Модернизация и исследование производительности системы мелкопузырчатой ​​аэрации на муниципальной станции очистки сточных вод

Модернизация и исследование производительности системы мелкопузырчатой ​​аэрации на муниципальной станции очистки сточных вод

Введение

В настоящее время основные процессы очистки сточных вод, используемые в Китае, включают окислительные канавы, SBR, активный ил и другие. Проблема окислительного процесса связана с высоким потреблением энергии, особенно в биологической секции, на долю которой приходится 65–80% общего энергопотребления. Обычное аэрационное оборудование, используемое в окислительных канавах, включает в себя аэрационные щетки, аэрационные диски, аэраторы с вертикальным валом и мелкопузырчатые аэраторы. Например, после того как муниципальная станция очистки сточных вод в одном городе перешла с традиционной поверхностной механической аэрации на нижнюю мелкопузырчатую аэрацию, потребление энергии снизилось на 20,11 %, а качество очищаемой воды стало более стабильным. Кроме того, тонко-пузырьковая аэрация имеет характеристику зональной подачи кислорода, которая может обеспечить точную подачу кислорода в соответствии с потребностью в кислороде в различных областях окислительной канавы, что еще больше повышает эффективность удаления азота и фосфора.

Система поверхностной аэрации на одной муниципальной станции очистки сточных вод эксплуатировалась более десяти лет, с серьезным износом оборудования и эксплуатационными трудностями. Было сложно обеспечить соблюдение новейших стандартов сброса, что делало необходимым технический ремонт. В рамках этого проекта система была модернизирована до системы мелко-пузырьковой аэрации, которая может значительно снизить потребление энергии, оптимизировать работу, продлить срок службы оборудования и снизить затраты на техническое обслуживание, что соответствует национальной политике энергосбережения и сокращения выбросов. В этом проекте реконструкции были реализованы методы «зеленого» строительства при демонтаже и монтаже оборудования: классифицированная утилизация старого оборудования, внедрение сборных установок и использование оборудования с низким-шумом и низкими-выбросами, что позволило добиться двойной-экономии энергии в рамках «процессного-строительства» и поддержать устойчивое развитие станции очистки сточных вод.

1 Обзор проекта

1.1 Текущая ситуация

Муниципальная станция очистки сточных вод в одном городе имеет общую производительность 50 000 тонн в день и строится в три очереди. На этапе I был принят процесс окислительной канавы, на Фазе II и проекте усовершенствованной очистки также был принят процесс окислительной канавы с последующей усовершенствованной обработкой с использованием коагуляционного осаждения + фильтрации через тканевую среду + процесса ультрафиолетовой дезинфекции. На этапе III был принят модифицированный процесс A²O. В настоящее время сточные воды соответствуют стандарту DB32/1072-2018.

1.2 Существующие проблемы

1.2.1 Влияние внешней трубопроводной сети

Сточные воды, попадающие в зону сбора трубопроводной сети этого завода, включают стоки многих промышленных предприятий. В ходе повседневной работы могут наблюдаться воздействия аномальных сточных вод промышленных предприятий, в результате чего значение растворенного кислорода в биологическом резервуаре становится очень низким, даже достигая 0 мг/л, что не соответствует производственным требованиям. Между тем, из-за изменения внешних условий, поскольку все больше промышленных предприятий в зоне обслуживания сбрасывают сточные воды в трубопроводную сеть, в будущем этот завод столкнется с более серьезным ухудшением качества поступающей воды. При изменении притока количество растворенного кислорода в биологическом резервуаре значительно уменьшится, а диапазон регулировки объема аэрации с помощью вращающихся дисков будет ограничен. В некоторые периоды уровень растворенного кислорода в аэробном резервуаре достигает 0 мг/л, что вынуждает установку в ответ снижать производительность очистки, что существенно влияет на аэробную среду биологического резервуара и производительность очистки.

1.2.2 Низкий раствор кислорода в аэротенке

Из-за неисправностей вращающегося диска, вызывающих низкую эффективность оксигенации аэраторов, исторические эксплуатационные данные показывают, что во время фактической производственной эксплуатации средние значения растворенного кислорода для инструментов в середине и на выходе из аэротенка не превышают 1 мг/л, при этом самые низкие значения достигают 0 мг/л, что серьезно влияет на эффективность биохимических реакций.

