التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت لأجهزة تهوية الفقاعات الدقيقة: التكنولوجيا والتطبيق وتوفير التكاليف

تطبيق تكنولوجيا التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت لأجهزة تهوية الفقاعات الدقيقة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي

يتم استخدام مهويات الفقاعات الدقيقة على نطاق واسع كمعدات تهوية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي نظرًا لهيكلها البسيط، وكفاءة استخدام الأكسجين العالية، والأداء الموثوق، والمسام المقاومة للانسداد، ومنع التدفق العكسي لمياه الصرف الصحي، وتوزيع الضغط المحيطي الموحد، وعمر الخدمة الطويل، وسهولة التركيب والصيانة، وانخفاض تكلفة النظام. باعتبارها مكونًا رئيسيًا لإمداد الأكسجين في معالجة مياه الصرف الصحي، فإن أنظمة تهوية الفقاعات الدقيقة تكون عرضة للانسداد عن طريق التلوث والأغشية الحيوية أثناء التشغيل على المدى الطويل-، مما يشكل تحديات كبيرة للحفاظ على أدائها. توفر تقنية التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت حلاً فعالاً لهذه المشكلة.

1. تكوين ومخاطر انسداد مهوية الفقاعات الدقيقة

بعد التشغيل لفترة طويلة، تصبح مهويات الفقاعات الدقيقة عرضة للانسداد، ويتم تصنيفها عادةً على أنها "انسداد داخلي" و"انسداد خارجي" استنادًا إلى شكل الانسداد الملوث. يشير "الانسداد الداخلي" إلى ترسب الجزيئات الدقيقة مثل الجزيئات الغروية والجزيئات الكبيرة المذابة من السائل المختلط داخل المسام، مما يؤدي إلى انسداد المسام. يشير "الانسداد الخارجي" إلى ترسب مواد متقشرة على سطح الغشاء المواجه لجانب الماء. يميل هذا النوع من الانسداد إلى زيادة مقاومة تفريغ الهواء للغشاء بشكل مستمر، مما يؤدي إلى زيادة الضغط على الغشاء والتوسع التدريجي لحجم المسام. مع مرور الوقت، يمكن أن يؤدي ذلك بسهولة إلى تمزق الغشاء. بمجرد تمزق الغشاء، يمتد التأثير من تدمير كفاءة التهوية إلى الضرر الهيكلي للنظام، مما قد يستلزم إيقاف التشغيل للصيانة أو استبدال جهاز التهوية.

تؤدي مشكلات الانسداد في مهويات الفقاعات الدقيقة إلى زيادة المخاطر التشغيلية:

• من منظور تكلفة استهلاك الكهرباء: مع انسداد أجهزة التهوية، يرتفع ضغط خط الأنابيب، مما يجبر المنافيخ على العمل تحت ظروف حمل عالية-، واستهلاك-طاقة-عالي. يؤدي ذلك إلى زيادة استهلاك الطاقة ويؤثر أيضًا على عمر المنفاخ.
• من منظور المخاطر البيئية: التهوية غير المتساوية تقلل من معدلات نقل الأكسجين، وتحد من مرونة التحكم في العملية، ويمكن أن تؤثر بشدة على جودة النفايات السائلة في الحالات الخطيرة.
• من منظور التكلفة الاقتصادية: تكلفة التنظيف اليدوي بعد تفريغ الخزانات مرتفعة.
• من منظور السلامة: يتطلب التنظيف اليدوي بعد التفريغ إدخال الخزانات لإزالة الحمأة، بما في ذلك دخول الأماكن الضيقة والأعمال الكهربائية المؤقتة، مما يزيد من مخاطر المخاطر الكهربائية والسلامة الشخصية.الشكل 1يوضح ظاهرة تراكم الحمأة الناتجة عن انسداد جهاز التهوية.

ولذلك، فإن الصيانة والتنظيف المنتظمين لأجهزة تهوية الفقاعات الدقيقة أمر بالغ الأهمية لضمان أدائها التشغيلي. تتطلب طرق صيانة وتنظيف أجهزة التهوية التقليدية إفراغ خزانات التفاعل البيولوجي بالكامل. قد تؤثر عمليات الصيانة والتنظيف على نطاق واسع-لمنشآت معالجة مياه الصرف الصحي على المعالجة العادية للمياه العادمة وتصريفها، أو تتطلب موافقة من الإدارات الحكومية ذات الصلة إذا تم إجراؤها في مواقع محددة (مثل المناطق التي تغطيها شبكات الصرف الصحي الحضرية أو مناطق حماية مصادر مياه الشرب). تتضمن هذه العملية عمليات خطرة متعددة (على سبيل المثال، دخول الأماكن الضيقة) مع العديد من المخاطر والعيوب، مما يفرض أعباء اقتصادية كبيرة وتكاليف محتملة (على سبيل المثال، التنسيق مع العلاقات الحكومية، وانخفاض قدرة المعالجة أثناء الصيانة، وتعديل جودة المياه، ومخاطر السلامة) على محطات معالجة مياه الصرف الصحي. إن الضغط والتحديات التي يفرضها التفريغ لأغراض الصيانة تجعل جدوى التفريغ المنتظم لتنظيف جهاز التهوية ضعيفة نسبيًا.

