Technische grondbeginselen en operationeel beheer van een beluchtingsbassin met lage- ventilator
1. Overzicht
1.1 Werkingsprincipe van beluchtingsbassins met ventilator
Blowerbeluchting, die veel wordt gebruikt in China, omvat voornamelijk diffuse, spiraalvormige en microporeuze beluchtingstypen. Een beluchtingsbassin omvat doorgaans een beluchtingssysteem, de bassinstructuur en inlaat-/uitlaatpoorten, die dienen als een sleutelstructuur bij de behandeling van actief slibafvalwater. Veel voorkomende beluchtingsmethoden zijn mechanische beluchting en ventilatorbeluchting. Blowerbeluchtingssystemen bestaan over het algemeen uit gespecialiseerde beluchters en ventilatoren. De bassins zijn vaak verdeeld in meerdere compartimenten, die elk onafhankelijk influent kunnen voeden. Afvalwater komt het bassin binnen en verlaat het aan de andere kant. Tijdens dit proces wordt lucht via compressoren naar diffusers op de bodem van het bassin gevoerd en als bellen vrijgegeven.
1.2 Gerelateerd onderzoek naar beluchtingsbassins met ventilatoren
Onderzoek door Cheng Dandan et al. ontdekte dat in de Chinese gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties (WWTP's) beluchtingsventilatoren ongeveer 60% van de totale energie verbruiken. Door het beluchtingssysteem te integreren met intelligente PID-gesloten-lusregeling voor opgeloste zuurstof (DO) en de implementatie van energiebesparende-strategieën van de ventilatoren kunnen het hoge energieverbruik in afvalwaterbeluchtingssystemen effectief worden aangepakt, waardoor dit met meer dan 30% wordt verminderd.
Liu Xiaoqi et al. gebruikte verspreide stroombeluchters om het zuurstofgehalte in het afvalwater tijdens de behandeling te verhogen en tegelijkertijd het energieverbruik te verlagen. Dit zorgde ook voor een uniforme menging en distributie van water{2}}lucht, waardoor de nauwkeurigheidseisen voor het nivelleren van de beluchtingsinstallatie werden verminderd.
Chang Kai et al. Verbeterde prestaties van het conventionele beluchtingsbassinsysteem door de oorspronkelijke luchtopvangmodus te wijzigen. Ze vervingen de traditionele microporeuze beluchters door microporeuze beluchters met hoge zuurstof-overdrachtsefficiëntie en vervingen beluchtingsbekkens met enkele-rechte-stroom door drie-doorgangen met kronkelige stroming. De integratie van nauwkeurige beluchtingsregeling heeft het systeem verder verbeterd en problemen als een hoog energieverbruik, een laag rendement en een slechte massaoverdracht bij traditionele beluchtingsmethoden met ventilatoren aangepakt.
1.3 Operationeel beheer van beluchtingsbassins met ventilatoren
Blowerbeluchtingsbassins worden veel gebruikt bij de behandeling van afvalwater. Volgens het principe van 'afzonderlijke behandeling voor verschillende afvalstromen' verwerkt de zoutwaterzuiveringseenheid van een specifieke afvalwaterzuiveringsinstallatie voornamelijk elektrisch ontziltingswater van atmosferische -vacuümdestillatie, gestript gezuiverd water, alkyleringsneutralisatie-afvalwater en een deel van het supernatant en hoog{2}} effluent met een hoog zoutgehalte. Deze unit beschikt over een drie-traps biologisch zuiveringssysteem, met het beluchtingsbassin als secundaire fase. Het gemiddelde chemische zuurstofverbruik (CZV) van het influent ligt consequent onder de 100 mg/l, wat het classificeert als een laag-actief slibproces. Naast apparatuurupgrades vereist het handhaven van een optimale werking zorgvuldige controle en aanpassing van procesparameters.
2. Overzicht van de faciliteit
2.1 Processtroom van de zoutwaterzuiveringseenheid
De eenheid maakt gebruik van een "Egalisatie + Oliescheiding + Twee-Flotatie + Drie- Biologische Behandeling"-proces, waarbij het behandelde afvalwater naar een polijsteenheid wordt gestuurd. De olieafscheider maakt gebruik van een gecombineerd horizontaal stromings- en hellend plaatontwerp. De twee flotatiefasen maken respectievelijk gebruik van Vortex Cavitation Air Flotation (CAF) en Partial Reflux Pressurized Dissolved Air Flotation (DAF). De drie biologische fasen volgen elkaar op: Beluchtingstank voor zuivere zuurstof III, Beluchtingstank met ventilator en Secundaire biochemische tank (EM-BAF). De processtroom wordt weergegeven inFiguur 1.
