Характеристика загрязнения и восстановление характеристик аэрации мелкопористого диффузора на очистных сооружениях
Аэрация для подачи кислорода, являющаяся критическим этапом в процессе обработки активированным илом на городских очистных сооружениях (СОС), не только обеспечивает достаточное количество кислорода для поддержания основной жизнедеятельности микроорганизмов, но также удерживает ил во взвешенном состоянии, способствуя адсорбции и удалению загрязняющих веществ. Аэрация также является наиболее энергоемкой-единицей на очистных сооружениях: на ее долю приходится от 45 % до 75 % общего энергопотребления станции. Таким образом, производительность системы аэрации напрямую влияет на эффективность очистки и эксплуатационные расходы очистных сооружений. Аэрационное оборудование является ключевым компонентом системы аэрации, при этом мелкопузырчатые аэраторы наиболее часто используются на городских очистных сооружениях из-за их высокой эффективности переноса кислорода (OTE). Однако при длительной-эксплуатации загрязняющие вещества неизбежно накапливаются на поверхности и в порах аэраторов. Для обеспечения качества стоков требуется дополнительная подача воздуха от воздуходувок, что приводит к увеличению энергопотребления. Кроме того, загрязнение усугубляет закупорку пор и изменяет материал аэратора. Потери давления (динамическое влажное давление, DWP) компонентов аэратора увеличиваются при длительной работе, повышая давление воздуха на выходе воздуходувки и вызывая дальнейшие потери энергии.
Загрязнения, скапливающиеся на поверхности и внутри пор мелкопузырчатых аэраторов, включают биологические, органические и неорганические загрязнения. Органическое загрязнение возникает в результате адсорбции и осаждения органических веществ и отложения микробных выделений. Неорганические загрязнения обычно состоят из химических осадков, образованных поливалентными катионами, такими как оксиды металлов. В зависимости от того, можно ли их удалить путем физической очистки, загрязняющие вещества можно разделить на физически обратимые и физически необратимые загрязнения. Физически обратимые загрязнения можно удалить простыми физическими методами, такими как механическая очистка, поскольку эти загрязняющие вещества неплотно прикреплены к поверхности аэратора. Физически необратимые загрязнения не могут быть устранены физической очисткой и требуют более тщательной химической очистки. В рамках физически необратимого загрязнения загрязняющие вещества, которые можно удалить с помощью химической очистки, называются химически обратимыми загрязнениями, а те, которые не могут быть удалены даже с помощью химической очистки, считаются неустранимыми загрязнениями.
В настоящее время мелкопузырчатые аэраторы, используемые внутри страны, включают традиционные резиновые материалы, такие как этиленпропилендиеновый мономер (ЭПДМ), и новые материалы, такие как полиэтилен высокой-плотности (ПЭВП). Газораспределительный слой аэраторов ПНД формируется путем покрытия внутренней воздуховодной трубы расплавленным полимером с диаметром пор примерно (4,0 ± 0,5) мм. HDPE обладает хорошими химическими, механическими и ударопрочными свойствами, а также длительным сроком службы. Однако размеры его пор непостоянны и неравномерно распределены, что делает их склонными к осаждению загрязняющих веществ. Материал EPDM очень гибкий, поры создаются в результате механической резки. Аэраторы из EPDM имеют большее количество пор на единицу площади, в результате чего образуются пузырьки меньшего размера (минимум 0,5 мм). Гидрофильная природа резиновой мембраны также способствует образованию пузырьков. Однако микроорганизмы имеют тенденцию прикрепляться и расти на поверхностях EPDM, используя пластификаторы в качестве субстрата. Одновременно с этим расход пластификаторов приводит к затвердеванию материала аэратора, что в конечном итоге приводит к усталостным повреждениям и сокращению срока службы. Следовательно, необходимо исследовать закономерности накопления загрязняющих веществ на этих двух материалах и последующие изменения в эффективности переноса кислорода и потере давления.
