Energijos taupymo ir anglies dvideginio mažinimo aeravimo sistemų nuotekų valymo įrenginiuose apžvalga
Iki 2020 m. pabaigos Kinijoje buvo 4 326 komunaliniai ir aukštesnio lygio nuotekų valymo įrenginiai (NV), kurie kasmet išvalo 65,59 milijardo kubinių metrų nuotekų, o per metus sunaudojama 33,77 milijardo kWh elektros energijos, o tai sudaro 0,45 % viso šalyje suvartojamos elektros energijos. 2020 m. NV sunaudojimas vienam kubiniam metrui išvalyto vandens sudarė 0,405 kWh/m³, o NV atitinka A klasės ar aukštesnį „Komunalinių nuotekų valymo įrenginių teršalų išmetimo standarto“ (GB 18918-2002) standartą (GB 18918-2002), o 0,375 kWh/m³ yra žymiai mažesnis už vidutinius A standartus. išsivysčiusių šalių. Nors vidutinė įtekamų teršalų koncentracija Kinijos NV yra mažesnė nei 50% išsivysčiusių šalių koncentracijos, tačiau vienam pašalintam teršalui sunaudojama mažiausiai 100% vieneto elektros energijos. Todėl Kinijos nuotekų valymo įrenginiuose išlieka didelis energijos taupymo ir anglies dioksido kiekio mažinimo potencialas.
Iš NVĮ išmetamas anglies dvideginio kiekis apima tiesioginį ir netiesioginį išmetimą. Remiantis „Nuotekų valymo įrenginių mažai anglies dioksido į aplinką išskiriančių įrenginių eksploatavimo įvertinimo technine specifikacija“ (T/CAEPI 49-2022), tiesioginį anglies emisiją daugiausia sudaro CH₄, N2O ir CO₂ deginant iškastinį kurą. Netiesioginiai išmetimai apima emisijas, susijusias su perkama elektros energija, šiluma ir cheminėmis medžiagomis. Kaip apibrėžė Tarpvyriausybinė klimato kaitos komisija (IPCC), CO₂, išmetamas dėl biologinio skilimo proceso valant nuotekas, neįtraukiamas į anglies emisijos apskaitą. Tarp įvairių NVĮ išmetamų anglies dioksido elementų didžiausią dalį sudaro elektros energijos suvartojimas. Jiang Fuhai ir kt., remdamiesi 10 NV imtimi, nustatė, kad elektros suvartojimo įnašas į anglies dvideginio išmetimą svyravo nuo 31 % iki 64 %. Hu Xiang ir kt., išanalizavę 22 Chaohu ežero baseino NV, pranešė, kad anglies dvideginio išmetimas iš elektros energijos sudarė 61,55–73,56%. Kuo mažesnė įtekančio vandens koncentracija ir aukštesnis nuotekų standartas, tuo didesnė tiesioginių anglies dvideginio emisijų dalis, ypač dėl elektros energijos vartojimo. Aeracijos sistemos sunaudoja daugiau nei 50 % visos NVĮ elektros energijos. Aeracijos sistemų veikimo efektyvumas tiesiogiai veikia azoto ir fosforo pašalinimą. Dėl per didelio aeravimo nuotekose be reikalo sunaudojama endogeninių anglies šaltinių, sumažėja biologinio azoto ir fosforo šalinimo efektyvumas, todėl didėja išorinių anglies šaltinių ir fosforo šalinimo chemikalų dozės, o tai savo ruožtu padidina anglies dvideginio išmetimą naudojant chemines medžiagas. Todėl energijos taupymas aeracijos sistemose yra labai svarbus siekiant sumažinti anglies dioksido kiekį NVĮ, todėl aeravimo sistemų energiją taupančių technologijų tyrimai yra labai svarbūs.
1. Priežastys, dėl kurių Kinijos nuotekų valymo įrenginių aeracijos sistemose sunaudojama daug energijos
1.1 Faktinė įtekėjimo apkrova yra mažesnė nei projektinė apkrova
Maža įtekamoji apkrova apima ir mažą srautą, ir mažą teršalų koncentraciją. Tai yra pagrindinė pernelyg didelės aeracijos priežastis. Per didelis aeravimas ne tik padidina elektros sąnaudas, bet ir per daug išeikvoja endogeninius anglies šaltinius nuotekose ir padidina ištirpusio deguonies koncentraciją anaerobinėse ir anoksinėse talpyklose, o tai pablogina azoto ir fosforo pašalinimą. Dėl to reikia didinti anglies šaltinių ir fosforo šalinimo chemikalų dozes, o tai padidina susijusį anglies emisiją.
