Retrofit- en prestatiestudie van een fijn-bellenbeluchtingssysteem in een gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallatie

Retrofit- en prestatiestudie van een fijn-bellenbeluchtingssysteem in een gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallatie

Invoering

Momenteel omvatten de belangrijkste afvalwaterzuiveringsprocessen die in China worden gebruikt, oxidatiesloot, SBR, actief slib en andere. Het oxidatieslootproces heeft het probleem van een hoog energieverbruik, vooral in het biologische gedeelte, dat 65% tot 80% van het totale energieverbruik voor zijn rekening neemt. Veelgebruikte beluchtingsapparatuur die wordt gebruikt bij oxidatieslootprocessen omvat beluchtingsborstels, beluchtingsschijven, beluchters met verticale as en beluchters met fijne bellen-. Nadat een gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallatie in een bepaalde stad bijvoorbeeld was overgestapt van traditionele mechanische beluchting aan het oppervlak naar fijne belletjesbeluchting aan de onderkant, daalde het energieverbruik met 20,11%, terwijl de kwaliteit van het behandelingswater stabieler werd. Bovendien heeft fijne{9}}beluchting met fijne belletjes het kenmerk van gezoneerde zuurstoftoevoer, die voor een nauwkeurige zuurstoftoevoer kan zorgen in overeenstemming met de zuurstofbehoefte in verschillende delen van de oxidatiesloot, waardoor de efficiëntie van de verwijdering van stikstof en fosfor verder wordt verbeterd.

Het oppervlaktebeluchtingssysteem van een bepaalde gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallatie was al meer dan tien jaar in bedrijf, met ernstige veroudering van de apparatuur en operationele problemen. Het was lastig om aan de nieuwste lozingsnormen te voldoen, waardoor technische renovatie urgent was. Dit project heeft het systeem geüpgraded naar een beluchtingssysteem met fijne- bellen, dat het energieverbruik aanzienlijk kan verminderen, de werking kan optimaliseren, de levensduur van de apparatuur kan verlengen en de onderhoudskosten kan verlagen, in lijn met het nationale beleid op het gebied van energiebesparing en emissiereductie. Bij dit renovatieproject werden groene bouwpraktijken geïmplementeerd tijdens het demonteren en installeren van apparatuur: geclassificeerde recycling van oude apparatuur, het gebruik van geprefabriceerde installaties en het gebruik van machines met een laag-geluid en lage-emissie, waardoor twee- energiebesparingen in de proces-constructie" werden bereikt en de duurzame ontwikkeling van de afvalwaterzuiveringsinstallatie werd ondersteund.

1 Projectoverzicht

1.1 Huidige situatie

Een gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallatie in een bepaalde stad heeft een totale capaciteit van 50.000 ton/dag, gebouwd in drie fasen. Fase I adopteerde het oxidatieslootproces, fase II en het geavanceerde behandelingsproject adopteerden ook het oxidatieslootproces, met daaropvolgende geavanceerde behandeling met behulp van coagulatiesedimentatie + doekmediafiltratie + ultraviolet desinfectieproces. Fase III adopteerde het gewijzigde A²O-proces. Momenteel voldoet het effluent aan de DB32/1072-2018 norm.

1.2 Bestaande problemen

1.2.1 Impact van het externe leidingnetwerk

Het afvalwater dat binnen de reikwijdte van het leidingennetwerk van deze installatie valt, omvat bijdragen van veel industriële ondernemingen. Tijdens de dagelijkse werking kunnen er gevolgen zijn van abnormaal afvalwater van industriële bedrijven, waardoor de DO-waarde in de biologische tank zeer laag wordt en zelfs 0 mg/L bereikt, waardoor niet aan de productievereisten wordt voldaan. Ondertussen zal deze fabriek, als gevolg van veranderingen in de externe omstandigheden, naarmate meer industriële ondernemingen binnen het verzorgingsgebied afvalwater in het leidingnetwerk lozen, in de toekomst te maken krijgen met een ernstiger kwaliteit van het influentwater. Zodra het influent fluctueert, zal de opgeloste zuurstof in de biologische tank aanzienlijk afnemen en is het aanpassingsbereik van het beluchtingsvolume van de roterende schijven beperkt. In sommige perioden bereikt de DO in de aerobe tank 0 mg/l, waardoor de installatie als reactie daarop de behandelingscapaciteit moet verminderen, wat een aanzienlijke impact heeft op de aerobe omgeving van de biologische tank en de behandelingscapaciteit.

