Eftermontering och prestandastudie av Fine-Bubble Aeration System i en kommunal avloppsreningsanläggning

Eftermontering och prestandastudie av Fine-Bubble Aeration System i en kommunal avloppsreningsanläggning

Introduktion

För närvarande inkluderar de viktigaste processerna för avloppsvattenrening som används i Kina oxidationsdike, SBR, aktivt slam och andra. Oxidationsdikeprocessen har problemet med hög energiförbrukning, särskilt i den biologiska delen, som står för 65 %–80 % av den totala energiförbrukningen. Vanlig luftningsutrustning som används i oxidationsdikeprocesser inkluderar luftningsborstar, luftningsskivor, vertikala axelluftare och finbubblor. Till exempel, efter att ett kommunalt reningsverk i en viss stad bytte från traditionell ytmekanisk luftning till bottenfin-bubbelluftning, minskade energiförbrukningen med 20,11 %, samtidigt som reningsvattnets kvalitet blev mer stabil. Dessutom har fin-bubbelluftning kännetecknet för zonerad syretillförsel, vilket kan ge exakt syretillförsel i enlighet med syrebehovet i olika områden av oxidationsdiket, vilket ytterligare förbättrar kväve- och fosforavskiljningseffektiviteten.

Ytluftningssystemet vid ett visst kommunalt reningsverk hade varit i drift i över tio år, med allvarliga åldrande av utrustning och driftssvårigheter. Det var svårt att uppfylla de senaste utsläppsnormerna, vilket gjorde teknisk renovering brådskande. Det här projektet uppgraderade systemet till ett fint-bubbelluftningssystem, som avsevärt kan minska energiförbrukningen, optimera driften, förlänga utrustningens livslängd och minska underhållskostnaderna, i linje med nationella policyer för energibesparing och utsläppsminskning. Detta renoveringsprojekt implementerade gröna byggmetoder under demontering och installation av utrustning: klassificerad återvinning av gammal utrustning, införande av prefabricerad installation och användning av maskiner med låg-buller och låg-emission, vilket uppnådde "process-konstruktion" tvådimensionella-energibesparingar och stödja den hållbara utvecklingen av vattenreningsverket.

1 Projektöversikt

1.1 Nuvarande situation

Ett kommunalt reningsverk i en viss stad har en total kapacitet på 50 000 ton/dygn, byggt i tre etapper. Fas I antog oxidationsdikeprocessen, Fas II och avancerad behandlingsprojektet antog också oxidationsdikeprocessen, med efterföljande avancerad behandling med koagulationssedimentering + tygmediafiltrering + ultraviolett desinfektionsprocess. Fas III antog den modifierade A²O-processen. För närvarande uppfyller avloppsvattnet standarden DB32/1072-2018.

1.2 Befintliga problem

1.2.1 Externt rörnätverk

Avloppsvattnet inom uppsamlingsområdet för denna anläggnings ledningsnät inkluderar bidrag från många industriföretag. Under daglig drift kan det förekomma påverkan från onormalt avloppsvatten från industriföretag, vilket gör att DO-värdet i den biologiska tanken blir mycket lågt, till och med når 0 mg/L, vilket inte uppfyller produktionskraven. Samtidigt, på grund av förändringar i yttre förhållanden, eftersom fler industriföretag inom serviceområdet släpper ut avloppsvatten i ledningsnätet, kommer denna anläggning att möta mer allvarligt inflytande vattenkvalitet i framtiden. När väl inflödet fluktuerar kommer löst syre i den biologiska tanken att minska avsevärt, och justeringsområdet för luftningsvolymen från de roterande skivorna är begränsat. Under vissa perioder når DO i den aeroba tanken 0 mg/L, vilket tvingar anläggningen att minska behandlingskapaciteten som svar, vilket avsevärt påverkar den biologiska tankens aeroba miljö och behandlingskapaciteten.

1.2.2 Låg DO i luftningstank

På grund av fel på roterande skivor som orsakar låg syresättningseffektivitet hos luftare, under faktisk produktionsdrift, visar historiska driftsdata att de genomsnittliga DO-värdena från instrument i mitten och utloppet av luftningstanken inte överstiger 1 mg/L, varvid den lägsta når 0 mg/L, vilket allvarligt påverkar biokemisk reaktions effektivitet.

