Ανασκόπηση για την εξοικονόμηση ενέργειας και τη μείωση του άνθρακα των συστημάτων αερισμού σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων
Μέχρι το τέλος του 2020, η Κίνα είχε 4.326 δημοτικούς-σταθμούς επεξεργασίας λυμάτων επιπέδου και άνω (WWTP), που επεξεργάζονταν 65,59 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα λυμάτων ετησίως, με ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας 33,77 δισεκατομμύρια kWh, που αντιστοιχούσαν στο 0,45% της εθνικής συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Το 2020, η μοναδιαία κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανά κυβικό μέτρο επεξεργασμένου νερού ήταν 0,405 kWh/m³ για εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων που εφαρμόζουν το πρότυπο Grade A ή υψηλότερο του «Πρότυπου Απόρριψης Ρύπων για Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Αστικών Λυμάτων» (GB 18918-2002) και κάτω από 0.35 kWh/m3 για εκείνες που εφαρμόζουν το πρότυπο Grade A. Τα στοιχεία αυτά είναι σημαντικά υψηλότερα από τον μέσο όρο στις ανεπτυγμένες χώρες. Αν και η μέση συγκέντρωση εισροών ρύπων στις κινεζικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων είναι μικρότερη από το 50% αυτής στις ανεπτυγμένες χώρες, η μονάδα κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας ανά ρύπο που αφαιρείται είναι τουλάχιστον 100% υψηλότερη. Ως εκ τούτου, εξακολουθεί να υπάρχει σημαντική δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας και μείωσης του άνθρακα στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων της Κίνας.
Οι εκπομπές άνθρακα από τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων περιλαμβάνουν άμεσες και έμμεσες εκπομπές. Σύμφωνα με την "Τεχνική Προδιαγραφή για την Αξιολόγηση Λειτουργίας Χαμηλών-Ανθρακα εγκαταστάσεων Επεξεργασίας Λυμάτων" (T/CAEPI 49-2022), οι άμεσες εκπομπές άνθρακα αποτελούνται κυρίως από CH4, N2O και CO2 από την καύση ορυκτών καυσίμων. Οι έμμεσες εκπομπές περιλαμβάνουν εκείνες που σχετίζονται με την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και χημικών. Όπως ορίζεται από τη Διακυβερνητική Ομάδα για την Κλιματική Αλλαγή (IPCC), το CO2 που εκπέμπεται από τη διαδικασία βιολογικής αποδόμησης στην επεξεργασία των λυμάτων δεν περιλαμβάνεται στη λογιστική εκπομπών άνθρακα. Μεταξύ των διάφορων στοιχείων εκπομπών άνθρακα στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας συνεισφέρει το υψηλότερο ποσοστό. Οι Jiang Fuhai et al., με βάση ένα δείγμα 10 WWTP, διαπίστωσαν ότι η συνεισφορά της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας στις εκπομπές άνθρακα κυμαινόταν από 31% έως 64%. Οι Hu Xiang et al., αναλύοντας 22 WWTP στη λεκάνη της λίμνης Chaohu, ανέφεραν ότι οι εκπομπές άνθρακα από την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας αντιπροσώπευαν το 61,55% έως το 73,56%. Όσο χαμηλότερη είναι η συγκέντρωση εισροής και όσο υψηλότερο είναι το πρότυπο των λυμάτων, τόσο υψηλότερο είναι το ποσοστό των άμεσων εκπομπών άνθρακα, ιδιαίτερα εκείνων που προέρχονται από την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα αερισμού καταναλώνουν πάνω από το 50% της συνολικής ηλεκτρικής ενέργειας ενός WWTP. Η λειτουργική αποτελεσματικότητα των συστημάτων αερισμού επηρεάζει άμεσα την απομάκρυνση του αζώτου και του φωσφόρου. Ο υπερβολικός αερισμός οδηγεί σε άσκοπη κατανάλωση ενδογενών πηγών άνθρακα στα λύματα, μειώνοντας την αποτελεσματικότητα της βιολογικής απομάκρυνσης αζώτου και φωσφόρου, αυξάνοντας έτσι τη δόση εξωτερικών πηγών άνθρακα και χημικών απομάκρυνσης φωσφόρου, γεγονός που με τη σειρά του αυξάνει τις εκπομπές άνθρακα από την κατανάλωση χημικών. Κατά συνέπεια, η εξοικονόμηση ενέργειας στα συστήματα αερισμού είναι το κλειδί για τη μείωση του άνθρακα στα WWTP, καθιστώντας την έρευνα για τις τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας των συστημάτων αερισμού εξαιρετικά σημαντική.
