Đo lường và đánh giá hiệu suất của hệ thống sục khí bong bóng mịn trong quy trình AAO trong mùa hè và mùa đông
Hầu hết các nhà máy xử lý nước thải đô thị (WWTP) ở Trung Quốc đều sử dụng các quy trình sinh học hiếu khí để loại bỏ chất hữu cơ, nitơ, phốt pho và các chất ô nhiễm khác khỏi nước thải. Việc cung cấp oxy hòa tan (DO) trong nước là điều kiện tiên quyết để duy trì nhu cầu sống của vi sinh vật và hiệu quả xử lý trong quá trình sinh học hiếu khí. Do đó,thiết bị sục khí là cốt lõi của quá trình xử lý nước thải sinh học hiếu khí. Đồng thời, hệ thống sục khí cũng làđơn vị tiêu thụ năng lượng chínhtrong WWTP, tính đến45% đến 75% tổng năng lượng tiêu thụ của nhà máy. Ngoài điều kiện vận hành, mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống sục khí còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như chất lượng nước thải và điều kiện môi trường. Hầu hết các vùng ở Trung Quốc có bốn mùa rõ rệt, lượng mưa dồi dào và nhiệt độ thay đổi theo mùa đáng kể. Lượng mưa mùa hè làm loãng nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải của các nhà máy xử lý nước thải, trong khi nhiệt độ mùa đông thấp ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng nước thải. Những biến động về tốc độ và chất lượng dòng chảy vào cũng đặt ra những thách thức cho việc kiểm soát chính xác hệ thống sục khí trong NMXLNT. Nếu không hiểu biết đầy đủ về những thay đổi trong hiệu suất truyền oxy của máy khuếch tán bong bóng mịn và việc bảo trì chúng trong quá trình vận hành thì không thể tận dụng tối đa lợi thế về hiệu suất truyền oxy cao (OTE) của hệ thống sục khí bong bóng mịn, dẫn đến lãng phí năng lượng.
Loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay làmáy khuếch tán bong bóng mịn, hiệu suất của nó liên quan trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng vận hành của hệ thống sục khí. Các phương pháp đo hiệu suất truyền oxy của máy khuếch tán bọt mịn bao gồm các thử nghiệm tĩnh (chẳng hạn như thử nghiệm nước sạch) và thử nghiệm động (chẳng hạn như-phương pháp phân tích khí thải). Nghiên cứu về thử nghiệm tĩnh chủ yếu tập trung vào mô phỏng-quy mô phòng thí nghiệm, trong khi các phương pháp thử nghiệm động hiếm khi được báo cáo do các yếu tố như yêu cầu về địa điểm thử nghiệm và hạn chế thử nghiệm tại hiện trường. Hiện tại, Trung Quốc mới chỉ thiết lập các tiêu chuẩn liên quan cho phương pháp kiểm tra nước sạch. Trong quá trình vận hành thực tế, hiệu suất vận chuyển oxy của bộ khuếch tán bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như chất lượng nước đầu vào, đặc tính bùn, điều kiện vận hành và sự tắc nghẽn của bộ khuếch tán. Hiệu suất thực tế khác biệt đáng kể so với kết quả kiểm tra nước sạch, dẫn đến sai lệch đáng kể khi sử dụng dữ liệu nước sạch để dự đoán nhu cầu cung cấp không khí thực tế. Việc thiếu các phương pháp giám sát hiệu quả về hiệu suất sử dụng năng lượng hiệu quả của hệ thống sục khí trong các nhà máy xử lý nước thải dẫn đến lãng phí năng lượng. Do đó, cần đo lường và đánh giá hiệu suất vận chuyển oxy của máy khuếch tán trong quá trình vận hành thực tế để hướng dẫn điều chỉnh kịp thời các chiến lược sục khí và giúp đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ trong hệ thống sục khí. Nghiên cứu này mấtmột nhà máy xử lý nước thải đô thị ở Thượng Hải là một ví dụ. Thông qua các phép đo hiện trường về nồng độ chất ô nhiễm trong bể hiếu khí và các mô hình biến đổi của OTE dọc theo đường đi của hệ thống sục khí bong bóng mịn vào mùa hè và mùa đông, hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm và hiệu suất của hệ thống sục khí đã được đo lường và đánh giá một cách có hệ thống. Mục đích là để khám phá ảnh hưởng của những thay đổi theo mùa đến hiệu suất vận chuyển oxy của hệ thống sục khí, cung cấp hướng dẫn để kiểm soát chính xác và vận hành tiết kiệm năng lượng-của hệ thống sục khí trong xử lý nước thải.