1.2.2 Lage DO in beluchtingstank

Als gevolg van defecten aan de roterende schijf die een lage oxygenatie-efficiëntie van de beluchters veroorzaken, laten historische bedrijfsgegevens tijdens de daadwerkelijke productie zien dat de gemiddelde DO-waarden van instrumenten in het midden en de uitlaat van de beluchtingstank niet hoger zijn dan 1 mg/l, waarbij de laagste 0 mg/l bedraagt, wat de effectiviteit van de biochemische reactie ernstig beïnvloedt.

1.2.3 Hoog energieverbruik

De biologische tanks van Fase I en II van deze fabriek bevinden zich in de vorm van een oxidatiesloot. Fase I oxidatiesloot maakt gebruik van 8 roterende schijfbeluchters met een vermogen van 18,5 kW, met een totaal oppervlaktebeluchtingsvermogen van 148 kW. De fase II-oxidatiesloot is van het type carrouselsloot met vier- kanalen, waarbij gebruik wordt gemaakt van 13 Hitachi zelf-zelfaanzuigende beluchters, waaronder 2 sets van 11 kW, 2 sets van 18,5 kW en 9 sets van 15 kW, met een totaal oppervlaktebeluchtingsvermogen van 194 kW. Bij normaal gebruik moeten alle beluchters volledig zijn ingeschakeld om voldoende watervolume te garanderen, vanwege de lage oxygenatie-efficiëntie van de bestaande zuurstoftoevoerapparatuur.

Het energieverbruik per ton water voor fase I- en II-beluchters is: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/ton. Gebaseerd op een onderzoek naar het energieverbruik van het biologische systeem in verschillende omliggende gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties, bedraagt ​​het energieverbruik voor een gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallatie van 25.000 ton/dag met behulp van een beluchtingssysteem met fijne bellen- over het algemeen 0,09–0,1 RMB/ton. Het energieverbruik van de roterende schijfbeluchter is 2,4 tot 2,7 keer zo hoog als dat van het onderste fijne bellenbeluchtingssysteem, wat wijst op een relatief hoog energieverbruik.

1.2.4 Hoog percentage uitval van apparatuur

Naarmate roterende schijfbeluchters ouder worden, nemen de uitvalpercentages van apparatuur geleidelijk toe. Na 11 jaar in deze fabriek te hebben gewerkt, ontwikkelde het roterende schijfbeluchtingssysteem schijfvervorming, wat een hoge belasting van de apparatuur en aanzienlijke trillingen veroorzaakte. Langdurig-gebruik leidde tot losraken van de bodem, wat resulteerde in een verkeerde uitlijning aan beide uiteinden en andere problemen, waardoor verhoogde slijtage van de lagers en een hoog percentage defecten ontstond. Hoofdassen, waaiers, koppelingen en basistandwielen hebben meerdere reparaties of vervangingen ondergaan, waardoor ze in wezen op het punt van vervanging zijn gekomen. De lagers en beluchtingskopbladen van de zelfaanzuigende beluchters waren ernstig versleten. Uit recente statistieken blijkt dat de fabriek jaarlijks bijna 30 reparaties onderging aan roterende schijfbeluchters en zelfaanzuigende beluchters.

2 Ontwerp van technische retrofitoplossing

De algehele retrofitaanpak is: verwijder de originele roterende schijfbeluchters en vervang ze door fijne-bellenbeluchting aan de onderkant, met overeenkomstige toevoeging van ventilatoren; verhoog de effluentkering van de biologische tank om de effectieve waterdiepte van de biologische tank te vergroten; voeg mixers toe in het aerobe gedeelte met gebruikmaking van de originele kanaalstructuur om plaatselijke slibophoping te voorkomen.

2.1 Selectie en lay-out van de beluchter

2.1.1 Parameters beluchtingsschijf

Er werd gekozen voor een EPDM-membraanbeluchtingsschijf model DD330, zoals weergegeven inFiguur 1, met specifieke parameters weergegeven inTabel 1.