1. Λόγοι Υψηλής Κατανάλωσης Ενέργειας σε Συστήματα Αερισμού Κινεζικών ΜΕΛ
1.1 Το πραγματικό εισερχόμενο φορτίο είναι χαμηλότερο από το φορτίο σχεδιασμού
Το χαμηλό φορτίο εισροής περιλαμβάνει τόσο χαμηλό ρυθμό ροής όσο και χαμηλή συγκέντρωση ρύπων. Είναι η κύρια αιτία υπερβολικού αερισμού. Ο υπερβολικός αερισμός όχι μόνο αυξάνει την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά επίσης εξαντλεί υπερβολικά τις ενδογενείς πηγές άνθρακα στα λύματα και αυξάνει τις συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου σε αναερόβιες και ανοξικές δεξαμενές, μειώνοντας την απομάκρυνση του αζώτου και του φωσφόρου. Αυτό απαιτεί αυξημένες δόσεις πηγών άνθρακα και χημικών ουσιών αφαίρεσης φωσφόρου, αυξάνοντας τις σχετικές εκπομπές άνθρακα.
1.1.1 Χαμηλός ρυθμός ροής
Τυπικά, τα πρώτα χρόνια μετά την κατασκευή ενός WWTP, η ροή εισροής συχνά αποτυγχάνει να φτάσει την ικανότητα σχεδιασμού λόγω καθυστερημένης αστικής ανάπτυξης ή κατασκευής δικτύου αποχέτευσης. Επιπλέον, σε περιοχές συνδυασμένου αποχετευτικού συστήματος ή περιοχές με έντονη ανάμειξη όμβριων και λυμάτων, η ροή ξηρού καιρού είναι σημαντικά χαμηλότερη από τη ροή του υγρού-καιρού, με αποτέλεσμα μεγάλες διακυμάνσεις της ροής. Αυτό απαιτεί ακριβέστερη ρύθμιση και έλεγχο των ρυθμών αερισμού. Διαφορετικά, ο υπερβολικός αερισμός κατά τη διάρκεια περιόδων χαμηλής- ροής είναι συνηθισμένος, επηρεάζοντας την αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης άνθρακα, αζώτου και φωσφόρου και αυξάνοντας τόσο την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας όσο και χημικών.Εικόνα 1δείχνει τη διακύμανση του όγκου επεξεργασίας λυμάτων στην πόλη Changsha μεταξύ ξηρών και υγρών εποχών. Ο όγκος επεξεργασίας υγρής-περιόδου είναι 30%-40% υψηλότερος από ό,τι στην ξηρή περίοδο. Οι εποχιακές διακυμάνσεις στον όγκο επεξεργασίας απαιτούν πιο ακριβή έλεγχο του συστήματος αερισμού.
1.1.2 Χαμηλή συγκέντρωση εισροής
Οι πραγματικές συγκεντρώσεις εισροών ρύπων στις δημοτικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων της Κίνας είναι γενικά πολύ χαμηλότερες από τις τιμές σχεδιασμού. Στο σχεδιασμό του WWTP, η ποιότητα εισροής βασίζεται συνήθως σε μεσο-έως--προβολές με πλήρη αποχετευτικά δίκτυα. Σύμφωνα με το "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021), η πενθήμερη βιοχημική ζήτηση οξυγόνου (BOD₅) για οικιακά λύματα υπολογίζεται σε 40–60 g/(άτομο·d), γενικά λαμβάνοντας 40 g/άτομο. Με κατά κεφαλήν απόρριψη λυμάτων 200–350 L/(άτομο·d) στις περισσότερες πόλεις, η σχεδιαστική συγκέντρωση BOD5 κυμαίνεται τυπικά από 110 έως 200 mg/L. Οι στατιστικές δείχνουν ότι το 68% των WWTP στην Κίνα έχουν πραγματικό ετήσιο μέσο εισερχόμενο BOD₅ κάτω από 100 mg/L, με το 40% να έχει ετήσιο μέσο όρο κάτω από 50 mg/L. Από την προοπτική της συγκέντρωσης εισροής έναντι του απαιτούμενου αερισμού, τα περισσότερα κινεζικά WWTP διαθέτουν συστήματα αερισμού σχεδιασμένα με κατάσταση "υπερμεγέθους κινητήρα για ένα μικρό καρότσι"-που έχουν διαμορφωθεί με φυσητήρες υψηλής-χωρητικότητας ενώ η πραγματική ζήτηση αέρα είναι χαμηλή. Αυτή η διαμόρφωση οδηγεί εύκολα σε υπεραερισμό και αυξημένη κατανάλωση ενέργειας.