1. Vật liệu và phương pháp
1.1 Tổng quan vận hành WWTP
Nhà máy xử lý nước thải thành phố Thượng Hải sử dụng sự kết hợp quy trình củatiền xử lý + quy trình AAO + bộ lọc sợi sâu + khử trùng bằng tia cực tím. cáccông suất xử lý là 3,0×10⁵ m³/d. Luồng quy trình chính của WWTP được thể hiện trongHình 1. Người có ảnh hưởng chủ yếu lànước thải sinh hoạt, và nước thải đáp ứng tiêu chuẩn hạng A của "Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải thành phố" (GB 18918-2002) trước khi thải ra sông Dương Tử. Thời gian lưu thủy lực (HRT) của bể kỵ khí, bể thiếu khí và bể hiếu khí của bể sinh học trong nhà máy này lần lượt là 1,5 giờ, 2,7 giờ và 7,1 giờ. Tỷ lệ hồi lưu bên trong và tỷ lệ hồi lưu bên ngoài đều là 100%. Tuổi bùn được kiểm soát trong khoảng 10-15 ngày. Nhà máy có tổng cộng 8 bể hiếu khí. Một bể hiếu khí đơn có kích thước 116,8 m × 75,1 m × 7,0 m (L × W × H), với thể tích 11.093 m³. Nồng độ chất rắn lơ lửng hỗn hợp (MLSS) được kiểm soát ở mức khoảng 4 g/L. Phía dưới được trang bịMáy khuếch tán bong bóng mịn dạng ống Ecopolemer polyethylene của Ukraine, có kích thước 120 mm × 1.000 mm (D × L). Tỷ lệ không khí-với-nước là 5,7:1. Mỗi bể hiếu khí bao gồm 3 kênh (Vùng 1, Vùng 2 và Vùng 3). Dựa trên nồng độ DO được đo bằng đồng hồ đo lưu lượng khí trong các kênh, các cánh dẫn hướng của máy thổi ly tâm một cấp (4 hoạt động, 2 chế độ chờ) được điều chỉnh để duy trì nồng độ DO trong bể hiếu khí trong khoảng 2-5 mg/L. Mỗi máy thổi có tốc độ dòng khí định mức là 108 m³/phút, áp suất 0,06 kPa và công suất 160 kW. Mỗi kênh được điều khiển riêng biệt bằng đồng hồ đo lưu lượng khí. Kết hợp với phản hồi đọc DO, nguồn cung cấp không khí thực tế được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các cánh dẫn hướng của máy thổi ly tâm một tầng để duy trì DO trung bình trong bể hiếu khí trong khoảng 2-5 mg/L. Chất lượng nước thải đầu vào/nước thải được thiết kế và chất lượng nước thải đầu vào năm 2019 của nhà máy được thể hiện trongBảng 1.
1.2 Bố cục điểm kiểm tra
Hai thử nghiệm về hiệu suất chuyển oxy của hệ thống sục khí bong bóng mịn trong điều kiện vận hành thực tế đã được tiến hành vào tháng 7 (mùa hè) và tháng 12 (mùa đông). Dọc theo hướng dòng chảy, 22 điểm kiểm tra được thiết lập theo vị trí các cổng kiểm tra của bể hiếu khí. Khoảng cách giữa hai điểm kiểm tra liền kề là khoảng 5 m, với 7, 7 và 8 điểm kiểm tra lần lượt ở Vùng 1, Vùng 2 và Vùng 3. Sự phân bổ điểm kiểm tra được thể hiện trongHình 2. OTE thực tế của bộ khuếch tán bong bóng mịn tại mỗi điểm được tính bằng cách đo hàm lượng oxy trong khí thải- thoát ra khỏi mặt nước. Đồng thời, nồng độ DO và nhiệt độ nước tại mỗi điểm được đo bằng máy đo chất lượng nước đa thông số (HQ 30d, Hach, USA) và nồng độ chất ô nhiễm tại mỗi điểm được đo và phân tích để thu được mô hình biến đổi dọc theo đường dẫn. Để ngăn ngừa CODCrđối với các mẫu bị phân hủy trong quá trình vận chuyển, các mẫu được lấy dọc theo bể hiếu khí đã được lọc tại chỗ-trước khi đo.
