Granskning av energibesparing och koldioxidreduktion av luftningssystem i avloppsreningsverk
I slutet av 2020 hade Kina 4 326 kommunala -reningsverk (reningsverk) på nivån och över avloppsvatten (WWTP), som renade 65,59 miljarder kubikmeter avloppsvatten årligen, med en årlig elförbrukning på 33,77 miljarder kWh, vilket motsvarar 0,45 % av den nationella totala elförbrukningen. År 2020 var enhetens elförbrukning per kubikmeter behandlat vatten 0,405 kWh/m³ för reningsverk som implementerar Grade A-standarden eller högre i "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002), och 0,375 kWh/m³ är signifikant högre än de som implementerar A³-standarderna. genomsnittet i utvecklade länder. Även om den genomsnittliga koncentrationen av inflytande föroreningar i kinesiska avloppsreningsverk är mindre än 50 % av den i utvecklade länder, är enhetens elförbrukning per borttagen förorening minst 100 % högre. Därför finns det fortfarande en betydande potential för energibesparing och koldioxidminskning i Kinas reningsverk.
Koldioxidutsläppen från reningsverk inkluderar direkta och indirekta utsläpp. Enligt "Technical Specification for Low-Carbon Operation Evaluation of Wastewater Treatment Plants" (T/CAEPI 49-2022) består direkta koldioxidutsläpp främst av CH₄, N₂O och CO₂ från förbränning av fossila bränslen. Indirekta utsläpp omfattar de som är förknippade med köpt el, värme och kemikalier. Enligt definitionen av Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), ingår inte CO₂ som släpps ut från den biologiska nedbrytningsprocessen vid rening av avloppsvatten i redovisningen av koldioxidutsläpp. Bland de olika koldioxidutsläppen i reningsverk är det elförbrukningen som står för den högsta andelen. Jiang Fuhai et al., baserat på ett urval av 10 reningsverk, fann att elförbrukningens bidragsvikt till koldioxidutsläpp varierade från 31 % till 64 %. Hu Xiang et al., som analyserade 22 reningsverk i Chaohu Lake-bassängen, rapporterade att koldioxidutsläpp från elförbrukning stod för 61,55 % till 73,56 %. Ju lägre inflödeskoncentration och ju högre avloppsstandard, desto högre andel direkta koldioxidutsläpp, särskilt de från elförbrukning. Luftningssystem förbrukar över 50 % av en reningsverks totala el. Luftningssystemens operativa effektivitet påverkar direkt avskiljningen av kväve och fosfor. Överdriven luftning leder till onödig förbrukning av endogena kolkällor i avloppsvattnet, vilket minskar effektiviteten av biologisk kväve- och fosforavskiljning, vilket ökar dosen av externa kolkällor och fosforborttagningskemikalier, vilket i sin tur ökar koldioxidutsläppen från kemikalieförbrukning. Följaktligen är energibesparing i luftningssystem nyckeln till koldioxidminskning i reningsverk, vilket gör forskning om energibesparande teknik för luftningssystem mycket viktig.
1. Orsaker till hög energiförbrukning i luftningssystem för kinesiska reningsverk
1.1 Faktisk inflytande belastning är lägre än designbelastning
Låg inflytande belastning inkluderar både låg flödeshastighet och låg föroreningskoncentration. Det är en primär orsak till överdriven luftning. Över-luftning ökar inte bara elförbrukningen utan utarmar också överdrivet endogena kolkällor i avloppsvattnet och höjer koncentrationerna av löst syre i anaeroba och anoxiska tankar, vilket försämrar borttagningen av kväve och fosfor. Detta kräver ökade doser av kolkällor och fosforborttagningskemikalier, vilket ökar associerade koldioxidutsläpp.