1.2 Αδικαιολόγητη διαμόρφωση της ποσότητας του εξοπλισμού αερισμού
Πολλές μονάδες επεξεργασίας λυμάτων έχουν διαμορφώσει αδικαιολόγητα τον αριθμό των μονάδων εξοπλισμού αερισμού λόγω της μη ύπαρξης συχνών συνθηκών λειτουργίας χαμηλού φορτίου-. Για παράδειγμα, πολλοί μικρού και μεσαίου μεγέθους-WWTP συνήθως διαμορφώνουν τους ανεμιστήρες σε μια ρύθμιση "2 duty + 1 αναμονής" (σύνολο 3) στη σχεδίαση του ανεμιστήρα, η οποία είναι βέλτιστη υπό σχεδιαστικές συνθήκες ροής και ποιότητας. Ωστόσο, υπό συνθήκες χαμηλής εισροής φορτίου, η λειτουργία ακόμη και ενός φυσητήρα στην ελάχιστη ισχύ του μπορεί να προκαλέσει υπερβολικό αερισμό και αυξημένη κατανάλωση ενέργειας. Ενώ η εγκατάσταση μονάδων μεταβλητής συχνότητας (VFD) ή άλλων μέσων για τη μείωση της παροχής αέρα μπορεί να αποτρέψει τον υπερβολικό αερισμό, αυτά τα μέτρα μπορούν να μετατοπίσουν τη λειτουργία του ανεμιστήρα από τη ζώνη υψηλής{10}απόδοσής του, μειώνοντας την απόδοση και σπαταλώντας ενέργεια. Δεδομένων των γενικά χαμηλών συγκεντρώσεων εισροής, στρατηγικές όπως η αύξηση του αριθμού των ανεμιστήρες με ταυτόχρονη μείωση της χωρητικότητας μεμονωμένων μονάδων θα πρέπει να ληφθούν υπόψη για την κάλυψη των αναγκών ρύθμισης της ζήτησης αέρα κατά τη διάρκεια περιόδων χαμηλού φορτίου{12}. Ιστορικά, οι περιορισμένοι προϋπολογισμοί και το υψηλό κόστος των εισαγόμενων-ανεμιστήρες υψηλής απόδοσης οδήγησαν σε λιγότερες-διαμορφώσεις μονάδων. Με την ωρίμανση της οικιακής τεχνολογίας ανεμιστήρα{17}}υψηλών επιδόσεων και το μειωμένο κόστος, οι συνθήκες είναι πλέον ευνοϊκές για τη βελτιστοποίηση των διαμορφώσεων ανεμιστήρα για την επίτευξη εξοικονόμησης ενέργειας και μείωσης του άνθρακα.
