Ülevaade reoveepuhastusjaamade õhutussüsteemide energiasäästmisest ja süsinikdioksiidi vähendamisest
2020. aasta lõpuks oli Hiinas 4326 munitsipaal- ja kõrgemal tasemel reoveepuhastit (WWTP), mis puhastavad aastas 65,59 miljardit kuupmeetrit reovett ja mille aastane elektritarbimine oli 33,77 miljardit kWh, mis moodustab 0,45% riigi kogu elektritarbimisest. 2020. aastal oli elektrienergia ühikuline tarbimine puhastatud vee kuupmeetri kohta 0,405 kWh/m³ reoveepuhastites, mis rakendavad olmereoveepuhastite saasteainete heitenormi A või kõrgemat standardit (GB 18918-2002), ja need on 0,375 kWh/m³ keskmisest madalamad kui need, mida rakendatakse. arenenud riigid. Kuigi Hiina reoveepuhastusjaamade keskmine sissetungiva saasteaine kontsentratsioon on alla 50% arenenud riikide omast, on elektritarbimine ühiku kohta eemaldatud saasteaine kohta vähemalt 100% suurem. Seetõttu on Hiina reoveepuhastusjaamades endiselt märkimisväärne potentsiaal energia säästmiseks ja süsinikdioksiidi vähendamiseks.
Reoveepuhastusjaamade süsinikdioksiidi heitkogused hõlmavad otseseid ja kaudseid heiteid. Vastavalt "Tehnilisele spetsifikatsioonile madala-süsinikuheitega töötamise hindamiseks reoveepuhastusjaamades" (T/CAEPI 49-2022) koosnevad otsesed süsinikuheitmed peamiselt fossiilkütuste põletamisel tekkivast CH₄-st, N2O-st ja CO₂-st. Kaudsed heitmed hõlmavad neid, mis on seotud ostetud elektri, soojuse ja kemikaalidega. Valitsustevahelise kliimamuutuste paneeli (IPCC) määratluse kohaselt ei kaasata reoveepuhastuse bioloogilise lagunemisprotsessi käigus eraldunud CO₂ süsinikuheite arvestusse. Reoveepuhastusjaamade süsinikuheite elementide hulgas on elektritarbimine kõige suurem. Jiang Fuhai jt leidsid 10 reoveepuhastist koosneva valimi põhjal, et elektritarbimise osakaal süsinikuheitmetes oli vahemikus 31–64%. Hu Xiang jt, analüüsides 22 reoveepuhastusjaama Chaohu järve vesikonnas, teatasid, et elektritarbimisest tulenev süsinikdioksiidi heitkogus moodustas 61,55–73,56%. Mida madalam on sissevoolu kontsentratsioon ja kõrgem heitvee norm, seda suurem on otseste süsinikuheitmete osakaal, eriti elektritarbimisest tulenevate süsinikuheitmete osakaal. Aeratsioonisüsteemid tarbivad üle 50% reoveepuhastusjaama kogu elektrienergiast. Aeratsioonisüsteemide töötõhusus mõjutab otseselt lämmastiku ja fosfori eemaldamist. Liigne õhutamine toob kaasa reovees endogeensete süsinikuallikate tarbetu tarbimise, mis vähendab bioloogilise lämmastiku ja fosfori eemaldamise efektiivsust, suurendades seeläbi väliste süsinikuallikate ja fosforit eemaldavate kemikaalide doosi, mis omakorda suurendab kemikaalide tarbimisest tulenevat süsiniku emissiooni. Järelikult on aeratsioonisüsteemide energiasääst reoveepuhastites süsinikdioksiidi vähendamisel võtmetähtsusega, mistõttu on õhutussüsteemide energiasäästlike tehnoloogiate alased uuringud väga olulised.
