen requeria l'addició de fonts de carboni externes per garantir l'eficàcia de l'eliminació. Després de la modificació, bàsicament ja no es necessitava l'addició de fonts de carboni externa. Després de la readaptació, l'eliminació biològica de fòsfor i l'eficiència de desnitrificació van millorar significativament, i el PAC químic d'eliminació de fòsfor acompanyant i el PAM químic de deshidratació de fangs es van reduir corresponentment. Els costos químics anuals van disminuir uns 167.000 RMB en comparació amb abans. Els canvis específics es mostren aTaula 5.

3.5 Comparació d'inversions abans i després de la modificació

Abans de la modernització, el cost anual dels airejadors de superfície era d'1,6281 milions de RMB, amb uns costos anuals de reparació d'equips de no menys de 250.000 RMB. Després de la modificació, el cost anual dels ventiladors i mescladors va ser de 714.600 RMB. Segons aquest càlcul, l'estalvi anual de costos d'electricitat va ser de 913.500 RMB, més un estalvi anual de costos de reparació de 250.000 RMB, amb un estalvi anual total d'1,1635 milions de RMB. A partir d'una inversió total de 3,704 milions de RMB, el període d'amortització és de 3,18 anys.

3.6 Estabilitat del procés

Abans de la modernització, durant els períodes de mal funcionament, l'oxigen dissolt al dipòsit biològic es mantenia majoritàriament per sota d'1,0 mg/L. Després de la modificació, l'oxigen dissolt al dipòsit biològic va tenir una mitjana d'1,5-2,0 mg/L. Depenent de la concentració de l'afluent i dels requisits del procés, el rang d'ajust d'oxigen dissolt pot ser d'1,0 a 2,5 mg/L. Quan la concentració d'influent és alta, també es poden mantenir els nivells normals d'oxigen dissolt al dipòsit biològic ajustant la sortida del ventilador. Per tant, després de la modificació, es compleixen les condicions estables de compliment de l'efluent.

4 Conclusió

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 amb freqüència<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%, pot replicar aquesta renovació tècnica. Basant-se en l'estalvi d'electricitat del 55,3%, el període d'amortització de 3,18-anys i els beneficis marginals d'un augment del 3% al 5% en les taxes de reducció de contaminants d'aquest exemple, la inversió en renovació té un alt marge de seguretat i pot desbloquejar immediatament el potencial de reducció de carboni, proporcionant condicions suficients i replicables per a la millora ecològica i baixa en carboni de les velles rases d'oxidació.