אגן אוורור מפוח עומס נמוך-: יסודות טכניים ומדריך ניהול תפעולי

יסודות טכניים וניהול תפעולי של אגן איוורור-עם עומס נמוך

1. סקירה כללית

1.1 עקרון הפעולה של אגני אוורור מפוחים

אוורור מפוח, בשימוש נפוץ בסין, כולל בעיקר סוגי אוורור מפוזר, ספירלי ומיקרו-נקבי. אגן אוורור כולל בדרך כלל מערכת אוורור, מבנה האגן ויציאות כניסה/יציאה, המשמשים כמבנה מפתח בטיפול בשפכי בוצה פעילה. שיטות האוורור הנפוצות הן אוורור מכני ומפוח. מערכות אוורור מפוחים מורכבות בדרך כלל ממאווררים ומפוחים מיוחדים. האגנים מחולקים לרוב למספר תאים, שכל אחד מהם מסוגל להזין השפעה עצמאית. שפכים נכנסים לאגן ויוצאים בקצה הנגדי. במהלך תהליך זה, האוויר מועבר באמצעות מדחסים אל מפזרים בתחתית האגן ומשוחרר כבועות.

1.2 מחקר קשור על אגני אוורור מפוחים

מחקר של Cheng Dandan וחב'. מצא כי במפעלי טיהור שפכים עירוניים של סין (WWTP), מפוחי אוורור צורכים כ-60% מכלל האנרגיה. שילוב מערכת האוורור עם בקרת PID סגורה-ת חכמה עבור חמצן מומס (DO) ויישום אסטרטגיות חיסכון באנרגיית מפוחים-יכולים לטפל ביעילות בצריכת אנרגיה גבוהה במערכות אוורור WWTP, ולהפחית אותה ביותר מ-30%.

Liu Xiaoqi et al. השתמשו במאווררי זרימה מפוזרים כדי להגדיל את תכולת החמצן בשפכים במהלך הטיפול תוך הפחתת צריכת האנרגיה. זה גם השיג ערבוב ופיזור אוויר של מים- אחידים, והפחית את הדרישה לדיוק לפילוס התקנת המאוורר.

צ'אנג קאי וחב'. שיפור ביצועי מערכת אגן האוורור הקונבנציונלית על ידי שינוי מצב איסוף האוויר המקורי. הם החליפו מאווררים מיקרו-נקביים מסורתיים ביעילות העברת חמצן גבוהה-במאווררים מיקרו-נקביים של לוחות סיליקון והחליפו אגני אוורור זרימה ישר-במעבר-יחיד בשלושה-אגני זרימה מתפתלים. שילוב בקרת אוורור מדויקת שיפר עוד יותר את המערכת, תוך התייחסות לבעיות של צריכת אנרגיה גבוהה, יעילות נמוכה והעברת מסה לקויה בשיטות אוורור מפוח מסורתיות.

1.3 ניהול תפעולי של אגני אוורור מפוחים

אגני אוורור מפוח נמצאים בשימוש נרחב בטיפול בשפכים. בהתאם לעיקרון של "טיפול נפרד לזרמי פסולת שונים", יחידת טיפול בשפכים מלוחים ספציפיים של WWTP מטפלת בעיקר בשפכי התפלה חשמליים מזיקוק ואקום אטמוספרי, מים מטוהרים מפושטים, שפכים לנטרול אלקילציה, וקצת שפכים סופרנטנטים ובעלי מליחות- גבוהה. יחידה זו כוללת מערכת טיפול ביולוגית בשלושה-שלבים, כאשר אגן האוורור המפוח הוא השלב המשני. צריכת החמצן הכימית המשפיעה הממוצעת שלו (COD) היא בעקביות מתחת ל-100 מ"ג/ליטר, מה שמסווג אותו כתהליך בוצה מופעלת-עם עומס נמוך. מעבר לשדרוגי הציוד, שמירה על פעולה אופטימלית דורשת בקרה והתאמה מדוקדקת של פרמטרי התהליך.

2. סקירת מתקן

2.1 זרימת תהליך של יחידת טיפול בשפכים מלוחים

היחידה מפעילה תהליך "השוואה + הפרדת שמן + שני-ציפה שלבים + שלוש-טיפול ביולוגי", כאשר שפכים מטופלים נשלחים ליחידת ליטוש. מפריד השמן משתמש בזרימה אופקית משולבת ועיצוב לוחות משופעים. שני שלבי הציפה משתמשים ב- Vortex Cavitation Air Flotation (CAF) ו- Partal Reflux Pressurized Solved Air Flotation (DAF), בהתאמה. שלושת השלבים הביולוגיים הם ברצף: מיכל אוורור חמצן טהור III, מיכל אוורור מפוח ומיכל ביוכימי משני (EM-BAF). זרימת התהליך מוצגת באיור 1.

