Обзор энергосбережения и снижения выбросов углерода в системах аэрации на очистных сооружениях
К концу 2020 года в Китае насчитывалось 4326 очистных сооружений муниципального-уровня и выше, которые ежегодно очищают 65,59 миллиардов кубических метров сточных вод, а годовое потребление электроэнергии составляет 33,77 миллиардов кВтч, что составляет 0,45% от общего потребления электроэнергии в стране. В 2020 году удельное потребление электроэнергии на кубический метр очищенной воды составляло 0,405 кВтч/м³ для очистных сооружений, соответствующих стандарту класса А или выше «Стандарта сброса загрязняющих веществ для муниципальных очистных сооружений» (GB 18918-2002), и 0,375 кВтч/м³ для тех, кто реализует стандарты ниже класса А. Эти цифры значительно выше, чем в среднем по развитым странам. Хотя средняя концентрация приходящих загрязняющих веществ на китайских очистных сооружениях составляет менее 50% от концентрации в развитых странах, удельное потребление электроэнергии на одно удаленное загрязняющее вещество как минимум на 100% выше. Таким образом, остается значительный потенциал для энергосбережения и сокращения выбросов углекислого газа на очистных сооружениях Китая.
Выбросы углерода от очистных сооружений включают прямые и косвенные выбросы. Согласно «Техническим спецификациям для оценки работы очистных сооружений с низким-углеродом» (T/CAEPI 49-2022), прямые выбросы углерода в основном состоят из CH₄, N₂O и CO₂ в результате сжигания ископаемого топлива. Косвенные выбросы включают выбросы, связанные с приобретением электроэнергии, тепла и химикатов. По определению Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), CO₂, выбрасываемый в результате процесса биологического разложения при очистке сточных вод, не включается в учет выбросов углерода. Среди различных элементов выбросов углерода на очистных сооружениях наибольшую долю занимает потребление электроэнергии. Цзян Фухай и др., основываясь на выборке из 10 очистных сооружений, обнаружили, что вклад потребления электроэнергии в выбросы углерода колеблется от 31% до 64%. Ху Сян и др., проанализировав 22 очистные сооружения в бассейне озера Чаоху, сообщили, что выбросы углерода в результате потребления электроэнергии составляют от 61,55% до 73,56%. Чем ниже концентрация приходящих сточных вод и чем выше стандарт сброса сточных вод, тем выше доля прямых выбросов углерода, особенно в результате потребления электроэнергии. Системы аэрации потребляют более 50% всей электроэнергии очистных сооружений. Эксплуатационная эффективность систем аэрации напрямую влияет на удаление азота и фосфора. Чрезмерная аэрация приводит к ненужному потреблению эндогенных источников углерода в сточных водах, снижая эффективность биологического удаления азота и фосфора, тем самым увеличивая дозировку внешних источников углерода и химикатов для удаления фосфора, что, в свою очередь, увеличивает выбросы углерода в результате потребления химикатов. Следовательно, энергосбережение в системах аэрации является ключом к снижению выбросов углекислого газа на очистных сооружениях, что делает исследования энергосберегающих технологий систем аэрации весьма важными.
1. Причины высокого энергопотребления в системах аэрации китайских очистных сооружений
1.1 Фактическая приточная нагрузка ниже расчетной нагрузки
Низкая приточная нагрузка включает в себя как низкий расход, так и низкую концентрацию загрязняющих веществ. Это основная причина чрезмерной аэрации. Чрезмерная-аэрация не только увеличивает потребление электроэнергии, но также чрезмерно истощает эндогенные источники углерода в сточных водах и повышает концентрацию растворенного кислорода в анаэробных и бескислородных резервуарах, ухудшая удаление азота и фосфора. Это требует увеличения дозировок источников углерода и химикатов для удаления фосфора, что приводит к увеличению сопутствующих выбросов углерода.
