Μέτρηση απόδοσης και αξιολόγηση συστήματος αερισμού λεπτών φυσαλίδων στη διαδικασία AAO κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και του χειμώνα
Οι περισσότερες εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων (WWTP) στην Κίνα χρησιμοποιούν αερόβιες βιολογικές διεργασίες για την απομάκρυνση της οργανικής ύλης, του αζώτου, του φωσφόρου και άλλων ρύπων από τα λύματα. Η παροχή διαλυμένου οξυγόνου (DO) στο νερό είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη διατήρηση της ζήτησης μικροβιακής ζωής και της αποτελεσματικότητας της επεξεργασίας στην αερόβια βιολογική διαδικασία. Κατά συνέπεια,η μονάδα αερισμού είναι ο πυρήνας της αερόβιας βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων. Ταυτόχρονα, το σύστημα αερισμού είναι επίσης τοκύρια μονάδα κατανάλωσης ενέργειας-σε WWTP, λογιστική για45% έως 75% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας των φυτών. Εκτός από τις συνθήκες λειτουργίας, η κατανάλωση ενέργειας του συστήματος αερισμού επηρεάζεται από παράγοντες όπως η ποιότητα των λυμάτων και οι περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι περισσότερες περιοχές στην Κίνα έχουν ξεχωριστές τέσσερις εποχές, άφθονες βροχοπτώσεις και σημαντικές εποχιακές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Οι καλοκαιρινές βροχοπτώσεις αραιώνουν τη συγκέντρωση εισερχόμενων ρύπων των WWTP, ενώ οι χαμηλές θερμοκρασίες του χειμώνα επηρεάζουν τη μικροβιακή δραστηριότητα, επηρεάζοντας έτσι την ποιότητα των λυμάτων. Οι διακυμάνσεις του ρυθμού ροής και της ποιότητας της εισροής θέτουν επίσης προκλήσεις για τον ακριβή έλεγχο του συστήματος αερισμού στα WWTP. Χωρίς επαρκή κατανόηση των αλλαγών στην απόδοση μεταφοράς οξυγόνου των διαχυτών λεπτών φυσαλίδων και τη συντήρησή τους κατά τη λειτουργία, το πλεονέκτημα της υψηλής απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου (ΟΤΕ) των συστημάτων αερισμού λεπτών φυσαλίδων δεν μπορεί να αξιοποιηθεί πλήρως, οδηγώντας σε σπατάλη ενέργειας.
Ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος αυτή τη στιγμή είναι τοδιαχύτης λεπτών φυσαλίδων, των οποίων η απόδοση σχετίζεται άμεσα με τη λειτουργική κατανάλωση ενέργειας του συστήματος αερισμού. Οι μέθοδοι για τη μέτρηση της απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου των διαχυτών λεπτών φυσαλίδων περιλαμβάνουν στατικές δοκιμές (όπως η δοκιμή καθαρού νερού) και δυναμικές δοκιμές (όπως η μέθοδος ανάλυσης off-αερίου). Η έρευνα για στατικές δοκιμές επικεντρώνεται κυρίως σε προσομοιώσεις εργαστηριακής-κλίμακας, ενώ σπάνια αναφέρονται μέθοδοι δυναμικών δοκιμών λόγω παραγόντων όπως οι απαιτήσεις του χώρου δοκιμών και οι περιορισμοί δοκιμών πεδίου. Επί του παρόντος, η Κίνα έχει θεσπίσει μόνο σχετικά πρότυπα για τη μέθοδο δοκιμής καθαρού νερού. Κατά τη διάρκεια της πραγματικής λειτουργίας, η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου των διαχυτών επηρεάζεται από παράγοντες όπως η ποιότητα εισροής, τα χαρακτηριστικά της λάσπης, οι συνθήκες λειτουργίας και η ρύπανση του διαχύτη. Η πραγματική απόδοση διαφέρει σημαντικά από τα αποτελέσματα των δοκιμών καθαρού νερού, οδηγώντας σε σημαντικές αποκλίσεις κατά τη χρήση δεδομένων καθαρού νερού για την πρόβλεψη της πραγματικής απαίτησης παροχής αέρα. Η έλλειψη αποτελεσματικών μεθόδων παρακολούθησης για την απόδοση ενεργειακής απόδοσης του συστήματος αερισμού σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων έχει ως αποτέλεσμα τη σπατάλη ενέργειας. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να μετρηθεί και να αξιολογηθεί η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου των διαχυτών κατά τη διάρκεια της πραγματικής λειτουργίας για να καθοδηγηθούν οι έγκαιρες προσαρμογές των στρατηγικών αερισμού και να επιτευχθεί εξοικονόμηση ενέργειας και μείωση της κατανάλωσης στα συστήματα αερισμού. Αυτή η μελέτη παίρνειένα δημοτικό WWTP στη Σαγκάη ως παράδειγμα. Μέσω μετρήσεων πεδίου της συγκέντρωσης ρύπων στην αερόβια δεξαμενή και των μοτίβων διακύμανσης του ΟΤΕ κατά μήκος της διαδρομής του συστήματος αερισμού λεπτών φυσαλίδων το καλοκαίρι και το χειμώνα, μετρήθηκαν και αξιολογήθηκαν συστηματικά η αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης ρύπων και η απόδοση του συστήματος αερισμού. Ο στόχος είναι να διερευνηθεί η επίδραση των εποχιακών αλλαγών στην απόδοση μεταφοράς οξυγόνου του συστήματος αερισμού, παρέχοντας καθοδήγηση για ακριβή έλεγχο και λειτουργία{2}}εξοικονόμησης ενέργειας των συστημάτων αερισμού στην επεξεργασία λυμάτων.
