Применение онлайн-технологии химической очистки мелкопузырчатых аэраторов на очистных сооружениях
Мелкопузырчатые аэраторы широко используются в качестве аэрационного оборудования на очистных сооружениях благодаря своей простой конструкции, высокой эффективности использования кислорода, надежной работе, стойкости к засорению-порам, предотвращению обратного потока сточных вод, равномерному распределению напряжения по окружности, длительному сроку службы, простоте установки и обслуживания, а также низкой стоимости системы. Являясь ключевым компонентом подачи кислорода при очистке сточных вод, системы мелкопузырчатой аэрации склонны к засорению загрязнениями и образованием биопленок в ходе длительной-работы, что создает серьезные проблемы для поддержания их производительности. Технология химической очистки онлайн обеспечивает эффективное решение этой проблемы.
1. Образование и опасность засорения аэратора мелкими пузырьками.
После длительной эксплуатации мелкопузырчатые аэраторы подвержены засорению, которое обычно подразделяют на «внутреннее засорение» и «внешнее засорение» в зависимости от формы закупорки загрязняющими веществами. «Внутреннее засорение» относится к осаждению мелких частиц, таких как коллоидные частицы и макромолекулы растворенного вещества, из смешанной жидкости внутри пор, что приводит к закупорке пор. «Внешнее засорение» означает отложение веществ, образующих накипь, на поверхности мембраны, обращенной к воде. Этот тип закупорки имеет тенденцию к постоянному увеличению сопротивления мембраны выпуску воздуха, что приводит к увеличению давления на мембрану и постепенному увеличению размера пор. Со временем это может легко привести к разрыву мембраны. После разрыва мембраны последствия могут простираться от снижения эффективности аэрации до структурного повреждения системы, что может привести к необходимости остановки для технического обслуживания или замены аэратора.
Проблемы засорения мелкопузырчатых аэраторов приводят к повышенным эксплуатационным рискам:
- С точки зрения стоимости потребления электроэнергии: по мере засорения аэраторов давление в трубопроводе возрастает, что вынуждает воздуходувки работать в условиях высокой-нагрузки и высокого-энергопотребления-. Это увеличивает энергопотребление, а также влияет на срок службы воздуходувки.
- С точки зрения экологического риска: Неравномерная аэрация снижает скорость переноса кислорода, ограничивает гибкость управления процессом и в серьезных случаях может серьезно повлиять на качество сточных вод.
- С точки зрения экономической стоимости: Стоимость ручной очистки после опорожнения резервуаров высока.
- С точки зрения безопасности: Ручная очистка после опорожнения требует входа в резервуары для удаления осадка, включая вход в замкнутое пространство и временные электромонтажные работы, тем самым увеличивая риски поражения электрическим током и личной безопасности.Рисунок 1показывает явление накопления осадка из-за засорения аэратора.
Поэтому регулярное техническое обслуживание и очистка мелкопузырчатых аэраторов имеют решающее значение для обеспечения их работоспособности. Традиционные методы обслуживания и очистки аэратора требуют полного опорожнения резервуаров для биологических реакций. Крупномасштабное-техническое обслуживание и очистка очистных сооружений может повлиять на нормальную очистку и сброс сточных вод или потребовать одобрения соответствующих государственных ведомств, если они проводятся в определенных местах (например, в районах, покрытых городскими дренажными сетями или в охранных зонах источников питьевой воды). Этот процесс включает в себя множество опасных операций (например, вход в замкнутое пространство) с многочисленными рисками и недостатками, налагающими значительное экономическое бремя и потенциальные затраты (например, координация отношений с правительством, снижение производительности очистки во время технического обслуживания, регулирование качества воды, риски безопасности) на очистных сооружениях. Давление и проблемы, связанные с опорожнением при техническом обслуживании, делают возможность регулярного опорожнения для очистки аэратора относительно слабой.
Учитывая многочисленные недостатки традиционной ручной очистки после опорожнения, -высокую стоимость, высокий эксплуатационный риск и неоптимальную эффективность очистки-, исследования по онлайн-очистке мелкопузырчатых аэраторов с использованием онлайн-дозаторов химикатов в нормальных условиях аэрации особенно важны.
