Studio sull'ammodernamento e sulle prestazioni del sistema di aerazione-a bolle fini in un impianto municipale di trattamento delle acque reflue

Studio sull'ammodernamento e sulle prestazioni del sistema di aerazione-a bolle fini in un impianto municipale di trattamento delle acque reflue

Introduzione

Attualmente, i principali processi di trattamento delle acque reflue utilizzati in Cina includono il canale di ossidazione, l’SBR, i fanghi attivi e altri. Il processo del canale di ossidazione presenta il problema di un elevato consumo energetico, soprattutto nella sezione biologica, che rappresenta il 65%–80% del consumo energetico totale. Le comuni apparecchiature di aerazione utilizzate nei processi in fossa di ossidazione includono spazzole di aerazione, dischi di aerazione, aeratori ad albero verticale e aeratori a bolle fini-. Ad esempio, dopo che un impianto municipale di trattamento delle acque reflue in una determinata città è passato dalla tradizionale aerazione meccanica di superficie all'aerazione di fondo a bolle fini-, il consumo di energia è diminuito del 20,11%, mentre la qualità dell'acqua di trattamento è diventata più stabile. Inoltre, l'aerazione a bolle fini- ha la caratteristica dell'erogazione di ossigeno a zone, che può fornire un apporto di ossigeno preciso in base alla richiesta di ossigeno in diverse aree del canale di ossidazione, migliorando ulteriormente l'efficienza di rimozione di azoto e fosforo.

Il sistema di aerazione superficiale di un certo impianto comunale di trattamento delle acque reflue era in funzione da oltre dieci anni, con gravi invecchiamento delle apparecchiature e difficoltà operative. È stato difficile soddisfare gli ultimi standard di dimissione, rendendo urgente il rinnovamento tecnico. Questo progetto ha aggiornato il sistema trasformandolo in un sistema di aerazione a bolle sottili, in grado di ridurre significativamente il consumo energetico, ottimizzare il funzionamento, prolungare la durata delle apparecchiature e ridurre i costi di manutenzione, allineandosi alle politiche nazionali di conservazione energetica e riduzione delle emissioni. Questo progetto di ristrutturazione ha implementato pratiche di costruzione ecologica durante lo smantellamento e l'installazione delle apparecchiature: riciclaggio classificato di vecchie apparecchiature, adozione di installazioni prefabbricate e utilizzo di macchinari a-bassa{5}}rumore e basse{5}emissioni, ottenendo risparmi energetici bidimensionali-di "processo-costruzione" e supportando lo sviluppo sostenibile dell'impianto di trattamento delle acque reflue.

1 Panoramica del progetto

1.1 Situazione attuale

Un impianto di trattamento delle acque reflue municipali in una determinata città ha una capacità totale di 50.000 tonnellate al giorno, costruito in tre fasi. La Fase I ha adottato il processo con fossa di ossidazione, la Fase II e il progetto di trattamento avanzato hanno adottato anche il processo con fossa di ossidazione, con successivo trattamento avanzato mediante sedimentazione per coagulazione + filtrazione con tessuto + processo di disinfezione a raggi ultravioletti. La Fase III ha adottato il processo A²O modificato. Attualmente, l’effluente soddisfa lo standard DB32/1072-2018.

1.2 Problemi esistenti

1.2.1 Impatto sulla rete di condotte esterne

Le acque reflue che rientrano nel campo di raccolta della rete di tubazioni di questo impianto includono contributi di molte imprese industriali. Durante il funzionamento quotidiano, possono verificarsi impatti di acque reflue anomale provenienti da imprese industriali, che fanno sì che il valore DO nel serbatoio biologico diventi molto basso, raggiungendo anche 0 mg/L, non riuscendo a soddisfare i requisiti di produzione. Nel frattempo, a causa dei cambiamenti delle condizioni esterne, poiché sempre più imprese industriali all'interno dell'area di servizio scaricano le acque reflue nella rete di tubazioni, questo impianto dovrà affrontare in futuro una qualità dell'acqua influente più severa. Una volta che l'affluente fluttua, l'ossigeno disciolto nel serbatoio biologico diminuirà in modo significativo e l'intervallo di regolazione del volume di aerazione dai dischi rotanti è limitato. In alcuni periodi, il DO nel serbatoio aerobico raggiunge 0 mg/L, costringendo l'impianto a ridurre in risposta la capacità di trattamento, con un impatto significativo sull'ambiente aerobico del serbatoio biologico e sulla capacità di trattamento.