1.2.3 Hög energiförbrukning

Fas I och II biologiska tankar i denna anläggning är i form av oxidationsdike. Fas I-oxidationsdiket använder 8 roterande skivluftare med en effekt på 18,5 kW, med en total ytluftareffekt på 148 kW. Fas II oxidationsdike är en fyr-kanals karruselldike, med 13 Hitachi självsugande luftare, inklusive 2 uppsättningar på 11 kW, 2 uppsättningar på 18,5 kW och 9 uppsättningar på 15 kW, med en total yteffekt på 194 kW. Under normal drift, för att säkerställa tillräcklig vattenvolym, på grund av den låga syresättningseffektiviteten hos den befintliga syrgasförsörjningsutrustningen, måste alla luftare vara helt påslagna.

Strömförbrukningen per ton vatten för fas I och II luftare är: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/ton. Baserat på en undersökning av energiförbrukningen för det biologiska systemet vid flera omgivande kommunala reningsverk för hushållsreningsverk är energiförbrukningen för en kommunal anläggning för hushållsavlopp på 25 000 ton/dag som använder ett bottenfin-bubbelluftningssystem i allmänhet 0,09–0,1 RMB/ton. Energiförbrukningen för den roterande skivluftaren är 2,4–2,7 gånger den för det bottenfina-bubbelluftningssystemet, vilket indikerar relativt hög energiförbrukning.

1.2.4 Hög utrustningsfelfrekvens

När roterande skivluftare åldras ökar antalet fel på utrustningen gradvis. Efter 11 års drift vid denna anläggning utvecklade det roterande skivluftningssystemet skivdeformation, vilket orsakade hög utrustningsbelastning och betydande vibrationer. Lång-användning ledde till att botten lossnade, vilket resulterade i felinriktning i båda ändar och andra problem, vilket orsakade ökat lagerslitage och hög felfrekvens. Huvudaxlar, pumphjul, kopplingar och basväxlar har genomgått flera reparationer eller byten, och har i huvudsak nått bytespunkten. De självsugande luftarnas lager och luftarhuvudblad var kraftigt slitna. Färsk statistik visar att anläggningen genomgick nästan 30 reparationer årligen för roterande skivluftare och självsugande luftare.

2 Design av teknisk lösning för eftermontering

Det övergripande tillvägagångssättet för eftermontering är: ta bort de ursprungliga roterande skivluftarna och byt ut dem mot bottenluftning med -bubbel, med motsvarande tillägg av fläktar; höja avloppsdammen i den biologiska tanken för att öka den biologiska tankens effektiva vattendjup; lägg till blandare i den aeroba delen med hjälp av den ursprungliga kanalstrukturen för att förhindra lokal slamackumulering.

2.1 Val av luftare och layout

2.1.1 Parametrar för luftarskiva

EPDM-membranluftarskiva modell DD330 valdes, som visas iBild 1, med specifika parametrar som visas iTabell 1.

2.1.2 Layout för luftarens skiva

Antal luftarskivor: Fas I tankbottennettoarea 864 m², Fas II tankbottennettoarea 1 412 m², genomsnittlig servicearea 0,8 m²/skiva, med en säkerhetsfaktor på 1,05–1,10. Det slutliga totala antalet luftningsskivor bestämdes: Fas I 1 150 skivor, Fas II 1 900 skivor.

Layoutprincip: Jämnt fördelat i ett vanligt triangulärt rutmönster. Avstånd från tankväggen Större än eller lika med 0,3 m för att undvika döda zoner; avstånd från kanalvägg Större än eller lika med 0,4 m för att underlätta underhållet. Fördela längs vattenflödesriktningen, med en elektrisk luftregleringsventil per zon för att uppnå DO-zonstyrning. Undvik sugportar för slampumpar, provtagningstråg och kabelrännor, lokalt justera avståndet till 1,5 m samtidigt som servicearea per skiva är mindre än eller lika med 0,8 m².

Installationshöjd och rörgradering: Membranskivans övre yta är 0,25 m från tankens botten, vilket säkerställer nedsänkning Större än eller lika med 5,0 m vid minsta vattennivå för att förhindra fläktstöt. Grenrör använder ABS DN50 med perforerad luftfördelning; huvudrören är anordnade i en slinga, med lufthastigheten styrd till 10–12 m·s⁻¹, material SS304. Ett par snabbkopplingar med fläns- tillhandahålls för var tionde skiva, vilket möjliggör totallyftning för underhåll utan att tömma tanken.

2.2 Optimering av fläktsystem

2.2.1 Lägga till fläktar

Importerade luftfjädringsfläktar köptes in som huvudenheter och ett nytt fläktrum byggdes med luftkanaler i rostfritt stål.

