מחקר מחודש וביצועים של מערכת -איורור בועות משובחת במפעל עירוני לטיהור שפכים

מחקר מחודש וביצועים של מערכת -איורור בועות משובחת במפעל עירוני לטיהור שפכים

מָבוֹא

כיום, התהליכים העיקריים לטיפול בשפכים המשמשים בסין כוללים תעלת חמצון, SBR, בוצה פעילה ואחרים. לתהליך תעלת החמצון יש בעיה של צריכת אנרגיה גבוהה, במיוחד בקטע הביולוגי, המהווה 65%–80% מסך צריכת האנרגיה. ציוד אוורור נפוץ המשמש בתהליכי תעלות חמצון כולל מברשות אוורור, דיסקיות אוורור, מאווררי גל אנכיים ומאווררי בועות עדינות-. לדוגמה, לאחר שמפעל עירוני לטיהור שפכים בעיר מסוימת עבר מאוורור מכני משטח מסורתי לאוורור בועות עדינות-תחתונה, צריכת האנרגיה ירדה ב-20.11%, בעוד איכות מי הטיפול הפכה יציבה יותר. בנוסף, לאוורור בועות עדינות- יש את המאפיין של אספקת חמצן אזורית, שיכולה לספק אספקת חמצן מדויקת בהתאם לדרישת החמצן באזורים שונים של תעלת החמצון, ולשפר עוד יותר את יעילות סילוק החנקן והזרחן.

מערכת האוורור העילי במתקן לטיהור שפכים עירוני מסוים פעלה למעלה מעשר שנים, עם הזדקנות ציוד רצינית וקשיי תפעול. היה קשה לעמוד בתקני הפריקה העדכניים ביותר, מה שהפך את השיפוץ הטכני לדחוף. פרויקט זה שדרג את המערכת למערכת -מאוורר בועות עדינה, שיכולה להפחית משמעותית את צריכת האנרגיה, לייעל את הפעולה, להאריך את חיי הציוד ולהפחית את עלויות התחזוקה, תוך התאמה למדיניות הלאומית של חיסכון אנרגיה והפחתת פליטות. פרויקט שיפוץ זה הטמיע שיטות בנייה ירוקה במהלך פירוק והתקנה של ציוד: מיחזור מסווג של ציוד ישן, אימוץ התקנה טרומית ושימוש במכונות-נמוכות, עם פליטה נמוכה-, השגת חיסכון באנרגיה דו-ממדית-תהליכית- ותמיכה במפעל טיפול בר-קיימא של מפעל הטיפול במים.

1 סקירת פרויקט

1.1 המצב הנוכחי

מתקן טיהור שפכים עירוני בעיר מסוימת הוא בעל קיבולת כוללת של 50,000 טון ליום, בנוי בשלושה שלבים. שלב א' אימץ את תהליך תעלות החמצון, שלב ב' ופרויקט הטיפול המתקדם אימצו גם את תהליך תעלות החמצון, ובהמשך טיפול מתקדם באמצעות שקיעת קרישה + סינון חומרי בד + תהליך חיטוי אולטרה סגול. שלב III אימץ את תהליך A²O המותאם. נכון להיום, הקולחים עומדים בתקן DB32/1072-2018.

1.2 בעיות קיימות

1.2.1 השפעת רשת צינורות חיצונית

השפכים בהיקף האיסוף של רשת הצנרת של מפעל זה כוללים תרומות ממפעלי תעשייה רבים. במהלך הפעילות היומיומית, יכולות להיות השפעות משפכים חריגים ממפעלים תעשייתיים, מה שגורם לערך ה-DO במיכל הביולוגי להיות נמוך מאוד, אפילו להגיע ל-0 מ"ג/ליטר, תוך אי עמידה בדרישות הייצור. בינתיים, עקב שינויים בתנאים החיצוניים, ככל שיותר מפעלים תעשייתיים באזור השירות יזרקו שפכים לרשת הצינורות, מפעל זה יתמודד עם איכות מים משפיעה חמורה יותר בעתיד. ברגע שהשפעה משתנה, החמצן המומס במיכל הביולוגי יקטן באופן משמעותי, וטווח ההתאמה של נפח האוורור מהדיסקים המסתובבים מוגבל. בתקופות מסוימות, ה-DO במיכל האירובי מגיע ל-0 מ"ג/ליטר, מה שמאלץ את המפעל להפחית את יכולת הטיפול בתגובה, ומשפיע באופן משמעותי על הסביבה האירובית של המיכל הביולוגי ועל יכולת הטיפול.