2.2 Beschrijving van het beluchtingsbassin van de ventilator
Het beluchtingsbassin met ventilator is een hergebruikte faciliteit die oorspronkelijk in 1995 werd gebouwd als onderdeel van een olie-afvalwaterbehandelingseenheid. Het maakt gebruik van een traditioneel plug{2}}stroombeluchtingsontwerp met een effectief volume van 3.888 m³ en een huidige hydraulische retentietijd (HRT) van ongeveer 17,6 uur. Het bassin werkt in twee parallelle treinen, elk met vier compartimenten. Aan de onderkant zijn beluchters geïnstalleerd, gevoed door centrifugaalblowers die zuurstof leveren voor het metabolisme van actief slib. Het is ook uitgerust met twee secundaire zuiveringsinstallaties (Φ18m x 5m).
Binnen het biologische systeem in drie- fasen:
- Fase 1 (beluchtingstank voor zuivere zuurstof III): Primaire functie is het verwijderen van rembours.
- Fase 2 (beluchtingstank ventilator): Primaire functie is ammoniakstikstof (NH₃-N) verwijdering, secundaire functie is verdere CZV-verwijdering.
- Fase 3 (secundaire biochemische tank - EM-BAF): Functies om effluent CZV en NH₃-N verder te zuiveren, waardoor de uiteindelijke waterkwaliteit wordt gegarandeerd.
2.3 Influent en effluentkwaliteit van het beluchtingsbekken van de ventilator
Influent naar het beluchtingsbassin van de ventilator is afkomstig van Pure Oxygen Aeration Tank III, met grenswaarden voor verontreinigende stoffen: CODcr Minder dan of gelijk aan 300 mg/L, NH₃-N Minder dan of gelijk aan 30 mg/L, Zwevende Vaste Stoffen (SS) Minder dan of gelijk aan 50 mg/L.
Het effluent voedt de secundaire biochemische tank, met limieten: CODcr Minder dan of gelijk aan 120 mg/L, NH₃-N Minder dan of gelijk aan 30 mg/L, SS Minder dan of gelijk aan 50 mg/L.
Het uiteindelijke effluent uit de secundaire biochemische tank moet voldoen aan: CODcr kleiner dan of gelijk aan 70 mg/l, petroleum kleiner dan of gelijk aan 5 mg/l, NH₃-N kleiner dan of gelijk aan 3 mg/l.
Gedurende 2021 bedroeg de gemiddelde influent CODcr van het bekken 67,094 mg/l en de gemiddelde NH₃-N 23,098 mg/l, beide voldeden aan de ontwerpvereisten. Het opmerkelijk lage CZV-influent leidde echter tot een tekort aan koolstofbronnen voor het actiefslib, waardoor het normale metabolisme ervan werd beïnvloed. Omgekeerd bevorderden voldoende ammoniakstikstof en een lage concentratie organische verontreinigende stoffen in de gemengde vloeistof de nitrificatie, die effectief verliep.
3. Operationele beïnvloedende factoren en beheersmaatregelen
3.1 Impact van lage influentbelasting en slibveroudering
Met een influent CZV van 67,094 mg/l-onder zowel de ontwerplimiet (minder dan of gelijk aan 300 mg/l) als de microbiële koolstofbehoefte (ongeveer. 100 mg/l BZV₅)- ondervond het actiefslib een tekort aan koolstofbronnen. De lage belasting zorgde voor een trage groei van het slib, waardoor het onderhevig was aan veroudering en het vormen van een losse structuur. Verouderd, dood slib vormde schuim dat op het oppervlak van de secundaire bezinker dreef. Bij gebrek aan apparatuur voor het verzamelen van schuim stroomde dit schuim met het effluent naar buiten, wat troebelheid veroorzaakte, de CZV- en SS-limieten overschreed en vervolgens de stroomafwaartse secundaire biochemische tank overbelastte, wat de uiteindelijke kwaliteit van het effluent aantastte.