1. Υλικά και Μέθοδοι
1.1 Λειτουργική Επισκόπηση WWTP
Το δημοτικό WWTP της Σαγκάης χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό διεργασιώνπροεπεξεργασία + διαδικασία AAO + φίλτρο βαθιάς κλίνης + απολύμανση UV. Οη ικανότητα επεξεργασίας είναι 3,0×105 m3/d. Η κύρια ροή διεργασίας του WWTP φαίνεται στοΕικόνα 1. Η επιρροή είναι πρωτίστωςοικιακά λύματα, και τα απόβλητα πληρούν το πρότυπο Βαθμού Α του "Πρότυπου Απόρριψης Ρύπων για Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Αστικών Λυμάτων" (GB 18918-2002) προτού απορριφθεί στον ποταμό Yangtze. Οι χρόνοι υδραυλικής συγκράτησης (HRT) για την αναερόβια δεξαμενή, την ανοξική δεξαμενή και την αερόβια δεξαμενή της βιολογικής δεξαμενής σε αυτήν την εγκατάσταση είναι 1,5 ώρες, 2,7 ώρες και 7,1 ώρες, αντίστοιχα. Η αναλογία εσωτερικής παλινδρόμησης και η αναλογία εξωτερικής παλινδρόμησης είναι και οι δύο 100%. Η ηλικία της λάσπης ελέγχεται μεταξύ 10-15 ημερών. Το εργοστάσιο διαθέτει συνολικά 8 αερόβιες δεξαμενές. Μια ενιαία αερόβια δεξαμενή έχει διαστάσεις 116,8 m × 75,1 m × 7,0 m (L × W × H), με όγκο 11.093 m³. Η συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών μικτού υγρού (MLSS) ελέγχεται περίπου στα 4 g/L. Το κάτω μέρος είναι εξοπλισμένο μεΣωληνοειδείς διαχυτές λεπτών φυσαλίδων Ουκρανίας Ecopolemer πολυαιθυλενίου, μεγέθους 120 mm × 1.000 mm (D × L). Η αναλογία αέρα-προς-νερού είναι 5,7:1. Κάθε αεροβική δεξαμενή αποτελείται από 3 κανάλια (Ζώνη 1, Ζώνη 2 και Ζώνη 3). Με βάση τη συγκέντρωση DO που μετράται από μετρητές ροής αερίου εντός των καναλιών, τα πτερύγια οδηγών των φυγόκεντρων φυσητήρων μονού σταδίου- (4 λειτουργικοί, 2 αναμονής) ρυθμίζονται ώστε να διατηρούν τη συγκέντρωση DO στην αερόβια δεξαμενή μεταξύ 2-5 mg/L. Κάθε ανεμιστήρας έχει ονομαστική ταχύτητα ροής αέρα 108 m³/min, πίεση 0,06 kPa και ισχύ 160 kW. Κάθε κανάλι ελέγχεται χωριστά χρησιμοποιώντας μετρητές ροής αερίου. Σε συνδυασμό με την ανάδραση ανάγνωσης DO, η πραγματική παροχή αέρα ελέγχεται ρυθμίζοντας τα πτερύγια οδηγών των φυγοκεντρικών φυσητήρων μονού σταδίου, ώστε να διατηρείται η μέση DO στην αερόβια δεξαμενή μεταξύ 2-5 mg/L. Η σχεδιασμένη ποιότητα εισροής/εκροής και η ποιότητα εισροής 2019 της μονάδας παρουσιάζονται στοΠίνακας 1.
1.2 Διάταξη σημείου δοκιμής
Δύο δοκιμές της απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου του συστήματος αερισμού λεπτών φυσαλίδων υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας διεξήχθησαν τον Ιούλιο (καλοκαίρι) και τον Δεκέμβριο (χειμώνα). Κατά μήκος της κατεύθυνσης ροής, δημιουργήθηκαν 22 σημεία δοκιμής σύμφωνα με τις θέσεις των λιμένων επιθεώρησης της δεξαμενής αερόβιας. Η απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών σημείων δοκιμής ήταν περίπου 5 μέτρα, με 7, 7 και 8 σημεία δοκιμής στη Ζώνη 1, Ζώνη 2 και Ζώνη 3, αντίστοιχα. Η κατανομή των σημείων δοκιμής φαίνεται στοΕικόνα 2. Ο πραγματικός ΟΤΕ των διαχυτών λεπτών φυσαλίδων σε κάθε σημείο υπολογίστηκε μετρώντας την περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο αέριο εκτός-που διαφεύγει από την επιφάνεια του νερού. Ταυτόχρονα, η συγκέντρωση DO και η θερμοκρασία του νερού σε κάθε σημείο μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας έναν μετρητή ποιότητας νερού πολλαπλών{3} παραμέτρων (HQ 30d, Hach, ΗΠΑ) και η συγκέντρωση ρύπων σε κάθε σημείο μετρήθηκε και αναλύθηκε για να ληφθεί το μοτίβο διακύμανσής του κατά μήκος της διαδρομής. Για να αποτρέψετε το CODCrστα δείγματα από την αποικοδόμηση κατά τη μεταφορά, τα δείγματα που ελήφθησαν κατά μήκος της αερόβιας δεξαμενής φιλτράρονταν στο-τοπικό σημείο πριν από τη μέτρηση.
