بهسازی و مطالعه عملکرد سیستم هوادهی ظریف-در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری

بهسازی و مطالعه عملکرد سیستم هوادهی ظریف-در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری

مقدمه

در حال حاضر، فرآیندهای اصلی تصفیه فاضلاب مورد استفاده در چین شامل خندق اکسیداسیون، SBR، لجن فعال و غیره است. فرآیند خندق اکسیداسیون مشکل مصرف انرژی بالا به ویژه در بخش بیولوژیکی دارد که 80-65 درصد کل مصرف انرژی را تشکیل می دهد. تجهیزات معمول هوادهی مورد استفاده در فرآیندهای خندق اکسیداسیون شامل برس‌های هوادهی، دیسک‌های هوادهی، هواده‌های شفت عمودی و هواده‌های حباب‌دار ظریف-می‌باشد. به عنوان مثال، پس از تغییر یک تصفیه خانه فاضلاب شهری در یک شهر خاص از هوادهی مکانیکی سطحی سنتی به هوادهی حباب{6} ریز، مصرف انرژی 20.11% کاهش یافت در حالی که کیفیت آب تصفیه پایدارتر شد. علاوه بر این، هوادهی حباب‌دار ریز دارای ویژگی عرضه اکسیژن منطقه‌ای است که می‌تواند با توجه به نیاز اکسیژن در نواحی مختلف خندق اکسیداسیون، عرضه دقیق اکسیژن را فراهم کند و کارایی حذف نیتروژن و فسفر را بیشتر بهبود بخشد.

سیستم هوادهی سطحی در یک تصفیه خانه فاضلاب شهری، بیش از ده سال است که با قدیمی بودن تجهیزات و مشکلات عملیاتی جدی، فعال بوده است. برآورده کردن آخرین استانداردهای تخلیه مشکل بود و نوسازی فنی را ضروری می کرد. این پروژه سیستم را به یک سیستم هوادهی حبابدار ارتقا داد که می تواند به طور قابل توجهی مصرف انرژی را کاهش دهد، عملکرد را بهینه کند، عمر تجهیزات را افزایش دهد و هزینه های تعمیر و نگهداری را کاهش دهد و با سیاست های ملی صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار همسو شود. این پروژه نوسازی، شیوه‌های ساخت و ساز سبز را در حین برچیدن و نصب تجهیزات اجرا کرد: بازیافت طبقه‌بندی شده تجهیزات قدیمی، استفاده از نصب پیش ساخته، و استفاده از ماشین آلات کم صدا-، دستیابی به "فرایند-ساخت" دوگانه-صرفه‌جویی در انرژی دو بعدی{{7} و توسعه پایدار تصفیه و پشتیبانی از کارخانه.

1 بررسی اجمالی پروژه

1.1 وضعیت فعلی

یک تصفیه خانه فاضلاب شهری در یک شهر خاص دارای ظرفیت کل 50000 تن در روز است که در سه فاز ساخته شده است. فاز I فرآیند خندق اکسیداسیون را اتخاذ کرد، فاز دوم و پروژه تصفیه پیشرفته نیز فرآیند خندق اکسیداسیون را با درمان پیشرفته بعدی با استفاده از ته نشینی انعقادی + فیلتراسیون رسانه پارچه + فرآیند ضد عفونی فرابنفش پذیرفتند. فاز III فرآیند اصلاح شده A2O را پذیرفت. در حال حاضر، پساب از استاندارد DB32/1072-2018 برخوردار است.

1.2 مشکلات موجود

1.2.1 تأثیر شبکه لوله خارجی

فاضلاب در محدوده جمع آوری شبکه لوله های این کارخانه شامل کمک های بسیاری از شرکت های صنعتی است. در طول عملیات روزانه، ممکن است اثرات ناشی از فاضلاب غیرعادی از شرکت‌های صنعتی وجود داشته باشد، که باعث می‌شود مقدار DO در مخزن بیولوژیکی بسیار کم شود، حتی به 0 میلی‌گرم در لیتر می‌رسد، که نیازهای تولید را برآورده نمی‌کند. این در حالی است که با توجه به تغییر شرایط خارجی، با توجه به تخلیه بیشتر واحدهای صنعتی در محدوده خدماتی، فاضلاب به شبکه لوله کشی، این نیروگاه در آینده با کیفیت آب ورودی شدیدتری مواجه خواهد شد. هنگامی که جریان ورودی نوسان می کند، اکسیژن محلول در مخزن بیولوژیکی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد و محدوده تنظیم حجم هوادهی از دیسک های چرخان محدود می شود. در برخی از دوره‌ها، DO در مخزن هوازی به 0 میلی‌گرم در لیتر می‌رسد و کارخانه را مجبور می‌کند تا ظرفیت تصفیه را در پاسخ کاهش دهد و به طور قابل‌توجهی بر محیط هوازی مخزن بیولوژیکی و ظرفیت تصفیه تأثیر بگذارد.

