Revisió sobre l'estalvi d'energia i la reducció de carboni dels sistemes d'aireació a les depuradores d'aigües residuals
A finals de 2020, la Xina comptava amb 4.326 plantes de tractament d'aigües residuals (EDAR) a nivell municipal-i superior, que tractaven 65.590 milions de metres cúbics d'aigües residuals anuals, amb un consum anual d'electricitat de 33.770 milions de kWh, que representa el 0,45% del consum total d'electricitat nacional. L'any 2020, el consum unitari d'electricitat per metre cúbic d'aigua tractada va ser de 0,405 kWh/m³ per a les EDAR que implementaven la norma de grau A o superior de la "Norma d'abocament de contaminants per a estacions de tractament d'aigües residuals municipals" (GB 18918-2002), i de 0,375 kWh/m³ de mitjana per a les que s'implementen. als països desenvolupats. Tot i que la concentració mitjana de contaminants influents a les EDAR xineses és inferior al 50% de la dels països desenvolupats, el consum unitari d'electricitat per contaminant eliminat és almenys un 100% més gran. Per tant, encara hi ha un potencial substancial d'estalvi d'energia i reducció de carboni a les EDAR de la Xina.
Les emissions de carboni de les EDAR inclouen emissions directes i indirectes. D'acord amb l'"Especificació tècnica per a l'avaluació de les plantes de tractament d'aigües residuals amb baix-carbon" (T/CAEPI 49-2022), les emissions directes de carboni consisteixen principalment en CH₄, N₂O i CO₂ de la combustió de combustibles fòssils. Les emissions indirectes engloben les associades a l'electricitat, la calor i els productes químics comprats. Tal com el defineix el Grup Intergovernamental de Experts sobre el Canvi Climàtic (IPCC), el CO₂ emès pel procés de degradació biològica en el tractament d'aigües residuals no s'inclou en la comptabilitat d'emissions de carboni. Entre els diferents elements d'emissió de carboni a les EDAR, el consum d'electricitat aporta la proporció més alta. Jiang Fuhai et al., a partir d'una mostra de 10 EDAR, van trobar que el pes de contribució del consum d'electricitat a les emissions de carboni oscil·lava entre el 31% i el 64%. Hu Xiang et al., analitzant 22 EDAR a la conca del llac Chaohu, van informar que les emissions de carboni del consum d'electricitat representaven entre el 61,55% i el 73,56%. Com més baixa sigui la concentració de l'afluent i com més alt sigui l'estàndard de l'efluent, més gran serà la proporció d'emissions directes de carboni, especialment les del consum d'electricitat. Els sistemes d'aireació consumeixen més del 50% de l'electricitat total d'una EDAR. L'eficàcia operativa dels sistemes d'aireació afecta directament l'eliminació de nitrogen i fòsfor. L'aeració excessiva condueix a un consum innecessari de fonts endògenes de carboni a les aigües residuals, reduint l'eficiència de l'eliminació de nitrogen i fòsfor biològic, augmentant així la dosi de fonts externes de carboni i productes químics d'eliminació de fòsfor, que al seu torn augmenta les emissions de carboni del consum de productes químics. En conseqüència, l'estalvi d'energia en els sistemes d'aireació és clau per a la reducció de carboni a les EDAR, la qual cosa fa que la investigació sobre tecnologies d'estalvi energètic dels sistemes d'aireació sigui molt significativa.
1. Causes de l'alt consum d'energia en els sistemes d'aireació de les EDAR xineses
1.1 La càrrega influent real és inferior a la càrrega de disseny
La baixa càrrega d'afluent inclou tant un baix cabal com una baixa concentració de contaminants. És una de les principals causes d'aeració excessiva. La sobre-aireació no només augmenta el consum d'electricitat, sinó que també esgota excessivament les fonts de carboni endògenes a les aigües residuals i eleva les concentracions d'oxigen dissolt als tancs anaeròbics i anòxics, perjudicant l'eliminació de nitrogen i fòsfor. Això requereix augmentar les dosis de fonts de carboni i productes químics d'eliminació de fòsfor, augmentant les emissions de carboni associades.