1.3 Μέτρηση της απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου των διαχυτών λεπτών φυσαλίδων υπό πραγματικές συνθήκες
Η μέτρηση της απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου των διαχυτών λεπτών φυσαλίδων υπό πραγματικές συνθήκες χρησιμοποίησε έναν αναλυτή αερίου off-που αναπτύχθηκε ανεξάρτητα από το Πανεπιστήμιο Ηλεκτρικής Ενέργειας της Σαγκάης, που αποτελείται από σύστημα συλλογής αερίων, σύστημα ανάλυσης αερίου και σύστημα μετατροπής σήματος. Το off-αέριο συλλέχθηκε χρησιμοποιώντας μια αντλία αερίου (KVP15-KM-2-C-S, Karier, Κίνα) και μια κουκούλα και παραδόθηκε σε έναν ηλεκτροχημικό αισθητήρα οξυγόνου (A-01, ITG, Γερμανία) για ανάλυση. Το σύστημα μετατροπής σήματος μετέτρεψε το σήμα τάσης εξόδου του αισθητήρα στη μερική πίεση οξυγόνου στο αέριο. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής εκτός αερίου, μετρήθηκε πρώτα η μερική πίεση οξυγόνου στον ατμοσφαιρικό αέρα. Στη συνέχεια η κουκούλα στερεώθηκε στην επιφάνεια του νερού της αερόβιας δεξαμενής για να συλλέξει το αέριο και να μετρήσει τη μερική πίεση οξυγόνου της. Τα δεδομένα καταγράφηκαν αφού η έξοδος σταθεροποιήθηκε για 5 λεπτά. Οι παράμετροι που λήφθηκαν μέσω του αναλυτή εκτός αερίου περιελάμβαναν τη μερική πίεση οξυγόνου στον ατμοσφαιρικό αέρα και το αέριο, από το οποίο υπολογίστηκε το ποσοστό του οξυγόνου που μεταφέρθηκε από την αέρια φάση στο μικτό υγρό, δηλαδή ο ΟΤΕ του διαχύτη λεπτών φυσαλίδων, όπως στοΕξίσωση (1).
Οπου:
Y(O₂,αέρας)- Αναλογία οξυγόνου στον αέρα.
Y(O₂,εκτός-αερίου)- Αναλογία οξυγόνου στο αέριο εκτός-.
AΟΤΕ- Αξία ΟΤΕ.
Ο ΟΤΕ που μετρήθηκε από τον απενεργοποιημένο-αναλυτή αερίου διορθώθηκε για DO, θερμοκρασία και αλατότητα για να ληφθεί το πρότυπο OTE (SOTE) του διαχυτήρα λεπτών φυσαλίδων στα λύματα υπό τυπικές συνθήκες, όπως στοΕξίσωση (2). Ο υπολογισμός του κορεσμένου DO στο νερό φαίνεται στοΕξίσωση (3).
Οπου:
θ- Συντελεστής διόρθωσης θερμοκρασίας, λαμβάνεται ως 1,024, αδιάστατος.
AΣΩΤΕ- Τιμή SOTE.
- Συντελεστής αλατότητας για το μικτό υγρό (υπολογισμένος με βάση τα συνολικά διαλυμένα στερεά σε μικτό υγρό), αδιάστατος, συνήθως λαμβάνεται ως 0,99.
- Λόγος απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου του διαχύτη σε λύματα έναντι συνθηκών καθαρού νερού, αδιάστατος.
Συγκέντρωση C - DO σε νερό, mg/L.
CS,T- Κορεσμένη συγκέντρωση DO στο νερό σε θερμοκρασία T, mg/L.
CS,20- Κορεσμένη συγκέντρωση DO σε νερό στους 20 βαθμούς , mg/L.
T- Θερμοκρασία νερού, βαθμός .
1.4 Μέθοδος Υπολογισμού για την Κατανάλωση Ενέργειας του Συστήματος Αερισμού
Η θεωρητική ζήτηση οξυγόνου της αερόβιας δεξαμενής υπολογίστηκε σύμφωνα με το Μοντέλο Ενεργοποιημένης Λάσης (ASM). Η ζήτηση οξυγόνου υπολογίστηκε με βάση το CODCrκαι η απομάκρυνση αμμωνιακού αζώτου για τον προσδιορισμό της συνολικής ζήτησης οξυγόνου (TOD) της αερόβιας δεξαμενής, όπως στηνΕξίσωση (4).
Οπου:
MTOD- Τιμή TOD, kg O₂/h.
Q- Ρυθμός ροής εισροής, m³/d;
ΔCCODCr- Διαφορά μεταξύ συγκέντρωσης COD Cr εισροής και εκροής, mg/L.
ΔCΑμμωνιακό άζωτο- Διαφορά μεταξύ συγκέντρωσης αζώτου αμμωνίας εισροής και εκροής, mg/L. 4,57 είναι ο συντελεστής μετατροπής του αζώτου αμμωνίας σε NO3--N.
Ο ρυθμός παροχής οξυγόνου του συστήματος αερισμού λεπτών φυσαλίδων υπολογίζεται όπως στοΕξίσωση (5).
Οπου:
MOTR- Τιμή της πραγματικής παροχής οξυγόνου, kg O2/d.
QAFR- Ρυθμός ροής αέρα, m³/h;
ŷO₂- Κλάσμα μάζας οξυγόνου στον αέρα, 0,276.