1.2.2 DO کم در مخزن هوادهی

با توجه به نقص عملکرد دیسک چرخشی که باعث بازده اکسیژن پایین هواده ها می شود، در طول عملیات تولید واقعی، داده های عملیاتی تاریخی نشان می دهد که میانگین مقادیر DO از ابزارها در وسط و خروجی مخزن هوادهی از 1 میلی گرم در لیتر تجاوز نمی کند و کمترین آن به 0 میلی گرم در لیتر می رسد که به شدت بر اثربخشی واکنش بیوشیمیایی تأثیر می گذارد.

1.2.3 مصرف انرژی بالا

مخازن بیولوژیکی فاز I و II این گیاه به صورت خندق اکسیداسیون می باشد. خندق اکسیداسیون فاز I از 8 هواده دیسکی دوار با توان 18.5 کیلووات با توان کل هواکش سطحی 148 کیلووات استفاده می کند. خندق اکسیداسیون فاز II از نوع خندق کاروسل چهار کاناله است که از 13 هواده هیتاچی استفاده می‌کند، شامل 2 مجموعه 11 کیلووات، 2 مجموعه 18.5 کیلووات، و 9 مجموعه 15 کیلووات، با توان کل هواکش سطحی 194 کیلووات. در حالت عادی، برای اطمینان از حجم آب کافی، به دلیل راندمان اکسیژن پایین تجهیزات تامین اکسیژن موجود، تمام هواده ها باید به طور کامل روشن شوند.

مصرف برق به ازای هر تن آب برای هواکش های فاز I و II: (18.5 کیلووات*7+194)*24*0.75/25،{5}} RMB/ton است. بر اساس بررسی مصرف برق سیستم بیولوژیکی در چندین تصفیه خانه فاضلاب شهری اطراف، مصرف انرژی برای یک نیروگاه فاضلاب خانگی شهری 25000 تن در روز با استفاده از سیستم هوادهی حباب دار پایین معمولاً 0.09-0.1 RMB/ton است. مصرف انرژی هواده دیسکی دوار 2.4 تا 2.7 برابر سیستم هوادهی حباب دار پایینی است که نشان دهنده مصرف انرژی نسبتاً بالایی است.

1.2.4 میزان خرابی تجهیزات بالا

با افزایش سن هواده های دیسکی دوار، میزان خرابی تجهیزات به تدریج افزایش می یابد. پس از 11 سال کار در این کارخانه، سیستم هوادهی دیسک دوار تغییر شکل دیسک را ایجاد کرد که باعث بار بالای تجهیزات و ارتعاش قابل توجهی شد. استفاده طولانی مدت منجر به شل شدن کف شد که منجر به ناهماهنگی در هر دو انتها و مشکلات دیگر شد که باعث افزایش سایش یاتاقان و نرخ خرابی بالا شد. شفت‌های اصلی، پروانه‌ها، کوپلینگ‌ها و دنده‌های پایه چندین بار تعمیر یا تعویض شده‌اند و اساساً به نقطه تعویض رسیده‌اند. یاتاقان‌ها و تیغه‌های سر هواکش هواده‌های{6} خود پرایمینگ به شدت فرسوده شده بودند. آمارهای اخیر نشان می‌دهد که این کارخانه سالانه نزدیک به 30 تعمیر را برای هواده‌های دیسکی چرخان و هواده‌های{9}}خود پرایمینگ تجربه می‌کند.

2 طراحی راه حل فنی Retrofit

رویکرد کلی بهسازی به این صورت است: هواده های دیسک چرخان اصلی را بردارید و آنها را با هوادهی حباب دار پایینی جایگزین کنید. سرریز پساب مخزن بیولوژیکی را برای افزایش عمق آب موثر مخزن بیولوژیکی بالا ببرید. میکسرها را در بخش هوازی با استفاده از ساختار کانال اصلی اضافه کنید تا از تجمع لجن موضعی جلوگیری شود.

2.1 انتخاب هواده و چیدمان

2.1.1 پارامترهای دیسک هواکش

دیسک هواکش غشایی EPDM مدل DD330 همانطور که در نشان داده شده است انتخاب شدشکل 1، با پارامترهای خاص نشان داده شده درجدول 1.