1.1.1 Baix cabal
Normalment, en els primers anys posteriors a la construcció d'una EDAR, el flux d'afluents sovint no arriba a la capacitat de disseny a causa del retard en el desenvolupament urbà o la construcció de la xarxa de clavegueram. A més, a les zones del sistema de clavegueram combinat o a les regions amb fortes barreges d'aigües pluvials i aigües residuals, el flux de clima sec-és significativament inferior al flux de clima humit-, la qual cosa provoca grans fluctuacions de cabal. Això exigeix una regulació i un control més precís de les velocitats d'aireació; en cas contrari, la sobre-aireació durant els períodes de baix-caudal és habitual, afectant l'eficiència d'eliminació de carboni, nitrogen i fòsfor i augmentant tant el consum d'electricitat com de productes químics.Figura 1mostra la variació del volum de tractament d'aigües residuals a la ciutat de Changsha entre les estacions seques i humides. El volum de tractament de la-estació humida és entre un 30% i un 40% més gran que a l'estació seca. Les fluctuacions estacionals del volum de tractament requereixen un control més precís del sistema d'aireació.
1.1.2 Baixa concentració d'influents
Les concentracions reals de contaminants influents a les EDAR municipals de la Xina són generalment molt inferiors als valors de disseny. En el disseny d'EDAR, la qualitat de l'afluent normalment es basa en projeccions a mitjà--llarg-termen amb xarxes de clavegueram completes. Segons l'"Estàndard per al disseny d'enginyeria d'aigües residuals a l'aire lliure" (GB 50014-2021), la demanda bioquímica d'oxigen (DBO₅) de cinc dies per a les aigües residuals domèstiques es calcula entre 40 i 60 g/(persona·d), en general prenent 40 g/(persona·d). Amb una descàrrega d'aigües residuals per càpita de 200 a 350 L/(person·d) a la majoria de ciutats, la concentració de DBO₅ de disseny normalment oscil·la entre 110 i 200 mg/L. Les estadístiques mostren que el 68% de les EDAR a la Xina tenen una DBO₅ d'influent mitjana anual real per sota de 100 mg/L, i el 40% té una mitjana anual inferior a 50 mg/L. Des de la perspectiva de la concentració d'afluents en comparació amb l'aireació necessària, la majoria de les EDAR xineses tenen sistemes d'aireació dissenyats amb un "motor de gran mida per a un carro petit"-configurat amb bufadors de gran-capacitat mentre que la demanda d'aire real és baixa. Aquesta configuració condueix fàcilment a una sobreaireació i un augment del consum d'energia.
1.2 Configuració no raonable de la quantitat d'equips d'aireació
Moltes EDAR han configurat sense raonar el nombre d'unitats d'equips d'aireació perquè no tenen en compte les freqüents condicions operatives de baixa{0}}càrrega. Per exemple, moltes EDAR-petites i mitjanes solen configurar els ventiladors en una configuració de "2 deures + 1 en espera" (en total 3) al disseny de la sala de ventiladors, que és òptima en condicions de qualitat i de flux de disseny. No obstant això, en condicions de càrrega d'afluència baixa, fer servir fins i tot un ventilador a la seva sortida mínima pot provocar una-aireació excessiva i un augment del consum d'energia. Tot i que la instal·lació de variadors de freqüència (VFD) o altres mitjans per reduir el subministrament d'aire pot evitar una-aireació excessiva, aquestes mesures poden desplaçar el funcionament del ventilador de la seva zona d'alta-eficiència, reduint l'eficiència i el malbaratament d'energia. Donades les concentracions d'afluents generalment baixes, s'han de considerar estratègies com augmentar el nombre de bufadors i reduir la capacitat individual de les unitats per satisfer les necessitats de regulació de la demanda d'aire durant els períodes de baixa-càrrega. Històricament, els pressupostos limitats i l'elevat cost dels ventiladors d'alt rendiment-importats van donar lloc a menys-configuracions d'unitats. Amb la maduració de la tecnologia domèstica-de ventiladors d'alt rendiment i els costos reduïts, les condicions ara són favorables per optimitzar les configuracions dels ventiladors per aconseguir l'estalvi d'energia i la reducció de carboni.
1.3 Baixa eficiència dels equips d'aireació
Algunes EDAR més antigues, construïdes amb la tecnologia de la seva època, utilitzen equips d'aireació de baix-eficiència i alt-energia-consum. Segons els estàndards tecnològics i d'eficiència energètica actuals, equips com els bufadors Roots, els bufadors centrífugs de baixa-etapa de diverses etapes, els airejadors de discos i els airejadors de raspalls es consideren de baixa-eficiència, que normalment oscil·len entre el 40% i el 65% d'eficiència-15% a 40%{13}de baixes velocitats centrífugues modernes. A més, a les EDAR que utilitzen aireació difusa de-bombolla fina en processos anaeròbics-anòxic-òxic (A₂/O) o anòxic-òxic (A/O), l'envelliment o l'obstrucció dels difusors redueix l'eficiència de transferència d'oxigen i augmenta la resistència, augmentant així el consum d'energia.