Η ισχύς του φυσητήρα καθορίζεται από τον πραγματικό ρυθμό παροχής αέρα του φυσητήρα και την πίεση εξόδου, η οποία με τη σειρά του καθορίζεται από την πίεση εισαγωγής, την απώλεια πίεσης αέρα στον αγωγό, την απώλεια πίεσης του ίδιου του διαχύτη λεπτών φυσαλίδων και τη στατική πίεση νερού στον πυθμένα της δεξαμενής, όπως στοΕξίσωση (6).
Οπου:
ραέρας- Πυκνότητα αέρα, g/L, λαμβάνεται ως 1,29 g/L.
N - Ισχύς ανεμιστήρα, kW;
R- Καθολική σταθερά αερίου, 8,314 J/(mol·K);
Tαέρας- Ατμοσφαιρική θερμοκρασία, βαθμός ;
B- Συντελεστής μετατροπής Blower, λαμβάνεται ως 29,7.
- Ειδικός λόγος θερμότητας αερίου, λαμβανόμενος ως σταθερός 0,283.
η- Συνδυασμένη απόδοση κινητήρα και ανεμιστήρα, ως σταθερά 0,8.
Pi- Πίεση εισαγωγής ανεμιστήρα, Pa;
Z- Πίεση νερού εμβάπτισης στον διαχύτη, Pa;
Pαπώλεια- Απώλεια πίεσης του ίδιου του διαχύτη λεπτών φυσαλίδων, Pa;
hL- Απώλεια πίεσης αέρα στον αγωγό, Pa.
Υπό συνθήκες δοκιμής, η ποσότητα οξυγόνου που μεταφέρεται στο νερό ανά μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται από τον διαχύτη [kg/(kW·h)] είναι η Standard Aeration Efficiency (SAE), όπως στοΕξίσωση (7). Η τιμή SAE μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της πραγματικής απόδοσης χρήσης του διαχύτη λεπτών φυσαλίδων.
Οπου:
ASAE- Αξία SAE.
1.5 Συμβατικές μέθοδοι μέτρησης δεικτών
Δείγματα μικτού υγρού διηθήθηκαν μέσω ποιοτικού διηθητικού χαρτιού. Διαλυτό CODCr(ΣΚΟΔCr), αμμωνιακό άζωτο, ΝΟ3--Το N και το TP μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας εθνικές τυπικές μεθόδους.
2. Αποτελέσματα και Συζήτηση
2.1 Αποτελεσματικότητα αφαίρεσης ρύπων
Η ποιότητα εισροής των κύριων ρύπων το καλοκαίρι και το χειμώνα στο WWTP φαίνεται στοΕικόνα 3. Οι μέσες ρυθμοί ροής επεξεργασίας το καλοκαίρι και το χειμώνα ήταν 3,65×105 m3/d και 3,13×105 m3/d, αντίστοιχα.Η καλοκαιρινή επιρροή CODCrκαι οι συγκεντρώσεις αζώτου αμμωνίας ήταν (188,38 ± 52,53) mg/L και (16,93 ± 5,10) mg/L, αντίστοιχα.Η χειμερινή εισροή CODCrκαι οι συγκεντρώσεις αζώτου αμμωνίας ήταν (187,94 ± 28,26) mg/L και (17,91 ± 3,42) mg/L, αντίστοιχα. Η υψηλότερη καλοκαιρινή βροχόπτωση οδηγεί το WWTP να λειτουργεί σε λειτουργία "υψηλού υδραυλικού φορτίου - χαμηλού ρυπογόνου φορτίου". Η αύξηση του υδραυλικού φορτίου μειώνει το HRT του συστήματος, μειώνοντας τον χρόνο αντίδρασης στη βιολογική δεξαμενή και επηρεάζοντας την απομάκρυνση των ρύπων. Χαμηλό εισερχόμενο ρυπογόνο φορτίο σε μονάδες επεξεργασίας λυμάτων μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε υπερβολικά χαμηλό φορτίο ιλύος, προκαλώντας υπερβολικό αερισμό και αποσάθρωση της λάσπης. Οι WWTP θα πρέπει να προσαρμόζουν έγκαιρα τη φόρτωση ιλύος και τους ρυθμούς παροχής αέρα για να μετριάσουν τις επιπτώσεις της λειτουργίας χαμηλού ρυπογόνου φορτίου.Η θερμοκρασία του καλοκαιριού του νερού ήταν (27,32 ± 1,34) βαθμοί, σημαντικά υψηλότερη από τη χειμερινή θερμοκρασία των (17,39 ± 0,75) μοίρες. Η θερμοκρασία είναι ένας από τους σημαντικούς παράγοντες που επηρεάζουν την ικανότητα απομάκρυνσης των ρύπων του συστήματος. Η ανοχή των νηματοειδών βακτηρίων είναι υψηλότερη από εκείνη των βακτηρίων που σχηματίζουν κροκίδες, γεγονός που τα καθιστά επιρρεπή στον πολλαπλασιασμό σε περιβάλλοντα χαμηλής-θερμοκρασίας, προκαλώντας διόγκωση της λάσπης. Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες μειώνουν επίσης την ενζυμική δραστηριότητα των μικροοργανισμών στην ενεργοποιημένη ιλύ, μειώνοντας τον ρυθμό αποικοδόμησης του υποστρώματος και τον ρυθμό ενδογενούς αναπνοής, οδηγώντας σε μειωμένη απόδοση απομάκρυνσης ρύπων. Οι WWTPs μπορούν να λάβουν μέτρα όπως η αύξηση της ηλικίας της λάσπης και του MLSS στη βιολογική δεξαμενή για να μετριάσουν τις αρνητικές επιπτώσεις της χαμηλής θερμοκρασίας στην απομάκρυνση των ρύπων. Καθώς το υδραυλικό φορτίο το χειμώνα είναι χαμηλότερο από το καλοκαίρι, το HRT στην αερόβια δεξαμενή επεκτείνεται ελαφρώς με επαρκή αερισμό, αντισταθμίζοντας την αρνητική επίδραση της χαμηλής θερμοκρασίας στη νιτροποίηση. Επομένως, η ποιότητα των λυμάτων τόσο το καλοκαίρι όσο και το χειμώνα πληρούσε το πρότυπο Grade A του GB 18918-2002.