1.2.3 Высокое энергопотребление

Биологические резервуары Фазы I и II этого завода имеют форму окислительных канав. В окислительной яме I фазы используются 8 вращающихся дисковых аэраторов мощностью 18,5 кВт, общая мощность поверхностного аэратора 148 кВт. Канава окисления фазы II представляет собой четырехканальную-канальную канаву карусельного типа, в которой используются 13 самовсасывающих аэраторов Hitachi, в том числе 2 комплекта по 11 кВт, 2 комплекта по 18,5 кВт и 9 комплектов по 15 кВт, с общей мощностью поверхностного аэратора 194 кВт. При нормальной работе, чтобы обеспечить достаточный объем воды, из-за низкой эффективности оксигенации существующего оборудования для подачи кислорода все аэраторы должны быть полностью включены.

Потребляемая мощность на тонну воды для аэраторов I и II фаз составляет: (18,5 кВт*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 юаней/тонну. По данным исследования энергопотребления биологических систем на нескольких близлежащих муниципальных очистных сооружениях бытовых сточных вод, потребление энергии на муниципальных очистных сооружениях бытовых сточных вод производительностью 25 000 тонн/день, использующих систему донной мелко-пузырьковой аэрации, обычно составляет 0,09–0,1 юаней/тонну. Энергопотребление аэратора с вращающимся диском в 2,4–2,7 раза выше, чем у системы донной мелкопузырчатой ​​аэрации, что указывает на относительно высокое энергопотребление.

1.2.4 Высокая частота отказов оборудования

По мере старения аэраторов с вращающимися дисками частота отказов оборудования постепенно увеличивается. За 11 лет работы на этом заводе во вращающейся дисковой системе аэрации возникла деформация дисков, что привело к высокой нагрузке на оборудование и значительной вибрации. Длительное-использование привело к ослаблению нижней части, что привело к перекосу на обоих концах и другим проблемам, вызывающим повышенный износ подшипников и высокую частоту отказов. Главные валы, рабочие колеса, муфты и базовые шестерни неоднократно подвергались ремонту или замене, по сути доходя до замены. Подшипники и лопасти головки самовсасывающих аэраторов были сильно изношены. Последние статистические данные показывают, что на заводе ежегодно проводится около 30 ремонтов вращающихся дисковых аэраторов и самовсасывающих аэраторов.

2 Проектирование технического решения по модернизации

Общий подход к модернизации заключается в следующем: удалить оригинальные вращающиеся дисковые аэраторы и заменить их мелкопузырчатой ​​аэрацией с нижней мелкой-пузырьковой аэрацией с соответствующим добавлением воздуходувок; поднимите сливную перегородку биологического резервуара, чтобы увеличить эффективную глубину воды в биологическом резервуаре; добавьте смесители в аэробную секцию, используя оригинальную структуру каналов, чтобы предотвратить локальное накопление ила.

2.1 Выбор и расположение аэратора

2.1.1 Параметры диска аэратора

Была выбрана модель диска аэратора с мембраной EPDM DD330, как показано на рис.Рисунок 1, с конкретными параметрами, показанными наТаблица 1.

2.1.2 Расположение диска аэратора

Количество дисков аэратора: полезная площадь дна резервуара фазы I 864 м², чистая площадь дна резервуара фазы II 1 412 м², средняя площадь обслуживания 0,8 м²/диск, с коэффициентом запаса 1,05–1,10. Определено окончательное общее количество дисков аэратора: Фаза I - 1150 дисков, Фаза II - 1900 дисков.

Принцип расположения: Равномерно распределен в виде правильной треугольной сетки. Расстояние от стенки резервуара Не ​​менее 0,3 м во избежание мертвых зон; Расстояние от перегородки канала Не менее 0,4 м для облегчения обслуживания. Разделение по направлению потока воды с одним электрическим клапаном управления подачей воздуха на каждую зону для обеспечения зонального управления DO. Избегайте всасывающих отверстий шламовых насосов, желобов для отбора проб и кабельных лотков, локально регулируя расстояние до 1,5 м, сохраняя при этом площадь обслуживания на диск меньше или равна 0,8 м².

Высота установки и класс трубы: Верхняя поверхность мембранного диска находится на расстоянии 0,25 м от дна резервуара, что обеспечивает погружение более или равное 5,0 м при минимальном уровне воды для предотвращения помпажа вентилятора. Патрубки из ABS DN50 с перфорированным воздухораспределением; основные трубы расположены петлей, скорость воздуха регулируется на уровне 10–12 м·с⁻¹, материал SS304. На каждые 10 дисков предоставляется пара фланцевых быстроразъемных-фитингов, что позволяет осуществлять полный подъем для технического обслуживания без слива воды из бака.