2.2.2 Val av fläkt

Baserat på de faktiska driftsförhållandena för anläggningen och med tanke på framtida förändringar av vattenkvaliteten, skiljer sig den inflytande COD-koncentrationen i eftermonteringsplanen inte signifikant från designvärdet, med en genomsnittlig koncentration på cirka 320 mg/L. BOD-koncentrationen beräknades baserat på Fas III-designvärdet på 150 mg/L, och andra influensindikatorer beräknades baserat på Fas III-designinfluenskoncentrationer. Den erforderliga driftsluftmängden för fas I och II av anläggningen är 103,7 m³/min (6 225,1 m³/h, två driftenheter och en standby, enkel enhet luftvolym 50 m³/min).

Med tanke på olika faktorer, köptes två importerade luftfjädringsfläktar NX75-C060 som huvudenheter för Fas I och II. Ett nytt fläktrum behövde byggas, preliminärt beläget på den södra sidan av den ursprungliga slamavvattningsverkstaden, med rostfria luftkanaler tillsatta i oxidationsdiket. Fläktparametrar: lufttryck 0,049 MPa, luftvolym 50 m³/min, med maximal uteffekt på 64,3 kW under dessa driftsförhållanden.

2.2.3 Eftermontering av luftningssystem

Luftningsmetoden ändrades till bottenluftning. Fas I och II biologiska tankar använder motsvarande antal skivluftare och UPVC-luftningsrör. Specifik tillvägagångssätt för eftermontering: Fas I biologisk tank förväntas använda 780 uppsättningar DD330 skivluftare och UPVC luftningsrör, Fas II biologisk tank förväntas använda 1 276 uppsättningar DD330 skivluftare och UPVC luftningsrör, med en enstaka luftningsluftvolym på 3,45 m³/h. Luftarhuvudets layout visas iFigurerna 2 och 3.

2.3 Processparameteroptimering

2.3.1 Oxidationsdikeszonindelning och DO-kontrollstrategi

Längs oxidationsdikets vattenflödesriktning är luftningssektionen indelad i fyra zoner. Zon 1: DO 0,3–0,5 mg/L, Zon 2: DO 0,2–0,3 mg/L, Zon 3: DO 1,5–2,0 mg/L, Zon 4: DO 1,0–1,5 mg/L. Ett processinstrument för ammoniakkväve är installerat vid punkten med högsta nitrifikationsreaktionshastighet mellan zon 2 och zon 3, vilket slutligen kontrollerar utflödet NH₃-N Mindre än eller lika med 1,5 mg/L.

2.3.2 Optimering av luftningsperiod

En "intermittent aeration"-modul lades till det befintliga SCADA-systemet, vilket bildar ett DO online-instrument + tid dubbel sluten slinga för att säkerställa att DO i mitten av den aeroba sektionen förblir på 0,2 mg/L. Om GÖR<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 Eftermonteringseffektanalys

Effekten av denna tekniska eftermontering på den totala processdriften undersöktes genom att jämföra förändringar i avloppsföroreningar före och efter ombyggnaden.

3.1 Jämförelse av avloppsvattenkvalitet före och efter eftermontering

Avloppsvattenkvaliteten före och efter eftermontering tenderade att vara stabil, som visas iFigur 4. Före och efter eftermontering förblev den genomsnittliga COD-avloppsvattnet under 30 mg/L, TP förblev i princip Mindre än eller lika med 0,3 mg/L, NH₃-N Mindre än eller lika med 1,5 mg/L, medan TN fluktuerade runt 10 mg/L. Den totala vattenkvaliteten nådde kvasi-klass IV ytvattenstandarder, vilket vida översteg de utsläppsstandarder som krävs för anläggningen.

För att mer intuitivt analysera den möjliga inverkan av eftermonteringen på vattenkvaliteten jämfördes-trenderna för avloppsvattenkvaliteten på ett år före och efter ombyggnaden, vilket gav resultatFigur 5. Det framgår av figuren att fluktuationerna i COD- och TP-avloppskoncentrationer efter eftermontering var mer stabila än före eftermontering, utan att beakta effekterna av förändringar i influenskoncentrationen. Även om medelvärdena för kväveindikatorer ökade jämfört med före eftermontering, var den övergripande trenden relativt stabil, vilket resulterade i lägre total energiförbrukning för anläggningar och besparingar av kemikalier.