1.1.1 Низкий расход
Обычно в первые годы после строительства очистных сооружений приток воды часто не достигает проектной мощности из-за отставания в развитии городов или строительства канализационных сетей. Кроме того, в районах с объединенной канализационной системой или в регионах с сильным смешиванием ливневых вод и сточных вод расход в сухую-погоду значительно ниже, чем расход в сырую-погоду, что приводит к большим колебаниям расхода. Это требует более точного регулирования и контроля скорости аэрации; в противном случае избыточная-аэрация в периоды низкого-потока является обычным явлением, что влияет на эффективность удаления углерода, азота и фосфора и увеличивает потребление электроэнергии и химикатов.Рисунок 1показывает изменение объема очистки сточных вод в городе Чанша в периоды засушливого и влажного сезонов. Объем обработки-в сезон дождей на 30–40 % выше, чем в сухой сезон. Сезонные колебания объема обработки требуют более точного управления системой аэрации.
1.1.2 Низкая концентрация притока
Фактические концентрации загрязняющих веществ на муниципальных очистных сооружениях Китая, как правило, намного ниже проектных значений. При проектировании очистных сооружений качество притока обычно основывается на среднесрочных---долгосрочных-проекциях для полноценных канализационных сетей. В соответствии со «Стандартом проектирования наружных сточных вод» (GB 50014-2021), пяти-дневная биохимическая потребность в кислороде (БПК₅) для бытовых сточных вод рассчитывается на уровне 40–60 г/(человек·сут), обычно это 40 г/(человек·сут). При расходе сточных вод на душу населения в 200–350 л/(человек·сут) в большинстве городов расчетная концентрация БПК₅ обычно колеблется от 110 до 200 мг/л. Статистические данные показывают, что 68% очистных сооружений в Китае имеют фактический среднегодовой приток БПК₅ ниже 100 мг/л, а 40% имеют среднегодовой уровень ниже 50 мг/л. С точки зрения концентрации притока по сравнению с требуемой аэрацией, большинство китайских очистных сооружений имеют системы аэрации, спроектированные с использованием двигателя большого размера для небольшой тележки,-сконфигурированного с вентиляторами высокой-мощности, в то время как фактическая потребность в воздухе низкая. Такая конфигурация легко приводит к чрезмерной аэрации и повышенному потреблению энергии.
1.2 Необоснованная конфигурация количества аэрационного оборудования
На многих очистных сооружениях необоснованно настроено количество единиц аэрационного оборудования из-за того, что не учитываются частые условия эксплуатации с низкой-нагрузкой. Например, многие очистные сооружения малого и среднего- размера обычно настраивают воздуходувки в режиме «2 режима + 1 резерва» (всего 3) в конструкции воздуходувной комнаты, что является оптимальным при расчетном расходе и условиях качества. Однако в условиях низкой приточной нагрузки работа даже одного вентилятора на минимальной мощности может привести к чрезмерной-аэрации и увеличению энергопотребления. Хотя установка частотно-регулируемых приводов (ЧРП) или других средств уменьшения подачи воздуха позволяет избежать чрезмерной-аэрации, эти меры могут вывести работу вентилятора из зоны высокой-эффективности, снижая эффективность и напрасно тратя энергию. Учитывая, как правило, низкие концентрации притока, следует рассмотреть такие стратегии, как увеличение количества воздуходувок при одновременном снижении мощности отдельных агрегатов, чтобы удовлетворить потребности в регулировании потребности в воздухе в периоды низкой-нагрузки. Исторически сложилось так, что ограниченный бюджет и высокая стоимость импортных высокопроизводительных воздуходувок приводили к уменьшению количества конфигураций агрегатов. С развитием отечественных высокопроизводительных технологий воздуходувок и снижением затрат в настоящее время созданы благоприятные условия для оптимизации конфигураций воздуходувок для достижения энергосбережения и сокращения выбросов углекислого газа.
1.3 Низкая эффективность аэрационного оборудования
На некоторых старых очистных сооружениях, построенных с использованием технологий своего времени, используется аэрационное оборудование с низким-эффективностью и высоким-энергопотреблением-. По текущим технологическим стандартам и стандартам энергоэффективности такое оборудование, как воздуходувки Рутса, много-низкоскоростные-центробежные вентиляторы, дисковые и щеточные аэраторы, считается низким-эффективным, обычно от 40 % до 65 %,-на 15–40 % ниже, чем у современных высокоскоростных-центробежных вентиляторов. Кроме того, на очистных сооружениях, использующих мелкодисперсную-пузырьковую аэрацию в анаэробных-бескислородных-кислородных (A₂/O) или бескислородно-кислородных (A/O) процессах, старение или засорение диффузоров снижает эффективность переноса кислорода и увеличивает сопротивление, тем самым увеличивая потребление энергии воздуходувками.