2.1.2 Indeling beluchtingsschijf

Aantal beluchtingsschijven: Netto bodemoppervlak tank Fase I 864 m², Netto bodemoppervlak tank Fase II 1.412 m², gemiddeld onderhoudsoppervlak 0,8 m²/schijf, met een veiligheidsfactor van 1,05–1,10. Het uiteindelijke totaal aantal beluchtingsschijven werd bepaald: Fase I 1.150 schijven, Fase II 1.900 schijven.

Indelingsprincipe: gelijkmatig verdeeld in een regelmatig driehoekig rasterpatroon. Afstand tot tankwand Groter dan of gelijk aan 0,3 m om dode zones te vermijden; afstand tot kanaalscheidingswand Groter dan of gelijk aan 0,4 m om onderhoud te vergemakkelijken. Scheiding langs de waterstroomrichting, met één elektrische luchtregelklep per zone om DO-zonecontrole te bereiken. Vermijd aanzuigopeningen van slibpompen, bemonsteringsgoten en kabelgoten, waarbij u de afstand lokaal aanpast tot 1,5 m, terwijl u een onderhoudsoppervlak per schijf van minder dan of gelijk aan 0,8 m² behoudt.

Installatiehoogte en leidingniveau: Het bovenoppervlak van de membraanschijf bevindt zich op 0,25 m van de bodem van de tank, waardoor een onderdompeling groter dan of gelijk aan 5,0 m bij minimaal waterniveau wordt gegarandeerd om ventilatorpieken te voorkomen. Aftakleidingen gebruiken ABS DN50 met geperforeerde luchtverdeling; De hoofdleidingen zijn in een lus gerangschikt, waarbij de luchtsnelheid wordt geregeld op 10–12 m·s⁻¹, materiaal SS304. Voor elke 10 schijven wordt een paar flens-snelkoppelingen- meegeleverd, waardoor het geheel kan worden opgetild voor onderhoud zonder de tank leeg te laten lopen.

2.2 Optimalisatie van het ventilatorsysteem

2.2.1 Blowers toevoegen

Er werden geïmporteerde luchtveringsblowers aangeschaft als de hoofdunits, en er werd een nieuwe ventilatorkamer gebouwd waaraan roestvrijstalen luchtkanalen waren toegevoegd.

2.2.2 Selectie ventilator

Gebaseerd op de werkelijke bedrijfsomstandigheden van de installatie en rekening houdend met toekomstige veranderingen in de waterkwaliteit, wijkt de influent CZV-concentratie in het renovatieplan niet significant af van de ontwerpwaarde, met een gemiddelde concentratie van ongeveer 320 mg/l. De BZV-concentratie werd berekend op basis van de fase III-ontwerpwaarde van 150 mg/l, en andere influentindicatoren werden berekend op basis van de fase III-ontwerpinfluentconcentraties. Het vereiste luchtvolume voor fase I en II van de installatie bedraagt ​​103,7 m³/min (6.225,1 m³/u, twee bedrijfsunits en één stand-by, luchtvolume enkele unit 50 m³/min).

Uitgebreid rekening houdend met verschillende factoren werden twee geïmporteerde luchtveringsblowers NX75-C060 aangeschaft als de belangrijkste eenheden voor fase I en II. Er moest een nieuwe blaaskamer worden gebouwd, voorlopig gelegen aan de zuidkant van de oorspronkelijke slibontwateringswerkplaats, met roestvrijstalen luchtkanalen toegevoegd aan de oxidatiesloot. Blowerparameters: luchtdruk 0,049 MPa, luchtvolume 50 m³/min, met maximaal uitgangsvermogen van 64,3 kW onder deze bedrijfsomstandigheden.

