Podstawy techniczne i zarządzanie operacyjne basenem napowietrzającym z dmuchawą o małym obciążeniu
1. Przegląd
1.1 Zasada działania basenów napowietrzających za pomocą dmuchawy
Napowietrzanie za pomocą dmuchawy, powszechnie stosowane w Chinach, obejmuje przede wszystkim napowietrzanie rozproszone, spiralne i mikroporowate. Zbiornik napowietrzający zazwyczaj składa się z układu napowietrzającego, konstrukcji zbiornika oraz otworów wlotowych/wylotowych, służących jako kluczowa konstrukcja w oczyszczaniu ścieków z osadem czynnym. Powszechnymi metodami napowietrzania są napowietrzanie mechaniczne i za pomocą dmuchawy. Systemy napowietrzania za pomocą dmuchaw zazwyczaj składają się ze specjalistycznych aeratorów i dmuchaw. Zbiorniki są często podzielone na wiele przedziałów, z których każdy może dostarczać niezależny dopływ. Ścieki wpływają do basenu i wypływają po przeciwnej stronie. Podczas tego procesu powietrze jest dostarczane poprzez sprężarki do dyfuzorów na dnie basenu i uwalniane w postaci pęcherzyków.
1.2 Powiązane badania basenów napowietrzających za pomocą dmuchawy
Badania Chenga Dandana i in. odkryli, że w chińskich miejskich oczyszczalniach ścieków (OŚ) dmuchawy napowietrzające zużywają około 60% całkowitej energii. Integracja systemu napowietrzania z inteligentnym sterowaniem-pętlą zamkniętą PID dla rozpuszczonego tlenu (DO) i wdrożenie strategii-oszczędzania energii dmuchaw może skutecznie rozwiązać problem wysokiego zużycia energii w systemach napowietrzania OŚ, zmniejszając je o ponad 30%.
Liu Xiaoqi i in. zastosowali aeratory z przepływem rozproszonym, aby zwiększyć zawartość tlenu w ściekach podczas oczyszczania, jednocześnie obniżając zużycie energii. Pozwoliło to również uzyskać równomierne mieszanie i rozprowadzanie wody-i powietrza, zmniejszając wymagania dotyczące precyzji poziomowania instalacji aeratora.
Chang Kai i in. poprawiono wydajność konwencjonalnego systemu basenu napowietrzającego poprzez modyfikację pierwotnego trybu zbierania powietrza. Zastąpili tradycyjne mikroporowate aeratory mikroporowatymi aeratorami z płytkami silikonowymi-o wysokiej wydajności przenoszenia tlenu i zastąpili jedno-prostoprzepływowe-baseny napowietrzające zbiornikami napowietrzającymi z trzema-wężowymi przejściami. Włączenie precyzyjnego sterowania napowietrzaniem dodatkowo udoskonaliło system, rozwiązując problemy związane z wysokim zużyciem energii, niską wydajnością i słabym przenoszeniem masy w tradycyjnych metodach napowietrzania za pomocą dmuchawy.
1.3 Zarządzanie operacyjne basenami napowietrzającymi za pomocą dmuchawy
W oczyszczalniach ścieków szeroko stosowane są zbiorniki napowietrzające dmuchawy. Zgodnie z zasadą „oddzielnego oczyszczania różnych strumieni ścieków” konkretna oczyszczalnia ścieków zasolonych w OŚ oczyszczalni ścieków obsługuje głównie ścieki z odsalania elektrycznego z destylacji-próżniowej, oczyszczoną wodę odpędzoną, ścieki z neutralizacji alkilowania oraz część supernatantu i ścieków o wysokim-zasoleniu. Jednostka ta jest wyposażona w trzystopniowy-system oczyszczania biologicznego, w którym zbiornik napowietrzający z dmuchawą stanowi drugi stopień. Dopływające do niego średnie chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT) utrzymuje się stale poniżej 100 mg/l, co klasyfikuje go jako proces wykorzystujący osad czynny o niskim-obciążeniu. Oprócz modernizacji sprzętu utrzymanie optymalnego działania wymaga starannej kontroli i dostosowania parametrów procesu.