2.2 Μοτίβα διαφοροποίησης των μορφών ρύπων κατά μήκος της αερόβιας δεξαμενής
Τις ημέρες των εξετάσεων,η επιρροή ΣΚΟΔCrΟι συγκεντρώσεις το καλοκαίρι και το χειμώνα ήταν 186,76 mg/L και 248,42 mg/L, αντίστοιχα, και οι συγκεντρώσεις αζώτου αμμωνίας ήταν 22,05 mg/L και 25,91 mg/L, αντίστοιχα. Πιθανώς λόγω της συνδυασμένης υπερχείλισης αποχετεύσεων και της διείσδυσης των υπόγειων υδάτων, η ποιότητα εισροής ήταν χαμηλότερη από τις τιμές σχεδιασμού. Η διακύμανση των ρύπων κατά μήκος της αερόβιας δεξαμενής φαίνεται στοΕικόνα 4.
Λόγω της απελευθέρωσης φωσφόρου στην αναερόβια δεξαμενή, της απονιτροποίησης στην ανοξική δεξαμενή και της αραίωσης με επιστροφή λάσπης, η συγκέντρωση του ρύπου μειώθηκε σημαντικά πριν εισέλθει στην αερόβια δεξαμενή. Το SCODCrΟι συγκεντρώσεις στην είσοδο της αερόβιας δεξαμενής το καλοκαίρι και το χειμώνα ήταν 30,32 mg/L και 52,48 mg/L, αντίστοιχα, και οι συγκεντρώσεις αζώτου αμμωνίας ήταν 3,90 mg/L και 4,62 mg/L, αντίστοιχα. Οι συγκεντρώσεις TN στην είσοδο της αερόβιας δεξαμενής το καλοκαίρι και το χειμώνα ήταν 4,86 mg/L και 6,16 mg/L, αντίστοιχα, μειώνοντας ελαφρά στα 4,46 mg/L και 5,70 mg/L στα απόβλητα, υποδηλώνοντας σχετικά χαμηλή αναλογία ταυτόχρονης νιτροποίησης και απονιτροποίησης που συμβαίνει σε μια δεξαμενή. Το SCODCrΗ συγκέντρωση μειώθηκε σημαντικά στη Ζώνη 1 σε 19,36 mg/L και 30,20 mg/L το καλοκαίρι και το χειμώνα, αντίστοιχα. η συγκέντρωση αζώτου αμμωνίας μειώθηκε σε 1,75 mg/L και 2,80 mg/L. Η πτωτική τάση της συγκέντρωσης ρύπων επιβραδύνθηκε στη Ζώνη 2, υποδεικνύοντας ότι η μικρή μοριακή οργανική ύλη είχε αποικοδομηθεί πλήρως και η νιτροποίηση είχε ολοκληρωθεί. Η συγκέντρωση ρύπων στο τέλος της Ζώνης 2 πληρούσε ήδη το πρότυπο απόρριψης λυμάτων. Η συγκέντρωση ρύπων παρέμεινε σχεδόν αμετάβλητη στη Ζώνη 3, αλλά η τιμή DO στο μικτό υγρό αυξήθηκε, υποδεικνύοντας ότι το μεγαλύτερο μέρος του οξυγόνου που παρέχεται σε αυτή τη ζώνη διαλύθηκε στο αναμεμειγμένο υγρό της λάσπης και δεν χρησιμοποιήθηκε για CODCrοξείδωση και οξείδωση αμμωνίας. Η εκροή SCODCrΟι συγκεντρώσεις από την αερόβια δεξαμενή το καλοκαίρι και το χειμώνα ήταν 15,36 mg/L και 26,51 mg/L, αντίστοιχα, και οι συγκεντρώσεις αζώτου αμμωνίας εκροής ήταν 0,17 mg/L και 0,50 mg/L, αντίστοιχα.Ο υψηλότερος ρυθμός απομάκρυνσης αζώτου αμμωνίας το καλοκαίρι οφειλόταν στην υψηλότερη θερμοκρασία του νερού που ενισχύει τη δραστηριότητα νιτροποίησης-απονιτροποίησης των μικροοργανισμών. Οι Zhang Tao et al. βρήκε ότιοι χαμηλές χειμερινές θερμοκρασίες μειώνουν την αφθονία αμμωνιακών-οξειδωτικών βακτηρίων και νιτρωδών-οξειδωτικών βακτηρίων, μειώνοντας τον ρυθμό απομάκρυνσης αζώτου αμμωνίας στα WWTP.