1.1.1 Låg flödeshastighet
Typiskt, under de första åren efter byggandet av en reningsverk, misslyckas inflytande flöden ofta att nå designkapaciteten på grund av eftersläpande stadsutveckling eller konstruktion av avloppsnät. Dessutom, i områden med kombinerade avloppssystem eller regioner med svår dagvatten- och avloppsblandning, är torrt-väderflöde betydligt lägre än vått-väderflöde, vilket resulterar i stora flödesfluktuationer. Detta kräver mer exakt reglering och kontroll av luftningshastigheter; Annars är det vanligt med-luftning under perioder med lågt-flöde, vilket påverkar effektiviteten i avlägsnandet av kol, kväve och fosfor och ökar både el- och kemikalieförbrukningen.Bild 1visar variationen i avloppsvattenreningsvolymen i Changsha City mellan torra och våta säsonger. Behandlingsvolymen för våt-säsong är 30–40 % högre än under torrperioden. Säsongsvariationer i behandlingsvolym kräver mer exakt kontroll av luftningssystemet.
1.1.2 Låg inflytande koncentration
De faktiska koncentrationerna av föroreningar i Kinas kommunala reningsverk är i allmänhet mycket lägre än designvärdena. Inom reningsverksdesign baseras inflytande kvalitet vanligtvis på medel-till-lång-prognoser med kompletta avloppsnätverk. Enligt "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021) beräknas det fem-dagars biokemiska syrebehovet (BOD₅) för hushållsavloppsvatten till 40–60 g/(person·d), vanligtvis 40 g/(person·d). Med ett avloppsvattenutsläpp per capita på 200–350 L/(person·d) i de flesta städer, sträcker sig design BOD₅-koncentrationen vanligtvis från 110 till 200 mg/L. Statistik visar att 68 % av reningsverken i Kina har ett faktisk årligt genomsnittligt inflytande BOD₅ under 100 mg/L, medan 40 % har ett årligt genomsnitt under 50 mg/L. Ur perspektivet av inflytande koncentration kontra erforderlig luftning, har de flesta kinesiska reningsverk luftningssystem utformade med en "överdimensionerad motor för en liten vagn" situation-konfigurerad med hög-fläktar medan den faktiska efterfrågan på luft är låg. Denna konfiguration leder lätt till överluftning och ökad energiförbrukning.
1.2 Orimlig konfiguration av mängden luftningsutrustning
Många reningsverk har orimligt konfigurerat antalet enheter för luftningsutrustning på grund av att de inte tar hänsyn till ofta låga-driftsförhållanden. Till exempel konfigurerar många små och medelstora -avloppsreningsverk vanligtvis fläktar i en "2 drift + 1 standby" (totalt 3) inställning i fläktrumsdesignen, vilket är optimalt under designflöde och kvalitetsförhållanden. Men under låga inflytande belastningsförhållanden kan användning av ens en fläkt med sin lägsta effekt orsaka över-luftning och ökad strömförbrukning. Även om installation av frekvensomriktare (VFD) eller andra sätt att minska lufttillförseln kan undvika överluftning, kan dessa åtgärder flytta fläktdriften bort från dess{10} högeffektiva zon, vilket minskar effektiviteten och slöser energi. Med tanke på de generellt låga influenskoncentrationerna bör strategier som att öka antalet fläktar och samtidigt minska kapaciteten för enskilda enheter övervägas för att tillgodose behoven för reglering av luftefterfrågan under låglastperioder. Historiskt sett har begränsade budgetar och den höga kostnaden för importerade högpresterande fläktar lett till färre-enhetskonfigurationer. Med mognaden av inhemsk högpresterande fläktteknik och minskade kostnader är det nu gynnsamma förutsättningar för att optimera fläktkonfigurationer för att uppnå energibesparing och koldioxidminskning.
1.3 Låg effektivitet hos luftningsutrustning
Vissa äldre reningsverk, byggda med sin tids teknik, använder luftningsutrustning med låg-effektivitet och hög-energiförbrukning-. Enligt nuvarande tekniska standarder och energieffektivitetsstandarder anses utrustning som Roots-fläktar, fler-låghastighetscentrifugalfläktar i flera-, skivluftare och borstluftare vara låg-effektiv, vanligtvis från 40 % till 65 % verkningsgrad-15 % till 40 % lägre än moderna höghastighetscentrifugalfläktar. Vidare, i reningsverk som använder fin-bubbladiffunderad luftning i anaerob-anoxisk-oxisk (A₂/O) eller anoxisk-oxisk (A/O) processer, minskar åldrande eller igensättning av diffusorer syreöverföringseffektiviteten och ökar motståndet, vilket ökar fläktens energiförbrukning.