1. Hiina reoveepuhastusjaamade õhutussüsteemide suure energiatarbimise põhjused
1.1 Tegelik sissevoolukoormus on väiksem kui kavandatud koormus
Madal sissevoolukoormus hõlmab nii madalat voolukiirust kui ka madalat saasteainete kontsentratsiooni. See on ülemäärase õhutamise peamine põhjus. Üleõhutamine mitte ainult ei suurenda elektritarbimist, vaid kahandab liigselt reovees olevaid endogeenseid süsinikuallikaid ning tõstab lahustunud hapniku kontsentratsiooni anaeroobsetes ja anoksilistes mahutites, kahjustades lämmastiku ja fosfori eemaldamist. See nõuab süsinikuallikate ja fosforit eemaldavate kemikaalide suuremaid annuseid, suurendades sellega seotud süsinikdioksiidi heitkoguseid.
1.1.1 Madal voolukiirus
Tavaliselt ei saavuta reoveepuhastusjaama ehitamist esimestel aastatel sissevooluvool sageli kavandatud võimsust mahajäänud linnaarengu või kanalisatsioonivõrgu ehitamise tõttu. Lisaks on kombineeritud kanalisatsioonisüsteemi piirkondades või piirkondades, kus sademe- ja kanalisatsioon seguneb tugevalt, kuiva{1}}ilmavooluhulk oluliselt madalam kui märja-ilma vooluhulk, mille tulemuseks on suured voolukõikumised. See nõuab õhutuskiiruste täpsemat reguleerimist ja kontrolli; vastasel juhul on üleõhutamine madalal-vooluperioodil tavaline, mis mõjutab süsiniku, lämmastiku ja fosfori eemaldamise tõhusust ning suurendab nii elektri- kui ka kemikaalide tarbimist.Joonis 1näitab Changsha linna reoveepuhastusmahu erinevust kuiva ja märja aastaaja vahel. Märghooaja-hooaja töötlemismaht on 30–40% suurem kui kuival hooajal. Ravimahu hooajalised kõikumised nõuavad täpsemat õhutussüsteemi juhtimist.
1.1.2 Madal mõjukontsentratsioon
Sissejuhatavate saasteainete tegelik kontsentratsioon Hiina munitsipaalreoveepuhastusjaamades on üldiselt palju väiksem kui kavandatud väärtus. Reoveepuhastusjaamade projekteerimisel põhineb mõjukvaliteet tavaliselt kesk{1}}--pikaajastel-prognoosidel täielike kanalisatsioonivõrkudega. Vastavalt standardile „Välisreovee projekteerimise standard” (GB 50014-2021) on olmereovee viie-päevane biokeemiline hapnikutarve (BOD₅) arvutatud 40–60 g/(inimene·d), tavaliselt 40 g/(in·d). Enamikus linnades on reovee ärajuhtimine elaniku kohta 200–350 l/päevas ja BHT₅ kontsentratsioon on tavaliselt vahemikus 110–200 mg/l. Statistika näitab, et 68% Hiina reoveepuhastusjaamadest on tegelik aastane keskmine sissevoolu BHT₅ alla 100 mg/l ja 40% aasta keskmine on alla 50 mg/l. Sissevoolu kontsentratsiooni ja nõutava aeratsiooni seisukohast on enamikul Hiina reoveepuhastusjaamadel õhutussüsteemid, mis on loodud „väikese käru jaoks mõeldud liiga suure mootoriga”-konfigureeritud suure-võimsusega puhuritega, samal ajal kui tegelik õhuvajadus on väike. See konfiguratsioon põhjustab kergesti üleõhutamist ja energiatarbimise suurenemist.