1.2.2 DO basso nel serbatoio di aerazione

A causa di malfunzionamenti del disco rotante che causano una bassa efficienza di ossigenazione degli aeratori, durante l'effettivo funzionamento della produzione, i dati operativi storici mostrano che i valori DO medi provenienti dagli strumenti al centro e all'uscita del serbatoio di aerazione non superano 1 mg/L, con il minimo che raggiunge 0 mg/L, influenzando gravemente l'efficacia della reazione biochimica.

1.2.3 Consumo energetico elevato

I serbatoi biologici di Fase I e II di questo impianto sono in forma di fossato di ossidazione. Il canale di ossidazione della Fase I utilizza 8 aeratori a dischi rotanti con potenza di 18,5 kW, con potenza totale degli aeratori di superficie pari a 148 kW. Il fossato di ossidazione di Fase II è del tipo Carrousel a quattro-canali, che utilizza 13 aeratori autoadescanti Hitachi-, inclusi 2 set da 11 kW, 2 set da 18,5 kW e 9 set da 15 kW, con una potenza totale dell'aeratore di superficie di 194 kW. Durante il normale funzionamento, per garantire un volume d'acqua sufficiente, a causa della bassa efficienza di ossigenazione delle apparecchiature di fornitura di ossigeno esistenti, tutti gli aeratori devono essere completamente accesi.

Il consumo energetico per tonnellata di acqua per gli aeratori di Fase I e II è: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/ton. Sulla base di un'indagine sul consumo energetico del sistema biologico in diversi impianti di trattamento delle acque reflue domestiche municipali circostanti, il consumo di energia per un impianto municipale di acque reflue domestiche da 25.000 tonnellate al giorno che utilizza un sistema di aerazione a bolle fini- è generalmente di 0,09–0,1 RMB/tonnellata. Il consumo energetico dell'aeratore a disco rotante è 2,4–2,7 volte quello del sistema di aerazione a bolle fini-di fondo, indicando un consumo energetico relativamente elevato.

1.2.4 Tasso elevato di guasti alle apparecchiature

Con l’invecchiamento degli aeratori a dischi rotanti, i tassi di guasto delle apparecchiature aumentano gradualmente. Dopo 11 anni di funzionamento in questo impianto, il sistema di aerazione del disco rotante ha sviluppato una deformazione del disco, causando un carico elevato sull'attrezzatura e vibrazioni significative. L'uso a lungo-termine ha portato all'allentamento del fondo, con conseguente disallineamento su entrambe le estremità e altri problemi, causando una maggiore usura dei cuscinetti e tassi di guasto elevati. Gli alberi principali, le giranti, i giunti e gli ingranaggi di base sono stati sottoposti a molteplici riparazioni o sostituzioni, raggiungendo sostanzialmente il punto di sostituzione. I cuscinetti e le pale della testa dell'aeratore autoadescante-erano gravemente usurati. Statistiche recenti mostrano che l'impianto ha subito quasi 30 riparazioni all'anno per aeratori a dischi rotanti e aeratori autoadescanti.

2 Progettazione della Soluzione Tecnica di Retrofit

L'approccio generale al retrofit è il seguente: rimuovere gli aeratori a dischi rotanti originali e sostituirli con un'aerazione a bolle fini-sul fondo, con la corrispondente aggiunta di soffianti; aumentare lo sbarramento degli effluenti del serbatoio biologico per aumentare la profondità effettiva dell'acqua del serbatoio biologico; aggiungere miscelatori nella sezione aerobica utilizzando la struttura originale dei canali per evitare accumuli localizzati di fanghi.

2.1 Selezione e disposizione dell'aeratore

2.1.1 Parametri del disco aeratore

È stato selezionato il disco aeratore a membrana EPDM modello DD330, come mostrato inFigura 1, con parametri specifici mostrati inTabella 1.