3.2 Jämförelse av avlägsnande av föroreningar före och efter eftermontering

På grund av förbättringen av luftningssystemet minskade anläggningens totala elförbrukning med 1,7 % jämfört med tidigare, medan reningskapaciteten ökade med 8,33 %, och motsvarande minskning av föroreningar ökade också, som visas iBild 6. Efter beräkning ökade COD-reduktionen med 948,5 ton, TP ökade med 7,0 ton, NH₃-N ökade med 100,4 ton och TN ökade med 125,9 ton.

Det faktiska avlägsnandet av föroreningar ändrades också i enlighet med detta, som visas iTabell 2. Efter eftermontering, förutom en minskning av NH₃-N-borttagningshastigheten, ökade borttagningsfrekvensen för alla andra indikatorer.

3.3 Jämförelse av energiförbrukning före och efter eftermontering

Energiförbrukningen för detta renoveringsprojekt visas iTabell 3. Efter eftermontering minskade strömförbrukningen per ton vatten för fas I-systemet för biologisk tankluftning med 67,3 % och för fas II minskade med 80,9 %. Den totala genomsnittliga energiförbrukningen för anläggningen per ton vatten minskade med 55,3 %, vilket visar på betydande energibesparande effekter-. Anläggningens totala energiförbrukning per ton vatten minskade till 0,21 kW·h/m³, inom intervallet för energiförbrukningsvärden för liknande oxidationsdikeprocesser i hela landet (0,292±0,192) kW·h/m³. Effektförbrukningen per viktenhet förorening före och efter eftermontering för hela anläggningen visas iTabell 4. Efter eftermontering av det övergripande luftningssystemet för anläggningen, minskade energiförbrukningen per 1 kg behandlad COD med 26,2 %, per 1 kg behandlad TP minskade med 15,7 %, per 1 kg behandlad NH₃-N minskade med 29,3 % och per 1 kg behandlad TN minskade med 1%,10} vilket visar en bra energieffekt på 1%,10}.

3.4 Kemisk jämförelse före och efter eftermontering

Före eftermontering, på grund av frekventa fel på luftningssystemet, var DO i det biologiska systemet svårt att kontrollera, och uppfyllande av kväveindikatorstandarder krävde extern kolkälla för att säkerställa borttagningseffektivitet. Efter eftermontering behövdes i princip inte längre tillsats av extern kolkälla. Efter eftermontering förbättrades den biologiska fosforborttagningen och denitrifieringseffektiviteten avsevärt, och den medföljande fosforborttagningskemikalien PAC och slamavvattningskemikalien PAM reducerades i motsvarande grad. De årliga kemikaliekostnaderna minskade med cirka 167 000 RMB jämfört med tidigare. Specifika ändringar visas iTabell 5.

3.5 Jämförelse av investeringar före och efter renovering

Före eftermontering var den årliga kostnaden för ytluftare 1,6281 miljoner RMB, med årliga reparationskostnader för utrustning på inte mindre än 250 000 RMB. Efter eftermontering var den årliga kostnaden för fläktar och blandare 714 600 RMB. Baserat på denna beräkning var de årliga elkostnadsbesparingarna 913 500 RMB, plus årliga reparationskostnadsbesparingar på 250 000 RMB, totalt årliga besparingar på 1,1635 miljoner RMB. Baserat på en total investering på 3,704 miljoner RMB är återbetalningstiden 3,18 år.

3.6 Processstabilitet

Före eftermontering, under perioder av fel, hölls löst syre i den biologiska tanken mestadels under 1,0 mg/L. Efter eftermontering var löst syre i den biologiska tanken i genomsnitt 1,5–2,0 mg/L. Beroende på inflödeskoncentration och processkrav kan justeringsintervallet för löst syre vara 1,0–2,5 mg/L. När inflödeskoncentrationen är hög kan normala nivåer av löst syre i den biologiska tanken också upprätthållas genom att justera fläkteffekten. Efter eftermontering är därför stabila villkor för efterlevnad av avloppsvattnet uppfyllda.

4 Slutsats

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 kW·h, DO ofta<1 mg/L, and annual repair cost increases >15 %, kan replikera denna tekniska renovering. Baserat på elbesparingarna på 55,3 %, 3,18-års återbetalningsperiod och marginalvinsterna på 3 %–5 % ökning av minskningstakten för föroreningar från detta exempel, har renoveringsinvesteringen en hög säkerhetsmarginal och kan omedelbart frigöra kolreduktionspotentialen, vilket ger replikerbara och tillräckliga förutsättningar för gröna och koldioxidsnåla uppgraderingar av gamla oxidationsdiken.