В этом исследовании использовались мелкопузырчатые аэраторы, замененные после нескольких лет эксплуатации на двух муниципальных очистных сооружениях с аналогичными технологическими условиями, что и объекты исследования. Загрязнения на аэраторах были извлечены и послойно охарактеризованы для выявления их основных компонентов. На основании этого была оценена эффективность методов очистки в восстановлении эффективности переноса кислорода аэраторами с целью предоставить фундаментальные данные и технические рекомендации для долгосрочной-оптимизированной и стабильной работы систем мелкопузырчатой аэрации.
1 Материалы и методы
1.1 Знакомство с очистными сооружениями
Обе станции очистки сточных вод расположены в Шанхае и в качестве основной очистки используют анаэробный-бескислородный-кислородный процесс (ААО). На очистных сооружениях А используется вихревая пескоструйная камера + обычный AAO + высокоэффективный волоконный фильтр + процесс УФ-дезинфекции. На очистных сооружениях B используется аэрированная песколовка + обычный AAO + высокоэффективный отстойник + процесс УФ-дезинфекции. Обе установки стабильно соответствуют стандарту класса А «Стандарта сброса загрязняющих веществ для городских очистных сооружений» (GB 18918-2002). Конкретные конструктивные и эксплуатационные параметры показаны на рис.Таблица 1.
1.2 Извлечение и характеристика загрязнителей аэратора
В качестве мелкопузырчатых аэраторов, использованных в экспериментах, использовались трубчатый аэратор из ПЭВП («Экополемер», Украина), собранный с завода А, и трубчатый аэратор из EPDM (EDI-FlexAir, США), собранный с завода Б. Фотографии обоих показаны наРисунок 1. Старая трубка из ПЭВП находилась в эксплуатации 10 лет, имела размеры D×L=120 мм×1000 мм и диаметр пор (4±0,50) мм и позволяла образовывать мелкие пузырьки размером 2–5 мм. Старая трубка из EPDM прослужила 3 года и имела размеры D×L=91 мм×1003 мм, производя мелкие пузырьки размером 1,0–1,2 мм с минимальным диаметром пузырьков 0,5 мм.
Старые трубки из HDPE и EPDM были извлечены из аэробных резервуаров, помещены на пищевую пленку и промыты деионизированной водой. Механическая очистка проводилась с использованием лезвия,-стерилизованного пламенем, для удаления загрязнений, прилипших к поверхности аэратора.
Для дальнейшего изучения влияния загрязнения на эффективность переноса кислорода была проведена химическая очистка трубки из ПЭВП. После механической очистки трубку из ПЭВП замачивали в 5%-ном растворе HCl и 5%-ном растворе NaClO на 24 часа соответственно. Старые трубки, механически очищенные трубки и химически очищенные трубки сушили в печи при температуре 60 градусов (модель XMTS-6000) в течение 60 часов. Затем их поверхность исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, модель JSM-7800F, Япония), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX, Oxford Instruments, Великобритания) и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM, модель TCS SP8, Германия). Очищающий раствор HCl фильтровали через мембрану 0,45 мкм и количественный анализ поливалентных катионов (включая ионы Ca, Mg, Al, Fe и др.) проводили с помощью оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP, модель ICPS-7510, Япония). Поскольку HCl и NaClO могут вызвать денатурацию и старение мембраны из EPDM, химическая очистка трубки из EPDM не проводилась. Трубку из EPDM разрезали на кусочки мембраны размером 5 см × 5 см и замачивали в HCl для количественного анализа поливалентных катионов в растворе.
1.3 Оборудование и метод испытания характеристик переноса кислорода аэратором
Эффективность переноса кислорода мелкопузырчатыми аэраторами была проверена в соответствии с «Определением эффективности переноса кислорода в чистой воде мелкопузырчатых аэраторов» (CJ/T 475-2015). Тестовая установка показана наРисунок 2.