2.2 תיאור אגן אוורור מפוח

אגן אוורור המפוחים הוא מתקן מחודש שנבנה במקור בשנת 1995 כחלק מיחידה לטיפול בשפכים שמנים. הוא משתמש בעיצוב תקע מסורתי של-זרימת אוורור עם נפח אפקטיבי של 3,888 מ"ר וזמן שמירה הידראולי נוכחי (HRT) של כ-17.6 שעות. האגן פועל בשתי רכבות מקבילות, כל אחת עם ארבעה תאים. מאווררים מותקנים בתחתית, מסופקים על ידי מפוחים צנטריפוגליים כדי לספק חמצן למטבוליזם של בוצה פעילה. הוא מצויד גם בשני מבהירים משניים (Φ18m x 5m).

בתוך המערכת הביולוגית התלת-שלבית:

• שלב 1 (מיכל אוורור חמצן טהור III): הפונקציה העיקרית היא הסרת COD.
• שלב 2 (מיכל אוורור מפוח): הפונקציה העיקרית היא סילוק חנקן אמוניה (NH₃-N), פונקציה משנית היא הסרת COD נוספת.
• שלב 3 (מכל ביוכימי משני - EM-BAF): פונקציות לליטוש נוסף של קולחין COD ו-NH₃-N, הבטחת איכות המים הסופית.

2.3 איוורור מפוח אגן השפעה ואיכות קולחים

ההשפעה לאגן אוורור המפוח מגיע ממיכל אוורור חמצן טהור III, עם מגבלות מזהמים: CODcr פחות או שווה ל-300 מ"ג/ליטר, NH₃-N פחות או שווה ל-30 מ"ג/ליטר, מוצקים מרחפים (SS) פחות או שווה ל-50 מ"ג/ליטר.

הקולחים שלו מזינים את המיכל הביוכימי המשני, עם מגבלות: CODcr פחות או שווה ל-120 מ"ג/ליטר, NH₃-N פחות או שווה ל-30 מ"ג/ליטר, SS פחות או שווה ל-50 מ"ג/ליטר.

הקולחים הסופיים מהמיכל הביוכימי המשני חייבים לעמוד ב: CODcr פחות או שווה ל-70 מ"ג/ליטר, נפט פחות או שווה ל-5 מ"ג/ליטר, NH₃-N פחות או שווה ל-3 מ"ג/ליטר.

לאורך 2021, ה-CODcr הממוצע של השפעת האגן היה 67.094 מ"ג/ליטר, וה-NH₃-הממוצע היה 23.098 מ"ג/ליטר, שניהם עונים על דרישות התכנון. עם זאת, COD בעל השפעה נמוכה במיוחד הוביל למחסור במקור פחמן עבור הבוצה הפעילה, והשפיע על חילוף החומרים הרגיל שלה. לעומת זאת, מספיק חנקן אמוניה וריכוז נמוך של מזהמים אורגניים במשקאות המעורבים העדיפו ניטריפיקציה, שהתנהלה ביעילות.

3. גורמי השפעה תפעוליים ואמצעי בקרה

3.1 השפעת עומס משפיע נמוך והזדקנות בוצה

עם COD משפיע ב-67.094 מ"ג/ליטר- מתחת לגבול התכנון (פחות או שווה ל-300 מ"ג/ליטר) וגם לדרישת הפחמן המיקרוביאלי (כ. 100 מ"ג/ליטר BOD₅)-הבוצה הפעילה חוותה מחסור במקור פחמן. העומס הנמוך הביא לצמיחת בוצה איטית, מה שגרם לה להזדקן וליצור מבנה רופף. בוצה מתה מיושנת נוצרה חלאות צפות על משטח הבירור המשני. בהיעדר ציוד לאיסוף חלאות, חלאה זו זרמה החוצה עם הקולחים, גרמה לעכירות, חריגה ממגבלות COD ו-SS, ובעקבות כך העמסת יתר על המיכל הביוכימי המשני במורד הזרם, והשפיעה על איכות הקולחין הסופית שלו.