1.3 Đo hiệu suất truyền oxy của máy khuếch tán bọt mịn trong điều kiện thực tế
Việc đo hiệu suất truyền oxy của máy khuếch tán bong bóng mịn trong điều kiện thực tế đã sử dụng-máy phân tích khí thải do Đại học Điện lực Thượng Hải phát triển độc lập, bao gồm hệ thống thu gom khí, hệ thống phân tích khí và hệ thống chuyển đổi tín hiệu. Khí thải-được thu thập bằng bơm khí (KVP15-KM-2-C-S, Karier, Trung Quốc) và máy hút mùi rồi đưa đến cảm biến oxy điện hóa (A-01, ITG, Đức) để phân tích. Hệ thống chuyển đổi tín hiệu đã chuyển đổi tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến thành áp suất riêng phần oxy trong khí. Trong quá trình thử nghiệm khí thải, áp suất riêng phần oxy trong không khí xung quanh được đo trước tiên. Sau đó, mui xe được cố định trên mặt nước của bể hiếu khí để thu khí thải và đo áp suất riêng phần oxy. Dữ liệu được ghi lại sau khi đầu ra ổn định trong 5 phút. Các thông số thu được thông qua máy phân tích khí thải bao gồm áp suất riêng phần oxy trong không khí xung quanh và khí thải, từ đó phần trăm oxy được chuyển từ pha khí sang dung dịch hỗn hợp, tức là OTE của bộ khuếch tán bong bóng mịn, được tính như trongPhương trình (1).
Ở đâu:
Y(O₂,không khí)- Tỷ lệ oxy trong không khí;
Y(O₂,hết ga-)- Tỷ lệ oxy trong khí-tắt;
AOTE- Giá trị của OTE.
OTE được đo bằng máy phân tích khí thải-đã được hiệu chỉnh về DO, nhiệt độ và độ mặn để thu được OTE (SOTE) tiêu chuẩn của thiết bị khuếch tán bọt mịn trong nước thải ở điều kiện tiêu chuẩn, như trongPhương trình (2). Việc tính toán DO bão hòa trong nước được thể hiện ởPhương trình (3).
Ở đâu:
θ- Hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ, lấy bằng 1,024, không thứ nguyên;
ASOTE- Giá trị của SOTE;
- Hệ số độ mặn cho rượu hỗn hợp (được tính dựa trên tổng chất rắn hòa tan trong rượu hỗn hợp), không thứ nguyên, thường được lấy là 0,99;
- Tỷ lệ hiệu suất truyền oxy của bộ khuếch tán trong nước thải so với điều kiện nước sạch, không thứ nguyên;
C - Nồng độ DO trong nước, mg/L;
CS,T- Nồng độ DO bão hòa trong nước ở nhiệt độ T, mg/L;
CS,20- Nồng độ DO bão hòa trong nước ở 20 độ , mg/L;
T- Nhiệt độ nước, độ .
1.4 Phương pháp tính toán tiêu thụ năng lượng của hệ thống sục khí
Nhu cầu oxy lý thuyết của bể hiếu khí được tính toán theo Mô hình bùn hoạt tính (ASM). Nhu cầu oxy được tính toán dựa trên CODCrvà kết quả loại bỏ nitơ amoniac để xác định tổng nhu cầu oxy (TOD) của bể hiếu khí như trongPhương trình (4).
Ở đâu:
MTOD- Giá trị TOD, kg O₂/h;
Q- Tốc độ dòng chảy vào, m³/d;
ΔCCODCr- Chênh lệch giữa nồng độ COD Cr nước vào và nước thải, mg/L;
ΔCNitơ amoniac- Chênh lệch giữa nồng độ nitơ amoniac đầu vào và đầu ra, mg/L; 4,57 là hệ số chuyển đổi nitơ amoniac thành NO₃⁻-N.
Tốc độ cung cấp oxy của hệ thống sục khí bong bóng mịn được tính như trongPhương trình (5).