1.4 Configuració no raonable de mescladors en tancs biològics
A les sèquies d'oxidació amb airejadors de superfície, l'equip té funcions tant d'aireació com de mescla/empeny. Aquest és un disseny raonable en condicions de càrrega de disseny. No obstant això, en condicions de baixa-càrrega, pot ser necessari reduir o aturar l'aeració, però per evitar la sedimentació de fangs o la separació de líquids-sòlids, s'ha de mantenir una velocitat de flux suficient, forçant el funcionament continuat dels airejadors i provocant una sobre-aireació, mala eliminació de nutrients i malbaratament energètic. Per a un funcionament més eficient d'energia-a baixes càrregues, les rases d'oxidació haurien d'estar equipades amb mescladors submergibles configurats correctament.
En els processos A₂/O i A/O, els tancs aeròbics solen estar completament coberts amb difusors de bombolles-fines sense mescladors específics, que depenen d'una aireació suficient per evitar la sedimentació. Amb càrregues baixes, reduir l'aireació o implementar una aireació intermitent per evitar una-aireació excessiva pot provocar fàcilment la decantació dels fangs, afectant el tractament. Per funcionar de manera més eficient amb càrregues baixes, els tancs aeròbics A₂/O i A/O haurien de considerar afegir mescladors adequats.
2. Enfocaments tècnics per a l'estalvi energètic i la reducció de carboni en els sistemes d'aireació de les EDAR
2.1 Substitució per equips d'aeració d'alta-eficiència
Les EDAR que encara utilitzen equips de baixa eficiència, com ara bufadors d'arrels, bufadors centrífugs de baixa-etapa de diverses etapes, airejadors de disc o airejadors de raspall, o aquelles amb equips molt envellits i ineficients, haurien de dur a terme avaluacions d'eficiència energètica des d'una perspectiva d'estalvi d'energia i substituir-los per nous models de reducció de carboni{4}{4}} i d'alta eficiència i temps. Actualment, els bufadors d'alta-velocitat com els bufadors centrífugs d'una-etapa-de gran velocitat, els bufadors de coixinets magnètics i els bufadors d'aire que s'utilitzen a les grans EDAR solen tenir una eficiència entre el 80% i el 85%. No obstant això, actualment el mercat no té productes de ventilació centrífuga de gran-capacitat-velocitat. Les EDAR amb capacitats inferiors a 2.000 m³/d encara depenen d'equips menys eficients com els bufadors Roots, amb eficiència generalment entre el 40% i el 65%, cosa que indica un potencial important de millora. Per tant, el desenvolupament d'equips d'aireació a petita-escala més eficients és significatiu per a l'estalvi d'energia i la reducció de carboni a les EDAR petites.
2.2 Conversió de l'aireació superficial a l'aireació difusa de-bombolla fina
Tenint en compte la profunditat adequada de l'aigua, l'aireació-difusa de bombolles fines és més eficient-energèticament que l'aireació superficial. La conversió de sèquies d'oxidació de la superfície a una-aireació difusa de bombolles fines pot donar bons resultats-d'estalvi d'energia. A partir dels projectes de modernització implementats, aquestes conversions no només aconsegueixen un estalvi energètic significatiu, sinó que també milloren l'eficiència d'eliminació de nutrients biològics. L'estudi de Chen Chao va assenyalar que després de la conversió d'una EDAR, el consum total d'electricitat va disminuir un 24,7%, mentre que les taxes d'eliminació de nitrogen amoníac, DQO i fòsfor total van augmentar un 30,39%, 5,39% i 2,09%, respectivament. Xie Jici et al. va informar d'un estalvi energètic de 0,09–0,12 kWh/m³ després d'una conversió similar, amb una millora significativa en l'eficiència d'eliminació de nutrients biològics. En l'aireació de-bombolles fines, l'eficiència de la transferència d'oxigen es correlaciona linealment positivament amb la profunditat de l'aigua. Per sota d'una certa profunditat crítica, la seva eficiència pot ser inferior a la de l'aireació superficial. En general, una profunditat d'aigua superior a 4 m es considera una condició adequada per convertir les sèquies d'oxidació en aireació difusa de bombolles fines-.
