Nghiên cứu cải tiến và hiệu suất của-hệ thống sục khí bong bóng mịn trong nhà máy xử lý nước thải thành phố

Nghiên cứu cải tiến và hiệu suất của-hệ thống sục khí bong bóng mịn trong nhà máy xử lý nước thải thành phố

Giới thiệu

Hiện nay, các quy trình xử lý nước thải chính được sử dụng ở Trung Quốc bao gồm mương oxy hóa, SBR, bùn hoạt tính và các quy trình khác. Quá trình mương oxy hóa có vấn đề tiêu thụ năng lượng cao, đặc biệt là trong phần sinh học, chiếm 65%–80% tổng năng lượng tiêu thụ. Thiết bị sục khí phổ biến được sử dụng trong quy trình mương oxy hóa bao gồm chổi sục khí, đĩa sục khí, thiết bị sục khí trục đứng và thiết bị sục khí bong bóng mịn. Ví dụ: sau khi một nhà máy xử lý nước thải đô thị ở một thành phố nào đó thay đổi từ sục khí cơ học bề mặt truyền thống sang sục khí bong bóng mịn-dưới đáy, mức tiêu thụ năng lượng giảm 20,11%, trong khi chất lượng nước xử lý trở nên ổn định hơn. Ngoài ra,-sục khí bong bóng mịn có đặc tính cung cấp oxy theo vùng, có thể cung cấp nguồn oxy chính xác theo nhu cầu oxy ở các khu vực khác nhau của mương oxy hóa, cải thiện hơn nữa hiệu quả loại bỏ nitơ và phốt pho.

Hệ thống sục khí bề mặt tại một nhà máy xử lý nước thải đô thị nào đó đã hoạt động được hơn mười năm, với tình trạng thiết bị bị lão hóa nghiêm trọng và gặp khó khăn trong vận hành. Khó đáp ứng được các tiêu chuẩn xả thải mới nhất, việc cải tiến kỹ thuật trở nên cấp bách. Dự án này đã nâng cấp hệ thống này lên-hệ thống sục khí bong bóng mịn, có thể giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng, tối ưu hóa hoạt động, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì, phù hợp với chính sách giảm phát thải và bảo tồn năng lượng quốc gia. Dự án cải tạo này đã triển khai các biện pháp xây dựng xanh trong quá trình tháo dỡ và lắp đặt thiết bị: tái chế có phân loại thiết bị cũ, áp dụng lắp đặt đúc sẵn và sử dụng máy móc có-tiếng ồn,{5}}phát thải thấp, tiết kiệm năng lượng hai chiều-xây dựng” hai chiều và hỗ trợ sự phát triển bền vững của nhà máy xử lý nước thải.

1 Tổng quan dự án

1.1 Tình hình hiện tại

Một nhà máy xử lý nước thải đô thị tại một thành phố nọ có tổng công suất 50.000 tấn/ngày, được xây dựng thành 3 giai đoạn. Giai đoạn I áp dụng quy trình mương oxy hóa, Giai đoạn II và dự án xử lý tiên tiến cũng áp dụng quy trình mương oxy hóa, với quy trình xử lý nâng cao tiếp theo sử dụng phương pháp lắng đông tụ + lọc vải + quy trình khử trùng bằng tia cực tím. Giai đoạn III đã áp dụng quy trình A²O đã được sửa đổi. Hiện tại, nước thải đạt tiêu chuẩn DB32/1072-2018.

1.2 Các vấn đề hiện tại

1.2.1 Tác động đến mạng lưới đường ống bên ngoài

Nước thải nằm trong phạm vi thu gom của mạng lưới đường ống của nhà máy này có sự đóng góp của nhiều doanh nghiệp công nghiệp. Trong quá trình vận hành hàng ngày có thể chịu tác động từ nước thải bất thường của các doanh nghiệp công nghiệp khiến giá trị DO trong bể sinh học xuống rất thấp, thậm chí đạt 0 mg/L, không đáp ứng yêu cầu sản xuất. Trong khi đó, do những thay đổi của điều kiện bên ngoài, khi ngày càng nhiều doanh nghiệp công nghiệp trong khu vực dịch vụ xả nước thải vào mạng lưới đường ống, nhà máy này sẽ phải đối mặt với chất lượng nước đầu vào nghiêm trọng hơn trong tương lai. Khi dòng nước vào dao động, lượng oxy hòa tan trong bể sinh học sẽ giảm đáng kể và phạm vi điều chỉnh thể tích sục khí từ đĩa quay bị hạn chế. Trong một số giai đoạn, DO trong bể hiếu khí đạt tới 0 mg/L buộc nhà máy phải giảm công suất xử lý để ứng phó, ảnh hưởng đáng kể đến môi trường hiếu khí của bể sinh học và khả năng xử lý.