1.2 Õhutusseadmete ebamõistlik konfiguratsioon
Paljud reoveepuhastid on õhutusseadmete arvu põhjendamatult konfigureerinud, kuna nad ei võta arvesse sagedasi madala{0}koormusega töötingimusi. Näiteks paljud väikesed ja keskmise suurusega -reoveepuhastid konfigureerivad puhuriruumi kujunduses tavaliselt puhurid "2 töörežiimiga + 1 ooterežiimis" (kokku 3), mis on kavandatud voolu- ja kvaliteeditingimustes optimaalne. Kuid väikese sissevoolu koormuse tingimustes võib isegi ühe puhuri töötamine minimaalse võimsusega põhjustada üle-õhutamist ja energiatarbimise suurenemist. Muutuva sagedusega ajamite (VFD) või muude õhuvarustuse vähendamise vahendite paigaldamine võib vältida üle-õhutamist, kuid need meetmed võivad nihutada puhuri töö kõrge{10}}tõhususest tsoonist eemale, vähendades tõhusust ja raiskades energiat. Arvestades üldiselt madalat mõjukontsentratsiooni, tuleks kaaluda selliseid strateegiaid nagu puhurite arvu suurendamine ja individuaalse üksuse võimsuse vähendamine, et rahuldada õhuvajaduse reguleerimise vajadusi madalal{12}}koormusperioodil. Ajalooliselt on piiratud eelarve ja imporditud suure jõudlusega puhurite{14}}kõrge hind põhjustanud vähema{15}}üksuse konfiguratsiooni. Kodumaise suure jõudlusega puhuritehnoloogia{17}}küpsemise ja kulude vähenemise tõttu on nüüd soodsad tingimused puhuri konfiguratsioonide optimeerimiseks, et saavutada energiasääst ja süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamine.
1.3 Õhutusseadmete madal efektiivsus
Mõned vanemad reoveepuhastid, mis on ehitatud oma aja tehnoloogiaga, kasutavad madala-tõhususega ja suure-energiatarbimisega-õhutusseadmeid. Praeguste tehnoloogiliste ja energiatõhususe standardite kohaselt peetakse selliseid seadmeid nagu rootsipuhurid, mitmeastmelised madalal Veelgi enam, reoveepuhastites, mis kasutavad peen-mulliga hajutatud aeratsiooni anaeroobsetes-anoksilistes-oksilistes (A₂/O) või anoksiline-oksilistes (A/O) protsessides, vähendab difuusorite vananemine või ummistumine hapnikuülekande efektiivsust ja suurendab takistust, suurendades seeläbi puhuri energiatarbimist.
1.4 Mikserite ebamõistlik konfiguratsioon bioloogilistes mahutites
Pinnaeraatoritega oksüdatsioonikraavides täidavad seadmed nii õhutus- kui ka segamis-/tõukamisfunktsioone. See on kavandatud koormuse tingimustes mõistlik disain. Madala -koormuse tingimustes võib siiski olla vajalik aeratsiooni vähendamine või peatamine, kuid muda settimise või vedela-tahke eraldumise vältimiseks tuleb säilitada piisav voolukiirus, mis sunnib aeraatoreid jätkama töötama ja põhjustab üle-õhutamist, toitainete halba eemaldamist ja energia raiskamist. Energiasäästlikumaks tööks-madala koormuse korral peaksid oksüdatsioonikraavid olema varustatud õigesti konfigureeritud sukelsegistitega.
A₂/O- ja A/O-protsessides on aeroobsed paagid tavaliselt täielikult kaetud õhukeste -mullhajutitega ilma spetsiaalsete segistiteta, mis sõltuvad settimise vältimiseks piisavast õhutamisest. Madala koormuse korral võib aeratsiooni vähendamine või vahelduva õhutamise rakendamine üle-õhustamise vältimiseks viia muda settimiseni, mis mõjutab töötlemist. Tõhusamaks töötamiseks madalal koormusel peaksid A₂/O ja A/O aeroobsed paagid kaaluma sobivate segistite lisamist.
2. Tehnilised lähenemisviisid reoveepuhastusjaamade õhutussüsteemide energia säästmiseks ja süsinikdioksiidi vähendamiseks
2.1 Asendamine tõhusa{1}}õhutusseadmetega
Reoveepuhastusjaamad, mis kasutavad endiselt madala-efektiivsusega seadmeid, nagu rootsipuhurid, mitmeastmelised madala kiirusega tsentrifugaalpuhurid, ketasaeraatorid või harjasaeraatorid või väga vananenud ja ebatõhusate seadmetega reoveepuhastid, peaksid läbi viima energiatõhususe hinnanguid energia-säästu ja süsiniku{5}{4}{4}tõhususega{4}. mudelid. Praegu on suurtes reoveepuhastites kasutatavate -kiirete puhurite, nagu ühe-astmega kiire-tsentrifugaalpuhurid, magnetlaagriga puhurid ja õhklaagripuhurid, kasutegur tavaliselt 80–85%. Siiski puuduvad turul praegu väikese-võimsusega{14}}kiire tsentrifugaalpuhuri tooted. Reoveepuhastid, mille võimsus on alla 2000 m³/päevas, toetuvad endiselt vähem tõhusatele seadmetele, nagu Rootsi puhurid, mille kasutegur jääb üldiselt vahemikku 40–65%, mis näitab märkimisväärset paranemispotentsiaali. Seetõttu on tõhusamate väikesemahuliste õhutusseadmete väljatöötamine väikeste reoveepuhastusjaamade energiasäästu ja süsinikdioksiidi vähendamise seisukohast mõttekas.