1.3 Χαμηλή απόδοση του εξοπλισμού αερισμού
Ορισμένοι παλαιότεροι WWTP, κατασκευασμένοι με την τεχνολογία της εποχής τους, χρησιμοποιούν εξοπλισμό αερισμού χαμηλής-απόδοσης και υψηλής-ενέργειας-κατανάλωσης. Σύμφωνα με τα τρέχοντα τεχνολογικά πρότυπα και πρότυπα ενεργειακής απόδοσης, εξοπλισμός όπως οι φυσητήρες Roots, οι φυγόκεντροι φυσητήρες πολλαπλών σταδίων-χαμηλής ταχύτητας, οι αεριστήρες με δίσκους και οι αεριστές βούρτσας θεωρούνται χαμηλής-απόδοσης, που συνήθως κυμαίνεται από 40% έως 65% απόδοση από 40% χαμηλότερη από 4%{1} φυγοκεντρικοί φυσητήρες υψηλής-ταχύτητας. Επιπλέον, σε WWTP που χρησιμοποιούν διεργασίες λεπτού-διαχυτικού αερισμού με φυσαλίδες σε αναερόβια-Anoxic-Oxic (A₂/O) ή Anoxic-Oxic (A/O), η γήρανση ή η απόφραξη των διαχυτών μειώνει την αντίσταση στη μεταφορά οξυγόνου και συνεπώς αυξάνει την απόδοση της μεταφοράς οξυγόνου.
1.4 Αδικαιολόγητη διαμόρφωση αναμεικτών σε βιολογικές δεξαμενές
Σε τάφρους οξείδωσης με επιφανειακό αερισμό, ο εξοπλισμός εξυπηρετεί λειτουργίες αερισμού και ανάμειξης/ώθησης. Αυτό είναι ένα λογικό σχέδιο υπό συνθήκες φορτίου σχεδιασμού. Ωστόσο, υπό συνθήκες χαμηλού φορτίου, μπορεί να είναι απαραίτητη η μείωση ή η διακοπή του αερισμού, αλλά για να αποφευχθεί η καθίζηση λάσπης ή ο διαχωρισμός υγρών-στερεών, πρέπει να διατηρηθεί επαρκής ταχύτητα ροής, αναγκάζοντας τη συνεχή λειτουργία των αεριστηρίων και προκαλώντας υπερβολικό αερισμό, κακή απομάκρυνση θρεπτικών ουσιών και σπατάλη ενέργειας. Για πιο ενεργειακά{6}}λειτουργία σε χαμηλά φορτία, οι τάφροι οξείδωσης θα πρέπει να είναι εξοπλισμένοι με κατάλληλα διαμορφωμένους υποβρύχιους αναμικτήρες.
Στις διεργασίες A2/O και A/O, οι αερόβιες δεξαμενές συνήθως καλύπτονται πλήρως με λεπτούς-διαχυτές φυσαλίδων χωρίς αποκλειστικούς αναμικτήρες, βασιζόμενοι σε επαρκή αερισμό για την αποφυγή καθίζησης. Κάτω από χαμηλά φορτία, η μείωση του αερισμού ή η εφαρμογή διακοπτόμενου αερισμού για την αποφυγή υπερβολικού αερισμού μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε καθίζηση της λάσπης, επηρεάζοντας την επεξεργασία. Για να λειτουργούν πιο αποτελεσματικά σε χαμηλά φορτία, οι αερόβιες δεξαμενές A2/O και A/O θα πρέπει να εξετάσουν το ενδεχόμενο προσθήκης κατάλληλων αναμικτηρίων.
2. Τεχνικές προσεγγίσεις για την εξοικονόμηση ενέργειας και τη μείωση του άνθρακα σε συστήματα αερισμού WWTP
2.1 Αντικατάσταση με εξοπλισμό αερισμού υψηλής απόδοσης{{1}
Τα WWTP που εξακολουθούν να χρησιμοποιούν-εξοπλισμό χαμηλής απόδοσης, όπως φυσητήρες Roots, φυγόκεντρους φυσητήρες πολλαπλών σταδίων-χαμηλής ταχύτητας, αεριστήρες δίσκων ή αεριστήρες βούρτσας, ή εκείνοι με πολύ παλιό και αναποτελεσματικό εξοπλισμό, θα πρέπει να πραγματοποιούν αξιολογήσεις ενεργειακής απόδοσης από μια νέα προοπτική εξοικονόμησης ενέργειας μοντέλα υψηλής-απόδοσης. Επί του παρόντος, οι-φυσητήρες υψηλής ταχύτητας όπως οι φυγόκεντροι φυσητήρες ενός σταδίου-υψηλής ταχύτητας, οι φυσητήρες με μαγνητικά ρουλεμάν και οι φυσητήρες που φέρουν αέρα που χρησιμοποιούνται σε μεγάλους WWTP συνήθως διαθέτουν απόδοση μεταξύ 80% και 85%. Ωστόσο, επί του παρόντος, η αγορά δεν διαθέτει προϊόντα φυγοκεντρικών φυσητήρων μικρής-υψηλής χωρητικότητας-. Οι WWTP με χωρητικότητα κάτω των 2.000 m³/ημέρα εξακολουθούν να βασίζονται σε λιγότερο αποδοτικό εξοπλισμό όπως οι φυσητήρες Roots, με αποδόσεις γενικά μεταξύ 40% και 65%, που υποδηλώνουν σημαντικές δυνατότητες βελτίωσης. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη πιο αποτελεσματικού εξοπλισμού αερισμού μικρής{21}}κλίμακας είναι σημαντική για την εξοικονόμηση ενέργειας και τη μείωση του άνθρακα σε μικρές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων.