2.3 Off-Αποτελέσματα δοκιμής αερίου κατά μήκος της δεξαμενής αεροβικής
Πραγματοποιήθηκαν επιτόπιες δοκιμές της απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου του συστήματος αερισμού με λεπτές φυσαλίδες κατά μήκος της αερόβιας δεξαμενής το καλοκαίρι και το χειμώνα χρησιμοποιώντας τον αναλυτή αερίου off-. Τα αποτελέσματα φαίνονται στοΕικόνα 5. Η συγκέντρωση DO στην αερόβια δεξαμενή αυξήθηκε σταδιακά κατά την κατεύθυνση της ροής. Η συγκέντρωση DO στο αναμεμειγμένο υγρό εξαρτάται από την ποσότητα οξυγόνου που μεταφέρεται από την αέρια φάση στην υγρή φάση από τους διαχυτές (δηλαδή, OTR) και το οξυγόνο που καταναλώνεται από τους μικροοργανισμούς (δηλαδή, OUR). Το υπόστρωμα είναι άφθονο στο μπροστινό άκρο της αερόβιας δεξαμενής και οι μικροοργανισμοί απαιτούν περισσότερο οξυγόνο για να υποβαθμίσουν το υπόστρωμα. Επομένως, η συγκέντρωση DO ήταν χαμηλότερη στη Ζώνη 1 τόσο το καλοκαίρι όσο και το χειμώνα, σε (1,54 ± 0,22) mg/L και (1,85 ± 0,31) mg/L, αντίστοιχα. Η συγκέντρωση DO αυξήθηκε σε (2,27 ± 0,45) mg/L και (2,04 ± 0,13) mg/L στη Ζώνη 2, αντίστοιχα. Στη Ζώνη 3, η συγκέντρωση DO ήταν (4,48 ± 0,55) mg/L και (4,53 ± 1,68) mg/L, αντίστοιχα. Το μοτίβο διακύμανσης του DO κατά μήκος της διαδρομής είναι συνεπές με αυτό της συγκέντρωσης ρύπων. Η αποικοδόμηση και η νιτοποίηση της οργανικής ύλης ολοκληρώθηκαν βασικά στη Ζώνη 2. Η περιεκτικότητα σε οργανική ύλη στη Ζώνη 3 είναι χαμηλότερη, μειώνοντας τη ζήτηση οξυγόνου, με αποτέλεσμα το οξυγόνο να μην χρησιμοποιείται πλήρως και να αποθηκεύεται στην υδατική φάση ως DO, με αποτέλεσμα η συγκέντρωση DO να αυξάνεται σε υπερβολικά υψηλά επίπεδα. Ο μέσος όρος DO στη Ζώνη 3 ήταν σημαντικά υψηλότερος από 2,0 mg/L, υποδεικνύοντας υπέρ-αερισμό στο τέλος της δεξαμενής αεροβικής. Η ενδογενής αναπνοή της ενεργοποιημένης ιλύος μειώνει τη δραστηριότητα της ιλύος και μπορεί εύκολα να προκαλέσει διόγκωση της ιλύος, ενώ επίσης σπαταλά ενέργεια. Η υπερβολικά υψηλή συγκέντρωση DO στο τέλος της αερόβιας δεξαμενής έχει επίσης ως αποτέλεσμα υψηλότερη συγκέντρωση DO στο υγρό επιστροφής, η οποία όχι μόνο αυξάνει τη συγκέντρωση DO που εισέρχεται στην ανοξική δεξαμενή μέσω εξωτερικής αναρροής, αλλά μειώνει επίσης την ποσότητα του διαθέσιμου COD Cr, μειώνοντας έτσι την απόδοση απονιτροποίησης. Επομένως, συνιστάται η μείωση της παροχής αέρα στη Ζώνη 3, διατηρώντας μόνο την απαραίτητη ένταση ανάμειξης, για εξοικονόμηση ενέργειας αερισμού.
Όπως φαίνεται στοΕικόνα 5, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στην απόδοση μεταφοράς οξυγόνου των διαχυτών σε διαφορετικά κανάλια κατά την πραγματική λειτουργία μεταξύ καλοκαιριού και χειμώνα. Ο μέσος όρος του ΟΤΕ που μετρήθηκε το χειμώνα ήταν 9,72%, χαμηλότερος από το αποτέλεσμα που μετρήθηκε το καλοκαίρι (16,71%). Αυτό συμβαίνει γιατίη μείωση της θερμοκρασίας του νερού μειώνει τη δραστηριότητα των μικροοργανισμών στην αερόβια δεξαμενή του WWTP, οδηγώντας σε χαμηλότερο ρυθμό χρήσης οξυγόνου. Μετά τη διόρθωση για τη θερμοκρασία, την αλατότητα και το DO, οι μέσες τιμές SOTE το καλοκαίρι και το χειμώνα ήταν 17,69% και 14,21%, αντίστοιχα. Το καλοκαίρι SOTE ήταν ελαφρώς υψηλότερο από το χειμώνα, πιθανώς επειδήπαρατεταμένη λειτουργία επιδείνωση ρύπανσης του διαχύτη, φράξιμο των πόρων και μείωση της απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου του διαχύτη.