2.2 Pinnaeratsiooni üleviimine peene-mulliga hajutatud aeratsioonile
Sobiva veesügavuse korral on peen-mulliga hajutatud aeratsioon energiasäästlikum- kui pinnaaeratsioon. Oksüdatsioonikraavide muutmine pinnalt peene-mulliga hajutatud aeratsiooniks võib anda häid energiasäästlikke-tulemusi. Rakendatud moderniseerimisprojektide põhjal ei saavuta sellised ümberehitused mitte ainult olulist energiasäästu, vaid parandavad ka bioloogilise toitainete eemaldamise tõhusust. Chen Chao uuringus märgiti, et pärast ühe reoveepuhasti ümberehitamist vähenes elektrienergia kogutarbimine 24,7%, samal ajal kui ammoniaaklämmastiku, KHT ja üldfosfori eemaldamise määrad suurenesid vastavalt 30,39%, 5,39% ja 2,09%. Xie Jici et al. teatas energiasääst 0,09–0,12 kWh/m³ pärast sarnast konversiooni, mis parandas oluliselt toitainete bioloogilise eemaldamise tõhusust. Peen-mulliga õhutamise korral on hapnikuülekande efektiivsus lineaarselt positiivses korrelatsioonis vee sügavusega. Alla teatud kriitilise sügavuse võib selle efektiivsus olla madalam kui pinna õhutamine. Üldiselt peetakse veesügavust, mis on suurem kui 4 m, sobivaks tingimuseks oksüdatsioonikraavide muutmiseks peen-mulliga hajutatud aeratsiooniks.
3. Tehnilised lähenemisviisid reoveepuhastusjaamade õhutussüsteemide energia säästmiseks ja süsinikdioksiidi vähendamiseks
3.1 Asendamine tõhusa{1}}õhutusseadmetega
Reoveepuhastusjaamad, mis kasutavad endiselt madala-efektiivsusega seadmeid, nagu rootsipuhurid, mitmeastmelised madala kiirusega tsentrifugaalpuhurid, ketasaeraatorid või harjasaeraatorid või väga vananenud ja ebatõhusate seadmetega reoveepuhastid, peaksid läbi viima energiatõhususe hinnanguid energia-säästu ja süsiniku{5}{4}{4}tõhususega{4}. mudelid. Praegu on suurtes reoveepuhastites kasutatavate -kiirete puhurite, nagu ühe-astmega kiire-tsentrifugaalpuhurid, magnetlaagriga puhurid ja õhklaagripuhurid, kasutegur tavaliselt 80–85%. Siiski puuduvad turul praegu väikese-võimsusega{14}}kiire tsentrifugaalpuhuri tooted. Reoveepuhastid, mille võimsus on alla 2000 m³/päevas, toetuvad endiselt vähem tõhusatele seadmetele, nagu Rootsi puhurid, mille kasutegur jääb üldiselt vahemikku 40–65%, mis näitab märkimisväärset paranemispotentsiaali. Seetõttu on tõhusamate väikesemahuliste õhutusseadmete väljatöötamine väikeste reoveepuhastusjaamade energiasäästu ja süsinikdioksiidi vähendamise seisukohast mõttekas.