1.2.2 DO thấp trong bể sục khí

Do trục trặc của đĩa quay khiến hiệu suất oxy hóa của thiết bị sục khí thấp nên trong quá trình vận hành sản xuất thực tế, dữ liệu vận hành trước đây cho thấy giá trị DO trung bình từ các thiết bị ở giữa và đầu ra của bể sục khí không vượt quá 1 mg/L, thấp nhất đạt 0 mg/L, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả phản ứng sinh hóa.

1.2.3 Tiêu thụ năng lượng cao

Bể sinh học giai đoạn I và II của nhà máy này ở dạng mương oxy hóa. Mương oxy hóa giai đoạn I sử dụng 8 máy sục khí đĩa quay có công suất 18,5 kW, tổng công suất sục khí bề mặt là 148 kW. Mương oxy hóa giai đoạn II là loại mương Carrousel bốn{5}}kênh, sử dụng 13 thiết bị sục khí tự mồi-của Hitachi, bao gồm 2 bộ 11 kW, 2 bộ 18,5 kW và 9 bộ 15 kW, với tổng công suất sục khí bề mặt là 194 kW. Trong điều kiện hoạt động bình thường, để đảm bảo đủ lượng nước, do hiệu suất oxy hóa thấp của thiết bị cung cấp oxy hiện có nên tất cả các thiết bị sục khí phải được bật hoàn toàn.

Điện năng tiêu thụ trên mỗi tấn nước đối với thiết bị sục khí Giai đoạn I và II là: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/tấn. Dựa trên khảo sát về mức tiêu thụ điện của hệ thống sinh học tại một số nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt đô thị xung quanh, mức tiêu thụ năng lượng cho một nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt đô thị 25.000 tấn/ngày sử dụng hệ thống sục khí bong bóng mịn ở đáy-thường là 0,09–0,1 RMB/tấn. Mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị sục khí đĩa quay gấp 2,4–2,7 lần so với hệ thống sục khí bong bóng mịn{15}}ở đáy, cho thấy mức tiêu thụ năng lượng tương đối cao.

1.2.4 Tỷ lệ hỏng hóc thiết bị cao

Khi thiết bị sục khí đĩa quay cũ đi, tỷ lệ hỏng hóc thiết bị sẽ tăng dần. Sau 11 năm vận hành tại nhà máy này, hệ thống sục khí đĩa quay phát triển biến dạng dạng đĩa, gây ra tải trọng thiết bị cao và độ rung đáng kể. Việc sử dụng lâu dài-dẫn đến hiện tượng đáy bị lỏng, dẫn đến sai lệch ở cả hai đầu và các vấn đề khác, làm tăng độ mòn của ổ trục và tỷ lệ hỏng hóc cao. Trục chính, cánh quạt, khớp nối và bánh răng cơ sở đã trải qua nhiều lần sửa chữa hoặc thay thế, về cơ bản đã đến mức phải thay thế. Vòng bi và cánh đầu thiết bị sục khí của thiết bị sục khí tự mồi-đã bị mòn nghiêm trọng. Số liệu thống kê gần đây cho thấy nhà máy đã trải qua gần 30 lần sửa chữa hàng năm đối với thiết bị sục khí đĩa quay và thiết bị sục khí tự mồi.

2 Thiết kế giải pháp kỹ thuật trang bị thêm

Phương pháp trang bị thêm tổng thể là: loại bỏ các thiết bị sục khí đĩa quay ban đầu và thay thế chúng bằng thiết bị sục khí bong bóng mịn-ở đáy, với việc bổ sung các máy thổi tương ứng; nâng đập tràn nước thải của bể sinh học để tăng độ sâu hữu hiệu của bể sinh học; thêm máy trộn vào khu vực hiếu khí sử dụng cấu trúc kênh ban đầu để ngăn chặn sự tích tụ bùn cục bộ.

2.1 Lựa chọn và bố trí thiết bị sục khí

2.1.1 Thông số đĩa sục khí

Mẫu đĩa sục khí màng EPDM DD330 đã được chọn, như thể hiện trongHình 1, với các thông số cụ thể được thể hiện ởBảng 1.