Аппарат представляет собой конструкцию из -стали размером 1,2 м × 0,3 м × 1,4 м со смотровыми окнами из органического стекла с обеих сторон. Аэратор закреплялся в центре дна с помощью металлической опоры, глубина погружения 1,0 м. Многопараметрический анализатор качества воды (Hach HQ30D, США) использовался для контроля концентрации растворенного кислорода (РК) в режиме реального-времени. В качестве дезоксигенатора использовали сульфит натрия безводный, а в качестве катализатора – хлорид кобальта. Показания манометра отражают динамическое влажное давление аэратора (DWP, кПа). Результаты измерений были скорректированы с учетом температуры, солености и растворенного кислорода. В качестве показателя оценки использовали стандартизированную эффективность переноса кислорода (SOTE, %).
Потребление энергии воздуходувкой связано как с расходом приточного воздуха, так и с давлением выходного воздуха, на которые влияют SOTE и DWP аэратора соответственно. Поэтому для оценки производительности аэратора использовался показатель потребления энергии аэрации J (кПа·ч/г), представляющий собой совокупный эффект SOTE и DWP. Он определяется как потеря давления, которую аэратор должен преодолеть на единицу массы перенесенного кислорода. J рассчитывается на основе наклона линейной регрессии между DWP/SOTE и расходом воздуха (AFR), как показано в следующем уравнении:
Где:
АФР– расход воздуха, м³/ч;
ρвоздух— плотность воздуха, принятая равной 1,29 × 10³ г/м³ при 20 градусах;
yO2— содержание кислорода в воздухе, принимаемое за 0,23 г O₂/г воздуха.
2 Результаты и анализ
2.1 Характеристики переноса кислорода новых, старых и очищенных аэраторов
Рисунок 3показаны SOTE и DWP аэраторов при различных скоростях воздушного потока.
Судя по рисункам 3(a) и (b), значения SOTE для новых труб из HDPE и новых труб из EPDM составили (7,36±0,53)% и (9,68±1,84)% соответственно. Трубка из EPDM образует пузырьки меньшего размера с большей удельной площадью поверхности, увеличивая площадь контакта газа-жидкости и время пребывания, что приводит к более высокому SOTE. SOTE обоих аэраторов уменьшался с увеличением AFR, поскольку более высокий AFR увеличивает количество пузырьков и начальную скорость, что приводит к большему количеству столкновений пузырьков и образованию более крупных пузырьков, что затрудняет перенос кислорода из газовой фазы в жидкую фазу. SOTE трубки из EPDM показала более выраженную тенденцию к снижению с увеличением AFR по сравнению с трубкой из HDPE. Это связано с тем, что поры аэратора из ПЭВП жесткие и не изменяются при изменении AFR, в то время как поры аэратора из EPDM гибкие и открываются шире при увеличении AFR, образуя более крупные пузырьки и еще больше снижая SOTE.
После длительной-эксплуатации показатель SOTE трубы из ПЭВП упал до (5,39±0,62) %, то есть на 26,7 %, в основном из-за накопления загрязняющих веществ, закупоривающих поры, и уменьшения количества эффективных пор для образования пузырьков. Механическая очистка увеличила SOTE трубы из ПЭВП до (5,59±0,66)%, но восстановление было незначительным, возможно, потому, что загрязняющие вещества на трубе из ПЭВП не только прикреплялись к поверхности, но и откладывались внутри пор, что затрудняло их удаление механической очисткой. Цзян и др. обнаружили, что NaClO может эффективно удалять загрязняющие вещества из труб HDPE и восстанавливать их эффективность аэрации. После очистки NaClO SOTE трубки из ПЭВП восстановился до (6,14±0,63)%, что составляет 83,4% от уровня новой трубки, но полностью восстановиться все еще не удалось. Это связано с тем, что при длительной работе загрязняющие вещества плотно прикрепляются, изменяя структуру пор, затрудняя поток воздуха, увеличивая слияние пузырьков, уменьшая удельную поверхность пузырьков и время пребывания и, таким образом, препятствуя переносу кислорода. Одновременно загрязнение приводит к неравномерному распределению воздуха, ухудшая общую производительность.