2. Przegląd obiektu
2.1 Przebieg procesu w Jednostce Oczyszczania Ścieków Zasolonych
W jednostce zastosowano proces „wyrównania + separacji oleju + dwu-flotacji + trzy-etapów oczyszczania biologicznego”, w którym oczyszczone ścieki są przesyłane do jednostki doczyszczającej. W separatorze oleju zastosowano połączony przepływ poziomy i konstrukcję z nachyloną płytą. Dwa etapy flotacji wykorzystują odpowiednio flotację wirową kawitacją powietrzną (CAF) i flotację rozpuszczonym powietrzem pod ciśnieniem z częściowym refluksem (DAF). Trzy etapy biologiczne to kolejno: zbiornik napowietrzania czystym tlenem III, zbiornik napowietrzania za pomocą dmuchawy i dodatkowy zbiornik biochemiczny (EM-BAF). Przebieg procesu jest pokazany wRysunek 1.
2.2 Opis basenu napowietrzającego dmuchawą
Zbiornik napowietrzania dmuchawowego to przebudowany obiekt, wybudowany pierwotnie w 1995 roku jako część oczyszczalni ścieków zaolejonych. Wykorzystuje tradycyjną konstrukcję napowietrzania-z przepływem tłokowym o efektywnej objętości 3888 m³ i bieżącym hydraulicznym czasie retencji (HRT) wynoszącym około 17,6 godziny. Basen działa w dwóch równoległych pociągach, każdy z czterema przedziałami. Na dnie zainstalowano aeratory, zasilane przez dmuchawy odśrodkowe, które dostarczają tlen niezbędny do metabolizmu osadu czynnego. Jest również wyposażony w dwa osadniki wtórne (Φ18m x 5m).
W ramach trójetapowego-systemu biologicznego:
- Etap 1 (zbiornik napowietrzania czystym tlenem III): Podstawową funkcją jest usuwanie ChZT.
- Etap 2 (zbiornik napowietrzający dmuchawą): Podstawową funkcją jest usuwanie azotu amonowego (NH₃-N), funkcją drugorzędną jest dalsze usuwanie ChZT.
- Etap 3 (wtórny zbiornik biochemiczny - EM-BAF): Działa w celu dalszego uszlachetniania ChZT i NH₃-N, zapewniając ostateczną jakość wody.
2.3 Jakość wpływającego i wypływającego zbiornika napowietrzającego za pomocą dmuchawy
Dopływ do basenu napowietrzania dmuchawy pochodzi ze zbiornika napowietrzania czystym tlenem III, z limitami substancji zanieczyszczających: ChZTcr mniejsze lub równe 300 mg/l, NH₃-N mniejsze lub równe 30 mg/l, zawiesiny stałe (SS) mniejsze lub równe 50 mg/l.
Jego ścieki zasilają wtórny zbiornik biochemiczny z limitami: ChZTcr mniejszy lub równy 120 mg/l, NH₃-N mniejszy lub równy 30 mg/l, SS mniejszy lub równy 50 mg/l.
Końcowy wyciek z dodatkowego zbiornika biochemicznego musi spełniać następujące wymagania: ChZTcr mniejsze lub równe 70 mg/l, ropa naftowa mniejsze lub równe 5 mg/l, NH₃-N mniejsze lub równe 3 mg/l.
W całym 2021 r. średni dopływ ChZTcr do zlewni wyniósł 67,094 mg/l, a średni NH₃-N wyniósł 23,098 mg/l, co odpowiada wymaganiom projektowym. Jednakże szczególnie niski dopływ ChZT doprowadził do niedoboru źródła węgla w osadzie czynnym, wpływając na jego normalny metabolizm. Z drugiej strony wystarczająca ilość azotu amonowego i niskie stężenie substancji organicznych w mieszanym płynie sprzyjały skutecznej nitryfikacji.
3. Operacyjne czynniki wpływające i środki kontroli
3.1 Wpływ niskiego obciążenia napływającego i starzenia osadów
Przy dopływającym ChZT na poziomie 67,094 mg/L-poniżej zarówno projektowanej wartości granicznej (mniejszej lub równej 300 mg/L), jak i mikrobiologicznemu zapotrzebowaniu na węgiel (około. 100 mg/L BZT₅)-w osadzie czynnym wystąpił niedobór źródła węgla. Niskie obciążenie powodowało powolny wzrost osadu, czyniąc go podatnym na starzenie się i tworzenie luźnej struktury. Starzejący się, martwy osad utworzył szumowinę unoszącą się na powierzchni wtórnego osadnika. Ze względu na brak sprzętu do zbierania szumowiny, szumowina ta wypływała ze ściekami, powodując zmętnienie, przekraczając limity ChZT i SS, a następnie przeciążając znajdujący się poniżej wtórny zbiornik biochemiczny, wpływając na ostateczną jakość ścieków.