3. Enfocaments tècnics per a l'estalvi energètic i la reducció de carboni en els sistemes d'aireació de les EDAR
3.1 Substitució per equips d'aeració d'alta-eficiència
Les EDAR que encara utilitzen equips de baixa eficiència, com ara bufadors d'arrels, bufadors centrífugs de baixa-etapa de diverses etapes, airejadors de disc o airejadors de raspall, o aquelles amb equips molt envellits i ineficients, haurien de dur a terme avaluacions d'eficiència energètica des d'una perspectiva d'estalvi d'energia i substituir-los per nous models de reducció de carboni{4}{4}} i d'alta eficiència i temps. Actualment, els bufadors d'alta-velocitat com els bufadors centrífugs d'una-etapa-de gran velocitat, els bufadors de coixinets magnètics i els bufadors d'aire que s'utilitzen a les grans EDAR solen tenir una eficiència entre el 80% i el 85%. No obstant això, actualment el mercat no té productes de ventilació centrífuga de gran-capacitat-velocitat. Les EDAR amb capacitats inferiors a 2.000 m³/d encara depenen d'equips menys eficients com els bufadors Roots, amb eficiència generalment entre el 40% i el 65%, cosa que indica un potencial important de millora. Per tant, el desenvolupament d'equips d'aireació a petita-escala més eficients és significatiu per a l'estalvi d'energia i la reducció de carboni a les EDAR petites.
3.2 Conversió de l'aireació superficial a l'aireació difusa de-bombolla fina
Tenint en compte la profunditat adequada de l'aigua, l'aireació-difusa de bombolles fines és més eficient-energèticament que l'aireació superficial. La conversió de sèquies d'oxidació de la superfície a una-aireació difusa de bombolles fines pot donar bons resultats-d'estalvi d'energia. A partir dels projectes de modernització implementats, aquestes conversions no només aconsegueixen un estalvi energètic significatiu, sinó que també milloren l'eficiència d'eliminació de nutrients biològics. L'estudi de Chen Chao va assenyalar que després de la conversió d'una EDAR, el consum total d'electricitat va disminuir un 24,7%, mentre que les taxes d'eliminació de nitrogen amoníac, DQO i fòsfor total van augmentar un 30,39%, 5,39% i 2,09%, respectivament. Xie Jici et al. va informar d'un estalvi energètic de 0,09–0,12 kWh/m³ després d'una conversió similar, amb una millora significativa en l'eficiència d'eliminació de nutrients biològics. En l'aireació de-bombolles fines, l'eficiència de la transferència d'oxigen es correlaciona linealment positivament amb la profunditat de l'aigua. Per sota d'una certa profunditat crítica, la seva eficiència pot ser inferior a la de l'aireació superficial. En general, una profunditat d'aigua superior a 4 m es considera una condició adequada per convertir les sèquies d'oxidació en aireació difusa de bombolles fines-.
3.3 Tecnologia d'aireació intermitent
Per a les EDAR amb concentracions baixes d'afluents, l'aeració intermitent de flux continu-aborda eficaçment els problemes d'eliminació deficient de nutrients i el consum elevat d'energia causat per la sobre-aireació. Implica un flux continu d'afluents i efluents mentre que el sistema d'aireació funciona en cicles d'encesa/desactivació d'aireació. Després de la investigació de 1986 d'ARAKI et al. sobre l'aireació intermitent per a l'eliminació de nitrogen a les sèquies d'oxidació, molts estudiosos han dut a terme estudis experimentals. Hou Hongxun et al. va dur a terme una prova a-escala completa en una EDAR de 100.000 m³/d utilitzant aireació-intermitent de flux continu en una rasa d'oxidació, aconseguint un augment del 20% en l'eliminació total de nitrogen, un augment del 49% en l'eliminació total de fòsfor i una reducció del 21% del consum total d'energia de la planta. He Quan et al., en una prova d'oxidació d'una EDAR de 40.000 m³/d utilitzant un cicle de 2-hores encès/2-hores de descans, van trobar que, en comparació amb l'aireació contínua, l'aireació intermitent va estalviar un 42% en energia d'aireació, va augmentar l'eliminació total de nitrogen en un 9,6% i l'eliminació total de fòsfor a l'hivern9. condicions de baixa-temperatura. Zheng Wanlin et al., en una prova de procés d'EDAR A₂/O de 40.000 m³/d amb un cicle d'encesa/3 hores apagada de 3-hores, van mantenir una qualitat estable de l'efluent conforme a la norma alhora que va estalviar un 18,3% en el consum d'electricitat. Actualment, les aplicacions a gran escala d'aireació intermitent de flux continu encara són limitades, amb diversos reptes tècnics restants.