2.2 Оптимизация системы воздуходувки

2.2.1 Добавление воздуходувок

В качестве основных агрегатов были приобретены импортные воздуходувки с пневматической подвеской, а также построена новая воздуходувка с добавлением воздуховодов из нержавеющей стали.

2.2.2 Выбор воздуходувки

Учитывая фактические условия эксплуатации станции и учитывая будущие изменения качества воды, концентрация поступающего ХПК в плане модернизации существенно не отличается от проектного значения, при средней концентрации около 320 мг/л. Концентрация БПК рассчитывалась на основе расчетного значения 150 мг/л для фазы III, а другие показатели притока рассчитывались на основе проектных концентраций притока для фазы III. Требуемый рабочий объем воздуха для I и II очереди установки составляет 103,7 м³/мин (6 225,1 м³/ч, два рабочих агрегата и один резервный, объем воздуха одного агрегата 50 м³/мин).

С учетом различных факторов были закуплены два импортных воздуходувки с пневматической подвеской NX75-C060 в качестве основных агрегатов для Этапа I и II. Необходимо было построить новую воздуходувную комнату, ориентировочно расположенную на южной стороне первоначального цеха обезвоживания осадка, с добавлением воздуховодов из нержавеющей стали к окислительной канаве. Параметры воздуходувки: давление воздуха 0,049 МПа, расход воздуха 50 м³/мин, максимальная выходная мощность 64,3 кВт в данных условиях эксплуатации.

2.2.3 Модернизация системы аэрации

Метод аэрации был изменен на нижнюю аэрацию. В биологических резервуарах фаз I и II используется соответствующее количество дисковых аэраторов и аэрационных труб из ПВХ. Конкретный подход к модернизации: Ожидается, что в биологическом резервуаре фазы I будет использоваться 780 комплектов дисковых аэраторов DD330 и аэрационных труб из ПВХ, в биологическом резервуаре фазы II ожидается использование 1276 комплектов дисковых аэраторов DD330 и аэрационных труб из ПВХ с рабочим объемом воздуха одного аэратора 3,45 м³/ч. Схема головки аэратора показана на рис.Рисунки 2 и 3.

2.3 Оптимизация параметров процесса

2.3.1 Зонирование окислительной канавы и стратегия контроля растворенного кислорода

По направлению потока воды окислительной канавы секция аэрации разделена на четыре зоны. Зона 1: РК 0,3–0,5 мг/л, Зона 2: РК 0,2–0,3 мг/л, Зона 3: РК 1,5–2,0 мг/л, Зона 4: РК 1,0–1,5 мг/л. Прибор для обработки аммиачного азота устанавливается в точке наибольшей скорости реакции нитрификации между зоной 2 и зоной 3, в конечном итоге контролируя сточные воды NH₃-N, не превышающие 1,5 мг/л.

2.3.2 Оптимизация периода аэрации

К существующей системе SCADA был добавлен модуль «прерывистой аэрации», образующий онлайн-прибор DO + двойной замкнутый контур времени, обеспечивающий сохранение содержания DO в середине аэробной секции на уровне 0,2 мг/л. Если ДЕЛАТЬ<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 Анализ эффекта модернизации

Влияние этой инженерной модернизации на общую работу процесса было изучено путем сравнения изменений в составе загрязняющих веществ в сточных водах до и после модернизации.

3.1 Сравнение качества сточных вод до и после модернизации

Качество сточных вод до и после модернизации, как правило, было стабильным, как показано на рис.Рисунок 4. До и после модернизации средний ХПК в сточных водах оставался ниже 30 мг/л, TP в основном оставался меньше или равным 0,3 мг/л, NH₃-N меньше или равен 1,5 мг/л, тогда как TN колебался около 10 мг/л. Общее качество воды достигло квази-стандартов поверхностных вод IV класса, что намного превышает стандарты сбросов, необходимые для станции.

Чтобы более интуитивно проанализировать возможное влияние модернизации на качество воды,-годовые тенденции качества сточных вод до и после модернизации были сравнены, в результате чего были получены следующие результаты:Рисунок 5. Из рисунка видно, что без учета влияния изменений концентрации приходящих потоков колебания концентраций ХПК и TP в сточных водах после модернизации были более стабильными, чем до модернизации. Хотя средние значения показателей азота увеличились по сравнению с до модернизации, общая тенденция была относительно стабильной, что привело к снижению общего энергопотребления установки и экономии химикатов.