2.1.2 طرح دیسک هواکش

تعداد دیسک‌های هواده: سطح خالص پایین مخزن فاز I 864 متر مربع، سطح خالص کف مخزن فاز II 1412 متر مربع، متوسط ​​سطح سرویس 0.8 متر مربع/دیسک، با ضریب ایمنی 1.05-1.10. تعداد نهایی دیسک های هواکش تعیین شد: فاز I 1150 دیسک، فاز II 1900 دیسک.

اصل چیدمان: به طور مساوی در یک الگوی شبکه مثلثی منظم توزیع شده است. فاصله از دیواره مخزن بزرگتر یا مساوی 0.3 متر برای جلوگیری از مناطق مرده. فاصله از دیوار جداکننده کانال بیشتر یا مساوی 0.4 متر برای تسهیل تعمیر و نگهداری. پارتیشن در امتداد جهت جریان آب، با یک شیر کنترل هوای الکتریکی در هر منطقه برای دستیابی به کنترل منطقه ای DO. از درگاه‌های مکش پمپ لجن، محل‌های نمونه‌گیری و سینی‌های کابل خودداری کنید، فاصله را به صورت موضعی تا 1.5 متر تنظیم کنید و در عین حال مساحت سرویس در هر دیسک را کمتر یا مساوی 0.8 متر مربع نگه دارید.

ارتفاع نصب و درجه بندی لوله: سطح بالای دیسک غشایی 0.25 متر از کف مخزن است، که از غوطه ور شدن بیشتر یا مساوی 5.0 متر در حداقل سطح آب برای جلوگیری از موج فن جلوگیری می کند. لوله های شاخه ای از ABS DN50 با توزیع هوای سوراخ دار استفاده می کنند. لوله های اصلی در یک حلقه مرتب شده اند، با سرعت هوا در 10-12 m·s-1، مواد SS304 کنترل می شود. برای هر 10 دیسک، یک جفت اتصالات اتصال سریع{7}فلنجی ارائه شده است که امکان بلند کردن کلی برای تعمیر و نگهداری بدون تخلیه مخزن را فراهم می کند.

2.2 بهینه سازی سیستم دمنده

2.2.1 افزودن دمنده ها

دمنده های تعلیق بادی وارداتی به عنوان واحد اصلی خریداری شدند و یک اتاق دمنده جدید با کانال های هوای فولادی ضد زنگ ساخته شد.

2.2.2 انتخاب دمنده

بر اساس شرایط واقعی عملیاتی نیروگاه و با در نظر گرفتن تغییرات کیفی آب در آینده، غلظت COD ورودی در طرح مقاوم سازی با میانگین غلظت حدود 320 میلی گرم در لیتر تفاوت معنی داری با مقدار طراحی ندارد. غلظت BOD بر اساس مقدار طراحی فاز III 150 میلی گرم در لیتر و سایر شاخص های ورودی بر اساس غلظت ورودی طرح فاز III محاسبه شد. حجم هوای مورد نیاز برای فاز I و II نیروگاه 103.7 m³/min (6225.1 m³/h، دو واحد وظیفه و یک واحد آماده به کار، حجم هوای تک واحدی 50 m³/min) است.

با در نظر گرفتن عوامل مختلف، دو دمنده تعلیق بادی وارداتی NX75-C060 به عنوان واحدهای اصلی فاز I و II خریداری شد. یک اتاق دمنده جدید باید ساخته می شد که به طور آزمایشی در ضلع جنوبی کارگاه اصلی آبگیری لجن قرار داشت، با کانال های هوای فولادی ضد زنگ اضافه شده به خندق اکسیداسیون. پارامترهای دمنده: فشار هوا 0.049 مگاپاسکال، حجم هوا 50 m³/min، با حداکثر توان خروجی 64.3 کیلو وات در این شرایط عملیاتی.

2.2.3 بهینه سازی سیستم هوادهی

روش هوادهی به هوادهی پایینی تغییر یافت. مخازن بیولوژیکی فاز I و II از تعداد متناظر هواده دیسکی و لوله های هوادهی UPVC استفاده می کنند. رویکرد مقاوم سازی خاص: انتظار می رود تانک بیولوژیکی فاز I از 780 مجموعه هواده دیسکی DD330 و لوله های هوادهی UPVC استفاده کند، تانک بیولوژیکی فاز II از 1276 مجموعه هواده دیسکی DD330 و لوله های هوادهی UPVC با حجم هوای عملیاتی تک هواکش 35 m³/h استفاده می کند. طرح سر هواده در نشان داده شده استشکل 2 و 3.