2.2 Μετατροπή από επιφανειακό αερισμό σε λεπτό-Αερισμό διάχυσης φυσαλίδων
Δεδομένου του κατάλληλου βάθους νερού, ο αερισμός με διάχυση με φυσαλίδες είναι πιο ενεργειακά-από τον επιφανειακό αερισμό. Η μετατροπή των αυλακώσεων οξείδωσης από επιφάνεια σε λεπτό-αερισμό με διάχυση φυσαλίδων μπορεί να αποφέρει καλά αποτελέσματα εξοικονόμησης ενέργειας-. Από έργα μετασκευής που υλοποιήθηκαν, τέτοιες μετατροπές όχι μόνο επιτυγχάνουν σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας αλλά βελτιώνουν επίσης την αποτελεσματικότητα της βιολογικής αφαίρεσης θρεπτικών συστατικών. Η μελέτη του Chen Chao σημείωσε ότι μετά από μετατροπή ενός WWTP, η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας μειώθηκε κατά 24,7%, ενώ τα ποσοστά απομάκρυνσης για το άζωτο αμμωνίας, το COD και το συνολικό φώσφορο αυξήθηκαν κατά 30,39%, 5,39% και 2,09% αντίστοιχα. Xie Jici et al. ανέφερε εξοικονόμηση ενέργειας 0,09–0,12 kWh/m³ μετά από παρόμοια μετατροπή, με σημαντική βελτίωση στην αποτελεσματικότητα της βιολογικής αφαίρεσης θρεπτικών συστατικών. Στον λεπτό-αερισμό με φυσαλίδες, η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου συσχετίζεται γραμμικά θετικά με το βάθος του νερού. Κάτω από ένα ορισμένο κρίσιμο βάθος, η απόδοσή του μπορεί να είναι χαμηλότερη από τον επιφανειακό αερισμό. Γενικά, ένα βάθος νερού μεγαλύτερο από 4 m θεωρείται κατάλληλη συνθήκη για τη μετατροπή των αυλακώσεων οξείδωσης σε αερισμό με διάχυτη φυσαλίδα.
3. Τεχνικές προσεγγίσεις για την εξοικονόμηση ενέργειας και τη μείωση του άνθρακα σε συστήματα αερισμού WWTP
3.1 Αντικατάσταση με εξοπλισμό αερισμού υψηλής απόδοσης{{1}
Τα WWTP που εξακολουθούν να χρησιμοποιούν-εξοπλισμό χαμηλής απόδοσης, όπως φυσητήρες Roots, φυγόκεντρους φυσητήρες πολλαπλών σταδίων-χαμηλής ταχύτητας, αεριστήρες δίσκων ή αεριστήρες βούρτσας, ή εκείνοι με πολύ παλιό και αναποτελεσματικό εξοπλισμό, θα πρέπει να πραγματοποιούν αξιολογήσεις ενεργειακής απόδοσης από μια νέα προοπτική εξοικονόμησης ενέργειας μοντέλα υψηλής-απόδοσης. Επί του παρόντος, οι-φυσητήρες υψηλής ταχύτητας όπως οι φυγόκεντροι φυσητήρες ενός σταδίου-υψηλής ταχύτητας, οι φυσητήρες με μαγνητικά ρουλεμάν και οι φυσητήρες που φέρουν αέρα που χρησιμοποιούνται σε μεγάλους WWTP συνήθως διαθέτουν απόδοση μεταξύ 80% και 85%. Ωστόσο, επί του παρόντος, η αγορά δεν διαθέτει προϊόντα φυγοκεντρικών φυσητήρων μικρής-υψηλής χωρητικότητας-. Οι WWTP με χωρητικότητα κάτω των 2.000 m³/ημέρα εξακολουθούν να βασίζονται σε λιγότερο αποδοτικό εξοπλισμό όπως οι φυσητήρες Roots, με αποδόσεις γενικά μεταξύ 40% και 65%, που υποδηλώνουν σημαντικές δυνατότητες βελτίωσης. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη πιο αποτελεσματικού εξοπλισμού αερισμού μικρής{21}}κλίμακας είναι σημαντική για την εξοικονόμηση ενέργειας και τη μείωση του άνθρακα σε μικρές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων.