SOTE старой трубки из EPDM упал до (9,06±1,75)%, то есть снижение составило 6,4%. Помимо закупорки пор из-за накопления загрязняющих веществ, биологическое обрастание приводит к расходованию пластификаторов материала, что приводит к затвердеванию аэратора и деформации пор. Деформированные поры не могут вернуться в исходное состояние, создавая более крупные пузырьки и снижая SOTE. Механическая очистка увеличила SOTE трубки из EPDM до (9,47±1,87)%, почти восстановив его до уровня новой трубки, что указывает на то, что загрязняющие вещества на трубке из EPDM слабо прикреплены к поверхности и в основном могут быть удалены механической очисткой.
Судя по рисункам 3(c) и (d), DWP новой трубы из EPDM составил (6,47±0,66) кПа, что значительно выше, чем у новой трубы из HDPE [(1,47±0,49) кПа). Это связано с тем, что диаметр пор трубки из EPDM меньше, чем у трубки из HDPE, что приводит к большему сопротивлению при продавливании пузырьков. После длительной- эксплуатации DWP старой трубы из ПЭВП увеличилась до (4,36±0,56) кПа, что в 2,97 раза больше, чем у новой трубы. Увеличение DWP связано как со степенью закупорки пор, так и с изменениями материала. Механическая очистка снизила DWP трубы из ПЭВП в 2,25 раза по сравнению с новой трубой. Очистка NaClO еще больше снизила его до (2,04±0,45) кПа, что в 1,39 раза больше, чем у новой трубки. Это еще раз указывает на то, что большинство загрязняющих веществ на трубке из ПЭВП отложились внутри пор и не могли быть эффективно удалены механической очисткой, поэтому для восстановления производительности требуется очистка NaClO. DWP старой трубы из EPDM увеличился до (8,10 ± 0,94) кПа, что в 1,25 раза больше, чем у новой трубы, и снизился до 1,10 раза после механической очистки.
Рисунок 4показано изменение DWP/SOTE (обозначается как DWP') с AFR для аэраторов.
Для сопоставления DWP' с AFR использовалось уравнение линейной регрессии, а параметр потребления энергии J был получен из наклона. Значения J для новых трубок из ПЭВП и новых трубок из EPDM составили 0,064 и 0,204 кПа·ч/г соответственно, что указывает на то, что на единицу массы перенесенного кислорода трубка из EPDM должна преодолевать большую потерю давления. На момент замены значения J для трубок из ПЭВП и ЭПДМ увеличились до 0,251 и 0,274 кПа·ч/г соответственно. Засорение аэратора, приводящее к увеличению потери давления, может повлиять на безопасную работу воздуходувки. После механической очистки значения J для труб из ПЭВП и ЭПДМ снизились до 0,184 и 0,237 кПа·ч/г соответственно. Изменения J можно использовать для количественного анализа загрязнителей аэратора. Разница в J между старой трубой и трубкой, очищенной механически, вызвана физически обратимым загрязнением. Разница между трубкой, очищенной механически, и новой трубкой вызвана физически необратимым загрязнением. Разница между трубой, подвергнутой механической очистке, и трубой, подвергнутой химической очистке, вызвана химически обратимым загрязнением, тогда как разница между трубой, подвергнутой химической очистке, и новой трубой вызвана неустранимым загрязнением. На рис. 5 показано изменение параметра энергопотребления J аэраторов.
ОтРисунок 5Для трубы из ПЭВП физически обратимое и физически необратимое загрязнение составило 35,8% и 64,2% от общего загрязнения соответственно. В составе физически необратимых загрязнений химически обратимое и неустранимое загрязнения составили 42,8% и 21,4% соответственно. Для трубки из EPDM физически обратимое и физически необратимое загрязнение составило 52,9% и 47,1% соответственно. Неустранимые загрязнения не появляются изначально, а накапливаются со временем, в конечном итоге определяя срок службы аэратора. Поэтому следует установить разумные графики очистки, чтобы замедлить переход от обратимого загрязнения к необратимому и свести к минимуму накопление необратимого загрязнения.