3.2 Pinnaeratsiooni üleminek peene-mull-hajutatud aeratsioonile
Sobiva veesügavuse korral on peen-mulliga hajutatud aeratsioon energiasäästlikum- kui pinnaaeratsioon. Oksüdatsioonikraavide muutmine pinnalt peene-mulliga hajutatud aeratsiooniks võib anda häid energiasäästlikke-tulemusi. Rakendatud moderniseerimisprojektide põhjal ei saavuta sellised ümberehitused mitte ainult olulist energiasäästu, vaid parandavad ka bioloogilise toitainete eemaldamise tõhusust. Chen Chao uuringus märgiti, et pärast ühe reoveepuhasti ümberehitamist vähenes elektrienergia kogutarbimine 24,7%, samal ajal kui ammoniaaklämmastiku, KHT ja üldfosfori eemaldamise määrad suurenesid vastavalt 30,39%, 5,39% ja 2,09%. Xie Jici et al. teatas energiasääst 0,09–0,12 kWh/m³ pärast sarnast konversiooni, mis parandas oluliselt toitainete bioloogilise eemaldamise tõhusust. Peen-mulliga õhutamise korral on hapnikuülekande efektiivsus lineaarselt positiivses korrelatsioonis vee sügavusega. Alla teatud kriitilise sügavuse võib selle efektiivsus olla madalam kui pinna õhutamine. Üldiselt peetakse veesügavust, mis on suurem kui 4 m, sobivaks tingimuseks oksüdatsioonikraavide muutmiseks peen-mulliga hajutatud aeratsiooniks.
3.3 Vahelduva õhutamise tehnoloogia
Madala sissevoolu kontsentratsiooniga reoveepuhastusjaamade puhul lahendab pidev -voolu vahelduv õhutamine tõhusalt toitainete halva eemaldamise ja üleõhutamisest{1}} tingitud suure energiatarbimise probleeme. See hõlmab pidevat sisse- ja väljavoolu voolu, samal ajal kui õhutussüsteem töötab aeratsiooni sisse/välja tsüklitena. Pärast ARAKI jt 1986. aasta uuringuid oksüdatsioonikraavides lämmastiku eemaldamiseks katkendliku õhutamise kohta on paljud teadlased läbi viinud eksperimentaalseid uuringuid. Hou Hongxun et al. viis läbi täis-katse 100 000 m³/d reoveepuhastusjaamas, kasutades pidevat-voolu vahelduvat õhutamist oksüdatsioonikraavis, saavutades lämmastiku üldeemalduse 20% suurenemise, fosfori kogueemalduse suurenemise 49% ja jaama koguenergiatarbimise vähenemise 21%. He Quan jt leidsid 40 000 m³/d reoveepuhasti oksüdatsioonikraavi katses, milles kasutati 2-tunnist sisse-/2-tunnist väljalülitustsüklit, et võrreldes pideva õhutamisega säästis vahelduv õhutamine 42% aeratsioonienergiat, suurendas lämmastiku kogueemaldust 9% võrra phos 6% võrra või 9% phos alla 6%. madala-temperatuuri tingimustes. Zheng Wanlin jt säilitasid 40 000 m³/päevas reoveepuhasti A₂/O protsessi katses, kus kasutati 3-tunnist sisse-/3-tunnist väljalülitustsüklit, stabiilse standardile vastava heitvee kvaliteedi, säästes samal ajal 18,3% elektritarbimist. Praegu on pideva vooluga vahelduva õhutamise täiemahulised rakendused endiselt piiratud, mitmed tehnilised väljakutsed on alles.
A₂/O protsesside puhul, mis kasutavad peen-mullga aeratsiooni, piiravad vahelduva õhutamise laialdast kasutamist kaks tegurit. Esiteks tekitavad kiired-tsentrifugaalpuhurid käivitamisel kõrget-detsibellilist teravat müra; sage jalgrattasõit vahelduva töö jaoks tekitab mürasaastet. Teiseks põhjustavad magnet-/õhklaagriga puhurite sagedased käivitus-seiskamistsüklid kontaktivabade laagrite korduvat kontakti korpusega, mis põhjustab kergesti laagrite kahjustusi, rikete suurenemist ja eluea lühenemist.