Ở đâu:
MOTR- Giá trị tốc độ cung cấp oxy thực tế, kg O₂/d;
QAFR- Tốc độ dòng khí, m³/h;
ŷO₂- Phần khối lượng oxy trong không khí, 0,276.
Công suất máy thổi được xác định bởi tốc độ cung cấp không khí thực tế của máy thổi và áp suất đầu ra, do đó được xác định bởi áp suất nạp, tổn thất áp suất của không khí trong đường ống, tổn thất áp suất của chính bộ khuếch tán bong bóng mịn và áp suất nước tĩnh ở đáy bể, như trongPhương trình (6).
Ở đâu:
ρkhông khí- Mật độ không khí, g/L, lấy bằng 1,29 g/L;
N - Công suất quạt gió, kW;
R- Hằng số khí phổ quát, 8,314 J/(mol·K);
Tkhông khí- Nhiệt độ khí quyển, độ ;
B- Hệ số chuyển đổi máy thổi, lấy bằng 29,7;
- Tỷ số nhiệt dung riêng của khí, lấy không đổi 0,283;
η- Hiệu suất tổng hợp của động cơ và quạt gió, lấy không đổi 0,8;
Pi- Áp suất nạp của máy thổi, Pa;
Z- Áp lực nước ngâm lên bộ khuếch tán, Pa;
Psự mất mát- Tổn thất áp suất của chính bộ khuếch tán bong bóng mịn, Pa;
hL- Tổn thất áp suất của không khí trong đường ống, Pa.
Trong điều kiện thử nghiệm, lượng oxy được chuyển vào nước trên một đơn vị năng lượng điện được tiêu thụ bởi bộ khuếch tán [kg/(kW·h)] là Hiệu suất sục khí tiêu chuẩn (SAE), như trongPhương trình (7). Giá trị SAE có thể được sử dụng để đánh giá hiệu quả sử dụng thực tế của máy khuếch tán bọt mịn.
Ở đâu:
ASAE- Giá trị của SAE.
1.5 Phương pháp đo chỉ số thông thường
Các mẫu rượu hỗn hợp được lọc qua giấy lọc định tính. COD hòa tanCr(SCODCr), nitơ amoniac, NO₃--N và TP được đo bằng phương pháp tiêu chuẩn quốc gia.
2. Kết quả và thảo luận
2.1 Hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm
Chất lượng ảnh hưởng của các chất ô nhiễm chính trong mùa hè và mùa đông tại nhà máy xử lý nước thải được thể hiện ởHình 3. Lưu lượng xử lý trung bình vào mùa hè và mùa đông lần lượt là 3,65×10⁵ m³/d và 3,13×10⁵ m³/d.Mùa hè ảnh hưởng CODCrvà nồng độ nitơ amoniac là (188,38 ± 52,53) mg/L và (16,93 ± 5,10) mg/L, tương ứng.Dòng chảy mùa đông có ảnh hưởng CODCrvà nồng độ nitơ amoniac là (187,94 ± 28,26) mg/L và (17,91 ± 3,42) mg/L, tương ứng. Lượng mưa mùa hè cao hơn khiến nhà máy xử lý nước thải hoạt động ở chế độ "tải trọng thủy lực cao - tải lượng ô nhiễm thấp". Việc tăng tải thủy lực làm rút ngắn HRT của hệ thống, giảm thời gian phản ứng trong bể sinh học và ảnh hưởng đến việc loại bỏ chất ô nhiễm. Tải lượng chất ô nhiễm đầu vào thấp trong các nhà máy xử lý nước thải có thể dễ dàng dẫn đến tải lượng bùn quá thấp, gây ra quá trình sục khí quá mức và phân hủy bùn. Các nhà máy xử lý nước thải cần điều chỉnh kịp thời lượng bùn và tốc độ cung cấp không khí để giảm thiểu tác động của việc vận hành với tải lượng chất ô nhiễm thấp.Nhiệt độ nước mùa hè là (27,32 ± 1,34) độ, cao hơn đáng kể so với nhiệt độ mùa đông (17,39 ± 0,75) độ. Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ chất ô nhiễm của hệ thống. Khả năng chịu đựng của vi khuẩn dạng sợi cao hơn vi khuẩn tạo bông-, khiến chúng dễ sinh sôi trong môi trường-nhiệt độ thấp, gây ra hiện tượng đóng cặn bùn. Nhiệt độ thấp hơn còn làm giảm hoạt tính enzyme của vi sinh vật trong bùn hoạt tính, làm giảm tốc độ phân hủy cơ chất và tốc độ hô hấp nội sinh dẫn đến hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm giảm. Các nhà máy xử lý nước thải có thể thực hiện các biện pháp như tăng tuổi bùn và MLSS trong bể sinh học để giảm bớt tác động tiêu cực của nhiệt độ thấp đối với việc loại bỏ chất ô nhiễm. Do tải trọng thủy lực vào mùa đông thấp hơn vào mùa hè, HRT trong bể hiếu khí tăng lên một chút khi được sục khí đầy đủ, bù đắp tác động tiêu cực của nhiệt độ thấp đến quá trình nitrat hóa. Vì vậy, chất lượng nước thải cả mùa hè và mùa đông đều đạt tiêu chuẩn loại A GB 18918-2002.