2.1.2 Disposizione del disco aeratore

Numero di dischi aeratori: area netta del fondo del serbatoio di Fase I 864 m², area netta del fondo del serbatoio di Fase II 1.412 m², area di servizio media 0,8 m²/disco, con un fattore di sicurezza di 1,05–1,10. Determinato il numero totale finale di dischi aeratori: Fase I 1.150 dischi, Fase II 1.900 dischi.

Principio del layout: distribuito uniformemente secondo uno schema a griglia triangolare regolare. Distanza dalla parete del serbatoio Maggiore o uguale a 0,3 m per evitare zone morte; Distanza dalla parete divisoria del canale Maggiore o uguale a 0,4 m per facilitare la manutenzione. Partizione lungo la direzione del flusso dell'acqua, con una valvola elettrica di controllo dell'aria per zona per ottenere il controllo zonale dell'OD. Evitare porte di aspirazione della pompa dei fanghi, vasche di campionamento e passerelle per cavi, regolando localmente la spaziatura a 1,5 m mantenendo l'area di servizio per disco inferiore o uguale a 0,8 m².

Altezza di installazione e classificazione del tubo: la superficie superiore del disco della membrana è a 0,25 m dal fondo del serbatoio, garantendo un'immersione maggiore o uguale a 5,0 m al livello minimo dell'acqua per evitare picchi della ventola. Le derivazioni utilizzano ABS DN50 con distribuzione dell'aria forata; i tubi principali sono disposti ad anello, con velocità dell'aria controllata a 10–12 m·s⁻¹, materiale SS304. Viene fornita una coppia di raccordi flangiati a connessione rapida-per ogni 10 dischi, consentendo il sollevamento complessivo per la manutenzione senza svuotare il serbatoio.

2.2 Ottimizzazione del sistema di ventilazione

2.2.1 Aggiunta di ventilatori

Sono stati acquistati ventilatori a sospensione pneumatica importati come unità principali ed è stata costruita una nuova sala ventilatori con l'aggiunta di condotti dell'aria in acciaio inossidabile.

2.2.2 Selezione del ventilatore

Sulla base delle effettive condizioni operative dell'impianto e considerando i futuri cambiamenti della qualità dell'acqua, la concentrazione di COD influente nel piano di retrofit non è significativamente diversa dal valore di progetto, con una concentrazione media di circa 320 mg/L. La concentrazione di BOD è stata calcolata in base al valore di progettazione della Fase III pari a 150 mg/L, mentre altri indicatori degli affluenti sono stati calcolati in base alle concentrazioni degli affluenti di progettazione della Fase III. Il volume d'aria operativo richiesto per le fasi I e II dell'impianto è di 103,7 m³/min (6.225,1 m³/h, due unità di servizio e una di riserva, volume d'aria per singola unità 50 m³/min).

Considerando complessivamente vari fattori, sono stati acquistati due ventilatori a sospensione pneumatica importati NX75-C060 come unità principali per la Fase I e II. Era necessario costruire una nuova sala soffianti, provvisoriamente situata sul lato sud dell'originale laboratorio di disidratazione dei fanghi, con condotti dell'aria in acciaio inossidabile aggiunti al fossato di ossidazione. Parametri del ventilatore: pressione dell'aria 0,049 MPa, volume d'aria 50 m³/min, con potenza di uscita massima di 64,3 kW in queste condizioni operative.

2.2.3 Adeguamento del sistema di aerazione

Il metodo di aerazione è stato cambiato in aerazione del fondo. I serbatoi biologici di fase I e II utilizzano un numero corrispondente di aeratori a disco e tubi di aerazione in UPVC. Approccio di retrofit specifico: si prevede che il serbatoio biologico di Fase I utilizzi 780 set di aeratori a disco DD330 e tubi di aerazione in UPVC, si prevede che il serbatoio biologico di Fase II utilizzi 1.276 set di aeratori a disco DD330 e tubi di aerazione in UPVC, con un volume d'aria operativo di aeratore singolo di 3,45 m³/h. Il layout della testa dell'aeratore è mostrato inFigure 2 e 3.