نظرًا للعيوب العديدة للتنظيف اليدوي التقليدي بعد التفريغ-التكلفة العالية، والمخاطر التشغيلية العالية، وفعالية التنظيف دون المستوى الأمثل-فإن البحث عن التنظيف عبر الإنترنت لأجهزة تهوية الفقاعات الدقيقة باستخدام أجهزة تحديد جرعات المواد الكيميائية عبر الإنترنت في ظل ظروف التهوية العادية له أهمية خاصة.

اختارت هذه الدراسة مشروع مصنع كموقع اختبار ميداني لتكنولوجيا التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت. تبلغ القدرة الإجمالية للمحطة لمعالجة مياه الصرف الصحي 600 ألف طن يوميًا، ويتم إنشاؤها على أربع مراحل. تبلغ قدرة المشروع-المرحلة الثالثة قدرة معالجة تبلغ 100000 طن يوميًا، باستخدام عملية AAO؛ وتبلغ الطاقة الإنتاجية للمشروع-المرحلة الرابعة 200000 طن يوميًا، باستخدام عملية MBR. تتوافق جودة النفايات السائلة مع معيار الدرجة الأولى GB 18918-2002 "معيار تصريف الملوثات لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية". تم إجراء التنظيف عبر الإنترنت على مهويات الفقاعات الدقيقة في الخزانات الهوائية للمرحلتين الثالثة والرابعة، والتي كانت قيد التشغيل لمدة 6-7 سنوات.

2. مبدأ تكنولوجيا التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت

تتضمن تقنية التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت إضافة عوامل كيميائية محددة إلى نظام التهوية لإذابة أو تشتيت المواد المسدودة من خلال التأثير الكيميائي. يمكن أن تكون هذه العوامل حمضية أو قلوية أو مؤكسدة أو مخلبية. على سبيل المثال، يمكن لبعض العوامل الحمضية إذابة الرواسب القلوية مثل كربونات الكالسيوم، في حين يمكن للعوامل المؤكسدة أن تحلل الانسدادات العضوية التي تنتجها الكائنات الحية الدقيقة.

2.1 تحليل الملوثات الشائعة

تتنوع الملوثات الملتصقة بأسطح المهويات، ويرتبط تكوينها ارتباطًا وثيقًا بخصائص مياه الصرف الصحي وعمليات المعالجة والظروف التشغيلية. يتم تحليل الملوثات الشائعة على النحو التالي:

• الملوثات غير العضوية: تشمل مركبات الكالسيوم والمغنيسيوم، والكبريتيدات، وأكاسيد المعادن، والهيدروكسيدات، الناشئة بشكل رئيسي من الترسيب الكيميائي والتشبع الأيوني الفائق. تشمل تأثيراتها الأساسية على أجهزة التهوية انسداد المسام، وانخفاض كفاءة التهوية، وزيادة استهلاك طاقة النظام، وزيادة مقاومة التهوية، وانخفاض كفاءة نقل الأكسجين.
• الملوثات العضوية: تشمل الأغشية الحيوية الميكروبية، والجزيئات العضوية العالقة، والدهون/الزيوت، والغرويات العضوية. يتكون الأغشية الحيوية الميكروبية في المقام الأول بسبب الاستعمار الميكروبي والتصاق المادة البوليمرية خارج الخلية (EPS). وتشمل مخاطرها خلق بيئات دقيقة لاهوائية وإطلاق غازات سامة (مثل H₂S). تتشكل الغرويات العضوية بسبب التفاعلات الكارهة للماء والامتزاز الكهروستاتيكي، مما يؤدي إلى تكوين طبقات كارهة للماء تعيق إطلاق الغاز وتؤثر على تجانس التهوية.
• الملوثات المركبة (غير العضوية-الحجم المختلط العضوي): تشمل المقاييس البيولوجية-المختلطة الكيميائية وارتباط جزيئات الحمأة، والتي تتشكل بشكل رئيسي من خلال الانحباس الفيزيائي والروابط الكيميائية. وتشمل آثارها تغطية سطح جهاز التهوية، وتقليل مساحة التهوية الفعالة، وتسريع تقادم المعدات، وتقصير دورات الصيانة.