לִנְקוֹט בְּצַעֲדֵי נֶגֶד: צוות ההפעלה שלט בריכוז ה-Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS). באמצעות גליל מדורג של 1000 מ"ל עבור מבחן נפח הבוצה של 30 דקות (SVI), הם שמרו על SVI סביב 20%, המקביל ל-MLSS של כ-2 גרם/ליטר. יעילות הסרת מזהמים מאוזנת עם מניעת הזדקנות בוצה, ציפה והידרדרות באיכות המים. הצמיחה האיטית של הבוצה פירושה בזבוז בוצה מינימלי ולא תדיר, מה שמאפשר לחיידקים המחנקים זמן שהייה העולה על זמן הייצור המינימלי שלהם, מה שמקדם עוד יותר ניטריפיקציה.

3.2 השפעת בקרת חמצן מומס (DO).

מיקרואורגניזמים בבוצה פעילה הם בעיקר אירוביים, בדרך כלל דורשים DO בין 1-3 מ"ג/ליטר. תקנים תאגידיים קובעים את טווח ה-DO עבור אגני אוורור מסורתיים עם זרימת תקע ב-2-4 מ"ג/ליטר, כאשר ניטריפיקציה דורשת DO בדרך כלל לא מתחת ל-2.0 מ"ג/ליטר. עומס ההשפעה הנמוך הנוכחי והפחתת ריכוז ה-MLSS הפחיתו את דרישת ה-DO, מה שהפך את השליטה למאתגרת. שמירה על ערבוב מלא העלתה לעתים קרובות את ה-DO מעל 4 מ"ג/ליטר, בעוד ששליטה ב-DO בטווח היעד הובילה לפעמים לערבוב לא מספק באזורים מסוימים, מה שגרם לשקיעת בוצה.

יתר על כן, DO גבוה מאיץ את פירוק החומר האורגני, ומחמיר את הזדקנות הבוצה. לכן, בפועל, DO נשלט בסביבות 3 מ"ג/ליטר. בנוסף, כל שסתומי האוויר מותאמים מדי חודש לערך כדי לשפר את אחידות הערבוב, להפעיל מחדש פקקים רדומים ולשמור על ביומסה פעילה.

3.3 השפעת טמפרטורת המים

הטמפרטורה משפיעה באופן משמעותי על פעילות החיידקים. טמפרטורות מתאימות מעודדות פעילות, בעוד טמפרטורות נמוכות מעכבות או מפחיתות אותה, וטמפרטורות גבוהות יכולות לשנות את הפיזיולוגיה או לגרום למוות. במערכת זו, חיידקים תרמופילים הם הקבוצות הפונקציונליות העיקריות. למען בטיחות המערכת, הטמפרטורה נשמרת בדרך כלל בין 15-35 מעלות, אם כי הטווח המתאים הוא 10-45 מעלות. מעבר ל-30 מעלות יכול לסנן חלבוני ניטריפייר, להפחית את פעילותם. הבוצה המופעלת מכילה גם חיידקים מפרקים ({10}}COD וגם חיידקים מחנקים, כאשר לניטריפיקציה יש טווח אופטימלי צר יותר של 5-30 מעלות.

מי השפכים המלוחים מכילים זרמי-טמפרטורות גבוהות. תקריות קודמות כללו ימים רצופים של טמפרטורת השפעה העולה על 40 מעלות, מה שהוביל להתפוררות בוצה, מוות של מפרקי COD- ומנטרפי חום, וקריסת מערכת. לאחר מכן, הותקן מדחום על קו מיכל האיזון כדי לשלוט בקפדנות על טמפרטורת הפריקה שלא תעלה על 40 מעלות, ועומד בדרישות טמפרטורת הבוצה. לא התרחשו תקריות דומות שהשפיעו על ניטריפיקציה ב-2021.

3.4 השפעת האלקליניות

על פי תקני הארגון הרלוונטיים, בעת שימוש בבוצה פעילה להסרת אמוניה, יחס האלקליניות הכולל המשפיע לחנקן אמוניה לא צריך להיות פחות מ-7.14; אחרת, יש להשלים את הבסיסיות. עם NH₃-N בהשפעת עיצוב של 30 מ"ג/ליטר וממוצע בפועל של 23.098 מ"ג/ליטר, הבסיסיות הכוללת הנדרשת היא לא פחות מ-214.2 מ"ג/ליטר. נכון לעכשיו, הבסיסיות המשפיעה אינה מספקת, ומחייבת תוספת יומית של אפר סודה (Na₂CO₃) כדי לעמוד בדרישות התהליך.

3.5 השפעת pH וחומרים רעילים

Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 או<5 should be neutralized before entering the aeration basin.