1.4 Необоснованная конфигурация мешалок в биологических резервуарах
В окислительных канавах с поверхностными аэраторами оборудование выполняет как функции аэрации, так и перемешивания/проталкивания. Это разумная конструкция в условиях расчетной нагрузки. Однако в условиях низкой-нагрузки может потребоваться уменьшение или прекращение аэрации, но для предотвращения осаждения ила или разделения жидкости-твердых частиц необходимо поддерживать достаточную скорость потока, что приводит к продолжению работы аэраторов и вызывает чрезмерную-аэрацию, плохое удаление питательных веществ и потери энергии. Для более энергоэффективной-эффективной работы при низких нагрузках окислительные канавы следует оборудовать правильно настроенными погружными мешалками.
В процессах A₂/O и A/O аэробные резервуары обычно полностью покрыты мелкопузырчатыми диффузорами без специальных смесителей, что обеспечивает достаточную аэрацию для предотвращения осаждения. При низких нагрузках уменьшение аэрации или внедрение периодической аэрации во избежание чрезмерной-аэрации может легко привести к осаждению осадка, что повлияет на очистку. Для более эффективной работы при низких нагрузках в аэробные танки A₂/O и A/O следует рассмотреть возможность добавления соответствующих смесителей.
2. Технические подходы к энергосбережению и снижению выбросов углекислого газа в системах аэрации очистных сооружений.
2.1 Замена высокоэффективным-аэрационным оборудованием
На очистных сооружениях, которые до сих пор используют низкоэффективное оборудование, такое как воздуходувки Рутса, много-низкоскоростные-центробежные вентиляторы, дисковые аэраторы или щеточные аэраторы, а также предприятия с сильно устаревшим и неэффективным оборудованием, следует проводить оценку энергоэффективности с точки зрения -сбережения энергии и-сокращения выбросов углекислого газа и своевременно заменять их новыми, высоко-эффективными моделями. В настоящее время высокоскоростные-вентиляторы, такие как одно-высокоскоростные-центробежные вентиляторы, вентиляторы с магнитными подшипниками и вентиляторы с воздушными подшипниками, используемые на крупных очистных сооружениях, обычно имеют эффективность от 80% до 85%. Однако в настоящее время на рынке отсутствуют маломощные,-высокоскоростные-центробежные вентиляторы. На очистных сооружениях производительностью менее 2000 м³/сут по-прежнему используется менее эффективное оборудование, такое как воздуходувки Рутса, эффективность которых обычно составляет от 40% до 65%, что указывает на значительный потенциал для улучшения. Поэтому разработка более эффективного мелкомасштабного аэрационного оборудования имеет смысл для энергосбережения и сокращения выбросов углекислого газа на небольших очистных сооружениях.
2.2 Переход от поверхностной аэрации к тонкой-пузырьковой диффузной аэрации
При подходящей глубине воды мелкодисперсная-пузырьковая аэрация более энергоэффективна-, чем поверхностная аэрация. Преобразование окислительных канав с поверхностной аэрации на мелкодисперсную-пузырьковую аэрацию может дать хорошие результаты-сбережения энергии. Благодаря реализованным проектам модернизации такие преобразования не только обеспечивают значительную экономию энергии, но и повышают эффективность биологического удаления питательных веществ. В исследовании Чэнь Чао отмечается, что после преобразования одной очистной станции общее потребление электроэнергии снизилось на 24,7%, а степень удаления аммиачного азота, ХПК и общего фосфора увеличилась на 30,39%, 5,39% и 2,09% соответственно. Се Цзычи и др. сообщили об экономии энергии в размере 0,09–0,12 кВтч/м³ после аналогичного преобразования со значительным улучшением эффективности биологического удаления питательных веществ. При мелкопузырчатой аэрации эффективность переноса кислорода линейно положительно коррелирует с глубиной воды. Ниже определенной критической глубины ее эффективность может быть ниже, чем у поверхностной аэрации. Обычно глубина воды более 4 м считается подходящим условием для перевода окислительных канав на мелкопузырчатую диффузионную аэрацию.