1.4 Orimlig konfiguration av blandare i biologiska tankar
I oxidationsdiken med ytluftare har utrustningen både luftnings- och blandnings-/skjutfunktioner. Detta är en rimlig design under dimensionerande belastningsförhållanden. Under låga-belastningsförhållanden kan det dock vara nödvändigt att reducera eller stoppa luftningen, men för att förhindra att slam sedimenterar eller separerar vätske-fasta ämnen måste tillräcklig flödeshastighet upprätthållas, vilket tvingar fram fortsatt drift av luftare och orsakar överluftning, dålig borttagning av näringsämnen och energislöseri. För mer energi-effektiv drift vid låga belastningar bör oxidationsdiken vara utrustade med korrekt konfigurerade dränkbara blandare.
I A₂/O- och A/O-processer är aeroba tankar vanligtvis helt täckta med fina-bubbeldiffusorer utan dedikerade blandare, vilket förlitar sig på tillräcklig luftning för att förhindra sedimentering. Under låg belastning kan reducering av luftning eller intermittent luftning för att undvika-överluftning lätt leda till slamavsättning, vilket påverkar behandlingen. För att arbeta mer effektivt vid låga belastningar bör A₂/O och A/O aeroba tankar överväga att lägga till lämpliga blandare.
2. Tekniska tillvägagångssätt för energibesparing och koldioxidminskning i reningsverksluftningssystem
2.1 Ersättning med hög-luftningsutrustning
Avloppsreningsverk som fortfarande använder låg-utrustning som Roots-fläktar, fler-låghastighetscentrifugalfläktar i flera-, skivluftare eller borstluftare, eller de med allvarligt åldrad och ineffektiv utrustning, bör genomföra energieffektivitetsutvärderingar ur ett energi-tidsbesparande-perspektiv och ersätta dem med ny koldioxidreduktion,{4} hög-effektiva modeller. För närvarande har hög-fläktar som enstegs-höghastighetscentrifugalfläktar, magnetiska lagerfläktar och luftlagerfläktar som används i stora avloppsreningsverk vanligtvis verkningsgrad mellan 80 % och 85 %. Men marknaden saknar för närvarande små-höghastighets-centrifugalfläktprodukter. Avloppsreningsverk med en kapacitet under 2 000 m³/d är fortfarande beroende av mindre effektiv utrustning som Roots-fläktar, med verkningsgrader i allmänhet mellan 40 % och 65 %, vilket indikerar betydande förbättringspotential. Därför är det meningsfullt att utveckla effektivare små-luftningsutrustning för energibesparing och koldioxidminskning i små reningsverk.
2.2 Konvertering från ytluftning till fin-bubbeldiffuserad luftning
Givet lämpligt vattendjup är fin-bubbladiffuserad luftning mer energieffektiv- än ytluftning. Omvandling av oxidationsdiken från yta till fin-bubbeldiffuserad luftning kan ge bra energibesparande resultat-. Från genomförda eftermonteringsprojekt uppnår sådana omvandlingar inte bara betydande energibesparingar utan förbättrar också effektiviteten för borttagning av biologiska näringsämnen. Chen Chaos studie noterade att efter att en avloppsreningsanläggning konverterats minskade den totala elförbrukningen med 24,7 %, medan avskiljningsgraden för ammoniakkväve, COD och totalt fosfor ökade med 30,39 %, 5,39 % respektive 2,09 %. Xie Jici et al. rapporterade energibesparingar på 0,09–0,12 kWh/m³ efter en liknande omvandling, med betydande förbättring av effektiviteten för borttagning av biologiska näringsämnen. Vid fin-bubbelluftning är syreöverföringseffektiviteten linjärt positivt korrelerad med vattendjupet. Under ett visst kritiskt djup kan dess effektivitet vara lägre än ytluftning. I allmänhet anses ett vattendjup som är större än 4 m vara ett lämpligt villkor för att omvandla oxidationsdiken till fin-bubbladiffuserad luftning.