3.2 Сравнение удаления загрязняющих веществ до и после модернизации

Благодаря усовершенствованию системы аэрации общее потребление электроэнергии на предприятии снизилось на 1,7% по сравнению с предыдущим периодом, в то время как производительность очистки увеличилась на 8,33%, а также увеличилось соответствующее сокращение выбросов загрязняющих веществ, как показано на рис.Рисунок 6. После расчета снижение ХПК увеличилось на 948,5 тонн, TP увеличилось на 7,0 тонн, NH₃-N увеличилось на 100,4 тонны, а TN увеличилось на 125,9 тонны.

Фактическое удаление загрязняющих веществ также изменилось соответствующим образом, как показано на рис.Таблица 2. После модернизации, за исключением снижения скорости удаления NH₃-N, скорости удаления по всем остальным показателям увеличились.

3.3 Сравнение энергопотребления до и после модернизации

Потребление энергии в рамках данного проекта модернизации показано на рис.Таблица 3. После модернизации расход электроэнергии на тонну воды для системы аэрации биологического резервуара I фазы снизился на 67,3%, а для II фазы снизился на 80,9%. Общее среднее энергопотребление установки на тонну воды снизилось на 55,3 %, продемонстрировав значительный-эффект энергосбережения. Общее энергопотребление установки на тонну воды снизилось до 0,21 кВт·ч/м³, что находится в диапазоне значений энергопотребления для аналогичных окислительных процессов по всей стране (0,292±0,192) кВт·ч/м³. Потребление энергии на единицу веса загрязняющего вещества до и после модернизации всей установки показано на рис.Таблица 4. После модернизации всей системы аэрации установки энергопотребление на 1 кг обработанного ХПК снизилось на 26,2 %, на 1 кг обработанного TP – на 15,7 %, на 1 кг обработанного NH₃-N – на 29,3 % и на 1 кг обработанного TN — на 36,1 %, что свидетельствует о хорошем-эффекте энергосбережения.

3.4 Химическое сравнение до и после модернизации

До модернизации из-за частых отказов системы аэрации уровень растворенного кислорода в биологической системе было трудно контролировать, а соответствие стандартам показателей азота требовало добавления внешнего источника углерода для обеспечения эффективности удаления. После модернизации добавление внешнего источника углерода практически больше не требовалось. После модернизации эффективность биологического удаления фосфора и денитрификации значительно улучшилась, а количество сопутствующего химиката для удаления фосфора PAC и химиката для обезвоживания осадка PAM было соответственно уменьшено. Годовые затраты на химикаты снизились примерно на 167 000 юаней по сравнению с предыдущим периодом. Конкретные изменения показаны наТаблица 5.

3.5 Сравнение инвестиций до и после модернизации

До модернизации ежегодная стоимость поверхностных аэраторов составляла 1,6281 миллиона юаней, при этом ежегодные затраты на ремонт оборудования составляли не менее 250 000 юаней. После модернизации годовая стоимость воздуходувок и смесителей составила 714 600 юаней. Согласно этому расчету, годовая экономия затрат на электроэнергию составила 913 500 юаней, плюс годовая экономия на ремонте 250 000 юаней, что в сумме составило 1,1635 миллиона юаней. При общем объеме инвестиций в 3,704 миллиона юаней срок окупаемости составит 3,18 года.

3.6 Стабильность процесса

До модернизации, в периоды сбоев, содержание растворенного кислорода в биологическом резервуаре в основном поддерживалось на уровне ниже 1,0 мг/л. После модернизации растворенный кислород в биологическом резервуаре составил в среднем 1,5–2,0 мг/л. В зависимости от концентрации входящего потока и технологических требований диапазон регулировки растворенного кислорода может составлять 1,0–2,5 мг/л. Когда концентрация притока высока, нормальный уровень растворенного кислорода в биологическом резервуаре также можно поддерживать, регулируя мощность вентилятора. Таким образом, после модернизации выполняются условия стабильного соответствия стокам.

4 Заключение

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 кВт·ч, часто DO<1 mg/L, and annual repair cost increases >15% смогут повторить эту техническую реконструкцию. Учитывая экономию электроэнергии в размере 55,3 %, период окупаемости в 3,18 - года и предельные выгоды от увеличения темпов сокращения выбросов загрязняющих веществ на 3–5 % из этого примера, инвестиции в реконструкцию имеют высокий запас прочности и могут немедленно раскрыть потенциал сокращения выбросов углекислого газа, обеспечивая воспроизводимые и достаточные условия для экологически чистой и низкоуглеродной модернизации старых окислительных канав.