Środek zaradczy: Zespół operacyjny kontrolował stężenie substancji stałych w zawiesinie mieszanej cieczy (MLSS). Używając cylindra miarowego o pojemności 1000 ml do 30-minutowego testu wskaźnika objętości osadu (SVI), utrzymano SVI na poziomie około 20%, co odpowiada MLSS wynoszącemu około 2 g/l. Ta zrównoważona skuteczność usuwania zanieczyszczeń z zapobieganiem starzeniu się osadów, pływaniu i pogorszeniu jakości wody. Powolny wzrost osadu oznaczał minimalne i rzadkie marnowanie osadu, umożliwiając bakteriom nitryfikacyjnym czas przebywania przekraczający ich minimalny czas wytwarzania, co dodatkowo sprzyjało nitryfikacji.
3.2 Wpływ kontroli rozpuszczonego tlenu (DO).
Mikroorganizmy w osadzie czynnym są głównie tlenowe i zazwyczaj wymagają DO w zakresie 1-3 mg/l. Standardy korporacyjne ustalają zakres DO dla tradycyjnych zbiorników napowietrzania z przepływem tłokowym na 2-4 mg/L, przy nitryfikacji wymagającej DO na ogół nie poniżej 2,0 mg/L. Obecne niskie obciążenie dopływu i dalsze zmniejszone stężenie MLSS obniżyły zapotrzebowanie na DO, co utrudnia kontrolę. Utrzymanie pełnego mieszania często podnosiło zawartość DO powyżej 4 mg/l, przy jednoczesnej kontroli DO w zakresie docelowym, czasami prowadziło do niewystarczającego mieszania w niektórych obszarach, powodując osadzanie się osadu.
Ponadto wysoki poziom DO przyspiesza rozkład materii organicznej, zaostrzając starzenie się osadów. Dlatego w praktyce DO jest kontrolowane na poziomie około 3 mg/l. Dodatkowo wszystkie zawory powietrzne są regulowane mniej więcej co miesiąc, aby poprawić jednorodność mieszania, reaktywować uśpione kłaczki i utrzymać aktywną biomasę.
3.3 Wpływ temperatury wody
Temperatura znacząco wpływa na aktywność drobnoustrojów. Odpowiednie temperatury sprzyjają aktywności, podczas gdy niskie temperatury ją hamują lub zmniejszają, a wysokie temperatury mogą zmienić fizjologię lub spowodować śmierć. W tym układzie głównymi grupami funkcyjnymi są bakterie termofilne. Ze względu na bezpieczeństwo systemu temperaturę zazwyczaj utrzymuje się w przedziale 15–35 stopni, choć odpowiedni zakres to 10–45 stopni. Przekroczenie 30 stopni może spowodować denaturację białek nitryfikacyjnych, zmniejszając ich aktywność. Osad czynny zawiera bakterie rozkładające{{10}chZT i nitryfikacyjne, przy czym optymalny zakres nitryfikacji wynosi 5–30 stopni.
Dopływające ścieki solankowe zawierają strumienie-o wysokiej temperaturze. Wcześniejsze incydenty obejmowały następujące po sobie dni, w których temperatura na dopływie przekraczała 40 stopni, co prowadziło do rozpadu osadu, śmierci czynników degradujących i nitrujących ChZT- oraz załamania się systemu. Następnie na linii wylotowej zbiornika wyrównawczego zainstalowano termometr, aby ściśle kontrolować temperaturę tłoczenia, aby nie przekraczała 40 stopni, spełniając wymagania dotyczące temperatury osadu. W roku 2021 nie wystąpiły podobne zdarzenia mające wpływ na nitryfikację.
3.4 Wpływ zasadowości
Zgodnie z odpowiednimi normami zakładowymi, w przypadku stosowania osadu czynnego do usuwania amoniaku, stosunek zasadowości całkowitej do azotu amonowego napływającego nie powinien być mniejszy niż 7,14; w przeciwnym razie należy uzupełnić zasadowość. Przy projektowym dopływie NH₃-N wynoszącym 30 mg/l i rzeczywistej średniej wynoszącej 23,098 mg/l, wymagana całkowita zasadowość jest nie mniejsza niż 214,2 mg/l. Obecnie zasadowość dopływu jest niewystarczająca, co wymaga codziennego dodawania sody kalcynowanej (Na₂CO₃) w celu spełnienia wymagań procesu.