2.2 Наблюдение с помощью СЭМ новых, старых и очищенных аэраторов
Рисунок 6показаны СЭМ-изображения поверхностей новых, старых и механически очищенных аэраторов. Пористая структура новой трубы из ПЭВП хорошо видна, а поверхность новой трубы из EPDM гладкая с чистыми-порами. После нескольких лет эксплуатации морфология поверхности обоих аэраторов существенно изменилась. Неровные стержнеобразные-блочные загрязняющие вещества полностью покрыли поверхность, а вокруг и внутри пор загрязняющие вещества скопились, препятствуя переносу кислорода и увеличивая потерю давления. После механической очистки большая часть загрязнений с поверхности трубки из EPDM была удалена, но поры остались забитыми. В трубе из ПЭВП толщина слоя загрязняющих веществ уменьшилась, но поры все еще были закрыты.
2.3 Анализ неорганического загрязнения новых, старых и очищенных аэраторов
EDX использовался для дальнейшего анализа основного элементного состава поверхностей аэратора, результаты показаны на рис.Таблица 2. Углерод, кислород, железо, кремний и кальций были обнаружены на поверхностях как HDPE, так и EPDM. Трубка из ПЭВП также содержала магний, а трубка из EPDM — алюминий. Предполагается, что неорганическими загрязнителями на трубке из ПЭВП были диоксид кремния, карбонат кальция, карбонат магния и фосфат железа, а на трубке из EPDM - диоксид кремния и оксид алюминия. Эти неорганические осадки образовывались, когда концентрации неорганических ионов из городских сточных вод и активного ила достигали насыщения на поверхности аэратора. После механической очистки неорганические элементы на поверхности аэратора мало чем отличались от старых трубок, что указывает на то, что механическая очистка не может эффективно удалять неорганические загрязнители. Ким и др. обнаружили, что после длительной-эксплуатации неорганические загрязнители покрываются органическими загрязнителями, плотно прилипая к поверхности и внутри пор, что затрудняет их удаление механической очисткой.
После очистки HCl ионы металлов на поверхности аэратора были полностью удалены. HCl разъела часть органического слоя, покрывающего поверхность, проникла в него и вступила в реакцию с ионами металлов, удаляя неорганические осадки путем нейтрализации и разложения. Чистящий раствор HCl, использованный для замачивания аэраторов, был проанализирован методом ICP для расчета содержания неорганических загрязнителей. Содержание Ca, Mg и Fe для трубки из ПЭВП составляло 18,00, 1,62 и 13,90 мг/см² соответственно, тогда как для трубки из EPDM содержание Ca, Al и Fe составляло 9,55, 1,61 и 3,38 мг/см² соответственно.
2.4 Анализ органического загрязнения новых, старых и очищенных аэраторов
Чтобы количественно изучить распределение органических загрязнителей, использовалось программное обеспечение Image J для расчета биообъема и коэффициента покрытия субстрата общим количеством клеток, полисахаридов и белков по микрофотографиям CLSM, при этом в качестве окончательных результатов принимались средние значения (Рисунок 7).
Судя по рисунку 7(а), белки и общие клетки были основными компонентами органических загрязнителей в трубках из ПЭВП и EPDM соответственно, при этом максимальные общие объемы достигали 7,66×10⁵ и 7,02×10⁵ мкм³. Общий объем клеток в трубке из EPDM был в 2,5 раза больше, чем в трубке из HDPE, что согласуется с данными Гарридо-Baserba и др., которые сообщили о более высокой общей концентрации ДНК в старых аэраторах из EPDM по сравнению с другими материалами. Вангер и др. обнаружили, что когда микроорганизмы прикрепляются к трубкам из EPDM, если в окружающей среде недостаточно органического субстрата, они обратились к использованию пластификаторов для мембран из EPDM. Микроорганизмы могут использовать пластификаторы в качестве источника углерода, ускоряя рост и размножение, тем самым усиливая биологическое обрастание поверхности EPDM. Содержание полисахаридов и белков в трубке из EPDM было намного ниже, чем в трубке из HDPE, возможно, из-за более высокого возраста ила в растении B по сравнению с растением A, что приводило к более низкой концентрации внеклеточного полимерного вещества (EPS). Белки и полисахариды, выделяемые микроорганизмами, как основные компоненты EPS, стали важными источниками органических загрязнителей на поверхности труб из полиэтилена высокой плотности на заводе А.