1.2.2 DO נמוך במיכל אוורור

עקב תקלות בדיסק מסתובב הגורמות ליעילות חמצון נמוכה של מאווררים, במהלך פעולת הייצור בפועל, נתוני תפעול היסטוריים מראים כי ערכי ה-DO הממוצעים ממכשירים באמצע וביציאה של מיכל האוורור אינם עולים על 1 מ"ג/ליטר, כאשר הנמוך ביותר מגיע ל-0 מ"ג/ליטר, מה שמשפיע קשות על יעילות התגובה הביוכימית.

1.2.3 צריכת אנרגיה גבוהה

המיכלים הביולוגיים של שלב I ו-II של מפעל זה נמצאים בצורת תעלת חמצון. תעלת חמצון שלב I משתמשת ב-8 מאווררי דיסק מסתובבים בהספק של 18.5 קילוואט, עם כוח מאוורר עילי כולל של 148 קילוואט. תעלת חמצון שלב II היא סוג של תעלת קרוסלה בארבעה-ערוצים, המשתמשת ב-13 מאווררים -עצמיים של Hitachi, כולל 2 סטים של 11 קילוואט, 2 סטים של 18.5 קילוואט, ו-9 סטים של 15 קילוואט, עם הספק כולל של מאוורר שטח של 194 קילוואט. בפעולה רגילה, כדי להבטיח נפח מים מספק, בשל יעילות החמצון הנמוכה של ציוד אספקת החמצן הקיים, יש להפעיל את כל המאווררים במלואם.

צריכת החשמל לטון מים עבור מאווררי Phase I ו-II היא: (18.5 קילוואט*7+194)*24*0.75/25,000=0.2392 RMB/טון. בהתבסס על סקר של צריכת החשמל של המערכת הביולוגית במספר מתקני טיהור שפכים ביתיים עירוניים מסביב, צריכת האנרגיה עבור מפעל שפכים ביתי עירוני של 25,000 טון ליום המשתמש במערכת איוורור בועות עדינה- היא בדרך כלל 0.09-0.1 RMB/טון. צריכת האנרגיה של מאוורר הדיסק המסתובב היא פי 2.4-2.7 מזו של מערכת איוורור הבועות הקטנות-החלק התחתון, מה שמצביע על צריכת אנרגיה גבוהה יחסית.

1.2.4 שיעור תקלות גבוה בציוד

ככל שמאווררי דיסק מסתובב מזדקנים, שיעורי הכישלון בציוד גדלים בהדרגה. לאחר 11 שנות פעילות במפעל זה, מערכת אוורור הדיסק המסתובב פיתחה עיוות דיסק, מה שגרם לעומס גבוה של ציוד ולרעידות משמעותיות. שימוש-לטווח ארוך הוביל להתרופפות התחתית, וכתוצאה מכך לאי-יישור בשני הקצוות ולבעיות אחרות, מה שגרם לבלאי מיסבים מוגבר ולשיעורי כשל גבוהים. צירים ראשיים, אימפלרים, צימודים וגלגלי שיניים בסיסיים עברו תיקונים או החלפות מרובים, ובעצם הגיעו לנקודת ההחלפה. המסבים ולהבי ראש המאוורר של המאווררים-העצמיים היו שחוקים מאוד. נתונים סטטיסטיים עדכניים מראים שהמפעל חווה כמעט 30 תיקונים מדי שנה עבור אווררי דיסק מסתובבים ומאווררים-עצמיים.

2 עיצוב של פתרון טכני לתיקון מחדש

גישת השיפוץ הכוללת היא: הסר את מאווררי הדיסק המסתובבים המקוריים והחלפתם באיוורור בועות-תחתונה, עם תוספת מתאימה של מפוחים; להעלות את צינור הקולחים של המיכל הביולוגי כדי להגדיל את עומק המים האפקטיבי של המיכל הביולוגי; הוסף מיקסרים בקטע האירובי באמצעות מבנה הערוץ המקורי כדי למנוע הצטברות בוצה מקומית.

2.1 בחירת מאוורר ופריסה

2.1.1 פרמטרים של דיסק מאוורר

נבחר דיסק ממברנת EPDM מדגם DD330, כפי שמוצג באיור 1, עם פרמטרים ספציפיים מוצגים בטבלה 1.