3.5 Wpływ pH i substancji toksycznych
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 lub<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Tlenowy metabolizm drobnoustrojów może umiarkowanie buforować zmiany pH. Na przykład wykorzystanie związku azotu może obniżyć pH podczas nitryfikacji, podczas gdy dekarboksylacja wytwarza aminy alkaliczne, podnosząc pH. Pozwala to na długoterminową-przyzwyczajenie się do lekko kwaśnych/alkalicznych ścieków. Wrodzona zasadowość ścieków pomaga również hamować spadek pH.
Jednakże drastyczne zmiany pH (np. nagły napływ zasad do kwaśnego układu) znacząco wpływają na mikroorganizmy i mogą zakłócać działanie. Dlatego konieczność neutralizacji zależy od konkretnego przypadku. Niewielkie, stałe wahania pH, szczególnie w przypadku słabych kwasów/zasad, mogą nie wymagać neutralizacji. Większe wahania wymagają dostosowania pH do neutralnego.
Bakterie nitryfikacyjne są bardzo wrażliwe na pH-, optymalną nitryfikację przy pH 7,2–8,0, podczas gdy zwykłe drobnoustroje preferują pH 6,5–8,5. W przypadku określonych ścieków przemysłowych rodzaje substancji toksycznych są często stałe, ale stężenia i objętości zrzutów ulegają wahaniom. Oprócz wyrównywania należy monitorować i kontrolować poziomy wpływających substancji toksycznych. Po aklimatyzacji osadu należy ustalić maksymalne stężenie dopływu w oparciu o stopień aklimatyzacji i doświadczenie operacyjne. Długotrwałe przekroczenie wymaga podjęcia działań takich jak zmniejszenie dopływu, zwiększenie recyklingu osadu lub zwiększenie natlenienia, aby zapobiec zatruciu drobnoustrojami i niepowodzeniu oczyszczania. Obecnie w dopływach zlewni nie wykryto żadnych substancji toksycznych powodujących zatrucie drobnoustrojami.
3.6 Wpływ wpływowych obciążeń udarowych
Dopływający ChZT pozostaje na stabilnym niskim poziomie z niewielkimi wahaniami, a NH₃-N i azot całkowity (TN) również utrzymują się w stosunkowo stabilnych zakresach przez długie okresy. Populacja nitryfikatorów pozostaje stosunkowo stała. Jednakże ze względu na ich powolne tempo wzrostu nagły, znaczny wzrost dopływającego NH₃-N lub TN może spowodować nasycenie zdolności usuwania zlewni, pogarszając jakość wypływającego NH₃-N i TN.
Teoretycznie zapotrzebowanie drobnoustrojów na N i P odpowiada stosunkowi BZT₅:N:P wynoszącemu 100:5:1. Jednakże zawartość N i P różni się znacznie w zależności od rodzaju ścieków przemysłowych. Niektóre ścieki zawierają dużo N i P, co wymaga ich usunięcia w celu spełnienia norm. Inne wykazują niedobory, co wymaga suplementacji, aby uniknąć ograniczenia metabolizmu. W przypadku działających zbiorników oczyszczających ścieki o niskiej zawartości N/P, dopływające poziomy około 10 mg/l NH₃-N i 5 mg/l fosforanów mogą zaspokoić potrzeby mikrobiologiczne. Długotrwałe stężenia poniżej tych poziomów wymagają zwiększonego dawkowania N/P.
Codzienna eksploatacja wymaga ścisłego monitorowania NH₃-N i TN we wszystkich strumieniach dopływowych i ściekach ze zbiornika wyrównawczego, a także w przepływach zawracanych do zbiorników regulacyjnych, aby zapobiec przeciążeniu dalszej jednostki doczyszczającej i zagrożeniu bezpieczeństwa wody zrzutowej.
4. Wniosek
Jako główny reaktor nitryfikacji w oczyszczalni ścieków solankowych, zbiornik napowietrzania dmuchawowego wymaga codziennego dokładnego monitorowania temperatury wody, dopływającego NH₃-N i TN. Niezbędna jest ścisła kontrola stężenia MLSS, utrzymywanie DO na poziomie około 3 mg/l i zapewnienie odpowiedniego dodatku zasadowości. Dzięki tym zoptymalizowanym środkom system działa stabilnie, a jakość ścieków jest doskonała: średni ChZT wynoszący 54,213 mg/l, NH₃-N wynoszący 9,678 mg/l i SS wynoszący 23,849 mg/l, w pełni spełniając wymagania wtórnego zbiornika biochemicznego dotyczące dopływu. Ciągłe testowanie, podsumowywanie i optymalizacja pod wieloma względami są również kluczowe dla dalszego zapewnienia niezawodności sprzętu i skuteczności oczyszczania systemu.