3. Tekniska tillvägagångssätt för energibesparing och koldioxidminskning i reningsverksluftningssystem
3.1 Ersättning med hög-luftningsutrustning
Avloppsreningsverk som fortfarande använder låg-utrustning som Roots-fläktar, fler-låghastighetscentrifugalfläktar i flera-, skivluftare eller borstluftare, eller de med allvarligt åldrad och ineffektiv utrustning, bör genomföra energieffektivitetsutvärderingar ur ett energi-tidsbesparande-perspektiv och ersätta dem med ny koldioxidreduktion,{4} hög-effektiva modeller. För närvarande har hög-fläktar som enstegs-höghastighetscentrifugalfläktar, magnetiska lagerfläktar och luftlagerfläktar som används i stora avloppsreningsverk vanligtvis verkningsgrad mellan 80 % och 85 %. Men marknaden saknar för närvarande små-höghastighets-centrifugalfläktprodukter. Avloppsreningsverk med en kapacitet under 2 000 m³/d är fortfarande beroende av mindre effektiv utrustning som Roots-fläktar, med verkningsgrader i allmänhet mellan 40 % och 65 %, vilket indikerar betydande förbättringspotential. Därför är det meningsfullt att utveckla effektivare små-luftningsutrustning för energibesparing och koldioxidminskning i små reningsverk.
3.2 Konvertering från ytluftning till fin-bubbeldiffuserad luftning
Givet lämpligt vattendjup är fin-bubbladiffuserad luftning mer energieffektiv- än ytluftning. Omvandling av oxidationsdiken från yta till fin-bubbeldiffuserad luftning kan ge bra energibesparande resultat-. Från genomförda eftermonteringsprojekt uppnår sådana omvandlingar inte bara betydande energibesparingar utan förbättrar också effektiviteten för borttagning av biologiska näringsämnen. Chen Chaos studie noterade att efter att en avloppsreningsanläggning konverterats minskade den totala elförbrukningen med 24,7 %, medan avskiljningsgraden för ammoniakkväve, COD och totalt fosfor ökade med 30,39 %, 5,39 % respektive 2,09 %. Xie Jici et al. rapporterade energibesparingar på 0,09–0,12 kWh/m³ efter en liknande omvandling, med betydande förbättring av effektiviteten för borttagning av biologiska näringsämnen. Vid fin-bubbelluftning är syreöverföringseffektiviteten linjärt positivt korrelerad med vattendjupet. Under ett visst kritiskt djup kan dess effektivitet vara lägre än ytluftning. I allmänhet anses ett vattendjup som är större än 4 m vara ett lämpligt villkor för att omvandla oxidationsdiken till fin-bubbladiffuserad luftning.
3.3 Intermittent luftningsteknik
För avloppsreningsverk med låga influenskoncentrationer åtgärdar kontinuerligt-flödesintermittent luftning effektivt problem med dåligt avlägsnande av näringsämnen och hög energiförbrukning orsakad av-överluftning. Det involverar kontinuerligt inflöde och avloppsflöde medan luftningssystemet arbetar i cykler av luftning på/av. Efter ARAKI et al.s forskning från 1986 om intermittent luftning för borttagning av kväve i oxidationsdiken, har många forskare genomfört experimentella studier. Hou Hongxun et al. genomförde ett fullskaligt försök i ett 100 000 m³/d reningsverk med kontinuerlig-flödesintermittent luftning i ett oxidationsdike, vilket uppnådde en 20 % ökning av det totala kväveavtaget, en 49 % ökning av det totala fosforavskiljandet och en minskning av anläggningens totala energiförbrukning med 21 %. He Quan et al., i ett 40 000 m³/d reningsverksförsök med oxidationsdike med en 2-timmars on/2-timmars avstängningscykel, fann att jämfört med kontinuerlig luftning sparade intermittent luftning 42 % i luftningsenergi, ökade totalt kväveavlägsnande med 9,6 % och totalt 9.phorus. 6,9 % under låga-vintertemperaturer. Zheng Wanlin et al., i ett 40 000 m³/d reningsverk A₂/O-processförsök med en 3-timmars på/3-timmars av-cykel, bibehöll en stabil standardkompatibel avloppskvalitet samtidigt som den sparade 18,3 % i elförbrukning. För närvarande är fullskaliga tillämpningar av kontinuerligt flöde intermittent luftning fortfarande begränsade, med flera tekniska utmaningar kvar.