Tegenmaatregel: Het operationele team controleerde de concentratie Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS). Met behulp van een maatcilinder van 1000 ml voor de 30 minuten durende Sludge Volume Index (SVI)-test handhaafden ze een SVI van ongeveer 20%, wat overeenkomt met een MLSS van ongeveer 2 g/l. Deze evenwichtige verwijdering van verontreinigende stoffen zorgt voor een evenwichtige verwijdering van slib, voorkomt slibveroudering, drijfvermogen en verslechtering van de waterkwaliteit. De langzame slibgroei betekende een minimale en zeldzame slibverspilling, waardoor nitrificerende bacteriën een verblijftijd konden krijgen die hun minimale generatietijd overschreed, waardoor de nitrificatie verder werd bevorderd.
3.2 Impact van de beheersing van opgeloste zuurstof (DO).
Micro-organismen in actief slib zijn voornamelijk aëroob en vereisen doorgaans een DO tussen 1-3 mg/l. Bedrijfsnormen stellen het DO-bereik voor traditionele plug-flow beluchtingsbassins vast op 2-4 mg/l, waarbij voor nitrificatie DO doorgaans niet lager is dan 2,0 mg/l. De huidige lage influentbelasting en de verder verlaagde MLSS-concentratie verlaagden de DO-vraag, waardoor controle een uitdaging werd. Het handhaven van volledige menging verhoogde de DO vaak boven 4 mg/l, terwijl het controleren van de DO binnen het doelbereik soms leidde tot onvoldoende menging in sommige gebieden, waardoor slib bezinkte.
Bovendien versnelt een hoge DO de afbraak van organisch materiaal, waardoor de veroudering van het slib wordt verergerd. Daarom wordt de DO in de praktijk rond de 3 mg/l geregeld. Bovendien worden alle luchtkleppen ongeveer maandelijks aangepast om de menguniformiteit te verbeteren, slapende vlokken te reactiveren en actieve biomassa te behouden.
3.3 Impact van de watertemperatuur
De temperatuur heeft een aanzienlijke invloed op de microbiële activiteit. Geschikte temperaturen bevorderen de activiteit, terwijl lage temperaturen deze remmen of verminderen, en hoge temperaturen de fysiologie kunnen veranderen of de dood kunnen veroorzaken. In dit systeem zijn thermofiele bacteriën de belangrijkste functionele groepen. Voor de veiligheid van het systeem wordt de temperatuur doorgaans tussen de 15 en 35 graden gehouden, hoewel het geschikte bereik 10 tot 45 graden is. Boven de 30 graden kunnen nitrificerende eiwitten denatureren, waardoor hun activiteit wordt verminderd. Het actiefslib bevat zowel CZV-afbrekende als nitrificerende bacteriën, waarbij nitrificatie een smaller optimaal bereik van 5-30 graden heeft.
Het zoute afvalwaterinfluent bevat stromen met een hoge- temperatuur. Bij eerdere incidenten was sprake van opeenvolgende dagen waarin de temperatuur van het influent boven de 40 graden uitkwam, wat leidde tot desintegratie van het slib, de dood van CZV--afbrekers en nitrificeerders en het instorten van het systeem. Vervolgens werd een thermometer geïnstalleerd op de effluentleiding van de egalisatietank om de afvoertemperatuur strikt te controleren en niet boven de 40 graden te komen, zodat werd voldaan aan de vereisten voor de slibtemperatuur. In 2021 hebben zich geen soortgelijke incidenten met betrekking tot de nitrificatie voorgedaan.
3.4 Impact van alkaliteit
Volgens relevante bedrijfsnormen mag bij gebruik van actief slib voor de verwijdering van ammoniak de verhouding van de totale alkaliteit van het influent tot ammoniakstikstof niet minder zijn dan 7,14; anders moet de alkaliteit worden aangevuld. Met een ontwerpinfluent NH₃-N van 30 mg/L en een feitelijk gemiddelde van 23,098 mg/L is de vereiste totale alkaliteit niet minder dan 214,2 mg/L. Momenteel is de alkaliteit van het influent onvoldoende, waardoor dagelijks natriumcarbonaat (Na₂CO₃) moet worden toegevoegd om aan de proceseisen te voldoen.
3.5 Impact van pH en giftige stoffen
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 of<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Het aerobe microbiële metabolisme kan pH-veranderingen matig bufferen. Het gebruik van stikstofverbindingen kan bijvoorbeeld de pH verlagen tijdens nitrificatie, terwijl decarboxylering alkalische aminen produceert, waardoor de pH stijgt. Dit maakt langdurige acclimatisering aan licht zuur/alkalisch afvalwater mogelijk. De inherente alkaliteit van het afvalwater helpt ook de pH-daling tegen te gaan.