3.2 Μετατροπή από επιφανειακό αερισμό σε λεπτό-Αερισμό διάχυσης φυσαλίδων
Δεδομένου του κατάλληλου βάθους νερού, ο αερισμός με διάχυση με φυσαλίδες είναι πιο ενεργειακά-από τον επιφανειακό αερισμό. Η μετατροπή των αυλακώσεων οξείδωσης από επιφάνεια σε λεπτό-αερισμό με διάχυση φυσαλίδων μπορεί να αποφέρει καλά αποτελέσματα εξοικονόμησης ενέργειας-. Από έργα μετασκευής που υλοποιήθηκαν, τέτοιες μετατροπές όχι μόνο επιτυγχάνουν σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας αλλά βελτιώνουν επίσης την αποτελεσματικότητα της βιολογικής αφαίρεσης θρεπτικών συστατικών. Η μελέτη του Chen Chao σημείωσε ότι μετά από μετατροπή ενός WWTP, η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας μειώθηκε κατά 24,7%, ενώ τα ποσοστά απομάκρυνσης για το άζωτο αμμωνίας, το COD και το συνολικό φώσφορο αυξήθηκαν κατά 30,39%, 5,39% και 2,09% αντίστοιχα. Xie Jici et al. ανέφερε εξοικονόμηση ενέργειας 0,09–0,12 kWh/m³ μετά από παρόμοια μετατροπή, με σημαντική βελτίωση στην αποτελεσματικότητα της βιολογικής αφαίρεσης θρεπτικών συστατικών. Στον λεπτό-αερισμό με φυσαλίδες, η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου συσχετίζεται γραμμικά θετικά με το βάθος του νερού. Κάτω από ένα ορισμένο κρίσιμο βάθος, η απόδοσή του μπορεί να είναι χαμηλότερη από τον επιφανειακό αερισμό. Γενικά, ένα βάθος νερού μεγαλύτερο από 4 m θεωρείται κατάλληλη συνθήκη για τη μετατροπή των αυλακώσεων οξείδωσης σε αερισμό με διάχυτη φυσαλίδα.
3.3 Τεχνολογία διακοπτόμενου αερισμού
Για WWTP με χαμηλές συγκεντρώσεις εισροής, ο συνεχής-διακοπτόμενος αερισμός ροής αντιμετωπίζει αποτελεσματικά ζητήματα κακής απομάκρυνσης θρεπτικών ουσιών και υψηλής κατανάλωσης ενέργειας που προκαλούνται από υπερβολικό αερισμό. Περιλαμβάνει συνεχή ροή εισροής και εκροής ενώ το σύστημα αερισμού λειτουργεί σε κύκλους αερισμού on/off. Μετά την έρευνα των ARAKI et al. το 1986 σχετικά με τον διακοπτόμενο αερισμό για την απομάκρυνση του αζώτου σε αυλάκια οξείδωσης, πολλοί μελετητές διεξήγαγαν πειραματικές μελέτες. Οι Hou Hongxun et al. διεξήγαγε μια δοκιμή πλήρους κλίμακας-σε 100.000 m³/d WWTP χρησιμοποιώντας συνεχή-διακοπτόμενο αερισμό ροής σε μια τάφρο οξείδωσης, επιτυγχάνοντας αύξηση 20% στη συνολική απομάκρυνση αζώτου, αύξηση 49% στη συνολική απομάκρυνση φωσφόρου και μείωση 21% στη συνολική κατανάλωση ενέργειας των φυτών. Ο He Quan et al., σε μια δοκιμή τάφρου οξείδωσης WWTP 40.000 m³/d με χρήση κύκλου 2{24}}ωρών on/2-ωρών εκτός λειτουργίας, διαπίστωσε ότι σε σύγκριση με τον συνεχή αερισμό, ο διακοπτόμενος αερισμός εξοικονόμησε 42% στην ενέργεια αερισμού, αύξησε τη συνολική απομάκρυνση 6% αζώτου κατά 9.9% κατά 9. συνθήκες χαμηλής- θερμοκρασίας. Οι Zheng