2.3 بهینه سازی پارامترهای فرآیند

2.3.1 منطقه بندی خندق اکسیداسیون و استراتژی کنترل DO

در امتداد جهت جریان آب خندق اکسیداسیون، بخش هوادهی به چهار ناحیه تقسیم می شود. منطقه 1: DO 0.3-0.5 mg/L، منطقه 2: DO 0.2-0.3 mg/L، منطقه 3: DO 1.5-2.0 mg/L، منطقه 4: DO 1.0-1.5 mg/L. یک ابزار فرآیند نیتروژن آمونیاکی در نقطه بالاترین نرخ واکنش نیتریفیکاسیون بین منطقه 2 و منطقه 3 نصب شده است که در نهایت پساب NH3{16}} N کمتر یا مساوی 1.5 میلی گرم در لیتر را کنترل می کند.

2.3.2 بهینه سازی دوره هوادهی

یک ماژول "هوادهی متناوب" به سیستم SCADA موجود اضافه شد که یک ابزار آنلاین DO + حلقه بسته دوگانه زمان را تشکیل می دهد تا اطمینان حاصل شود که DO در وسط بخش هوازی در 0.2 میلی گرم در لیتر باقی می ماند. اگر انجام دهید<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 تجزیه و تحلیل اثر Retrofit

تأثیر این مقاوم‌سازی مهندسی بر عملیات کلی فرآیند با مقایسه تغییرات آلاینده‌های پساب قبل و بعد از مقاوم‌سازی مورد بررسی قرار گرفت.

3.1 مقایسه کیفیت آب پساب قبل و بعد از مقاوم سازی

همانطور که در نشان داده شده است، کیفیت آب پساب قبل و بعد از مقاوم سازی، ثابت استشکل 4. قبل و بعد از مقاوم‌سازی، میانگین COD پساب کمتر از 30 میلی‌گرم در لیتر، TP اساساً کمتر یا مساوی 0.3 میلی‌گرم در لیتر، NH3{3}}N کمتر یا مساوی 1.5 میلی‌گرم در لیتر باقی ماند، در حالی که TN در حدود 10 میلی‌گرم در لیتر نوسان داشت. کیفیت کلی آب به استانداردهای شبه-آب سطحی کلاس IV رسیده است، که بسیار فراتر از استانداردهای تخلیه مورد نیاز برای نیروگاه است.

برای تجزیه و تحلیل شهودی تر تأثیر احتمالی بهسازی بر کیفیت آب، روندهای کیفیت آب پساب یک ساله قبل و بعد از مقاوم سازی مقایسه شد و نتیجه داد.شکل 5. از شکل می توان دریافت که بدون در نظر گرفتن تاثیر تغییرات غلظت ورودی، نوسانات غلظت پساب COD و TP پس از مقاوم سازی نسبت به قبل از مقاوم سازی پایدارتر بوده است. اگرچه میانگین مقادیر شاخص‌های نیتروژن نسبت به قبل از مقاوم‌سازی افزایش یافت، روند کلی نسبتاً پایدار بود و در نتیجه مصرف انرژی کلی گیاه و صرفه‌جویی در مواد شیمیایی کاهش یافت.

3.2 مقایسه حذف آلاینده قبل و بعد از مقاوم سازی

با توجه به بهبود سیستم هوادهی، مصرف کلی برق کارخانه نسبت به قبل 1.7 درصد کاهش یافت، در حالی که ظرفیت تصفیه 8.33 درصد افزایش یافت و کاهش آلاینده مربوطه نیز افزایش یافت.شکل 6. پس از محاسبه، کاهش COD 948.5 تن افزایش یافت، TP 7.0 تن افزایش یافت، NH3{3}}N 100.4 تن افزایش یافت و TN 125.9 تن افزایش یافت.

حذف واقعی آلاینده نیز بر این اساس تغییر کرد، همانطور که در نشان داده شده استجدول 2. پس از مقاوم سازی، به جز کاهش نرخ حذف NH3-، نرخ حذف برای همه شاخص های دیگر افزایش یافت.