2.2 Các dạng biến đổi của các dạng ô nhiễm dọc theo bể hiếu khí
Vào những ngày thi,SCOD ảnh hưởngCrnồng độ vào mùa hè và mùa đông lần lượt là 186,76 mg/L và 248,42 mg/L và nồng độ nitơ amoniac lần lượt là 22,05 mg/L và 25,91 mg/L., tương ứng. Có thể do tràn cống kết hợp với thấm nước ngầm nên chất lượng nước thải đầu vào thấp hơn giá trị thiết kế. Sự biến đổi của các chất ô nhiễm dọc theo bể hiếu khí được thể hiện ởHình 4.
Do quá trình giải phóng photpho ở bể kỵ khí, khử nitrat ở bể thiếu khí và pha loãng bằng bùn hồi lưu nên nồng độ chất ô nhiễm giảm đáng kể trước khi vào bể hiếu khí. SCODCrnồng độ ở đầu vào bể hiếu khí vào mùa hè và mùa đông lần lượt là 30,32 mg/L và 52,48 mg/L, và nồng độ nitơ amoniac lần lượt là 3,90 mg/L và 4,62 mg/L. Nồng độ TN ở đầu vào bể hiếu khí vào mùa hè và mùa đông lần lượt là 4,86 mg/L và 6,16 mg/L, giảm nhẹ xuống còn 4,46 mg/L và 5,70 mg/L trong nước thải, cho thấy tỷ lệ quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời xảy ra trong bể hiếu khí tương đối thấp. SCODCrnồng độ giảm rõ rệt ở Vùng 1 xuống còn 19,36 mg/L và 30,20 mg/L vào mùa hè và mùa đông; nồng độ nitơ amoniac giảm xuống còn 1,75 mg/L và 2,80 mg/L. Xu hướng giảm nồng độ chất ô nhiễm chậm lại ở Vùng 2, cho thấy các chất hữu cơ phân tử nhỏ đã bị phân hủy hoàn toàn và quá trình nitrat hóa đã hoàn tất. Nồng độ chất ô nhiễm cuối Khu 2 đã đạt quy chuẩn xả thải. Nồng độ chất ô nhiễm hầu như không thay đổi ở Vùng 3, nhưng giá trị DO trong dung dịch hỗn hợp tăng lên, cho thấy phần lớn oxy cung cấp trong vùng này hòa tan vào dung dịch hỗn hợp bùn và không được sử dụng cho CODCrquá trình oxy hóa và quá trình oxy hóa amoniac. SCOD nước thảiCrnồng độ từ bể hiếu khí vào mùa hè và mùa đông lần lượt là 15,36 mg/L và 26,51 mg/L, và nồng độ nitơ amoniac trong nước thải lần lượt là 0,17 mg/L và 0,50 mg/L.Tốc độ loại bỏ nitơ amoniac cao hơn vào mùa hè là do nhiệt độ nước cao hơn giúp tăng cường hoạt động khử nitrat hóa-của vi sinh vật. Zhang Tao và cộng sự. tìm thấy rằngnhiệt độ mùa đông thấp làm giảm lượng vi khuẩn oxy hóa-amoniac dồi dào và vi khuẩn oxy hóa nitrit-, làm giảm tốc độ loại bỏ nitơ amoniac trong nhà máy xử lý nước thải.