В ходе данного исследования в качестве полигона для полевых испытаний технологии химической очистки в режиме онлайн был выбран проект завода. Завод имеет общую мощность очистки сточных вод 600 000 тонн в день и строится в четыре очереди. Третья-фаза проекта имеет мощность переработки 100 000 тонн в день с использованием процесса AAO; Четвертая-фаза проекта имеет мощность переработки 200 000 тонн в день с использованием процесса MBR. Качество сточных вод соответствует стандарту класса А GB 18918-2002 «Стандарт сброса загрязняющих веществ для городских очистных сооружений». Онлайн-очистка проводилась на мелкопузырчатых аэраторах аэробных резервуаров третьей и четвертой очередей, находящихся в эксплуатации 6-7 лет.
2. Принцип онлайн-технологии химической очистки
Технология онлайн-химической очистки предполагает добавление в систему аэрации специальных химических веществ для растворения или диспергирования засоряющих веществ посредством химического воздействия. Эти агенты могут быть кислотными, щелочными, окислительными или хелатирующими. Например, некоторые кислотные агенты могут растворять щелочные осадки, такие как карбонат кальция, а окислители могут разлагать органические загрязнения, образующиеся микроорганизмами.
2.1 Анализ распространенных загрязнителей
Загрязнения, прилипающие к поверхности аэратора, разнообразны, а их состав тесно связан с характеристиками сточных вод, процессами очистки и условиями эксплуатации. Общие загрязняющие вещества анализируются следующим образом:
- Неорганические загрязнители: Включают соединения кальция и магния, сульфиды, оксиды и гидроксиды металлов, образующиеся в основном в результате химического осаждения и ионного пересыщения. Их основное воздействие на аэраторы включает закупорку пор, снижение эффективности аэрации, увеличение энергопотребления системы, повышение сопротивления аэрации и снижение эффективности переноса кислорода.
- Органические загрязнители: Включает микробную биопленку, взвешенные органические частицы, жиры/масла и органические коллоиды. Микробная биопленка в первую очередь образуется в результате микробной колонизации и адгезии внеклеточного полимерного вещества (ЭПС). Его опасности включают создание анаэробной микросреды и выделение токсичных газов (например, H₂S). Органические коллоиды образуются за счет гидрофобных взаимодействий и электростатической адсорбции, создавая гидрофобные слои, препятствующие газовыделению и влияющие на равномерность аэрации.
- Сложные загрязнители (неорганические-органические смешанные вещества): включает биологические-химические соединения накипи и частиц ила, в основном образующиеся в результате физического улавливания и химического связывания. Их эффекты включают покрытие поверхности аэратора, уменьшение эффективной площади аэрации, ускорение старения оборудования и сокращение циклов технического обслуживания.
В ходе профилактических осмотров системы аэрации станции были выявлены следующие проблемы: ① Длительная работа аэраторов под водой в сочетании с увеличением срока службы привела к значительному старению уплотнительных колец в местах соединений, что привело к утечке газа; ② Во время эксплуатации постоянное осаждение осадка и корректировка управления производственным процессом привели к повышению концентрации осадка в определенных зонах, что косвенно вызвало серьезное образование накипи на поверхностях мембран аэратора, как показано на рисунке.Рисунок 2; ③ Когда концентрация ила в резервуарах для биологических реакций слишком высока, возраст ила увеличивается, увеличивая количество растворенного кислорода, необходимого для нормальной микробной активности, и повышая требования к системе подачи кислорода; ④ Повышенная плотность смешанной жидкости в аэротенках увеличивает сопротивление, что приводит к увеличению энергопотребления при механической или воздуходувной аэрации; ⑤ Некоторое загрязнение проникло в аэрационные поры, что повлияло на аэрацию системы, как показано на рис.Рисунок 3. На основании причин образования загрязняющих веществ установлено, что накипь на поверхностях аэратора содержит неорганические загрязняющие вещества, органические вещества, белки и др.
2.2 Выбор чистящих средств
В зависимости от типа загрязнения мембраны необходимо подобрать подходящие химические чистящие средства. Эти агенты могут проникать через аэрационные поры в стенке трубы в пространство между мембраной и стенкой трубы, обеспечивая очистку поверхности мембраны и ее пор. Выбор типа чистящего средства должен основываться на реальных физико-химических свойствах мембраны, типах загрязняющих веществ и степени загрязнения. Чистящее средство должно быть биоразлагаемым и не-токсичным для организмов, способным эффективно удалять неорганический налет со стенок воздухопроводов и внутри диффузоров. Он должен иметь хорошую очищающую эффективность против засоров (также известных как «засорение газовой- фазы»), вызванных загрязнителями, частицами или пылью во входящем воздухе систем аэрации воздуходувок, утечками масла из воздуходувок и ржавчиной из внутренних воздухопроводов.