Wanlin et al., σε μια δοκιμή διεργασίας 40.000 m³/d WWTP A2/O με χρήση κύκλου ενεργοποίησης/3 ωρών 3 ωρών εκτός λειτουργίας, διατήρησαν σταθερή ποιότητα αποβλήτων συμβατή με τα πρότυπα, ενώ εξοικονομούσαν 18,3% στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Επί του παρόντος, οι εφαρμογές πλήρους κλίμακας διακοπτόμενου αερισμού συνεχούς ροής εξακολουθούν να είναι περιορισμένες, ενώ απομένουν αρκετές τεχνικές προκλήσεις.
Για διεργασίες A₂/O που χρησιμοποιούν λεπτό-αερισμό με φυσαλίδες, δύο παράγοντες περιορίζουν την ευρεία εφαρμογή του διακοπτόμενου αερισμού. Πρώτον, οι φυγόκεντροι φυσητήρες υψηλής-ταχύτητας παράγουν υψηλό-ντεσιμπέλ, οξύ θόρυβο κατά την εκκίνηση. Η συχνή ποδηλασία για διακοπτόμενη λειτουργία δημιουργεί ηχορύπανση. Δεύτερον, οι συχνοί κύκλοι εκκίνησης-σταματήματος για φυσητήρες μαγνητικού/ρουλεμάν αέρα προκαλούν τα ρουλεμάν χωρίς-επαφή να έρχονται επανειλημμένα σε επαφή με το περίβλημα, οδηγώντας εύκολα σε ζημιά στα ρουλεμάν, αυξημένα ποσοστά αστοχίας και μειωμένη διάρκεια ζωής.
Κατά την εφαρμογή διακοπτόμενου αερισμού σε αυλάκια οξείδωσης ή διεργασίες A2/O, πρέπει να διασφαλίζεται επαρκής ταχύτητα ανάμιξης κατά τη διάρκεια περιόδων μη αερισμού, που ενδεχομένως απαιτούν πρόσθετους αναμικτήρες για να αποφευχθεί η καθίζηση της λάσπης. Οι συγκεντρώσεις αζώτου αμμωνίας μπορεί να αυξηθούν γρήγορα κατά τη διάρκεια μη-αερισμού, με κίνδυνο στιγμιαίας υπέρβασης. Ως εκ τούτου, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τον επιστημονικό καθορισμό και προσαρμογή των κύκλων αερισμού, βελτιώνοντας καλύτερα την εξοικονόμηση ενέργειας και την απομάκρυνση των ρύπων, αποφεύγοντας τη στιγμιαία υπέρβαση του αζώτου της αμμωνίας.
Η ανησυχία των WWTP για πιθανή στιγμιαία υπέρβαση αζώτου αμμωνίας αποτελεί σημαντικό εμπόδιο στην ευρεία εφαρμογή του διακοπτόμενου αερισμού. Τον Ιανουάριο του 2022, το Υπουργείο Οικολογίας και Περιβάλλοντος εξέδωσε διαβούλευση σχετικά με ένα σχέδιο τροποποίησης του GB 18918-2002, προτείνοντας κυρίως την προσθήκη ανώτατων επιτρεπόμενων ορίων για μεμονωμένες μετρήσεις. Αυτά τα προτεινόμενα μεμονωμένα όρια μέτρησης είναι σημαντικά υψηλότερα από τα αρχικά ημερήσια μέσα όρια, ενώ οι ημερήσιοι μέσοι όροι παραμένουν αμετάβλητοι. Για παράδειγμα, για το πρότυπο Βαθμού Α, μια μεμονωμένη μέτρηση κάτω από 10 mg/L (15 mg/L κάτω από 12 βαθμούς ) θα ήταν αποδεκτή εάν ο ημερήσιος μέσος όρος παραμένει κάτω από 5 mg/L (8 mg/L κάτω από 12 βαθμούς ). Εάν εφαρμοστεί, αυτή η τροπολογία θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση ρυθμιστικών ανησυχιών σχετικά με τη στιγμιαία υπέρβαση από τον διακοπτόμενο αερισμό, διευκολύνοντας την εφαρμογή της σε διαδικασίες οξείδωσης.