2.3 Tắt-Kết quả kiểm tra khí dọc theo bể hiếu khí
Các thử nghiệm thực địa về hiệu suất vận chuyển oxy của hệ thống sục khí bong bóng mịn đã được tiến hành dọc theo bể hiếu khí vào mùa hè và mùa đông bằng cách sử dụng-máy phân tích khí thải. Kết quả được thể hiện ởHình 5. Nồng độ DO trong bể hiếu khí tăng dần theo chiều dòng chảy. Nồng độ DO trong dung dịch hỗn hợp phụ thuộc vào lượng oxy được truyền từ pha khí sang pha lỏng bằng bộ khuếch tán (tức là OTR) và lượng oxy được tiêu thụ bởi vi sinh vật (tức là OUR). Chất nền có nhiều ở phía trước của bể hiếu khí và các vi sinh vật cần nhiều oxy hơn để phân hủy chất nền. Vì vậy, nồng độ DO thấp nhất ở Vùng 1 trong cả mùa hè và mùa đông, lần lượt là (1,54 ± 0,22) mg/L và (1,85 ± 0,31) mg/L. Nồng độ DO tăng lên lần lượt là (2,27 ± 0,45) mg/L và (2,04 ± 0,13) mg/L ở Vùng 2. Tại Vùng 3, nồng độ DO lần lượt là (4,48 ± 0,55) mg/L và (4,53 ± 1,68) mg/L. Kiểu biến đổi của DO dọc theo con đường này phù hợp với kiểu biến đổi của nồng độ chất ô nhiễm. Quá trình phân hủy và nitrat hóa cơ bản đã hoàn thành ở Vùng 2. Hàm lượng chất hữu cơ ở Vùng 3 thấp hơn, làm giảm nhu cầu oxy, dẫn đến oxy không được sử dụng hết và bị lưu giữ ở pha nước dưới dạng DO, khiến nồng độ DO tăng cao quá mức. DO trung bình ở Vùng 3 cao hơn đáng kể so với 2,0 mg/L, cho thấy -sục khí quá mức ở cuối bể hiếu khí. Hô hấp nội sinh của bùn hoạt tính làm giảm hoạt động của bùn và dễ gây ra hiện tượng đóng cặn bùn, đồng thời gây lãng phí năng lượng. Nồng độ DO quá cao ở cuối bể hiếu khí cũng dẫn đến nồng độ DO trong dung dịch tuần hoàn cao hơn, điều này không chỉ làm tăng nồng độ DO đi vào bể thiếu khí thông qua hồi lưu bên ngoài mà còn làm giảm lượng COD Cr hữu dụng, từ đó làm giảm hiệu suất khử nitrat. Vì vậy, nên giảm lượng cung cấp không khí cho Vùng 3, chỉ duy trì cường độ khuấy trộn cần thiết để tiết kiệm năng lượng sục khí tiêu thụ.
Như thể hiện trongHình 5, có sự khác biệt đáng kể về hiệu suất truyền oxy của máy khuếch tán ở các kênh khác nhau trong quá trình hoạt động thực tế giữa mùa hè và mùa đông. OTE trung bình đo được vào mùa đông là 9,72%, thấp hơn kết quả đo được vào mùa hè (16,71%). Điều này là donhiệt độ nước giảm làm giảm hoạt động của vi sinh vật trong bể hiếu khí của nhà máy xử lý nước thải dẫn đến hiệu suất sử dụng oxy thấp hơn. Sau khi hiệu chỉnh nhiệt độ, độ mặn và DO, giá trị SOTE trung bình trong mùa hè và mùa đông lần lượt là 17,69% và 14,21%. SOTE mùa hè cao hơn một chút so với mùa đông, có thể vìhoạt động kéo dài làm trầm trọng thêm sự tắc nghẽn của bộ khuếch tán, chặn lỗ chân lông và làm giảm hiệu suất truyền oxy của bộ khuếch tán.