1.1.1 Mažas debitas
Paprastai pirmaisiais metais po NVĮ pastatymo įtekamasis srautas dažnai nepasiekia projektinio pajėgumo dėl atsiliekančios miesto plėtros ar nuotekų tinklų tiesimo. Be to, kombinuotose kanalizacijos sistemose arba regionuose, kuriuose smarkiai maišosi lietaus vanduo ir nuotekos, sauso{1}}oro srautas yra žymiai mažesnis nei drėgno{2}}oro srautas, todėl srautas svyruoja dideli. Tam reikia tiksliau reguliuoti ir kontroliuoti aeracijos greitį; kitu atveju per-aeracija mažo-srauto laikotarpiais yra įprasta, o tai turi įtakos anglies, azoto ir fosforo šalinimo efektyvumui bei padidina elektros ir cheminių medžiagų suvartojimą.1 pavparodo nuotekų valymo apimties pokyčius Čangšos mieste tarp sauso ir drėgno sezonų. Šlapiojo-sezono apdorojimo apimtis yra 30–40 % didesnė nei sausuoju sezonu. Sezoniniai gydymo apimties svyravimai reikalauja tikslesnės aeracijos sistemos valdymo.
1.1.2 Maža įtakos koncentracija
Faktinės įtekamų teršalų koncentracijos Kinijos komunaliniuose NV paprastai yra daug mažesnės nei projektinės vertės. Projektuojant nuotekų valymo įrenginius, įtakos kokybė paprastai grindžiama vidutinės trukmės--ilgalaikiu-projekcijomis su visais kanalizacijos tinklais. Pagal „Lauko nuotekų projektavimo standartą“ (GB 50014-2021), penkių -dienų biocheminis deguonies poreikis (BOD₅) buitinėms nuotekoms apskaičiuotas 40–60 g/d., paprastai skaičiuojant 40 g/d. Daugumoje miestų vienam gyventojui išleidžiant 200–350 l/dieną nuotekų, projektinė BDS₅ koncentracija paprastai svyruoja nuo 110 iki 200 mg/l. Statistika rodo, kad 68 % Kinijos NV faktinis metinis BDS₅ yra mažesnis nei 100 mg/l, o 40 % metinis vidurkis yra mažesnis nei 50 mg/l. Atsižvelgiant į įtekančio srauto koncentraciją ir reikalingą aeraciją, daugumoje Kinijos NVĮ yra aeravimo sistemos, sukurtos su „nedidelio dydžio varikliu mažam vežimėliui“-sukonfigūruota su didelės-našumo orapūtėmis, o faktinis oro poreikis yra mažas. Ši konfigūracija lengvai sukelia pervėdinimą ir padidina energijos sąnaudas.
1.2 Neprotinga vėdinimo įrangos konfigūracija
Daugelis NVĮ nepagrįstai sukonfigūravo aeravimo įrangos skaičių, nes neatsižvelgė į dažnas mažos{0}}apkrovos veikimo sąlygas. Pavyzdžiui, daugelis mažų ir vidutinių NVĮ paprastai sukonfigūruoja orapūtes „2 režimu + 1 budėjimo režimu“ (iš viso 3) orapūtės patalpos konstrukcijoje, kuri yra optimali projektinio srauto ir kokybės sąlygomis. Tačiau esant mažai įtakai apkrovai, naudojant net vieną orapūtę esant mažiausiam galingumui, gali atsirasti per-aeracija ir padidėti energijos sąnaudos. Įdiegus kintamo dažnio pavaras (VFD) ar kitas priemones, skirtas sumažinti oro tiekimą, galima išvengti per-vėdinimo, šios priemonės gali nukreipti orapūtės veikimą toliau nuo didelio{10}}efektyvumo zonos, sumažinant efektyvumą ir eikvojant energiją. Atsižvelgiant į paprastai mažą įtekamąją koncentraciją, reikėtų apsvarstyti tokias strategijas kaip orapūtių skaičiaus didinimas ir atskiro įrenginio pajėgumo mažinimas, kad būtų patenkinti oro poreikio reguliavimo poreikiai mažos{12}}apkrovos laikotarpiais. Istoriškai dėl ribotų biudžetų ir didelių importuotų didelio našumo pūstuvų{14}}kainų sumažėjo{15}}įrenginių konfigūracijų. Tobulėjant vietinei didelio našumo{17}}pūstuvų technologijai ir sumažinus išlaidas, dabar susidaro palankios sąlygos optimizuoti orapūtės konfigūracijas, kad būtų taupoma energija ir sumažintas anglies dioksido kiekis.