من خلال عمليات فحص الصيانة لنظام التهوية بالمحطة، تم تحديد المشكلات التالية: ① أدى التشغيل المطول للمهويات تحت الماء، إلى جانب زيادة عمر الخدمة، إلى تقادم ملحوظ في موانع التسرب الحلقية - عند نقاط الاتصال، مما أدى إلى تسرب الغاز؛ ② أثناء التشغيل، أدى ترسيب الحمأة المستمر والتعديلات في التحكم في عملية الإنتاج إلى زيادة تركيزات الحمأة في مناطق معينة، مما تسبب بشكل غير مباشر في تقشر شديد على أسطح أغشية المهوية، كما هو موضح فيالشكل 2; ③ عندما يكون تركيز الحمأة في خزانات التفاعل البيولوجي مرتفعًا جدًا، يمتد عمر الحمأة، مما يزيد من الأكسجين المذاب المطلوب للنشاط الميكروبي الطبيعي ويزيد الطلب على نظام إمداد الأكسجين؛ ④ تؤدي زيادة كثافة السائل المختلط في خزانات التهوية إلى زيادة المقاومة، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة للتهوية الميكانيكية أو التهوية؛ ⑤ تسربت بعض الأوساخ إلى مسام التهوية، مما أثر على تهوية النظام، كما هو موضح فيالشكل 3. بناءً على أسباب تكوين الملوثات، تم تحديد أن المقياس الموجود على أسطح المهويات يحتوي على ملوثات غير عضوية، ومواد عضوية، وبروتينات، وما إلى ذلك.

2.2 اختيار عوامل التنظيف

بالنسبة لأنواع التلوث الغشائي، يجب اختيار عوامل التنظيف الكيميائية المناسبة. يمكن لهذه العوامل أن تخترق مسام التهوية الموجودة في جدار الأنبوب إلى المسافة بين الغشاء وجدار الأنبوب، مما يحقق تنظيف سطح الغشاء ومسامه. يجب أن يعتمد اختيار نوع عامل التنظيف على الخصائص الفيزيائية والكيميائية الفعلية للغشاء، وأنواع الملوثات، ودرجة التلوث. يجب أن يكون عامل التنظيف قابلاً للتحلل الحيوي وغير -سام للكائنات الحية، وقادر على إزالة القشور غير العضوية بشكل فعال من جدران أنابيب الهواء وداخل الناشرات. يجب أن يتمتع بكفاءة تنظيف جيدة ضد الانسدادات (المعروفة أيضًا باسم "انسداد طور الغاز-) الناتج عن الملوثات أو الجسيمات أو الغبار الموجود في الهواء الداخل لأنظمة تهوية المنفاخ، وتسرب الزيت من المنافيخ، والصدأ من أنابيب الهواء الداخلية.

تشمل عوامل التنظيف القلوية هيدروكسيد الصوديوم، كربونات الصوديوم، فوسفات الصوديوم، سيليكات الصوديوم، هيدروكسيد البوتاسيوم، إلخ. هيدروكسيد الصوديوم هو عامل كيميائي شائع في عمليات معالجة مياه الصرف الصحي لرفع درجة الحموضة في مياه الصرف الصحي، لذلك يمكن اختياره كعامل تنظيف قلوي.

تشتمل عوامل التنظيف الحمضية على حمض الكبريتيك، وحمض الهيدروكلوريك، وحامض النيتريك، وحمض الستريك، وحمض الأكساليك، وحمض الفوسفوريك، وما إلى ذلك. ونظرًا لأن السيترات لديها قدرة تخلب قوية للأيونات مثل المنغنيز والحديد، وفي الممارسة العملية، بالمقارنة مع الأحماض المعدنية، فإن حامض الستريك ضعيف نسبيًا، وأقل تآكلًا للمعدات، وأكثر أمانًا، وقابل للتحلل بسهولة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة، وقد تم اختيار حامض الستريك كعامل تنظيف حمضي.

الجدول 1يوضح فئات وأداء عوامل التنظيف المستخدمة بشكل شائع في تلوث الأغشية.

2.3 تصميم جهاز التنظيف عبر الإنترنت

نظرًا للضغط الناتج عن تشغيل أنظمة تهوية الفقاعات الدقيقة والأنابيب الفرعية العديدة، فإن تصميم جهاز جرعات مناسب عبر الإنترنت لأجهزة تهوية الفقاعات الدقيقة يعد أمرًا مهمًا بشكل خاص. يشتمل جهاز تنظيف الجرعات المصمم في هذه الدراسة على وحدة إذابة/تخفيف ووحدة جرعات، كما هو موضح فيالشكل 4.