2.1.2 פריסת דיסק לאוורור

מספר דיסקיות המאוורר: שטח נטו תחתית מיכל שלב I 864 מ"ר, שטח נטו תחתון מיכל שלב II 1,412 מ"ר, שטח שירות ממוצע 0.8 מ"ר/דיסק, עם מקדם בטיחות של 1.05–1.10. המספר הכולל הסופי של דיסקיות המאוורר שנקבע: שלב I 1,150 דיסקים, שלב II 1,900 דיסקים.

עקרון הפריסה: פיזור שווה בתבנית רשת משולשת רגילה. מרווח מקיר הטנק גדול מ-0.3 מ' או שווה ל-0.3 מ' כדי למנוע אזורים מתים; מרווח מקיר מחיצת התעלה גדול או שווה ל-0.4 מ' כדי להקל על תחזוקה. חלוקה לאורך כיוון זרימת המים, עם שסתום בקרת אוויר חשמלי אחד לכל אזור כדי להשיג בקרת אזור DO. הימנע מיציאות יניקה של משאבת בוצה, שקתות דגימה ומגשי כבלים, תוך התאמה מקומית של המרווחים ל-1.5 מ' תוך שמירה על שטח שירות לכל דיסק קטן או שווה ל-0.8 מ"ר.

גובה ההתקנה ודירוג הצינור: המשטח העליון של דיסק הממברנה נמצא במרחק של 0.25 מ' מקרקעית המיכל, מה שמבטיח טבילה גדולה מ-5.0 מ' או שווה ל-5.0 מ' במפלס מים מינימלי כדי למנוע גל מאוורר. צינורות סניפים משתמשים ב-ABS DN50 עם חלוקת אוויר מחוררת; צינורות ראשיים מסודרים בלולאה, כאשר מהירות האוויר נשלטת ב-10-12 m·s⁻¹, חומר SS304. זוג אביזרי חיבור מהיר של- אוגן מסופק עבור כל 10 דיסקים, המאפשר הרמה כוללת לתחזוקה מבלי לרוקן את המיכל.

2.2 אופטימיזציה של מערכת מפוחים

2.2.1 הוספת מפוחים

מפוחי מתלי אוויר מיובאים נרכשו כיחידות העיקריות, ונבנה חדר מפוחים חדש בתוספת תעלות אוויר מנירוסטה.

2.2.2 בחירת מפוח

בהתבסס על תנאי ההפעלה בפועל של המפעל ובהתחשב בשינויים עתידיים באיכות המים, ריכוז ה-COD המשפיע בתכנית השיפוץ אינו שונה מהותית מערך התכנון, עם ריכוז ממוצע של כ-320 מ"ג/ליטר. ריכוז ה-BOD חושב על סמך ערך התכנון של שלב III של 150 מ"ג/ליטר, ואינדיקטורים משפיעים אחרים חושבו על סמך ריכוזי השפעת שלב III בתכנון. נפח האוויר התפעולי הנדרש עבור שלב I ו-II של המפעל הוא 103.7 מ"ק לדקה (6,225.1 מ"ק לשעה, שתי יחידות עבודה וכוננות אחת, נפח אוויר יחידה 50 מ"ק לדקה).

בהתחשב באופן מקיף בגורמים שונים, שני מפוחי מתלי אוויר מיובאים NX75-C060 נרכשו כיחידות העיקריות לשלב I ו-II. היה צורך לבנות חדר מפוחים חדש, הממוקם באופן טנטטיבי בצד הדרומי של בית המלאכה המקורי לפיזור בוצה, עם תעלות אוויר מנירוסטה שנוספו לתעלת החמצון. פרמטרי מפוח: לחץ אוויר 0.049 MPa, נפח אוויר 50 m³/min, עם הספק מרבי של 64.3 קילוואט בתנאי הפעלה אלו.

2.2.3 תיקון מערכת אוורור מחדש

שיטת האוורור שונתה לאוורור תחתית. מיכלים ביולוגיים של שלב I ו-II משתמשים במספרים המקבילים של מאווררי דיסק וצינורות אוורור UPVC. גישת שיפוץ ספציפית: מיכל ביולוגי שלב I צפוי להשתמש ב-780 סטים של מכשירי אוורור דיסקים DD330 וצינורות אוורור UPVC, מיכל ביולוגי שלב II צפוי להשתמש ב-1,276 סטים של מאווררי דיסק DD330 וצינורות אוורור UPVC, עם נפח אוויר הפעלה של מאוורר יחיד של 3.45 מ"ר לשעה. פריסת ראש המאוורר מוצגת באיורים 2 ו-3.