2.4 Ανάλυση Δυναμικού Ενεργειακής Βελτιστοποίησης για το Σύστημα Αερισμού Δεξαμενής Αερόβιας
Σύμφωνα με τις εξισώσεις (3) και (4), υπολογίστηκαν η ζήτηση οξυγόνου, ο ρυθμός παροχής οξυγόνου και η ισχύς του ανεμιστήρα για κάθε κανάλι της αερόβιας δεξαμενής το καλοκαίρι και το χειμώνα, όπως φαίνεται στοΠίνακας 2. Η συνολική ζήτηση οξυγόνου της αερόβιας δεξαμενής το χειμώνα ήταν περίπου 34,91% υψηλότερη από ό,τι το καλοκαίρι, που προκλήθηκε από την υψηλότερη εισροή CODCrκαι ρυπαντικό φορτίο αζώτου αμμωνίας το χειμώνα σε σύγκριση με το καλοκαίρι. Η ζήτηση οξυγόνου σε κάθε ζώνη της αερόβιας δεξαμενής μειώνεται καθώς οι εισερχόμενοι ρύποι υποβαθμίζονται κατά μήκος της διαδρομής. Η Ζώνη 1 έχει την υψηλότερη συγκέντρωση ρύπων και επαρκές υπόστρωμα, με αποτέλεσμα υψηλότερη μικροβιακή δραστηριότητα, επομένως η ζήτηση οξυγόνου είναι η υψηλότερη. Καθώς οι ρύποι υποβαθμίζονται συνεχώς, η ζήτηση οξυγόνου στη Ζώνη 2 και Ζώνη 3 μειώνεται σταδιακά. Το καλοκαίρι, οι αναλογίες ζήτησης οξυγόνου στις τρεις ζώνες ήταν 72,62%, 21,65% και 5,73% της συνολικής ζήτησης οξυγόνου της δεξαμενής αερόβιας, αντίστοιχα. Το χειμώνα, οι αναλογίες ήταν 72,84%, 24,53% και 2,63% αντίστοιχα. Στους συμβατικούς αντιδραστήρες ενεργοποιημένης λάσπης, η ζήτηση οξυγόνου για το μπροστινό τμήμα είναι 45%-55%, το μεσαίο τμήμα 25%-35% και το πίσω τμήμα 15%-25%. Το φορτίο επεξεργασίας στο τέλος αυτής της αερόβιας δεξαμενής είναι χαμηλότερο από τις συμβατικές τιμές. Η παροχή αέρα στο μπροστινό μέρος θα μπορούσε να μειωθεί κατάλληλα, επιτρέποντας την υποβάθμιση ορισμένων ρύπων στα πίσω τμήματα.
Σε σύγκριση με το καλοκαίρι,η ζήτηση οξυγόνου της διαδικασίας βιολογικής επεξεργασίας το χειμώνα είναι υψηλότερη και η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου του συστήματος αερισμού λεπτών φυσαλίδων είναι χαμηλότερη, οδηγώντας σε υψηλότερη απαιτούμενη παροχή αέρα. Σύμφωνα με τα επιχειρησιακά στοιχεία της WWTP, οι συνολικοί ρυθμοί παροχής αέρα του ανεμιστήρα το καλοκαίρι και το χειμώνα ήταν 76,23 m³/h και 116,70 m³/h, αντίστοιχα. Η παροχή αέρα ήταν υψηλότερη στη Ζώνη 1, ενώ η παροχή αέρα στη Ζώνη 2 και Ζώνη 3 ήταν παρόμοια, αλλά χαμηλότερη από ό,τι στη Ζώνη 1. Η παροχή οξυγόνου το καλοκαίρι ήταν 38,99% υψηλότερη από τη ζήτηση οξυγόνου, υποδηλώνοντας σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας-. Η παροχή οξυγόνου τόσο στη Ζώνη 2 όσο και στη Ζώνη 3 υπερέβη την πραγματική ζήτηση οξυγόνου. Η παροχή οξυγόνου το χειμώνα ήταν 7,07% υψηλότερη από τη ζήτηση οξυγόνου. Η προσφορά και η ζήτηση οξυγόνου στη Ζώνη 1 και στη Ζώνη 2 αντιστοιχίστηκαν, ενώ ο υπερ{18}αερισμός σημειώθηκε στη Ζώνη 3. Η ισχύς του ανεμιστήρα είναι ανάλογη με τον ρυθμό παροχής αέρα, όπως στην Εξίσωση (6). Η κατανάλωση ισχύος των φυσητήρων το καλοκαίρι και το χειμώνα ήταν 85,21 kW και 130,44 kW, αντίστοιχα. Η Henkel το προτείνειη αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα μειώνει την ισχύ των φυσητήρων στα συστήματα αερισμού. Ως απάντηση στις διαφορές στη ζήτηση οξυγόνου μεταξύ των διαφορετικών καναλιών, οι WWTP θα πρέπει να λαμβάνουν τα αντίστοιχα μέτρα προσαρμογής του αερισμού, όπως ο κωνικός αερισμός. Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει το πλήρες άνοιγμα των σωλήνων διακλάδωσης παροχής αέρα στο μπροστινό άκρο, το άνοιγμα αυτών στο μεσαίο άκρο μέχρι τη μέση και τη ρύθμιση των σωλήνων διακλάδωσης στο άκρο στο ελάχιστο άνοιγμα γιαεξοικονόμηση παροχής αέρα και κατανάλωσης ενέργειας αερισμού.