1.3 Žemas vėdinimo įrangos efektyvumas
Kai kuriuose senesniuose NV, pastatytuose taikant savo laikmečio technologiją, naudojama mažo-efektyvumo,-daug energijos-sunaudojanti aeravimo įranga. Pagal dabartinius technologinius ir energijos vartojimo efektyvumo standartus tokia įranga kaip Roots orapūtės, kelių pakopų mažo greičio-išcentriniai pūstuvai, diskiniai aeratoriai ir šepečių aeratoriai laikomi mažu-efektyvumu, paprastai svyruoja nuo 40 % iki 65 % efektyvumo Be to, nuotekų valymo įrenginiuose, kuriuose anaerobinio-anoksinio-oksinio (A₂/O) arba anoksinio-oksinio (A/O) procesuose naudojama smulkia{14}}burbuliukų aeracija, difuzorių senėjimas arba užsikimšimas sumažina deguonies pernešimo efektyvumą ir padidina pasipriešinimą, todėl padidėja ventiliatoriaus energijos sąnaudos.
1.4 Neprotinga maišytuvų konfigūracija biologiniuose rezervuaruose
Oksidaciniuose grioviuose su paviršiniais aeratoriais įranga atlieka ir aeravimo, ir maišymo/stūmimo funkcijas. Tai yra pagrįsta konstrukcija projektinės apkrovos sąlygomis. Tačiau, esant mažai-apkrovai, gali prireikti sumažinti arba sustabdyti aeraciją, tačiau norint išvengti dumblo nusėdimo ar skysčio-kietosios medžiagos atsiskyrimo, reikia palaikyti pakankamą srauto greitį, dėl kurio aeratoriai bus priversti toliau veikti, o tai sukelia per-aeraciją, prastą maistinių medžiagų pašalinimą ir energijos švaistymą. Kad būtų galima efektyviau naudoti-nedidelę apkrovą, oksidacijos grioviuose turi būti tinkamai sukonfigūruoti panardinami maišytuvai.
Atliekant A₂/O ir A/O procesus, aerobiniai bakai paprastai yra visiškai uždengti smulkiais -burbuliukais be specialių maišytuvų, kurie priklauso nuo pakankamo aeravimo, kad būtų išvengta nusėdimo. Esant mažoms apkrovoms, sumažinus vėdinimą arba naudojant protarpinį aeravimą, kad būtų išvengta per-vėdinimo, dumblas gali lengvai nusėsti, o tai gali turėti įtakos apdorojimui. Kad efektyviau veiktų esant mažoms apkrovoms, A₂/O ir A/O aerobiniai bakai turėtų apsvarstyti galimybę pridėti atitinkamus maišytuvus.
2. Techniniai energijos taupymo ir anglies dioksido kiekio mažinimo metodai NV aeravimo sistemose
2.1 Pakeitimas didelio efektyvumo{1}}vėdinimo įranga
NVĮ vis dar naudoja mažo{0}}efektyvumo įrangą, pvz., Roots orapūtes, kelių-pakopų mažo greičio-išcentrinius pūstuvus, diskinius aeratorius ar šepetinius aeratorius arba turi labai pasenusią ir neefektyvią įrangą, turėtų atlikti energijos vartojimo efektyvumo vertinimus iš energijos{3}taupymo ir anglies{5}{4}{4}{4}naudojimo perspektyvos modeliai. Šiuo metu didelėse nuotekų valymo įrenginiuose naudojami didelės spartos-pūstuvai, tokie kaip vienos-pakopos didelio greičio-išcentriniai pūstuvai, magnetinių guolių orapūtės ir orapūtės su orapūtėmis, naudojamos didelėse NVĮ, paprastai pasižymi 80–85 % efektyvumu. Tačiau šiuo metu rinkoje trūksta mažo{13}}galingumo{14}}didelio greičio išcentrinių pūstuvų gaminių. Nuotekų valymo įrenginiuose, kurių pajėgumas mažesnis nei 2 000 m³ per dieną, vis dar naudojama mažiau efektyvi įranga, pvz., Roots orapūtės, kurių efektyvumas paprastai yra nuo 40 % iki 65 %, o tai rodo didelį tobulinimo potencialą. Todėl efektyvesnės mažo masto aeravimo įrangos kūrimas yra prasmingas energijos taupymui ir anglies dvideginio mažinimui mažose NVĮ.