2.1.2 Bố trí đĩa sục khí

Số lượng đĩa sục khí: Diện tích lưới đáy bể giai đoạn I 864 m2, diện tích lưới đáy bể giai đoạn II 1.412 m2, diện tích phục vụ trung bình 0,8 m2/đĩa, với hệ số an toàn là 1,05–1,10. Tổng số đĩa sục khí cuối cùng được xác định: Giai đoạn I 1.150 đĩa, Giai đoạn II 1.900 đĩa.

Nguyên tắc bố cục: Phân bố đều theo mô hình lưới tam giác đều. Khoảng cách từ thành bể Lớn hơn hoặc bằng 0,3 m để tránh vùng chết; khoảng trống từ tường ngăn kênh Lớn hơn hoặc bằng 0,4 m để thuận tiện cho việc bảo trì. Phân vùng dọc theo hướng dòng nước, với một van điều khiển không khí điện cho mỗi vùng để đạt được khả năng kiểm soát vùng DO. Tránh các cổng hút của máy bơm bùn, máng lấy mẫu và khay cáp, điều chỉnh khoảng cách cục bộ đến 1,5 m trong khi vẫn duy trì diện tích dịch vụ trên mỗi đĩa Nhỏ hơn hoặc bằng 0,8 m2.

Chiều cao lắp đặt và phân loại đường ống: Mặt trên của đĩa màng cách đáy bể 0,25 m, đảm bảo ngập nước Lớn hơn hoặc bằng 5,0 m ở mực nước tối thiểu để ngăn chặn sự dâng trào của quạt. Ống nhánh sử dụng ABS DN50 có đục lỗ phân phối khí; các ống chính được bố trí thành một vòng, với tốc độ không khí được kiểm soát ở mức 10–12 m·s⁻¹, vật liệu SS304. Một cặp phụ kiện-kết nối nhanh mặt bích được cung cấp cho mỗi 10 đĩa, cho phép nâng tổng thể để bảo trì mà không cần xả nước khỏi bể.

2.2 Tối ưu hóa hệ thống máy thổi

2.2.1 Thêm máy thổi

Máy thổi khí treo nhập khẩu được mua làm thiết bị chính và một phòng thổi khí mới được xây dựng với các ống dẫn khí bằng thép không gỉ được bổ sung.

2.2.2 Lựa chọn máy thổi

Dựa trên điều kiện vận hành thực tế của nhà máy và xem xét những thay đổi về chất lượng nước trong tương lai, nồng độ COD ảnh hưởng trong phương án trang bị thêm không khác biệt đáng kể so với giá trị thiết kế, với nồng độ trung bình khoảng 320 mg/L. Nồng độ BOD được tính toán dựa trên giá trị thiết kế Giai đoạn III là 150 mg/L, và các chỉ tiêu ảnh hưởng khác được tính toán dựa trên nồng độ nước thải thiết kế Giai đoạn III. Lưu lượng không khí vận hành cần thiết cho Giai đoạn I và II của nhà máy là 103,7 m³/phút (6.225,1 m³/h, hai tổ máy làm nhiệm vụ và một tổ máy dự phòng, lưu lượng không khí của một tổ máy duy nhất 50 m³/phút).

Xem xét toàn diện các yếu tố khác nhau, hai máy thổi khí treo nhập khẩu NX75-C060 đã được mua làm thiết bị chính cho Giai đoạn I và II. Một phòng thổi mới cần được xây dựng, dự kiến ​​nằm ở phía nam của xưởng khử nước bùn ban đầu, với các ống dẫn khí bằng thép không gỉ được bổ sung vào mương oxy hóa. Thông số máy thổi: áp suất không khí 0,049 MPa, thể tích không khí 50 m³/phút, với công suất đầu ra tối đa là 64,3 kW trong các điều kiện vận hành này.

2.2.3 Cải tạo hệ thống sục khí

Phương pháp sục khí được thay đổi thành sục khí đáy. Bể sinh học giai đoạn I và II sử dụng số lượng thiết bị sục khí dạng đĩa và ống sục khí UPVC tương ứng. Phương án cải tạo cụ thể: Bể sinh học giai đoạn I dự kiến ​​sử dụng 780 bộ sục khí đĩa DD330 và ống sục khí UPVC, bể sinh học giai đoạn II dự kiến ​​sử dụng 1.276 bộ sục khí đĩa DD330 và ống sục khí UPVC, với lưu lượng không khí vận hành của bể sục khí đơn là 3,45 m³/h. Bố trí đầu sục khí được thể hiện trongHình 2 và 3.