2.3 אופטימיזציה של פרמטרי תהליך

2.3.1 אסטרטגיית בקרת DO של תעלת חמצון

לאורך כיוון זרימת המים של תעלת החמצון, קטע האוורור מחולק לארבעה אזורים. אזור 1: DO 0.3-0.5 מ"ג/ליטר, אזור 2: DO 0.2-0.3 מ"ג/ליטר, אזור 3: DO 1.5-2.0 מ"ג/ליטר, אזור 4: DO 1.0-1.5 מ"ג/ליטר. מכשיר לתהליך חנקן אמוניה מותקן בנקודה של קצב תגובת הניטריפיקציה הגבוה ביותר בין אזור 2 לאזור 3, ובסופו של דבר שולט בקולחים NH₃-N פחות או שווה ל-1.5 מ"ג/ליטר.

2.3.2 אופטימיזציה של תקופת האוורור

מודול "אוורור לסירוגין" נוסף למערכת ה-SCADA הקיימת, ויצר מכשיר DO מקוון + זמן לולאה סגורה כפולה כדי להבטיח שה-DO באמצע הקטע האירובי יישאר ב-0.2 מ"ג/ליטר. אם DO<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 ניתוח אפקטים של Retrofit

ההשפעה של תיקון הנדסי זה על פעולת התהליך הכוללת נבחנה על ידי השוואת שינויים במזהמי קולחים לפני ואחרי התיקון.

3.1 השוואה של איכות מי קולחין לפני ואחרי תיקון מחדש

איכות מי הקולחים לפני ואחרי תיקון מחודש נטתה להיות יציבה, כפי שמוצג באיור 4. לפני ואחרי תיקון מחודש, COD ממוצע של קולחין נשאר מתחת ל-30 מ"ג/ליטר, TP נשאר בעצם פחות או שווה ל-0.3 מ"ג/ליטר, NH₃-N פחות או שווה ל-1.5 מ"ג/ליטר, בעוד ש-TN נע סביב 10 מ"ג/ליטר. איכות המים הכוללת הגיעה למעין-תקני מים עיליים מסוג IV, חורגת בהרבה מתקני ההזרמה הנדרשים למפעל.

כדי לנתח בצורה אינטואיטיבית יותר את ההשפעה האפשרית של השיפוץ על איכות המים, הושוו מגמות איכות מי קולחין לשנה אחת לפני ואחרי השיפוץ, והניבו תשואהאיור 5. ניתן לראות מהאיור שללא התחשבות בהשפעה של שינויי ריכוזי השפעות, התנודות בריכוזי קולחין COD ו-TP לאחר השיפוץ היו יציבות יותר מאשר לפני התיקון. למרות שהערכים הממוצעים של מדדי חנקן עלו בהשוואה לפני התיקון, המגמה הכללית הייתה יציבה יחסית, והביאה לצריכת אנרגיה כוללת נמוכה יותר של המפעל וחיסכון בכימיקלים.

3.2 השוואה של סילוק מזהמים לפני ואחרי תיקון מחדש

עקב השיפור במערכת האוורור, צריכת החשמל הכוללת של המפעל ירדה ב-1.7% לעומת קודם לכן, בעוד יכולת הטיפול גדלה ב-8.33%, והפחתת מזהמים מקבילה גדלה אף היא, כפי שמוצג ב-איור 6. לאחר חישוב, הפחתת COD גדלה ב-948.5 טון, TP גדלה ב-7.0 טון, NH₃-N גדלה ב-100.4 טון, ו-TN גדלה ב-125.9 טון.

גם פינוי מזהמים בפועל השתנה בהתאם, כפי שמוצג בטבלה 2. לאחר התיקון, למעט ירידה בשיעור ההסרה של NH₃-N, שיעורי ההסרה של כל האינדיקטורים האחרים עלו.