2.2 Konvertavimas iš paviršinio aeravimo į smulkų{1}}burbulinį difuzinį aeravimą
Esant tinkamam vandens gyliui, smulkių{0}}burbulų išsklaidyta aeracija yra efektyvesnė energija-, nei paviršinė aeracija. Oksidacinių griovių pavertimas iš paviršiaus į smulkių-burbuliukų išsklaidytą aeraciją gali duoti gerų- energijos taupymo rezultatų. Iš įgyvendintų modernizavimo projektų tokios konversijos ne tik leidžia sutaupyti daug energijos, bet ir pagerina biologinio maistinių medžiagų šalinimo efektyvumą. Chen Chao tyrime pažymima, kad pakeitus vieną NV, bendras elektros suvartojimas sumažėjo 24,7%, o amoniakinio azoto, ChDS ir bendro fosforo pašalinimo rodikliai padidėjo atitinkamai 30,39%, 5,39% ir 2,09%. Xie Jici ir kt. pranešė, kad po panašaus konversijos sutaupyta 0,09–0,12 kWh/m³ energijos, žymiai pagerėjus biologinio maistinių medžiagų pašalinimo efektyvumui. Smulkaus{16}}burbulo aeracijos atveju deguonies perdavimo efektyvumas yra tiesiškai teigiamai koreliuojamas su vandens gyliu. Žemiau tam tikro kritinio gylio jo efektyvumas gali būti mažesnis nei paviršiaus aeracijos. Paprastai didesnis nei 4 m vandens gylis laikomas tinkama sąlyga oksidacinius griovius paversti smulkia -burbuliukų difuzine aeracija.
3. Techniniai energijos taupymo ir anglies dioksido kiekio mažinimo metodai NV aeravimo sistemose
3.1 Pakeitimas didelio efektyvumo{1}}vėdinimo įranga
NVĮ vis dar naudoja mažo{0}}efektyvumo įrangą, pvz., Roots orapūtes, kelių-pakopų mažo greičio-išcentrinius pūstuvus, diskinius aeratorius ar šepetinius aeratorius arba turi labai pasenusią ir neefektyvią įrangą, turėtų atlikti energijos vartojimo efektyvumo vertinimus iš energijos{3}taupymo ir anglies{5}{4}{4}{4}naudojimo perspektyvos modeliai. Šiuo metu didelėse nuotekų valymo įrenginiuose naudojami didelės spartos-pūstuvai, tokie kaip vienos-pakopos didelio greičio-išcentriniai pūstuvai, magnetinių guolių orapūtės ir orapūtės su orapūtėmis, naudojamos didelėse NVĮ, paprastai pasižymi 80–85 % efektyvumu. Tačiau šiuo metu rinkoje trūksta mažo{13}}galingumo{14}}didelio greičio išcentrinių pūstuvų gaminių. Nuotekų valymo įrenginiuose, kurių pajėgumas mažesnis nei 2 000 m³ per dieną, vis dar naudojama mažiau efektyvi įranga, pvz., Roots orapūtės, kurių efektyvumas paprastai yra nuo 40 % iki 65 %, o tai rodo didelį tobulinimo potencialą. Todėl efektyvesnės mažo masto aeravimo įrangos kūrimas yra prasmingas energijos taupymui ir anglies dvideginio mažinimui mažose NVĮ.