2.4 Phân tích tiềm năng tối ưu hóa năng lượng cho hệ thống sục khí bể hiếu khí
Theo Công thức (3) và (4), nhu cầu oxy, tốc độ cung cấp oxy và công suất quạt gió cho từng kênh của bể hiếu khí trong mùa hè và mùa đông đã được tính toán, như trình bày trongBảng 2. Tổng nhu cầu oxy của bể hiếu khí vào mùa đông cao hơn mùa hè khoảng 34,91%, do COD đầu vào cao hơnCrvà tải lượng ô nhiễm nitơ amoniac trong mùa đông so với mùa hè. Nhu cầu oxy ở mỗi vùng của bể hiếu khí giảm khi các chất ô nhiễm có ảnh hưởng bị phân hủy dọc theo con đường. Vùng 1 có nồng độ chất ô nhiễm cao nhất và có đủ chất nền, dẫn đến hoạt động của vi sinh vật cao hơn, do đó nhu cầu oxy của vùng này là cao nhất. Khi các chất ô nhiễm liên tục bị phân hủy, nhu cầu oxy ở Vùng 2 và Vùng 3 giảm dần. Vào mùa hè, tỷ lệ nhu cầu oxy của ba vùng lần lượt là 72,62%, 21,65% và 5,73% tổng nhu cầu oxy của bể hiếu khí. Vào mùa đông, tỷ lệ lần lượt là 72,84%, 24,53% và 2,63%. Trong các lò phản ứng bùn hoạt tính thông thường, nhu cầu oxy cho phần phía trước là 45% -55%, phần giữa là 25% -35% và phần phía sau là 15% -25%. Tải lượng xử lý ở cuối bể hiếu khí này thấp hơn giá trị thông thường. Việc cung cấp không khí ở phần phía trước có thể được giảm đi một cách thích hợp, cho phép một số chất ô nhiễm bị phân hủy ở phần phía sau.
So với mùa hè,nhu cầu oxy của quá trình xử lý sinh học vào mùa đông cao hơn và hiệu suất truyền oxy của hệ thống sục khí bong bóng mịn thấp hơn, dẫn đến nhu cầu cung cấp không khí cao hơn. Theo dữ liệu vận hành của Nhà máy xử lý nước thải, tổng tốc độ cung cấp không khí của máy thổi vào mùa hè và mùa đông lần lượt là 76,23 m³/h và 116,70 m³/h. Nguồn cung cấp không khí cao nhất ở Vùng 1, trong khi nguồn cung cấp không khí ở Vùng 2 và Vùng 3 tương tự nhưng thấp hơn ở Vùng 1. Nguồn cung cấp oxy vào mùa hè cao hơn 38,99% so với nhu cầu oxy, cho thấy tiềm năng tiết kiệm năng lượng-đáng kể. Nguồn cung cấp oxy ở cả Vùng 2 và Vùng 3 đều vượt quá nhu cầu oxy thực tế. Lượng cung cấp oxy vào mùa đông cao hơn 7,07% so với nhu cầu oxy. Cung và cầu oxy ở Vùng 1 và Vùng 2 khớp với nhau, trong khi{18}}thông khí quá mức xảy ra ở Vùng 3. Công suất máy thổi tỷ lệ thuận với tốc độ cung cấp không khí, như trong Phương trình (6). Công suất tiêu thụ điện năng của máy thổi vào mùa hè và mùa đông lần lượt là 85,21 kW và 130,44 kW. Henkel gợi ý rằngsự gia tăng nhiệt độ không khí làm giảm công suất của máy thổi khí trong hệ thống sục khí. Để đáp ứng sự khác biệt về nhu cầu oxy giữa các kênh khác nhau, các nhà máy xử lý nước thải nên thực hiện các biện pháp điều chỉnh sục khí tương ứng, chẳng hạn như sục khí giảm dần. Điều này có thể bao gồm việc mở hoàn toàn các ống nhánh cấp không khí ở đầu phía trước, mở một nửa các ống nhánh ở đầu giữa và điều chỉnh các ống nhánh ở cuối đến mức mở tối thiểu đểtiết kiệm không khí cung cấp và tiêu thụ năng lượng sục khí.