מטבוליזם מיקרוביאלי אירובי יכול לחסן באופן מתון שינויים ב-pH. לדוגמה, ניצול תרכובות חנקן יכול להוריד את ה-pH במהלך הניטריפיקציה, בעוד שהדקרבוקסילציה מייצרת אמינים אלקליים, ומעלה את ה-pH. זה מאפשר הסתגלות לטווח ארוך-לשפכים חומציים/אלקליים קלים. הבסיסיות המובנית של מי השפכים גם עוזרת לעכב את ירידת ה-pH.

עם זאת, שינויי pH דרסטיים (למשל, זרימה פתאומית של אלקליין למערכת חומצית) משפיעות באופן משמעותי על חיידקים ויכולים לשבש את פעולתם. לכן, הצורך בנטרול תלוי במקרה הספציפי. תנודות pH קלות ועקביות, במיוחד עם חומצות/בסיסים חלשים, עשויות שלא לדרוש נטרול. תנודות גדולות יותר מחייבות התאמת pH לנייטרלי.

חיידקים מחנקים הם רגישים מאוד ל-pH-, עם ניטריפיקציה אופטימלית ב-pH 7.2-8.0, בעוד שחיידקים כלליים מעדיפים 6.5-8.5. עבור שפכים תעשייתיים ספציפיים, סוגי חומרים רעילים קבועים לרוב, אך ריכוזים ונפחי הזרמה משתנים. מלבד השוויון, יש לנטר ולבקר את רמות החומר הרעיל המשפיע. לאחר אקלום בוצה, יש לקבוע גבול ריכוז השפעה מקסימלי בהתבסס על דרגת אקלום וניסיון תפעולי. חריגה ממושכת מחייבת אמצעים כמו הפחתת זרימה, הגדלת מיחזור הבוצה או הגברת החמצן כדי למנוע הרעלת חיידקים וכישלון בטיפול. נכון לעכשיו, לא התגלו חומרים רעילים הגורמים להרעלת חיידקים במי ההשפעה של האגן.

3.6 השפעת עומסי הלם משפיעים

ה-COD המשפיע נשאר נמוך באופן יציב עם תנודות קלות, ו-NH₃-N ו-Total Nitrogen (TN) גם הם נשארים בטווחים יציבים יחסית לאורך תקופות ארוכות. אוכלוסיית הניטריפיירים נשארת קבועה יחסית. עם זאת, בשל קצב הצמיחה האיטי שלהם, עלייה פתאומית ומשמעותית ב-NH₃-N או TN המושפעים יכולה להרוות את יכולת ההסרה של האגן, ולסכן את איכות הקולחים NH₃-N ו-TN.

תיאורטית, הביקוש ל-N ו-P של חיידקים עוקב אחר יחס BOD₅:N:P של 100:5:1. עם זאת, תכולת N ו-P משתנה מאוד עם סוג שפכים תעשייתיים. חלק מהמי שפכים גבוהים ב-N ו-P, הדורשים הסרה כדי לעמוד בתקנים. אחרים סובלים ממחסור, ומצריכים תוספת כדי להימנע מהגבלת חילוף החומרים. להפעלת אגנים המטפלים בשפכים נמוכים ב-N/P, רמות שפע של כ-10 מ"ג/ליטר NH₃-N ו-5 מ"ג/ליטר פוספט יכולות לענות על הצרכים המיקרוביאליים. רמות ממושכות מתחת לאלה דורשות מינון N/P מוגבר.

פעולה יומיומית דורשת ניטור צמוד של NH₃-N ו-TN בכל זרמי ההשפעה ושפכי מיכל ההשוואה, כמו גם בזרמי מיחזור ממיכלי התאמה, כדי למנוע עומס יתר על יחידת הליטוש במורד הזרם ומאיים על בטיחות מי הפריקה הסופית.

4. מסקנה

בתור כור הניטריפיקציה הליבה ביחידה לטיפול בשפכים מלוחים, אגן אוורור המפוחים דורש ניטור יומי צמוד של טמפרטורת המים, השפעת NH₃-N ו-TN. שליטה קפדנית על ריכוז MLSS, שמירה על DO סביב 3 מ"ג/ליטר והבטחת תוספת בסיסית נאותה הם חיוניים. תחת אמצעים אופטימליים אלה, המערכת פועלת ביציבות עם איכות שפכים מעולה: COD ממוצע של 54.213 מ"ג/ליטר, NH₃-N של 9.678 מ"ג/ליטר ו-SS של 23.849 מ"ג/ליטר, ועומדים במלואם בדרישות ההשפעה של המיכל הביוכימי המשני. בדיקות מתמשכות, סיכום ואופטימיזציה מהיבטים מרובים הם גם חיוניים כדי להבטיח עוד יותר את אמינות הציוד ויעילות הטיפול במערכת.