3.2 Konvertavimas iš paviršinio aeravimo į smulkų{1}}burbulinį difuzinį aeravimą
Esant tinkamam vandens gyliui, smulkių{0}}burbulų išsklaidyta aeracija yra efektyvesnė energija-, nei paviršinė aeracija. Oksidacinių griovių pavertimas iš paviršiaus į smulkių-burbuliukų išsklaidytą aeraciją gali duoti gerų- energijos taupymo rezultatų. Iš įgyvendintų modernizavimo projektų tokios konversijos ne tik leidžia sutaupyti daug energijos, bet ir pagerina biologinio maistinių medžiagų šalinimo efektyvumą. Chen Chao tyrime pažymima, kad pakeitus vieną NV, bendras elektros suvartojimas sumažėjo 24,7%, o amoniakinio azoto, ChDS ir bendro fosforo pašalinimo rodikliai padidėjo atitinkamai 30,39%, 5,39% ir 2,09%. Xie Jici ir kt. pranešė, kad po panašaus konversijos sutaupyta 0,09–0,12 kWh/m³ energijos, žymiai pagerėjus biologinio maistinių medžiagų pašalinimo efektyvumui. Smulkaus{16}}burbulo aeracijos atveju deguonies perdavimo efektyvumas yra tiesiškai teigiamai koreliuojamas su vandens gyliu. Žemiau tam tikro kritinio gylio jo efektyvumas gali būti mažesnis nei paviršiaus aeracijos. Paprastai didesnis nei 4 m vandens gylis laikomas tinkama sąlyga oksidacinius griovius paversti smulkia -burbuliukų difuzine aeracija.
3.3 Pertraukiamo aeravimo technologija
Nuolatinis{0}}srautas protarpinis vėdinimas NVĮ, kuriuose įtekamoji koncentracija maža, veiksmingai sprendžia prasto maistinių medžiagų pašalinimo ir didelio energijos sąnaudų, atsirandančių dėl per-vėdinimo, problemas. Tai apima nuolatinį įtekamąjį ir nuotekų srautą, o aeravimo sistema veikia aeracijos įjungimo ir išjungimo ciklais. Po ARAKI ir kt., 1986 m., tyrimų apie pertraukiamą aeraciją, skirtą azoto pašalinimui oksidacijos grioviuose, daugelis mokslininkų atliko eksperimentinius tyrimus. Hou Hongxun ir kt. atliko viso -masto bandymą 100 000 m³/d NV, naudojant nuolatinį-srauto protarpinį aeravimą oksidacijos griovyje, o bendras azoto pašalinimas padidėjo 20 %, bendras fosforo pašalinimas padidėjo 49 % ir 21 % sumažėjo bendras augalų energijos suvartojimas. He Quan ir kt., atlikdami 40 000 m³/d NV oksidacijos griovio bandymą, naudojant 2-h įjungimo/2{31}}val. išjungimo ciklą, nustatė, kad, palyginti su nepertraukiamu aeravimu, protarpinis aeravimas sutaupė 42 % aeracijos energijos, padidino bendrą azoto kiekį, o bendras azoto pašalinimas 9 % ph.6 % arba 9 % ph. žemos-temperatūros sąlygos. Zheng Wanlin ir kt., atlikdami 40 000 m³/d NV A₂/O proceso bandymą, naudojant 3-val. įjungimo/3 valandų išjungimo ciklą, išlaikė stabilią standartus atitinkančią nuotekų kokybę ir sutaupė 18,3 % elektros energijos. Šiuo metu visa apimtimi nuolatinio srauto pertraukiamo aeravimo taikymas vis dar yra ribotas, liko keletas techninių iššūkių.
A₂/O procesuose, kuriuose naudojamas smulkus{0}}burbulinis aeravimas, du veiksniai riboja platų pertraukiamo aeravimo taikymą. Pirma, didelio greičio{2}}išcentriniai pūstuvai paleidžiant sukuria didelį-decibelų garsą; dažnas važiavimas dviračiu su pertrūkiais sukuria triukšmo taršą. Antra, dėl dažnų magnetinių/orinių guolių pūstuvų paleidimo-sustabdymo ciklų bekontakčiai guoliai nuolat liečiasi su korpusu, todėl lengvai pažeidžiami guoliai, padidėja gedimų dažnis ir sutrumpėja eksploatavimo trukmė.