2.3 Tối ưu hóa tham số quy trình

2.3.1 Chiến lược phân vùng rãnh oxy hóa và kiểm soát DO

Dọc theo hướng dòng nước của mương oxy hóa, phần sục khí được chia thành 4 vùng. Vùng 1: DO 0,3–0,5 mg/L, Vùng 2: DO 0,2–0,3 mg/L, Vùng 3: DO 1,5–2,0 mg/L, Vùng 4: DO 1,0–1,5 mg/L. Một thiết bị xử lý nitơ amoniac được lắp đặt tại điểm có tốc độ phản ứng nitrat hóa cao nhất giữa Vùng 2 và Vùng 3, cuối cùng kiểm soát nước thải NH₃-N Nhỏ hơn hoặc bằng 1,5 mg/L.

2.3.2 Tối ưu hóa thời gian sục khí

Một mô-đun "sục khí không liên tục" đã được thêm vào hệ thống SCADA hiện có, tạo thành một thiết bị trực tuyến DO + vòng kín kép thời gian để đảm bảo DO ở giữa phần hiếu khí duy trì ở mức 0,2 mg/L. Nếu LÀM<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 Phân tích hiệu quả trang bị thêm

Tác động của việc trang bị thêm kỹ thuật này đối với hoạt động tổng thể của quy trình đã được kiểm tra bằng cách so sánh những thay đổi về chất ô nhiễm nước thải trước và sau khi trang bị thêm.

3.1 So sánh chất lượng nước thải trước và sau khi cải tạo

Chất lượng nước thải trước và sau khi cải tạo có xu hướng ổn định, như thể hiện trongHình 4. Trước và sau khi trang bị thêm, COD nước thải trung bình vẫn ở mức dưới 30 mg/L, TP về cơ bản duy trì Nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 mg/L, NH₃-N Nhỏ hơn hoặc bằng 1,5 mg/L, trong khi TN dao động quanh mức 10 mg/L. Chất lượng nước nhìn chung đạt gần như-tiêu chuẩn nước mặt loại IV, vượt xa tiêu chuẩn xả thải cần thiết cho nhà máy.

Để phân tích trực quan hơn tác động có thể có của việc trang bị thêm đối với chất lượng nước,-xu hướng chất lượng nước thải một năm trước và sau khi trang bị thêm đã được so sánh, mang lại kết quảHình 5. Có thể thấy từ hình vẽ rằng, nếu không xem xét tác động của sự thay đổi nồng độ nước thải, sự dao động về nồng độ nước thải COD và TP sau khi trang bị thêm ổn định hơn so với trước khi trang bị thêm. Mặc dù giá trị trung bình của các chỉ số nitơ tăng so với trước khi trang bị thêm, nhưng xu hướng chung là tương đối ổn định, dẫn đến tổng mức tiêu thụ năng lượng và tiết kiệm hóa chất của nhà máy thấp hơn.

3.2 So sánh việc loại bỏ chất ô nhiễm trước và sau khi trang bị thêm

Do cải tiến hệ thống sục khí, mức tiêu thụ điện của toàn nhà máy giảm 1,7% so với trước đây, trong khi công suất xử lý tăng 8,33% và mức giảm ô nhiễm tương ứng cũng tăng lên, như thể hiện trongHình 6. Sau khi tính toán, mức giảm COD tăng 948,5 tấn, TP tăng 7,0 tấn, NH₃-N tăng 100,4 tấn và TN tăng 125,9 tấn.

Việc loại bỏ chất ô nhiễm thực tế cũng thay đổi tương ứng, như thể hiện trongBảng 2. Sau khi trang bị thêm, ngoại trừ tốc độ loại bỏ NH₃-N giảm, tốc độ loại bỏ của tất cả các chỉ số khác đều tăng lên.