3.4 Τεχνολογία Ακριβούς Αερισμού
Οι ρυθμοί ροής και οι συγκεντρώσεις εισροής WWTP κυμαίνονται σημαντικά, ακόμη και κατά τη διάρκεια της ημέρας, προκαλώντας μεταβλητή ζήτηση αέρα. Η βασιζόμενη αποκλειστικά στη χειροκίνητη προσαρμογή{1}}που βασίζεται στην εμπειρία καθιστά δύσκολο τον ακριβή έλεγχο και μπορεί να θέσει σε κίνδυνο τη σταθερότητα της ποιότητας των εκροών. Με την πρόοδο στα μεγάλα δεδομένα και την τεχνητή νοημοσύνη, αναδείχθηκε η έννοια του ακριβούς αερισμού. Ακριβής τεχνολογία αερισμού έχει εφαρμοστεί σε ορισμένους WWTP, επιτυγχάνοντας συνήθως 10%–20% εξοικονόμηση ενέργειας στα συστήματα αερισμού. Ο συνδυασμός ακριβούς αερισμού με άλλες τροποποιήσεις της διαδικασίας μπορεί να αποφέρει καλύτερα αποτελέσματα. Οι Zhu Jie et al. εφάρμοσε εκ των υστέρων ακριβή εκ των υστέρων προσαρμογή αερισμού σε μια διαδικασία Α/Ο πολλαπλών σταδίων WWTP, επιτυγχάνοντας 49,8% εξοικονόμηση ενέργειας στο σύστημα αερισμού. Ο ακριβής και έξυπνος αερισμός αντιπροσωπεύει σημαντικές μελλοντικές κατευθύνσεις για εξοικονόμηση ενέργειας και μείωση του άνθρακα. Υπάρχουν τρέχοντες περιορισμοί όσον αφορά τη δυνατότητα{13}}του πραγματικού χρόνου και την ακρίβεια της απόκτησης και ανάλυσης δεδομένων για αυτά τα συστήματα. Απαιτούνται περισσότερες τεχνολογικές καινοτομίες σε πραγματικό{15}}ακριβή έλεγχο των ανεμιστήρες και των βαλβίδων και την ακριβή κατανομή του αέρα.
4. Συμπέρασμα
Η εξοικονόμηση ενέργειας στα συστήματα αερισμού είναι το κλειδί για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα στα WWTP. Ο κύριος λόγος για την υψηλή κατανάλωση ενέργειας στα κινεζικά συστήματα αερισμού WWTP είναι το χαμηλό εισερχόμενο φορτίο, το οποίο οδηγεί εύκολα σε υπερβολικό-αερισμό, σπατάλη ηλεκτρικής ενέργειας και αύξηση των εκπομπών άνθρακα τόσο από ενέργεια όσο και από χημικά. Άλλοι λόγοι περιλαμβάνουν τη γήρανση/χαμηλή{3}}εξοπλισμό απόδοσης και την παράλογη διαμόρφωση του εξοπλισμού αερισμού και ανάμειξης. Τα αποτελεσματικά μέσα για την επίτευξη εξοικονόμησης ενέργειας και μείωσης του άνθρακα περιλαμβάνουν την αντικατάσταση εξοπλισμού αερισμού χαμηλής-απόδοσης με υψηλής-απόδοσης-αερισμού, τη μετατροπή της επιφάνειας σε αερισμό διάχυτου λεπτού-φυσαλίδων και την εφαρμογή τεχνολογιών όπως ο συνεχής-διακοπτόμενος αερισμός ροής και ο ακριβής αερισμός.