3.3 השוואת צריכת אנרגיה לפני ואחרי תיקון מחדש

צריכת האנרגיה של פרויקט שיפוץ זה מוצגת בטבלה 3. לאחר שיפוץ, צריכת החשמל לטון מים עבור מערכת אוורור מיכל ביולוגי שלב I ירדה ב-67.3%, ובשלב ב' ירדה ב-80.9%. צריכת החשמל הממוצעת הכוללת של המפעל לטון מים ירדה ב-55.3%, מה שמוכיח השפעות משמעותיות של חיסכון באנרגיה.- צריכת החשמל הכוללת של המפעל לטון מים ירדה ל-0.21 קילוואט לשעה/מ³, בטווח של ערכי צריכת האנרגיה עבור תהליכי תעלת חמצון דומים בפריסה ארצית (0.292±0.192) קילוואט לשעה/מ³. צריכת החשמל ליחידת משקל של מזהם לפני ואחרי התיקון למפעל הכולל מוצגת בטבלה 4. לאחר תיקון מחודש של מערכת האוורור הכוללת של המפעל, צריכת החשמל לכל ק"ג COD שטופל ירדה ב-26.2%, לכל ק"ג TP שטופל ירדה ב-15.7%, לכל ק"ג של NH₃-N שטופל ירדה ב-29.3%, ולכל ק"ג של TN שטופלה ירדה ב-1%,10} והשפעה טובה{10}המראה אנרגיה.

3.4 השוואה כימית לפני ואחרי תיקון מחדש

לפני התיקון, עקב כשלים תכופים של מערכת האוורור, קשה היה לשלוט ב-DO במערכת הביולוגית, ועמידה בתקני מחוון חנקן דרשה תוספת של מקור פחמן חיצוני כדי להבטיח יעילות ההסרה. לאחר תיקון מחודש, בעצם כבר לא היה צורך בהוספת מקור פחמן חיצוני. לאחר שיפוץ מחודש, יעילות סילוק זרחן ביולוגית ויעילות דניטריפיקציה השתפרה באופן משמעותי, והצטמצמו בהתאם להסרת זרחן כימיקל PAC וכימיקל פיזור בוצה. עלויות הכימיקלים השנתיות ירדו בכ-167,000 יואן בהשוואה לקודם. שינויים ספציפיים מוצגים בטבלה 5.

3.5 השוואת השקעות לפני ואחרי תיקון מחדש

לפני השיפוץ המחודש, העלות השנתית למאווררים עיליים הייתה 1.6281 מיליון יואן, עם עלויות שנתיות של תיקון ציוד של לא פחות מ-250,000 יואן. לאחר שיפוץ, העלות השנתית למפוחים ולמיקסרים הייתה 714,600 יואן. בהתבסס על חישוב זה, החיסכון השנתי בעלויות החשמל היה 913,500 יואן, בתוספת חיסכון שנתי בעלויות התיקון של 250,000 יואן, סה"כ חיסכון שנתי של 1.1635 מיליון יואן. בהתבסס על השקעה כוללת של 3.704 מיליון יואן, תקופת ההחזר היא 3.18 שנים.

3.6 יציבות תהליך

לפני התיקון, בתקופות של תקלה, החמצן המומס במיכל הביולוגי נשמר לרוב מתחת ל-1.0 מ"ג/ליטר. לאחר תיקון, החמצן המומס במיכל הביולוגי היה בממוצע 1.5-2.0 מ"ג/ליטר. בהתאם לריכוז ההשפעה ולדרישות התהליך, טווח התאמת החמצן המומס יכול להיות 1.0-2.5 מ"ג/ליטר. כאשר ריכוז ההשפעה גבוה, ניתן לשמור על רמות חמצן מומס תקינות במיכל הביולוגי גם על ידי התאמת תפוקת המפוח. לכן, לאחר תיקון מחודש, מתקיימים תנאי עמידה בקולחים יציבים.

4 מסקנה

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 קילוואט לשעה, DO לעתים קרובות<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%, יכולים לשחזר את השיפוץ הטכני הזה. בהתבסס על חיסכון של 55.3% בחשמל, תקופת החזר של 3.18- שנים והיתרונות השוליים של עלייה של 3%-5% בשיעורי הפחתת המזהמים מדוגמה זו, להשקעה בשיפוץ יש מרווח בטיחות גבוה ויכולה לבטל מיד את פוטנציאל הפחתת הפחמן, ולספק תנאים ניתנים לשכפול ומספקים לשדרוג תעלות חמצון ישנות ודל פחמן.