Taikant pertraukiamą aeravimą oksidacijos grioviuose arba A₂/O procesuose, turi būti užtikrintas pakankamas maišymo greitis ne{0}}aeracijos laikotarpiais, todėl gali prireikti papildomų maišytuvų, kad būtų išvengta dumblo nusėdimo. Amoniako azoto koncentracija gali greitai padidėti ne-aeruojant, todėl kyla pavojus akimirksniu viršyti. Todėl reikia atlikti tolesnius tyrimus, siekiant moksliškai nustatyti ir pakoreguoti aeracijos ciklus, geriau taupyti energiją ir pašalinti teršalus, tuo pačiu išvengiant momentinio amoniakinio azoto kiekio viršijimo.
NV susirūpinimas dėl galimo momentinio amoniakinio azoto kiekio viršijimo yra pagrindinė kliūtis plačiai taikyti protarpinį aeravimą. 2022 m. sausio mėn. Ekologijos ir aplinkos ministerija paskelbė konsultaciją dėl GB 18918-2002 pakeitimo projekto, visų pirma siūlydama pridėti didžiausias leistinas pavienių matavimų ribas. Šios siūlomos vieno matavimo ribos yra žymiai didesnės nei pradinės dienos vidurkio ribos, o dienos vidurkiai nesikeičia. Pavyzdžiui, A laipsnio standarto atveju vienas matavimas mažesnis nei 10 mg/L (15 mg/L žemiau 12 laipsnių) būtų priimtinas, jei paros vidurkis liktų mažesnis nei 5 mg/L (8 mg/L žemiau 12 laipsnių). Jei šis pakeitimas būtų įgyvendintas, jis galėtų padėti išspręsti reguliavimo problemas, susijusias su momentiniu protarpinio aeravimo viršijimu, ir palengvinti jo taikymą oksidacijos griovių procesuose.
3.4 Tiksli aeravimo technologija
Nuotekų valymo įrenginių srautai ir įtekančio vandens koncentracijos labai svyruoja net visą dieną, todėl oro poreikis kinta. Pasikliaujant vien rankiniu patyrimu-pagrįstu reguliavimu, sunku tiksliai valdyti ir gali pakenkti nuotekų kokybės stabilumui. Tobulėjant dideliems duomenims ir dirbtiniam intelektui, atsirado tikslios aeracijos koncepcija. Kai kuriose NV buvo pritaikyta tiksli aeravimo technologija, kuri paprastai leidžia sutaupyti 10–20 % energijos aeravimo sistemose. Tikslią aeraciją derinant su kitais proceso pakeitimais galima gauti geresnių rezultatų. Zhu Jie ir kt. įdiegtas tikslus aeracijos modifikavimas daugiapakopėje A/O proceso NV, taip sutaupant 49,8 % energijos aeravimo sistemoje. Tiksli ir protinga aeracija yra svarbios ateities energijos taupymo ir anglies dioksido mažinimo kryptys. Šiuo metu šių sistemų duomenų gavimo ir analizės galimybė ir tikslumas realiuoju laiku yra ribotos. Reikia daugiau technologinių laimėjimų,{15}}kad būtų galima tiksliai valdyti orapūtes ir vožtuvus ir tiksliai paskirstyti orą realiuoju laiku.
4. Išvada
Energijos taupymas vėdinimo sistemose yra esminis dalykas siekiant sumažinti anglies dioksido kiekį NVĮ. Pagrindinė Kinijos NVĮ aeravimo sistemų didelio energijos sąnaudų priežastis yra maža įtekėjimo apkrova, dėl kurios lengvai pereinama-aeracija, eikvojama elektros energija ir didėja anglies dvideginio išmetimas dėl energijos ir cheminių medžiagų. Kitos priežastys apima senėjimą / mažo-efektyvumo įrangą ir nepagrįstą vėdinimo ir maišymo įrangos konfigūraciją. Veiksmingos energijos taupymo ir anglies dioksido kiekio mažinimo priemonės yra mažo-efektyvumo pakeitimas didelio-efektyvumo aeravimo įranga, paviršiaus pavertimas smulkiu-burbuliu išsklaidytu aeravimu ir tokių technologijų kaip nuolatinis-srautas protarpinis aeravimas ir tikslus aeravimas.