Щелочные чистящие средства включают гидроксид натрия, карбонат натрия, фосфат натрия, силикат натрия, гидроксид калия и т. д. Гидроксид натрия является распространенным химическим веществом в процессах очистки сточных вод для повышения pH сточных вод, поэтому его можно выбрать в качестве щелочного чистящего средства.
К кислотным чистящим средствам относятся серная кислота, соляная кислота, азотная кислота, лимонная кислота, щавелевая кислота, фосфорная кислота и т. д. Учитывая, что цитрат обладает сильной хелатирующей способностью для ионов, таких как марганец и железо, и на практике, по сравнению с минеральными кислотами, лимонная кислота относительно слаба, менее агрессивна для оборудования, безопаснее и легко биоразлагается микроорганизмами, в качестве кислотного чистящего средства была выбрана лимонная кислота.
Таблица 1показаны категории и эффективность чистящих средств, обычно используемых для загрязнения мембран.
2.3 Конструкция устройства онлайн-очистки
Учитывая давление в системах мелкопузырчатой аэрации и многочисленные патрубки, разработка подходящего онлайн-дозирующего устройства для мелкопузырчатых аэраторов особенно важна. Дозирующее устройство для очистки, разработанное в этом исследовании, включает в себя блок растворения/разбавления и блок дозирования, как показано на рис.Рисунок 4.
Блок растворения/разбавления в основном состоит из резервуара для приготовления, мешалки и указателя уровня, используемых для растворения и разбавления агентов. Впрыскивая определенное количество воды в резервуар для приготовления, добавляя агент и запуская мешалку, можно подготовить агент определенной концентрации для использования дозирующим устройством.
Дозирующий блок в основном состоит из дозирующего бака, выпускного клапана, дозирующего клапана, балансировочного клапана, подающего клапана и некоторых систем трубопроводов. Нижняя часть дозирующего бака соединена с дозирующей трубкой, которая далее разветвляется на несколько дозирующих вспомогательных трубок-. Все дозирующие вспомогательные трубы-соединены одна-к-одной с помощью нескольких аэрационных патрубков, которые, в свою очередь, подсоединены к нескольким мелкопузырчатым аэраторам, что позволяет достичь цели очистки мелкопузырчатых аэраторов.
Во время реализации в каждом аэрационном патрубке резервуаров для биологических реакций было просверлено отверстие диаметром 15 мм в качестве дозирующего порта, через которое была установлена нейлоновая дозирующая трубка для подачи агента к мелкопузырчатым аэраторам, что позволило снизить потери агента. Одновременно в аэрационном патрубке было просверлено дополнительное отверстие в качестве балансировочного газопровода для выравнивания давления между баком-дозатором и аэрационным патрубком. Отверстия, просверленные в аэрационных патрубках, при нормальной работе закрываются заглушками, а во время дозирования устанавливаются быстроразъемные-концевые фитинги для обеспечения быстрого монтажа и демонтажа.
3. Применение устройства для очистки онлайн-дозирования.
В этом онлайн-эксперименте по очистке с помощью дозирования мелкопузырчатые аэраторы были помещены в биологические резервуары. Специальный очищающий раствор вводился в мелкопузырчатые мембраны аэратора через аэрационные патрубки, позволяя ему течь в сторону подачи и разлагать органические вещества, прилипшие к поверхности мембраны, тем самым восстанавливая трансмембранную разницу давлений и достигая очищающего эффекта. План эксперимента основывался на трех переменных: типе агента, концентрации агента и времени очистки. Схема испытаний представлена наТаблица 2.
3.1 Анализ эффекта очистки онлайн-дозирования
После очистки сенсорное наблюдение за аэрационной поверхностью на объекте показало, что пузырьки меньшего размера, выходящие с поверхности аэротенка, и более равномерная аэрация.Рисунок 5показывает сенсорный вид аэрации до и после очистки.