Drastische pH-verschuivingen (bijvoorbeeld een plotselinge instroom van alkaliën in een zuur systeem) hebben echter een aanzienlijke invloed op microben en kunnen de werking verstoren. Daarom hangt de noodzaak van neutralisatie af van het specifieke geval. Kleine, consistente pH-schommelingen, vooral bij zwakke zuren/basen, behoeven mogelijk geen neutralisatie. Grotere fluctuaties vereisen aanpassing van de pH naar neutraal.
Nitrificerende bacteriën zijn zeer gevoelig voor de pH-, met optimale nitrificatie bij een pH van 7,2–8,0, terwijl algemene microben de voorkeur geven aan een pH van 6,5–8,5. Voor specifieke industriële afvalwaters liggen de typen toxische stoffen vaak vast, maar fluctueren de concentraties en de lozingsvolumes. Naast egalisatie moeten de niveaus van toxische stoffen in de influent worden bewaakt en gecontroleerd. Na acclimatisering van het slib moet een maximale concentratie van het influent worden vastgesteld op basis van de mate van acclimatisering en operationele ervaring. Bij langdurige overschrijding zijn maatregelen nodig zoals het verminderen van de instroom, het vergroten van de slibrecyclage of het verbeteren van de oxygenatie om microbiële vergiftiging en falen van de behandeling te voorkomen. Momenteel zijn er geen giftige stoffen aangetroffen die microbiële vergiftiging veroorzaken in het influent van het bekken.
3.6 Impact van invloedrijke schokbelastingen
De influent CZV blijft stabiel laag met kleine fluctuaties, en NH₃-N en Totaal Stikstof (TN) blijven ook gedurende lange perioden binnen relatief stabiele bereiken. De nitrificeerderpopulatie blijft relatief stabiel. Vanwege hun langzame groeisnelheid kan een plotselinge, aanzienlijke toename van influent NH3-N of TN echter de verwijderingscapaciteit van het bekken verzadigen, waardoor de kwaliteit van effluent NH3-N en TN in gevaar komt.
Theoretisch volgt de microbiële N- en P-vraag een BOD₅:N:P-verhouding van 100:5:1. Het N- en P-gehalte varieert echter sterk afhankelijk van het type industrieel afvalwater. Sommige afvalwaters bevatten veel N en P, waardoor verwijdering nodig is om aan de normen te voldoen. Anderen hebben een tekort, waardoor suppletie noodzakelijk is om beperking van het metabolisme te voorkomen. Voor exploitatiebekkens die afvalwater met een laag N/P-gehalte behandelen, kunnen influentniveaus van ongeveer 10 mg/L NH₃-N en 5 mg/L fosfaat voldoen aan de microbiële behoeften. Bij langdurige concentraties onder deze waarden is een verhoogde N/P-dosering vereist.
Voor dagelijks gebruik is nauwkeurige monitoring van NH₃-N en TN in alle influentstromen en het effluent van de egalisatietank vereist, evenals in de recyclestromen uit de aanpassingstanks, om overbelasting van de stroomafwaartse polijsteenheid te voorkomen en de veiligheid van het uiteindelijke afvoerwater in gevaar te brengen.
4. Conclusie
Omdat het de kernnitrificatiereactor in de zoutwaterzuiveringseenheid is, vereist het beluchtingsbassin met ventilatoren een nauwkeurige dagelijkse monitoring van de watertemperatuur, influent NH₃-N en TN. Een strikte controle van de MLSS-concentratie, het handhaven van de DO rond 3 mg/l en het garanderen van een adequate toevoeging van alkaliteit zijn essentieel. Onder deze geoptimaliseerde maatregelen werkt het systeem stabiel met een uitstekende effluentkwaliteit: gemiddeld CZV van 54,213 mg/l, NH₃-N van 9,678 mg/l en SS van 23,849 mg/l, wat volledig voldoet aan de influentvereisten van de secundaire biochemische tank. Voortdurend testen, samenvatten en optimaliseren van meerdere aspecten zijn ook van cruciaal belang om de betrouwbaarheid van de apparatuur en de efficiëntie van de systeembehandeling verder te garanderen.