Kui rakendate oksüdatsioonikraavide või A₂/O protsesside vahelduvat aeratsiooni, tuleb tagada piisav segamiskiirus ajal, mil ei ole -aeratsiooni, mis võib vajada täiendavaid segisteid, et vältida muda settimist. Ammoniaaklämmastiku kontsentratsioon võib mitteaeratsiooni ajal kiiresti tõusta, mis võib ohustada hetkelist ületamist. Seetõttu on aeratsioonitsüklite teaduslikuks seadmiseks ja kohandamiseks vaja täiendavaid uuringuid, et parandada energiasäästu ja saasteainete eemaldamist, vältides samal ajal ammoniaaklämmastiku ületamist.
Reoveepuhastite mure potentsiaalse hetkelise ammoniaaklämmastiku ületamise pärast on peamine takistus vahelduva aeratsiooni laialdasele kasutamisele. 2022. aasta jaanuaris andis ökoloogia- ja keskkonnaministeerium välja konsultatsiooni GB 18918-2002 muutmise eelnõu kohta, tehes eelkõige ettepaneku lisada üksikutele mõõtmistele lubatud piirnormid. Need kavandatud ühekordsed mõõtmispiirid on oluliselt kõrgemad kui algsed päeva keskmised piirmäärad, samas kui päeva keskmised ei muutu. Näiteks A-klassi standardi puhul on üks mõõtmine alla 10 mg/l (15 mg/l alla 12 kraadi) vastuvõetav, kui päeva keskmine väärtus jääb alla 5 mg/l (8 mg/l alla 12 kraadi). Kui see muudatus rakendatakse, võib see aidata lahendada regulatiivseid probleeme, mis on seotud vahelduva õhutamise hetkelise ületamisega, hõlbustades selle rakendamist oksüdatsioonikraaviprotsessides.
3.4 Täpne õhutustehnoloogia
Reoveepuhastite voolukiirused ja sissevoolu kontsentratsioonid kõikuvad märkimisväärselt isegi kogu päeva jooksul, põhjustades muutuvat õhuvajadust. Ainult käsitsi kogemustele-põhineva reguleerimise loomine muudab täpse juhtimise keeruliseks ja võib kahjustada heitvee kvaliteedi stabiilsust. Suurandmete ja tehisintellekti arenguga on esile kerkinud täpse õhutamise kontseptsioon. Mõnes reoveepuhastusjaamas on rakendatud täpset aeratsioonitehnoloogiat, mis saavutab õhutussüsteemides tavaliselt 10–20% energiasäästu. Täpse õhutamise kombineerimine muude protsessi modifikatsioonidega võib anda paremaid tulemusi. Zhu Jie et al. rakendas mitmeastmelises A/O protsessis reoveepuhastusjaamas täpset aeratsiooni moderniseerimist, mis saavutas õhutussüsteemis 49,8% energiasäästu. Täpne ja intelligentne õhutus kujutab endast olulisi tulevikusuundi energiasäästu ja süsinikdioksiidi vähendamiseks. Praegused piirangud on nende süsteemide{13}}andmete hankimise ja analüüsimise reaalajas ning täpsuses. Reaalajas puhurite ja ventiilide täpse juhtimise ning täpse õhujaotuse jaoks on vaja rohkem tehnoloogilisi läbimurdeid.
4. Järeldus
Energiasääst õhutussüsteemides on reoveepuhastusjaamade süsiniku vähendamise võti. Hiina reoveepuhastusjaamade õhutussüsteemide suure energiatarbimise peamine põhjus on madal sissevoolukoormus, mis põhjustab kergesti üle-õhutamist, elektri raiskamist ja nii energia kui ka kemikaalide süsinikdioksiidi heitkoguste suurenemist. Muud põhjused on vananevad/madala efektiivsusega-seadmed ning õhutus- ja segamisseadmete ebamõistlik konfiguratsioon. Tõhusad vahendid energiasäästu ja süsiniku vähendamise saavutamiseks hõlmavad madala-efektiivsuse asendamist suure-tõhusate õhutusseadmetega, pinna muutmist peene-mulliga hajutatud aeratsiooniks ning selliste tehnoloogiate rakendamist nagu pidev-voolu katkendlik õhutamine ja täpne õhutus.