2.3 Ottimizzazione dei parametri di processo

2.3.1 Zonizzazione del fosso di ossidazione e strategia di controllo del DO

Lungo la direzione del flusso dell'acqua del canale di ossidazione, la sezione di aerazione è divisa in quattro zone. Zona 1: DO 0,3–0,5 mg/l, Zona 2: DO 0,2–0,3 mg/l, Zona 3: DO 1,5–2,0 mg/l, Zona 4: DO 1,0–1,5 mg/l. Uno strumento per il processo dell'azoto ammoniacale è installato nel punto con la velocità di reazione di nitrificazione più alta tra la Zona 2 e la Zona 3, controllando infine l'effluente NH₃-N Inferiore o uguale a 1,5 mg/L.

2.3.2 Ottimizzazione del periodo di aerazione

Un modulo di "aerazione intermittente" è stato aggiunto al sistema SCADA esistente, formando uno strumento online DO + ciclo chiuso a doppio tempo per garantire che il DO al centro della sezione aerobica rimanga a 0,2 mg/L. Se FARE<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 Analisi degli effetti di retrofit

L'impatto di questo ammodernamento tecnico sul funzionamento complessivo del processo è stato esaminato confrontando i cambiamenti negli inquinanti degli effluenti prima e dopo l'ammodernamento.

3.1 Confronto della qualità dell'acqua effluente prima e dopo l'adeguamento

La qualità dell'acqua effluente prima e dopo l'adeguamento tendeva ad essere stabile, come mostrato inFigura 4. Prima e dopo l'adeguamento, il COD medio dell'effluente è rimasto al di sotto di 30 mg/L, il TP è rimasto sostanzialmente inferiore o uguale a 0,3 mg/L, NH₃-N inferiore o uguale a 1,5 mg/L, mentre TN ha oscillato intorno a 10 mg/L. La qualità complessiva dell'acqua ha raggiunto gli standard delle acque superficiali quasi-Classe IV, superando di gran lunga gli standard di scarico richiesti per l'impianto.

Per analizzare in modo più intuitivo il possibile impatto dell'ammodernamento sulla qualità dell'acqua, sono stati confrontati i-trend annuali della qualità dell'acqua effluente prima e dopo l'ammodernamento, ottenendoFigura 5. Dalla figura si può vedere che, senza considerare l'impatto delle variazioni della concentrazione degli affluenti, le fluttuazioni delle concentrazioni degli effluenti COD e TP dopo l'adeguamento erano più stabili rispetto a prima dell'adeguamento. Sebbene i valori medi degli indicatori di azoto siano aumentati rispetto a prima dell’ammodernamento, la tendenza generale è stata relativamente stabile, con conseguente minor consumo energetico complessivo dell’impianto e risparmio di prodotti chimici.

3.2 Confronto tra la rimozione degli inquinanti prima e dopo l'adeguamento

Grazie al miglioramento del sistema di aerazione, il consumo elettrico complessivo dell’impianto è diminuito dell’1,7% rispetto a prima, mentre la capacità di trattamento è aumentata dell’8,33%, ed è aumentata anche la corrispondente riduzione degli inquinanti, come evidenziato inFigura 6. Dopo il calcolo, la riduzione del COD è aumentata di 948,5 tonnellate, TP è aumentata di 7,0 tonnellate, NH₃-N è aumentata di 100,4 tonnellate e TN è aumentata di 125,9 tonnellate.

Anche l’effettiva rimozione degli inquinanti è cambiata di conseguenza, come mostrato inTabella 2. Dopo l'adeguamento, ad eccezione di una diminuzione del tasso di rimozione di NH₃-N, i tassi di rimozione di tutti gli altri indicatori sono aumentati.