После очистки различными типами и концентрациями реагентов аэраторы стабильно демонстрировали увеличение скорости потока и снижение давления в трубопроводе, при этом скорость потока восстанавливалась. Эффективность аэрации восстанавливалась в разной степени после обработки различными методами очистки. Совокупные данные об увеличении расхода воздуха и снижении давления в трубопроводе показывают, что различные типы агентов, концентрации и время очистки по-разному влияют на восстановление аэратора.Цифры 6 и 7показывают изменения скорости потока и давления до и после очистки соответственно.
Эффективность восстановления аэраторов после очистки гидроксидом натрия была несколько ниже, чем после очистки лимонной кислотой. Высокая растворимость гидроксида натрия в воде приводит к значительному выделению тепла при растворении. В сочетании с сильной гигроскопичностью, щелочностью и коррозионной активностью эти свойства требуют принятия дополнительных мер предосторожности при практической эксплуатации. С точки зрения безопасности операции очистки гидроксид натрия не является предпочтительным чистящим средством. Поэтому при выборе чистящих средств следует тщательно оценивать их безопасность и удобство эксплуатации, чтобы обеспечить безопасность оператора и оптимальную эффективность очистки.
Результаты испытаний показали, что после очистки онлайн-дозированием аэрация в биологических резервуарах стала более равномерной, скорость потока мелкопузырчатых аэраторов увеличилась, давление в трубопроводе значительно снизилось, а эффект очистки был замечательным.
3.2 Технические преимущества
- Сокращает время простоя: По сравнению с традиционной очисткой с разборкой, очистка с дозированием онлайн не требует остановки системы аэрации, что позволяет избежать перебоев в процессе очистки сточных вод и снижения эффективности очистки, вызванного простоями.
- Повышает эффективность очистки: Агенты проникают глубоко в поры, эффективно очищая труднодоступные-засоренные участки. После применения на некоторых очистных сооружениях бытовых сточных вод заметно улучшилась однородность аэрации и значительно возросла эффективность переноса кислорода.
- Снижает трудоемкость и затраты: Устраняет необходимость ручной разборки и сборки аэраторов, сокращая ручной труд и риск повреждения оборудования из-за частой разборки, тем самым экономя затраты на техническое обслуживание. Стоимость онлайн-химической очистки мелкопузырчатых аэраторов составляет 0,47 юаней/тонну, тогда как стоимость традиционной ручной очистки старых аэраторов составляет 13,3 юаня/тонну. По оценкам, годовая экономия на очистке мелкопузырчатого аэратора составит 515 000 юаней. По сравнению с традиционной ручной очисткой старых аэраторов, химическая очистка онлайн дает значительные экономические преимущества.
- Продлевает срок службы аэрационного оборудования: Благодаря химической очистке в режиме онлайн эффект аэрации мелкопузырчатых аэраторов эффективно улучшается, что повышает производительность аэратора и, в некоторой степени, продлевает срок службы аэрационного оборудования, эффективно снижая нагрузку на воздуходувку.
- Предоставляет больше возможностей для планирования производства и планов обслуживания.: Благодаря химической очистке в режиме онлайн распределение пузырьков становится более равномерным, давление в воздушной трубе эффективно снижается, скорость потока значительно увеличивается, что значительно улучшает скорость переноса кислорода и обеспечивает надежную гарантию регулирования качества воды.
4. Заключение
Технология онлайн-химической очистки мелкопузырчатых аэраторов имеет большое значение для предприятий по очистке сточных вод. Благодаря его рациональному применению можно эффективно решить проблемы засорения мелкопузырчатых аэраторов, улучшить производительность системы аэрации, сократить время простоев и эксплуатационные расходы, а также обеспечить стабильную и эффективную работу очистных сооружений. Ограничения традиционной ручной очистки подтолкнут отрасль к онлайн-чистке. Появление нового оборудования и интеллектуальных систем управления существенно снижает сложность эксплуатации онлайн-уборки. В сочетании с политикой и экологическими нормами, подчеркивающими углеродную нейтральность и переработку водных ресурсов, это будет косвенно способствовать применению технологий онлайн-очистки. В будущем можно будет оптимизировать составы агентов и исследовать технологии мульти-синергетической очистки. Кроме того, можно продолжить разработку стратегий контроля дозирования и исследований в области интеллектуального оборудования, чтобы лучше адаптироваться к потребностям различных предприятий по очистке сточных вод.