2.2.3 Retrofit beluchtingssysteem

De beluchtingsmethode werd gewijzigd naar bodembeluchting. Fase I en II biologische tanks maken gebruik van overeenkomstige aantallen schijfbeluchters en UPVC-beluchtingsleidingen. Specifieke retrofit-aanpak: De biologische tank van Fase I zal naar verwachting 780 sets DD330 schijfbeluchters en UPVC-beluchtingsleidingen gebruiken. De biologische tank van Fase II zal naar verwachting 1.276 sets DD330 schijfbeluchters en UPVC-beluchtingsbuizen gebruiken, met een luchtvolume van één beluchter van 3,45 m³/u. De indeling van de beluchtingskop wordt weergegeven inFiguren 2 en 3.

2.3 Procesparameteroptimalisatie

2.3.1 Oxidatieslootzonering en DO-controlestrategie

Langs de waterstroomrichting van de oxidatiesloot is het beluchtingsgedeelte verdeeld in vier zones. Zone 1: DO 0,3–0,5 mg/L, Zone 2: DO 0,2–0,3 mg/L, Zone 3: DO 1,5–2,0 mg/L, Zone 4: DO 1,0–1,5 mg/L. Er wordt een procesinstrument voor ammoniak-stikstof geïnstalleerd op het punt met de hoogste nitrificatiereactiesnelheid tussen Zone 2 en Zone 3, waardoor uiteindelijk de NH₃-N-uitstoot van minder dan of gelijk aan 1,5 mg/L wordt gecontroleerd.

2.3.2 Optimalisatie van de beluchtingsperiode

Er werd een module voor "intermitterende beluchting" toegevoegd aan het bestaande SCADA-systeem, waardoor een online DO-instrument + dubbele gesloten lus in de tijd werd gevormd om ervoor te zorgen dat de DO in het midden van het aerobe gedeelte op 0,2 mg/l blijft. Als DOEN<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 Retrofiteffectanalyse

De impact van deze technische retrofit op de algehele proceswerking werd onderzocht door veranderingen in effluentverontreinigende stoffen voor en na de retrofit te vergelijken.

3.1 Vergelijking van de kwaliteit van het effluentwater vóór en na de renovatie

De kwaliteit van het effluentwater voor en na de renovatie was doorgaans stabiel, zoals blijkt uitFiguur 4. Voor en na de retrofit bleef het gemiddelde effluent CZV onder de 30 mg/l, TP bleef feitelijk kleiner dan of gelijk aan 0,3 mg/l, NH₃-N kleiner dan of gelijk aan 1,5 mg/l, terwijl TN rond de 10 mg/l schommelde. De algehele waterkwaliteit bereikte quasi-Klasse IV oppervlaktewaternormen, en overtrof ruimschoots de lozingsnormen die voor de installatie vereist zijn.

Om de mogelijke impact van de renovatie op de waterkwaliteit intuïtiever te analyseren, werden de één-jaarlijkse trends in de kwaliteit van het effluent voor en na de renovatie vergeleken, wat opleverdeFiguur 5. Uit de figuur blijkt dat, zonder rekening te houden met de impact van veranderingen in de influentconcentratie, de fluctuaties in de CZV- en TP-effluentconcentraties na de retrofit stabieler waren dan vóór de retrofit. Hoewel de gemiddelde waarden van stikstofindicatoren stegen vergeleken met vóór de retrofit, was de algemene trend relatief stabiel, wat resulteerde in een lager energieverbruik van de centrale en besparingen op chemicaliën.

3.2 Vergelijking van de verwijdering van verontreinigende stoffen vóór en na de retrofit

Dankzij de verbetering van het beluchtingssysteem daalde het totale elektriciteitsverbruik van de fabriek met 1,7% vergeleken met voorheen, terwijl de behandelingscapaciteit met 8,33% toenam, en de overeenkomstige vermindering van verontreinigende stoffen ook toenam, zoals blijkt uitFiguur 6. Na berekening steeg de CZV-reductie met 948,5 ton, TP met 7,0 ton, NH₃-N met 100,4 ton en TN met 125,9 ton.

De feitelijke verwijdering van verontreinigende stoffen veranderde ook dienovereenkomstig, zoals weergegeven inTabel 2. Na de renovatie namen de verwijderingspercentages voor alle andere indicatoren toe, met uitzondering van een afname van het NH₃-N-verwijderingspercentage.