För A₂/O-processer som använder fin-bubbelluftning begränsar två faktorer den breda tillämpningen av intermittent luftning. För det första genererar centrifugalfläktar med hög-hastighet högt-decibel, skarpt ljud vid start; frekvent cykling för intermittent drift skapar bullerföroreningar. För det andra gör frekventa start-stoppcykler för magnetiska/luftlagerfläktar att de icke-kontaktlagren upprepade gånger kommer i kontakt med huset, vilket lätt leder till lagerskador, ökad felfrekvens och minskad livslängd.
När intermittent luftning appliceras på oxidationsdiken eller A₂/O-processer måste tillräcklig blandningshastighet säkerställas under icke-luftningsperioder, vilket eventuellt kräver ytterligare blandare för att förhindra slamavsättning. Ammoniakkvävekoncentrationerna kan stiga snabbt under icke-luftning, vilket riskerar att omedelbart överskridas. Därför behövs ytterligare forskning för att vetenskapligt ställa in och justera luftningscykler, bättre förbättra energibesparingar och avlägsnande av föroreningar samtidigt som man undviker omedelbar överskridande av ammoniakkväve.
Avloppsreningsverks oro för potentiellt momentana överskridande av ammoniakkväve är ett stort hinder för bred tillämpning av intermittent luftning. I januari 2022 utfärdade ministeriet för ekologi och miljö ett samråd om ett utkast till ändring av GB 18918-2002, där det i första hand föreslogs att lägga till högsta tillåtna gränser för enstaka mätningar. Dessa föreslagna gränser för enstaka mätningar är betydligt högre än de ursprungliga dagliga medelvärdena, medan dagliga medelvärden förblir oförändrade. Till exempel, för Grad A-standard, skulle en enda mätning under 10 mg/L (15 mg/L under 12 grader) vara acceptabel om det dagliga genomsnittet förblir under 5 mg/L (8 mg/L under 12 grader). Om det implementeras kan detta ändringsförslag hjälpa till att hantera regulatoriska problem angående momentana överskridanden från intermittent luftning, vilket underlättar dess tillämpning i oxidationsdikeprocesser.
3.4 Exakt luftningsteknik
Avloppsvattenflödeshastigheter och influenskoncentrationer fluktuerar avsevärt, även under hela dagen, vilket orsakar varierande luftbehov. Att enbart förlita sig på manuell erfarenhet-baserad justering gör exakt kontroll svår och kan äventyra stabiliteten i avloppskvaliteten. Med framsteg inom big data och artificiell intelligens har konceptet med exakt luftning vuxit fram. Exakt luftningsteknik har använts i vissa reningsverk, vilket vanligtvis uppnår 10–20 % energibesparingar i luftningssystem. Att kombinera exakt luftning med andra processmodifieringar kan ge bättre resultat. Zhu Jie et al. implementerat exakt eftermontering av luftning i ett avloppsreningsverk i flera-stegs A/O-processer, vilket uppnådde 49,8 % energibesparingar i luftningssystemet. Exakt och intelligent luftning representerar viktiga framtida riktningar för energibesparing och koldioxidminskning. Aktuella begränsningar finns i realtidskapaciteten och exaktheten för datainsamling och analys för dessa system. Fler tekniska genombrott behövs i realtid-exakt styrning av fläktar och ventiler och exakt luftfördelning.
4. Slutsats
Energibesparing i luftningssystem är nyckeln till koldioxidminskning i avloppsreningsverk. Den främsta orsaken till hög energiförbrukning i kinesiska reningsverksluftningssystem är låg inflytande belastning, vilket lätt leder till över-luftning, slöseri med elektricitet och ökade koldioxidutsläpp från både kraft och kemikalier. Andra orsaker inkluderar åldrande/låg{3}}effektiv utrustning och orimlig konfiguration av luftnings- och blandningsutrustning. Effektiva medel för att uppnå energibesparing och koldioxidreduktion inkluderar att ersätta låg-effektivitet med hög-effektiv luftningsutrustning, omvandla yta till fin-bubbeldiffuserad luftning och tillämpning av tekniker som kontinuerligt-flödesintermittent luftning och exakt luftning.