3.3 So sánh mức tiêu thụ năng lượng trước và sau khi trang bị thêm

Mức tiêu thụ năng lượng của dự án trang bị thêm này được thể hiện trongBảng 3. Sau khi trang bị thêm, mức tiêu thụ điện năng trên mỗi tấn nước đối với hệ thống sục khí bể sinh học Giai đoạn I giảm 67,3% và đối với Giai đoạn II giảm 80,9%. Mức tiêu thụ điện trung bình của toàn nhà máy trên mỗi tấn nước đã giảm 55,3%, chứng tỏ hiệu quả tiết kiệm năng lượng-đáng kể. Tổng mức tiêu thụ điện năng của nhà máy trên mỗi tấn nước giảm xuống 0,21 kW·h/m³, nằm trong phạm vi giá trị tiêu thụ năng lượng cho các quy trình mương oxy hóa tương tự trên toàn quốc (0,292±0,192) kW·h/m³. Mức tiêu thụ điện năng trên một đơn vị trọng lượng chất ô nhiễm trước và sau khi trang bị thêm cho toàn bộ nhà máy được thể hiện trongBảng 4. Sau khi trang bị thêm hệ thống sục khí tổng thể của nhà máy, mức tiêu thụ điện năng trên mỗi 1 kg COD được xử lý giảm 26,2%, trên 1 kg TP được xử lý giảm 15,7%, trên 1 kg NH₃-N được xử lý giảm 29,3% và trên 1 kg TN được xử lý giảm 36,1%, cho thấy hiệu quả tiết kiệm năng lượng tốt.

3.4 So sánh hóa chất trước và sau khi trang bị thêm

Trước khi trang bị thêm, do hệ thống sục khí thường xuyên gặp sự cố nên DO trong hệ thống sinh học khó kiểm soát và việc đáp ứng các tiêu chuẩn chỉ thị nitơ cần bổ sung nguồn carbon bên ngoài để đảm bảo hiệu quả loại bỏ. Sau khi trang bị thêm, về cơ bản việc bổ sung nguồn carbon bên ngoài không còn cần thiết nữa. Sau khi trang bị thêm, hiệu quả loại bỏ phốt pho sinh học và khử nitrat được cải thiện đáng kể, đồng thời hóa chất loại bỏ phốt pho đi kèm PAC và hóa chất khử nước bùn PAM cũng giảm tương ứng. Chi phí hóa chất hàng năm giảm khoảng 167.000 RMB so với trước đây. Những thay đổi cụ thể được thể hiện ởBảng 5.

3.5 So sánh đầu tư trước và sau cải tạo

Trước khi trang bị thêm, chi phí hàng năm cho thiết bị sục khí bề mặt là 1,6281 triệu RMB, với chi phí sửa chữa thiết bị hàng năm không dưới 250.000 RMB. Sau khi trang bị thêm, chi phí hàng năm cho máy thổi và máy trộn là 714.600 RMB. Dựa trên tính toán này, chi phí điện tiết kiệm được hàng năm là 913.500 RMB, cộng với chi phí sửa chữa hàng năm tiết kiệm được là 250.000 RMB, tổng mức tiết kiệm hàng năm là 1,1635 triệu RMB. Dựa trên tổng vốn đầu tư 3,704 triệu RMB, thời gian hoàn vốn là 3,18 năm.

3.6 Tính ổn định của quy trình

Trước khi trang bị thêm, trong thời gian xảy ra sự cố, lượng oxy hòa tan trong bể sinh học hầu hết được duy trì ở mức dưới 1,0 mg/L. Sau khi trang bị thêm, oxy hòa tan trong bể sinh học đạt trung bình 1,5–2,0 mg/L. Tùy thuộc vào nồng độ nước thải và yêu cầu của quy trình, phạm vi điều chỉnh oxy hòa tan có thể là 1,0–2,5 mg/L. Khi nồng độ nước thải cao, nồng độ oxy hòa tan bình thường trong bể sinh học cũng có thể được duy trì bằng cách điều chỉnh công suất quạt gió. Vì vậy, sau khi trang bị thêm, các điều kiện tuân thủ nước thải ổn định được thỏa mãn.

4 Kết luận

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, DO thường xuyên<1 mg/L, and annual repair cost increases >15% có thể nhân rộng cải tiến kỹ thuật này. Dựa trên mức tiết kiệm điện 55,3%, thời gian hoàn vốn 3,18-năm và lợi ích cận biên của việc tăng 3%–5% tỷ lệ giảm thiểu chất gây ô nhiễm từ ví dụ này, khoản đầu tư cải tạo có biên độ an toàn cao và có thể ngay lập tức khai thác tiềm năng giảm lượng carbon, cung cấp các điều kiện đủ và có thể nhân rộng để nâng cấp xanh và ít carbon cho các mương oxy hóa cũ.