3. Технические подходы к энергосбережению и сокращению выбросов углерода в системах аэрации очистных сооружений.
3.1 Замена высокоэффективным-аэрационным оборудованием
На очистных сооружениях, которые до сих пор используют низкоэффективное оборудование, такое как воздуходувки Рутса, много-низкоскоростные-центробежные вентиляторы, дисковые аэраторы или щеточные аэраторы, а также предприятия с сильно устаревшим и неэффективным оборудованием, следует проводить оценку энергоэффективности с точки зрения -сбережения энергии и-сокращения выбросов углекислого газа и своевременно заменять их новыми, высоко-эффективными моделями. В настоящее время высокоскоростные-вентиляторы, такие как одно-высокоскоростные-центробежные вентиляторы, вентиляторы с магнитными подшипниками и вентиляторы с воздушными подшипниками, используемые на крупных очистных сооружениях, обычно имеют эффективность от 80% до 85%. Однако в настоящее время на рынке отсутствуют маломощные,-высокоскоростные-центробежные вентиляторы. На очистных сооружениях производительностью менее 2000 м³/сут по-прежнему используется менее эффективное оборудование, такое как воздуходувки Рутса, эффективность которых обычно составляет от 40% до 65%, что указывает на значительный потенциал для улучшения. Поэтому разработка более эффективного мелкомасштабного аэрационного оборудования имеет смысл для энергосбережения и сокращения выбросов углекислого газа на небольших очистных сооружениях.
3.2 Переход от поверхностной аэрации к тонкой-пузырьковой диффузной аэрации
При подходящей глубине воды мелкодисперсная-пузырьковая аэрация более энергоэффективна-, чем поверхностная аэрация. Преобразование окислительных канав с поверхностной аэрации на мелкодисперсную-пузырьковую аэрацию может дать хорошие результаты-сбережения энергии. Благодаря реализованным проектам модернизации такие преобразования не только обеспечивают значительную экономию энергии, но и повышают эффективность биологического удаления питательных веществ. В исследовании Чэнь Чао отмечается, что после преобразования одной очистной станции общее потребление электроэнергии снизилось на 24,7%, а степень удаления аммиачного азота, ХПК и общего фосфора увеличилась на 30,39%, 5,39% и 2,09% соответственно. Се Цзычи и др. сообщили об экономии энергии в размере 0,09–0,12 кВтч/м³ после аналогичного преобразования со значительным улучшением эффективности биологического удаления питательных веществ. При мелкопузырчатой аэрации эффективность переноса кислорода линейно положительно коррелирует с глубиной воды. Ниже определенной критической глубины ее эффективность может быть ниже, чем у поверхностной аэрации. Обычно глубина воды более 4 м считается подходящим условием для перевода окислительных канав на мелкопузырчатую диффузионную аэрацию.
3.3 Технология прерывистой аэрации
На очистных сооружениях с низкой концентрацией сточных вод постоянная-прерывистая аэрация эффективно решает проблемы плохого удаления питательных веществ и высокого энергопотребления, вызванные чрезмерной-аэрацией. Он предполагает непрерывный поток притока и сточных вод, в то время как система аэрации работает в циклах включения/выключения аэрации. После исследования ARAKI и др. в 1986 году по периодической аэрации для удаления азота в окислительных канавах многие ученые провели экспериментальные исследования. Хоу Хунсюнь и др. провели полномасштабное-испытание на очистных сооружениях производительностью 100 000 м³/сут с использованием непрерывной-прерывистой аэрации в окислительной канаве, добившись увеличения общего удаления азота на 20 %, общего удаления фосфора на 49 % и снижения общего энергопотребления установки на 21 %. He Quan и др. в ходе испытаний на очистных сооружениях с производительностью 40 000 м³/сут с использованием цикла 2-включения и 2-часового перерыва обнаружили, что по сравнению с непрерывной аэрацией прерывистая аэрация экономит 42 % энергии на аэрацию, увеличивает общее удаление азота на 9,6 % и общее удаление фосфора на 6,9 % в зимних условиях низкой-температуры. Чжэн Ваньлинь и др. в ходе испытания процесса очистки сточных вод A₂/O производительностью 40 000 м³/сут с использованием 3-часового цикла включения и 3-часового перерыва удалось сохранить стабильное качество сточных вод, соответствующее стандартам, сэкономив при этом 18,3% потребления электроэнергии. В настоящее время полномасштабное применение периодической аэрации с непрерывным потоком все еще ограничено, и остается ряд технических проблем.