تتكون وحدة الذوبان/التخفيف بشكل أساسي من خزان تحضير، ومحرض، ومقياس مستوى، يستخدم في إذابة وتخفيف العوامل. عن طريق حقن كمية معينة من الماء في خزان التحضير، وإضافة العامل، وبدء المحرض، يمكن تحضير عامل بتركيز محدد للاستخدام بواسطة وحدة الجرعات.

تتكون وحدة الجرعات بشكل أساسي من خزان الجرعات، وصمام العادم، وصمام الجرعات، وصمام التوازن، وصمام التغذية، وبعض أنظمة الأنابيب. يتم توصيل الجزء السفلي من خزان الجرعات بأنبوب الجرعات، والذي يتفرع أيضًا إلى أنابيب - فرعية متعددة للجرعات. يتم توصيل جميع الأنابيب الفرعية للجرعات -واحدًا-إلى واحد-من خلال أنابيب تهوية فرعية متعددة، والتي بدورها متصلة بعدة مهويات فقاعية دقيقة، وبالتالي تحقيق الغرض من تنظيف مهويات الفقاعات الدقيقة.

أثناء التنفيذ، تم حفر فتحة بقطر Φ15 مم في كل أنبوب تهوية فرعي لخزانات التفاعل البيولوجي كمنفذ للجرعات، حيث تم من خلاله تركيب أنبوب جرعات من النايلون لتوصيل العامل إلى مهويات الفقاعات الدقيقة، مما يقلل من فقدان العامل. وفي الوقت نفسه، تم حفر ثقب إضافي في أنبوب التهوية الفرعي كأنبوب غاز متوازن لمعادلة الضغط بين خزان الجرعات وأنبوب التهوية الفرعي. يتم إغلاق الفتحات المحفورة في أنابيب التهوية الفرعية بسدادات أثناء التشغيل العادي، ويتم تركيب تركيبات طرفية للتوصيل السريع- أثناء تحديد الجرعات لتمكين التثبيت والإزالة السريعة.

3. تطبيق جهاز تنظيف الجرعات عبر الإنترنت

في تجربة تنظيف الجرعات هذه عبر الإنترنت، تم وضع مهويات الفقاعات الدقيقة في الخزانات البيولوجية. تم حقن محلول تنظيف محدد في أغشية مهوية الفقاعات الدقيقة من خلال أنابيب التهوية الفرعية، مما يسمح له بالتدفق نحو جانب التغذية لتحلل المادة العضوية الملتصقة بسطح الغشاء، وبالتالي استعادة فرق ضغط الغشاء وتحقيق تأثير التنظيف. اعتمد التصميم التجريبي على ثلاثة متغيرات: نوع العامل، تركيز العامل، وزمن التنظيف. يظهر مخطط الاختبار فيالجدول 2.

3.1 تحليل تأثير تنظيف الجرعات عبر الإنترنت

بعد التنظيف، أظهرت المراقبة الحسية لسطح التهوية في الموقع أحجام فقاعات أصغر تتسرب من سطح خزان التهوية وتهوية أكثر انتظامًا.الشكل 5يظهر المظهر الحسي للتهوية قبل وبعد التنظيف.

بعد التنظيف باستخدام أنواع وتركيزات مختلفة من العوامل، أظهرت أجهزة التهوية باستمرار زيادة في معدل التدفق وانخفاض ضغط خط الأنابيب، مع استعادة معدلات التدفق. تمت استعادة كفاءة التهوية بدرجات متفاوتة بعد المعالجة بطرق تنظيف مختلفة. تشير البيانات المجمعة حول زيادة تدفق الهواء وانخفاض ضغط خط الأنابيب إلى أن أنواع العوامل المختلفة وتركيزاتها وأوقات التنظيف لها تأثيرات مختلفة على استعادة جهاز التهوية.الأشكال 6 و 7إظهار التغيرات في معدل التدفق والضغط قبل وبعد التنظيف، على التوالي.

كانت كفاءة استعادة المهويات بعد تنظيف هيدروكسيد الصوديوم أقل قليلاً من تلك بعد حامض الستريك. تؤدي قابلية ذوبان هيدروكسيد الصوديوم العالية في الماء إلى إطلاق حرارة كبيرة عند الذوبان. إلى جانب استرطابيته القوية، وقلويته، وقابليته للتآكل، تتطلب هذه الخصائص اتخاذ احتياطات إضافية في العمليات العملية. من وجهة نظر سلامة عملية التنظيف، فإن هيدروكسيد الصوديوم ليس عامل التنظيف المفضل. لذلك، عند اختيار عوامل التنظيف، يجب تقييم سلامتها وملاءمتها التشغيلية بعناية لضمان سلامة المشغل وفعالية التنظيف المثالية.