Định lượng thêm hiệu suất sử dụng thực tế của máy khuếch tán bong bóng mịn, Hiệu suất sục khí tiêu chuẩn (SAE) trong bể hiếu khí vào mùa hè là 2,57 kg O₂/kW·h, cao hơn 32,29% so với mùa đông. Sự khác biệt về chất lượng, số lượng và nhiệt độ nước đầu vào giữa mùa hè và mùa đông gây ra những thay đổi đáng kể trong hoạt động và kiểm soát hệ thống sục khí trong NMXLNT. Sự lãng phí năng lượng vào mùa hè nghiêm trọng hơn so với mùa đông và hệ thống sục khí đã đạt được sự cân bằng cung{4}}cầu tốt hơn vào mùa đông. Xem xét tốc độ dòng chảy và chất lượng ảnh hưởng,nguồn cung cấp không khí có thể được giảm đi một cách thích hợp vào mùa hèđồng thời đảm bảo chất lượng nước thải và trộn đều trong bể hiếu khí. Vào mùa đông, để giảm thiểu tác động của tải lượng chất ô nhiễm cao và nhiệt độ thấp, cần đảm bảo thông khí đầy đủ. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là trong quá trình-hoạt động lâu dài, các chất ô nhiễm sẽ tích tụ trên bề mặt và bên trong các lỗ của máy khuếch tán, dần dần làm tắc các lỗ và hiệu suất vận chuyển oxy sẽ giảm. Nếu việc vệ sinh máy khuếch tán không kịp thời có thể dẫn đến hệ thống sục khí cung cấp không đủ oxy, ảnh hưởng đến chất lượng nước thải.
WWTP sử dụng chiến lược kiểm soát luồng không khí-của máy thổi DO. Mục tiêu của hệ thống kiểm soát sục khí là cung cấp môi trường DO ổn định cho vi sinh vật trong bể hiếu khí và đảm bảo tuân thủ quy định về nước thải. Tuy nhiên, chỉ riêng cơ chế phản hồi DO không thể đánh giá được tiềm năng tiết kiệm năng lượng-của hệ thống sục khí. Thử nghiệm hiện trường về hiệu suất truyền oxy của hệ thống sục khí cho phép tính toán chính xác tốc độ cung cấp oxy thực tế của hệ thống sục khí và mô tả mô hình biến đổi của nó dọc theo đường đi. Kết hợp với dữ liệu về nhu cầu oxy, điều này cho phép kiểm soát chính xác hệ thống sục khí để đạt được sự cân bằng cung-nhu cầu cũng như mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ.
3. Kết luận
- Nhiệt độ nước mùa hè cao hơn sẽ tăng cường hoạt động nitrat hóa và khử nitrat của vi sinh vật, dẫn đến lượng COD Cr và nitơ amoniac trong nước thải cao hơn vào mùa đông so với mùa hè. Tuy nhiên, do tải trọng thủy lực vào mùa đông thấp hơn mùa hè, HRT kéo dài trong bể hiếu khí và sục khí đầy đủ sẽ bù đắp tác động tiêu cực của nhiệt độ thấp đến quá trình nitrat hóa. Vì vậy, chất lượng nước thải trong cả mùa hè và mùa đông đều đạt tiêu chuẩn loại A GB 18918-2002.
- So với mùa hè, nhu cầu oxy của quá trình xử lý sinh học vào mùa đông cao hơn, hiệu suất vận chuyển oxy của hệ thống sục khí bong bóng mịn thấp hơn dẫn đến tốc độ cung cấp không khí cần thiết cao hơn và hiệu suất sục khí thấp hơn.
- Nguồn cung cấp oxy vào mùa hè và mùa đông lần lượt cao hơn 38,99% và 7,07% so với nhu cầu oxy, cho thấy tiềm năng tiết kiệm năng lượng-lớn hơn trong mùa hè. Nồng độ chất ô nhiễm giảm dần dọc theo bể hiếu khí, gần như không đổi ở cuối bể, trong khi nồng độ DO ở cuối bể cao hơn nhiều so với ở đầu bể. Điều này cho thấy phần lớn oxy được cung cấp cuối cùng sẽ hòa tan vào dung dịch hỗn hợp bùn và không được sử dụng cho CODCrquá trình oxy hóa và oxy hóa amoniac, cho thấy-sục khí quá mức. Do đó, lượng không khí cung cấp ở cuối bể hiếu khí có thể được giảm bớt một cách thích hợp mà vẫn đảm bảo chất lượng nước thải và sự pha trộn đầy đủ.