После механической очистки количество общих клеток, полисахаридов и белков в трубке из ПЭВП уменьшилось на 1,49×10⁵, 0,13×10⁵ и 1,33×10⁵ мкм³ соответственно. На трубке из EPDM соответствующие уменьшения составили 2,20×10⁵, 1,88×10⁵ и 2,38×10⁵ мкм³ соответственно. Это указывает на то, что механическая очистка может в некоторой степени уменьшить органическое загрязнение.
Однако для трубки из ПЭВП площадь покрытия подложки полисахаридами и белками увеличилась после механической очистки-с 2,75% и 6,28% до 4,67% и 7,09% соответственно [рис. 7(b)]. Это произошло потому, что внеклеточные полимерные вещества (ЭПС) обладают высокой вязкостью. Следовательно, механическая очистка имела контрпродуктивный эффект, заключаясь в более широком распространении белков, полисахаридов и неорганических загрязнителей по поверхности трубки из ПЭВП, что приводило к увеличению площади покрытия. Это, вероятно, объясняет, почему механическая очистка не смогла существенно восстановить эффективность аэрации трубы из ПЭВП.
После очистки NaClO общее количество клеток, полисахаридов и белков в трубке из ПЭВП уменьшилось на 2,34×10⁵, 3,42×10⁵ и 4,53×10⁵ мкм³ соответственно, демонстрируя значительно более высокую эффективность удаления, чем механическая очистка. NaClO окисляет функциональные группы органических загрязнителей в кетоны, альдегиды и карбоновые кислоты, повышая гидрофильность исходных соединений и уменьшая прилипание загрязняющих веществ к аэратору. Кроме того, хлопья ила и коллоиды могут разлагаться окислителями на мелкие частицы и растворенные органические вещества.
3 вывода
①Значения SOTE для новых труб из ПЭВП и новых труб из EPDM составили (7,36±0,53)% и (9,68±1,84)% соответственно. SOTE трубки из EPDM показала более выраженную тенденцию к снижению с увеличением AFR по сравнению с трубкой из HDPE. Это связано с тем, что поры аэратора из ПЭВП жесткие и не изменяются при изменении AFR, в то время как поры аэратора из EPDM гибкие и открываются шире при увеличении AFR, образуя более крупные пузырьки и еще больше снижая SOTE.
②Из-за накопления загрязняющих веществ на поверхности и внутри пор эффективность переноса кислорода в трубке из ПЭВП снизилась на 26,7%, а потеря давления увеличилась в 2,97 раза по сравнению с новой трубкой. Поскольку большая часть загрязняющих веществ на трубе из ПЭВП оседала внутри пор, механическая очистка была неэффективной. После химической очистки SOTE трубы из ПЭВП восстановился до 83,4% от уровня новой трубы, а DWP снизился в 1,39 раза по сравнению с новой трубой, что свидетельствует о значительном улучшении производительности. Однако из-за осаждения загрязняющих веществ он не смог полностью восстановиться до исходного состояния. Для трубы из ПЭВП физически обратимое, химически обратимое и неустранимое загрязнение составило 35,8%, 42,8% и 21,4% соответственно.
③После длительной-эксплуатации эффективность переноса кислорода в трубке из EPDM снизилась на 6,4 %, а потеря давления увеличилась в 1,25 раза по сравнению с новой трубкой. После механической очистки эффективность аэрации трубки из EPDM почти восстановилась до уровня новой трубы, что указывает на то, что загрязняющие вещества на трубке из EPDM слабо прикреплены к поверхности и могут быть в значительной степени удалены механической очисткой. Для трубки из EPDM физически обратимое и физически необратимое загрязнение составило 52,9% и 47,1% соответственно.
④Белки были основным компонентом органических загрязнителей в трубке из ПЭВП, а общие клетки были основным компонентом в трубке из EPDM. Это связано с тем, что микроорганизмы используют пластификаторы в материале EPDM в качестве источника углерода, ускоряя свой рост и размножение, тем самым усиливая биологическое загрязнение аэраторов из материала EPDM.