3.3 Confronto del consumo energetico prima e dopo l'adeguamento

Il consumo energetico di questo progetto di retrofit è mostrato inTabella 3. Dopo l'adeguamento, il consumo energetico per tonnellata di acqua per il sistema di aerazione del serbatoio biologico di Fase I è diminuito del 67,3% e per la Fase II è diminuito dell'80,9%. Il consumo energetico medio complessivo dell'impianto per tonnellata di acqua è diminuito del 55,3%, dimostrando significativi effetti di risparmio energetico. Il consumo energetico complessivo dell'impianto per tonnellata di acqua è sceso a 0,21 kW·h/m³, nell'intervallo dei valori di consumo energetico per processi simili in fossa di ossidazione a livello nazionale (0,292±0,192) kW·h/m³. È mostrato il consumo energetico per unità di peso dell'inquinante prima e dopo l'adeguamento dell'intero impiantoTabella 4. Dopo l'ammodernamento dell'intero sistema di aerazione dell'impianto, il consumo energetico per 1 kg di COD trattato è diminuito del 26,2%, per 1 kg di TP trattato è diminuito del 15,7%, per 1 kg di NH₃-N trattato è diminuito del 29,3% e per 1 kg di TN trattato è diminuito del 36,1%, mostrando buoni effetti di risparmio energetico-.

3.4 Confronto chimico prima e dopo l'adeguamento

Prima dell’adeguamento, a causa dei frequenti guasti del sistema di aerazione, il DO nel sistema biologico era difficile da controllare e il rispetto degli standard sugli indicatori di azoto richiedeva l’aggiunta di una fonte esterna di carbonio per garantire l’efficacia della rimozione. Dopo l’adeguamento, l’aggiunta di fonti di carbonio esterne praticamente non era più necessaria. Dopo l'adeguamento, la rimozione biologica del fosforo e l'efficienza della denitrificazione sono migliorate in modo significativo, e il PAC chimico di rimozione del fosforo e il PAM chimico di disidratazione dei fanghi sono stati ridotti di conseguenza. I costi chimici annuali sono diminuiti di circa 167.000 RMB rispetto a prima. Le modifiche specifiche sono mostrate inTabella 5.

3.5 Confronto degli investimenti prima e dopo la ristrutturazione

Prima dell’ammodernamento, il costo annuale per gli aeratori di superficie era di 1,6281 milioni di RMB, con costi annuali di riparazione delle apparecchiature non inferiori a 250.000 RMB. Dopo l'ammodernamento, il costo annuale per soffianti e miscelatori è stato di 714.600 RMB. Sulla base di questo calcolo, il risparmio annuale sui costi dell'elettricità è stato di 913.500 RMB, oltre al risparmio annuale sui costi di riparazione di 250.000 RMB, per un risparmio annuo totale di 1,1635 milioni di RMB. Sulla base di un investimento totale di 3,704 milioni di RMB, il periodo di ammortamento è di 3,18 anni.

3.6 Stabilità del processo

Prima dell'aggiornamento, durante i periodi di malfunzionamento, l'ossigeno disciolto nel serbatoio biologico veniva mantenuto per lo più al di sotto di 1,0 mg/l. Dopo l’adeguamento, l’ossigeno disciolto nel serbatoio biologico era in media di 1,5–2,0 mg/L. A seconda della concentrazione dell'affluente e dei requisiti del processo, l'intervallo di regolazione dell'ossigeno disciolto può essere compreso tra 1,0 e 2,5 mg/l. Quando la concentrazione dell'affluente è elevata, è possibile mantenere i normali livelli di ossigeno disciolto nel serbatoio biologico anche regolando la potenza del ventilatore. Pertanto, dopo l'adeguamento, le condizioni stabili di conformità degli effluenti sono soddisfatte.

4 Conclusione

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, FARE frequentemente<1 mg/L, and annual repair cost increases >Il 15%, può replicare questo rinnovamento tecnico. Sulla base del risparmio di elettricità del 55,3%, del periodo di ammortamento di 3,18- anni e dei benefici marginali di un aumento del 3%–5% dei tassi di riduzione degli inquinanti derivanti da questo esempio, l’investimento di ristrutturazione ha un elevato margine di sicurezza e può sbloccare immediatamente il potenziale di riduzione del carbonio, fornendo condizioni replicabili e sufficienti per la riqualificazione ecologica e a basse emissioni di carbonio dei vecchi fossati di ossidazione.