3.3 مقایسه مصرف انرژی قبل و بعد از مقاوم سازی

مصرف انرژی این پروژه مقاوم سازی در نشان داده شده استجدول 3. پس از مقاوم سازی، مصرف برق به ازای هر تن آب برای سیستم هوادهی مخزن بیولوژیکی فاز I 67.3 درصد و برای فاز II 80.9 درصد کاهش یافت. میانگین کلی مصرف برق نیروگاه به ازای هر تن آب به میزان 55.3 درصد کاهش یافت که اثرات صرفه جویی انرژی قابل توجهی را نشان داد. مصرف کلی نیروگاه در هر تن آب به 0.21 کیلووات ساعت در متر مکعب کاهش یافت، در محدوده مقادیر مصرف انرژی برای فرآیندهای مشابه اکسیداسیون در سراسر کشور (0.292±0.192) کیلووات ساعت در متر مکعب. مصرف برق به ازای هر واحد وزن آلاینده قبل و بعد از مقاوم سازی برای کل نیروگاه در نشان داده شده استجدول 4. پس از مقاوم سازی سیستم کلی هوادهی کارخانه، مصرف برق به ازای هر 1 کیلوگرم COD تیمار شده 26.2 درصد کاهش یافت، به ازای هر کیلوگرم TP تیمار شده 15.7 درصد، به ازای هر 1 کیلوگرم NH3-N تیمار شده 29.3 درصد کاهش یافت و به ازای هر 1 کیلوگرم TN تیمار شده 36 درصد کاهش یافت.

3.4 مقایسه شیمیایی قبل و بعد از مقاوم سازی

قبل از مقاوم‌سازی، به دلیل خرابی‌های مکرر سیستم هوادهی، کنترل DO در سیستم بیولوژیکی دشوار بود و رعایت استانداردهای نشانگر نیتروژن برای اطمینان از اثربخشی حذف، نیاز به افزودن منبع کربن خارجی داشت. پس از مقاوم سازی، افزودن منبع کربن خارجی اساساً دیگر مورد نیاز نبود. پس از مقاوم سازی، حذف بیولوژیکی فسفر و راندمان نیترات زدایی به طور قابل توجهی بهبود یافت، و PAC شیمیایی حذف فسفر و PAM شیمیایی آبگیری لجن به ترتیب کاهش یافت. هزینه های شیمیایی سالانه نسبت به قبل حدود 167000 یوان کاهش یافته است. تغییرات خاص در نشان داده شده استجدول 5.

3.5 مقایسه سرمایه گذاری قبل و بعد از مقاوم سازی

قبل از بازسازی، هزینه سالانه هواده های سطحی 1.6281 میلیون RMB بود که هزینه تعمیر تجهیزات سالانه کمتر از 250000 RMB نبود. پس از بازسازی، هزینه سالانه دمنده ها و میکسرها 714600 RMB بود. بر اساس این محاسبه، صرفه جویی در هزینه برق سالانه 913,500 RMB، به اضافه صرفه جویی در هزینه تعمیر سالانه 250,000 RMB بود که در مجموع صرفه جویی سالانه 1.1635 میلیون RMB بود. بر اساس کل سرمایه گذاری 3.704 میلیون یوان، دوره بازپرداخت 3.18 سال است.

3.6 ثبات فرآیند

قبل از مقاوم‌سازی، در طول دوره‌های خرابی، اکسیژن محلول در مخزن بیولوژیکی عمدتاً زیر 1.0 میلی‌گرم در لیتر نگهداری می‌شد. پس از مقاوم سازی، اکسیژن محلول در مخزن بیولوژیکی به طور متوسط ​​1.5-2.0 میلی گرم در لیتر بود. بسته به غلظت ورودی و نیازهای فرآیند، محدوده تنظیم اکسیژن محلول می تواند 1.0-2.5 میلی گرم در لیتر باشد. هنگامی که غلظت ورودی بالا است، سطوح طبیعی اکسیژن محلول در مخزن بیولوژیکی نیز می تواند با تنظیم خروجی دمنده حفظ شود. بنابراین، پس از مقاوم سازی، شرایط انطباق پساب پایدار برآورده می شود.

4 نتیجه گیری

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 کیلووات ساعت، مکررا انجام دهید<1 mg/L, and annual repair cost increases >15٪ می تواند این نوسازی فنی را تکرار کند. بر اساس 55.3٪ صرفه جویی در برق، 3.18- دوره بازپرداخت سال، و مزایای حاشیه ای افزایش 3٪ تا 5٪ در نرخ کاهش آلاینده از این مثال، سرمایه گذاری نوسازی دارای حاشیه ایمنی بالایی است و می تواند بلافاصله پتانسیل کاهش کربن را باز کند، و شرایط تکرارپذیر و کافی برای ارتقای اکسیداسیون سبز و کم کربن قدیمی را فراهم کند.