أظهرت نتائج الاختبار أنه بعد تنظيف الجرعات عبر الإنترنت، أصبحت التهوية في الخزانات البيولوجية أكثر انتظامًا، وزاد معدل تدفق مهويات الفقاعات الدقيقة، وانخفض ضغط خط الأنابيب بشكل ملحوظ، وكان تأثير التنظيف ملحوظًا.

3.2 المزايا التقنية

• يقلل من وقت التوقف عن العمل: بالمقارنة مع تنظيف التفكيك التقليدي، لا يتطلب تنظيف الجرعات عبر الإنترنت إيقاف نظام التهوية، وتجنب الانقطاعات في عملية معالجة مياه الصرف الصحي وتقليل كفاءة المعالجة الناجمة عن عمليات إيقاف التشغيل.
• يحسن كفاءة التنظيف: يمكن للعوامل اختراق المسام بعمق، وتنظيف المناطق المسدودة التي يصعب -الوصول إليها-بشكل فعال. بعد التطبيق في بعض محطات معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية، تحسن تجانس التهوية بشكل ملحوظ، وزادت كفاءة نقل الأكسجين بشكل ملحوظ.
• يقلل من كثافة العمالة والتكاليف: يلغي الحاجة إلى التفكيك اليدوي وإعادة التجميع لأجهزة التهوية، مما يقلل من العمل اليدوي ومخاطر تلف المعدات نتيجة للتفكيك المتكرر، وبالتالي توفير تكاليف الصيانة. تبلغ تكلفة التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت لأجهزة التهوية الفقاعية الدقيقة 0.47 يوان صيني/طن، في حين أن تكلفة التنظيف اليدوي التقليدي لأجهزة التهوية القديمة تبلغ 13.3 يوان صيني/طن. من المقدر أن التوفير السنوي في تكاليف تنظيف مهوية الفقاعات الدقيقة يصل إلى 515,000 يوان صيني. بالمقارنة مع التنظيف اليدوي التقليدي لأجهزة التهوية القديمة، يوفر التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت مزايا اقتصادية كبيرة.
• يطيل عمر معدات التهوية: من خلال التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت، تم تحسين تأثير التهوية لأجهزة التهوية الفقاعية الدقيقة بشكل فعال، مما يعزز أداء جهاز التهوية، وإلى حد ما، إطالة عمر خدمة معدات التهوية، مما يقلل بشكل فعال من حمل المنفاخ.
• يوفر المزيد من الخيارات لجدولة الإنتاج وخطط الصيانة: من خلال التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت، يصبح توزيع الفقاعات أكثر اتساقًا، ويتم تقليل ضغط أنابيب الهواء بشكل فعال، ويزيد معدل التدفق بشكل كبير، مما يحسن معدلات نقل الأكسجين بشكل كبير ويوفر ضمانًا قويًا لتنظيم جودة المياه.

4. الاستنتاج

تتمتع تقنية التنظيف الكيميائي عبر الإنترنت لأجهزة تهوية الفقاعات الدقيقة بقيمة تطبيقية كبيرة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. من خلال تطبيقه العقلاني، يمكن حل مشكلات الانسداد في مهويات الفقاعات الدقيقة بشكل فعال، وتحسين أداء نظام التهوية، وتقليل وقت التوقف عن العمل وتكاليف التشغيل، وضمان التشغيل المستقر والفعال لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي. إن القيود المفروضة على التنظيف اليدوي التقليدي ستدفع الصناعة نحو التنظيف عبر الإنترنت. إن ظهور معدات جديدة وأنظمة تحكم ذكية يقلل بشكل كبير من صعوبة تشغيل التنظيف عبر الإنترنت. إلى جانب السياسات واللوائح البيئية التي تؤكد على الحياد الكربوني وإعادة تدوير الموارد المائية، الأمر الذي سيعزز بشكل غير مباشر تطبيق تكنولوجيا التنظيف عبر الإنترنت. في المستقبل، يمكن تحسين تركيبات العوامل، كما يمكن البحث في تقنيات التنظيف التآزري متعدد العوامل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن متابعة استراتيجيات التحكم في الجرعات والأبحاث في مجال ذكاء المعدات للتكيف بشكل أفضل مع احتياجات محطات معالجة مياه الصرف الصحي المختلفة.