Per als processos d'A₂/O que utilitzen una-aireació de bombolles fines, dos factors limiten l'aplicació àmplia de l'aireació intermitent. En primer lloc, els bufadors centrífugs d'alta-velocitat generen un soroll agut i d'alt-decibels en iniciar-se; el cicle freqüent per a un funcionament intermitent genera contaminació acústica. En segon lloc, els cicles freqüents d'arrencada-parada dels ventiladors magnètics/d'aire fan que els coixinets sense-contacte entren en contacte repetidament amb la carcassa, provocant fàcilment danys als coixinets, augment de les taxes de fallada i una vida útil reduïda.
Quan s'aplica aireació intermitent a sèquies d'oxidació o processos d'A₂/O, s'ha d'assegurar una velocitat de mescla suficient durant els períodes de no{0}}aireació, la qual cosa pot requerir mescladors addicionals per evitar la decantació de fangs. Les concentracions de nitrogen d'amoníac poden augmentar ràpidament durant la no-aireació, amb el risc d'excedir-se instantàniament. Per tant, es necessiten més investigacions per establir i ajustar científicament els cicles d'aireació, millorant millor l'estalvi energètic i l'eliminació de contaminants, evitant alhora l'excés de nitrogen amoníac instantani.
La preocupació de les EDAR per la possible superació instantània de nitrogen d'amoníac és una barrera important per a l'aplicació àmplia de l'aireació intermitent. El gener de 2022, el Ministeri d'Ecologia i Medi Ambient va emetre una consulta sobre un esborrany d'esmena al GB 18918-2002, proposant principalment afegir límits màxims permesos per a mesures individuals. Aquests límits de mesura única proposats són significativament més alts que els límits mitjans diaris originals, mentre que les mitjanes diàries es mantenen sense canvis. Per exemple, per a l'estàndard de grau A, una sola mesura per sota de 10 mg/L (15 mg/L per sota de 12 graus) seria acceptable si la mitjana diària es manté per sota de 5 mg/L (8 mg/L per sota de 12 graus). Si s'aplica, aquesta modificació podria ajudar a abordar les preocupacions reguladores pel que fa a la superació instantània de l'aireació intermitent, facilitant la seva aplicació en processos de rases d'oxidació.
3.4 Tecnologia d'aireació precisa
Els cabals de les EDAR i les concentracions d'afluents fluctuen significativament, fins i tot al llarg del dia, provocant una demanda d'aire variable. Confiar només en l'ajust basat en l'experiència manual-dificulta el control precís i pot comprometre l'estabilitat de la qualitat de l'efluent. Amb els avenços en el big data i la intel·ligència artificial, ha sorgit el concepte d'aireació precisa. En algunes EDAR s'ha aplicat una tecnologia d'aireació precisa, aconseguint normalment un estalvi d'energia del 10% al 20% en els sistemes d'aireació. La combinació de l'aireació precisa amb altres modificacions del procés pot donar millors resultats. Zhu Jie et al. va implementar una reforma precisa de l'aireació en una EDAR de procés d'A/O de diverses etapes-, aconseguint un estalvi d'energia del 49,8% en el sistema d'aireació. L'aireació precisa i intel·ligent representa direccions futures importants per a l'estalvi d'energia i la reducció de carboni. Existeixen limitacions actuals en la capacitat-en temps real i la precisió de l'adquisició i anàlisi de dades per a aquests sistemes. Es necessiten més avenços tecnològics en el control precís-en temps real de bufadors i vàlvules i en una distribució precisa de l'aire.
4. Conclusió
L'estalvi d'energia en els sistemes d'aireació és clau per a la reducció de carboni a les EDAR. La raó principal de l'elevat consum d'energia als sistemes d'aireació de les EDAR xinesos és la baixa càrrega d'afluent, que fàcilment provoca una sobre-aireació, malbaratament d'electricitat i augment de les emissions de carboni tant de l'energia com de productes químics. Altres motius inclouen l'envelliment/l'equip de baixa-eficiència i la configuració poc raonable dels equips d'aireació i mescla. Els mitjans efectius per aconseguir l'estalvi d'energia i la reducció de carboni inclouen substituir equips d'aireació de baixa-eficiència per d'alta-eficiència, convertir la superfície en aireació difusa de-bombolles fines i aplicar tecnologies com l'aireació intermitent de flux continu-i l'aireació precisa.