Περαιτέρω ποσοτικοποιώντας την πραγματική απόδοση χρήσης των διαχυτών λεπτών φυσαλίδων, η Standard Aeration Efficiency (SAE) στην αερόβια δεξαμενή το καλοκαίρι ήταν 2,57 kg O2/kW·h, που είναι 32,29% υψηλότερη από ό,τι το χειμώνα. Οι διαφορές στην ποιότητα, την ποσότητα και τη θερμοκρασία του εισερχόμενου νερού μεταξύ καλοκαιριού και χειμώνα προκαλούν σημαντικές διακυμάνσεις στη λειτουργία και τον έλεγχο του συστήματος αερισμού στο WWTP. Η σπατάλη ενέργειας ήταν πιο σοβαρή το καλοκαίρι από ό,τι το χειμώνα και το σύστημα αερισμού πέτυχε καλύτερη ισορροπία προσφοράς-τον χειμώνα. Λαμβάνοντας υπόψη τον ρυθμό ροής και την ποιότητα της εισροής,η παροχή αέρα θα μπορούσε να μειωθεί κατάλληλα το καλοκαίριδιασφαλίζοντας παράλληλα την ποιότητα των λυμάτων και την επαρκή ανάμιξη στην αερόβια δεξαμενή. Το χειμώνα, για να μετριαστεί ο αντίκτυπος του υψηλού ρυπογόνου φορτίου εισροής και της χαμηλής θερμοκρασίας, θα πρέπει να εξασφαλίζεται επαρκής αερισμός. Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι κατά τη μακροχρόνια λειτουργία, οι ρύποι συσσωρεύονται στην επιφάνεια και στο εσωτερικό των πόρων των διαχυτών, φράζοντας σταδιακά τους πόρους και η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου θα μειωθεί. Εάν ο καθαρισμός του διαχύτη δεν είναι έγκαιρος, μπορεί να οδηγήσει σε ανεπαρκή παροχή οξυγόνου από το σύστημα αερισμού, επηρεάζοντας την ποιότητα των εκροών.
Το WWTP χρησιμοποιεί μια στρατηγική ελέγχου ροής αέρα DO-ανεμιστήρα. Ο στόχος του συστήματος ελέγχου αερισμού είναι να παρέχει ένα σταθερό περιβάλλον DO για τους μικροοργανισμούς στην αερόβια δεξαμενή και να διασφαλίζει τη συμμόρφωση με τα λύματα. Ωστόσο, ο μηχανισμός ανάδρασης DO από μόνος του δεν μπορεί να αξιολογήσει το δυναμικό εξοικονόμησης ενέργειας- του συστήματος αερισμού. Η επιτόπια δοκιμή της απόδοσης μεταφοράς οξυγόνου του συστήματος αερισμού επιτρέπει τον ακριβή υπολογισμό του πραγματικού ρυθμού παροχής οξυγόνου του συστήματος αερισμού και περιγράφει το σχέδιο μεταβολής του κατά μήκος της διαδρομής. Σε συνδυασμό με τα δεδομένα ζήτησης οξυγόνου, αυτό επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο του συστήματος αερισμού για την επίτευξη ισορροπίας προσφοράς-τη ζήτησης και τον στόχο της εξοικονόμησης ενέργειας και της μείωσης της κατανάλωσης.
3. Συμπέρασμα
- Οι υψηλότερες θερμοκρασίες του νερού το καλοκαίρι ενισχύουν τη μικροβιακή δραστηριότητα νιτροποίησης και απονιτροποίησης, με αποτέλεσμα υψηλότερα απόβλητα COD Cr και άζωτο αμμωνίας το χειμώνα σε σύγκριση με το καλοκαίρι. Ωστόσο, λόγω του χαμηλότερου υδραυλικού φορτίου το χειμώνα από το καλοκαίρι, το εκτεταμένο HRT στην αερόβια δεξαμενή και ο επαρκής αερισμός αντισταθμίζουν την αρνητική επίδραση της χαμηλής θερμοκρασίας στη νιτροποίηση. Επομένως, η ποιότητα των λυμάτων τόσο το καλοκαίρι όσο και το χειμώνα πληρούσε το πρότυπο Grade A του GB 18918-2002.
- Σε σύγκριση με το καλοκαίρι, η ζήτηση οξυγόνου της διαδικασίας βιολογικής επεξεργασίας το χειμώνα είναι υψηλότερη, η απόδοση μεταφοράς οξυγόνου του συστήματος αερισμού λεπτών φυσαλίδων είναι χαμηλότερη, οδηγώντας σε υψηλότερο απαιτούμενο ρυθμό παροχής αέρα και χαμηλότερη απόδοση αερισμού.
- Η παροχή οξυγόνου το καλοκαίρι και το χειμώνα ήταν 38,99% και 7,07% υψηλότερη από τη ζήτηση οξυγόνου, αντίστοιχα, υποδεικνύοντας μεγαλύτερη δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας-το καλοκαίρι. Η συγκέντρωση ρύπων μειώνεται σταδιακά κατά μήκος της αερόβιας δεξαμενής, παραμένοντας σχεδόν σταθερή στο τέλος, ενώ η συγκέντρωση DO στο τέλος είναι πολύ υψηλότερη από ό,τι στο μπροστινό μέρος. Αυτό δείχνει ότι το μεγαλύτερο μέρος του οξυγόνου που παρέχεται στο τέλος διαλύεται στο αναμεμειγμένο υγρό της λάσπης και δεν χρησιμοποιείται για CODCrοξείδωση και οξείδωση αμμωνίας, υποδηλώνοντας υπερ-αερισμό. Επομένως, η παροχή αέρα στο άκρο της αερόβιας δεξαμενής μπορεί να μειωθεί κατάλληλα, διασφαλίζοντας παράλληλα την ποιότητα των εκροών και την επαρκή ανάμειξη.