Для процессов A₂/O, использующих мелкопузырчатую аэрацию, два фактора ограничивают широкое применение прерывистой аэрации. Во-первых, высокоскоростные центробежные вентиляторы-издают резкий-шум высокой-децибелы при запуске; частая езда на велосипеде в прерывистом режиме создает шумовое загрязнение. Во-вторых, частые циклы запуска-остановки вентиляторов с магнитными/воздушными подшипниками приводят к многократному контакту бесконтактных подшипников с корпусом, что легко приводит к повреждению подшипников, увеличению частоты отказов и сокращению срока службы.
При применении прерывистой аэрации в окислительных канавах или процессах A₂/O необходимо обеспечить достаточную скорость перемешивания в периоды отсутствия аэрации, что потенциально может потребовать дополнительных мешалок для предотвращения осаждения осадка. Концентрация аммиачного азота может быстро возрасти при отсутствии-аэрации, что может привести к мгновенному превышению. Поэтому необходимы дальнейшие исследования для научного установления и корректировки циклов аэрации, повышения энергосбережения и удаления загрязняющих веществ, избегая при этом мгновенного превышения аммиачного азота.
Обеспокоенность очистных сооружений по поводу потенциального мгновенного превышения уровня аммиачного азота является основным препятствием для широкого применения периодической аэрации. В январе 2022 года Министерство экологии и окружающей среды опубликовало консультацию по проекту поправки к GB 18918-2002, в первую очередь предлагая добавить максимально допустимые пределы для одиночных измерений. Эти предложенные пределы единичного измерения значительно превышают первоначальные средние дневные пределы, в то время как средние дневные значения остаются неизменными. Например, для стандарта класса А однократное измерение ниже 10 мг/л (15 мг/л ниже 12 градусов) будет приемлемым, если среднесуточное значение остается ниже 5 мг/л (8 мг/л ниже 12 градусов). В случае реализации эта поправка может помочь решить проблемы нормативных требований, связанные с мгновенным превышением концентрации в результате периодической аэрации, что облегчит ее применение в процессах окислительных канав.
3.4 Технология точной аэрации
Расходы очистных сооружений и концентрации приходящих веществ значительно колеблются даже в течение дня, вызывая переменный спрос на воздух. Полагаясь исключительно на регулировку,-на основе опыта, вы затрудняете точный контроль и можете поставить под угрозу стабильность качества сточных вод. С развитием больших данных и искусственного интеллекта появилась концепция точной аэрации. На некоторых очистных сооружениях применялась точная технология аэрации, которая обычно обеспечивает экономию энергии в системах аэрации на 10–20%. Сочетание точной аэрации с другими модификациями процесса может дать лучшие результаты. Чжу Цзе и др. реализовала точную модернизацию системы аэрации в многоступенчатом процессе очистки сточных вод A/O, добившись экономии энергии в системе аэрации на 49,8%. Точная и интеллектуальная аэрация представляет собой важное будущее направление энергосбережения и сокращения выбросов углекислого газа. В настоящее время существуют ограничения в-возможности и точности сбора и анализа данных в этих системах в реальном времени. Требуются новые технологические прорывы в-точном управлении воздуходувками и клапанами в режиме реального времени, а также точном распределении воздуха.
4. Заключение
Экономия энергии в системах аэрации является ключом к снижению выбросов углекислого газа на очистных сооружениях. Основной причиной высокого энергопотребления в китайских системах аэрации очистных сооружений является низкая нагрузка на приточные воды, что легко приводит к чрезмерной-аэрации, растрате электроэнергии и увеличению выбросов углекислого газа как от электроэнергии, так и от химикатов. Другие причины включают старое/низкое-оборудование и необоснованную конфигурацию аэрационного и смесительного оборудования. Эффективные средства достижения энергосбережения и снижения выбросов углекислого газа включают замену низко-эффективного высокоэффективного-аэрационного оборудования, переход на поверхностную аэрацию мелко-пузырьковой диффузией и применение таких технологий, как аэрация с непрерывным-прерывистым потоком и точная аэрация.