3.3 Vergelijking van energieverbruik vóór en na de renovatie

Het energieverbruik van dit retrofitproject wordt weergegeven inTabel 3. Na de renovatie daalde het energieverbruik per ton water voor het fase I biologische tankbeluchtingssysteem met 67,3%, en voor fase II met 80,9%. Het totale gemiddelde energieverbruik per ton water daalde met 55,3%, wat aanzienlijke energie-besparende effecten aantoont. Het totale energieverbruik van de installatie per ton water daalde tot 0,21 kW·h/m³, binnen het bereik van de energieverbruikswaarden voor soortgelijke oxidatieslootprocessen in het hele land (0,292±0,192) kW·h/m³. Het energieverbruik per gewichtseenheid verontreinigende stof voor en na de renovatie van de gehele installatie wordt weergegeven inTabel 4. Na de renovatie van het algehele beluchtingssysteem van de fabriek daalde het energieverbruik per 1 kg behandeld CZV met 26,2%, per 1 kg behandeld TP met 15,7%, per 1 kg behandeld NH₃-N met 29,3% en per 1 kg behandeld TN met 36,1%, wat goede energie-besparende effecten aantoont.

3.4 Chemische vergelijking vóór en na de retrofit

Vóór de renovatie was DO in het biologische systeem, als gevolg van frequente storingen in het beluchtingssysteem, moeilijk onder controle te houden, en om te voldoen aan de normen voor stikstofindicatoren was de toevoeging van externe koolstofbronnen vereist om de effectiviteit van de verwijdering te garanderen. Na de renovatie was de toevoeging van externe koolstofbronnen in principe niet langer nodig. Na de renovatie is de efficiëntie van de biologische fosforverwijdering en denitrificatie aanzienlijk verbeterd, en zijn de bijbehorende fosforverwijderingschemicaliën PAC en slibontwateringschemicaliën PAM dienovereenkomstig verminderd. De jaarlijkse kosten voor chemicaliën daalden met ongeveer 167.000 RMB vergeleken met voorheen. Specifieke wijzigingen worden weergegeven inTabel 5.

3.5 Investeringsvergelijking vóór en na de retrofit

Vóór de retrofit bedroegen de jaarlijkse kosten voor oppervlaktebeluchters 1,6281 miljoen RMB, met jaarlijkse reparatiekosten voor apparatuur van niet minder dan 250.000 RMB. Na de retrofit bedroegen de jaarlijkse kosten voor ventilatoren en mixers 714.600 RMB. Op basis van deze berekening bedroegen de jaarlijkse besparingen op elektriciteitskosten 913.500 RMB, plus jaarlijkse besparingen op reparatiekosten van 250.000 RMB, wat neerkomt op een jaarlijkse besparing van 1,1635 miljoen RMB. Op basis van een totale investering van 3,704 miljoen RMB bedraagt ​​de terugverdientijd 3,18 jaar.

3.6 Processtabiliteit

Vóór de retrofit werd tijdens perioden van storing de opgeloste zuurstof in de biologische tank grotendeels onder de 1,0 mg/l gehouden. Na de renovatie bedroeg de opgeloste zuurstof in de biologische tank gemiddeld 1,5–2,0 mg/l. Afhankelijk van de influentconcentratie en procesvereisten kan het aanpassingsbereik voor opgeloste zuurstof 1,0–2,5 mg/l bedragen. Wanneer de influentconcentratie hoog is, kunnen normale opgeloste zuurstofniveaus in de biologische tank ook worden gehandhaafd door de ventilatoropbrengst aan te passen. Daarom wordt na de renovatie voldaan aan de voorwaarden voor stabiele effluentnaleving.

4 Conclusie

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, vaak DOEN<1 mg/L, and annual repair cost increases >15% kan deze technische renovatie repliceren. Gebaseerd op de elektriciteitsbesparing van 55,3%, de terugverdientijd van 3,18- jaar en de marginale voordelen van een stijging van 3%-5% in de reductie van verontreinigende stoffen uit dit voorbeeld, heeft de renovatie-investering een hoge veiligheidsmarge en kan het potentieel voor koolstofreductie onmiddellijk worden benut, waardoor repliceerbare en voldoende voorwaarden worden geboden voor het groen en koolstofarm upgraden van oude oxidatiesloten.