التعديل التحديثي ودراسة أداء نظام التهوية الفقاعي الدقيق- في محطة معالجة مياه الصرف الصحي التابعة للبلدية

التعديل التحديثي ودراسة أداء نظام التهوية الفقاعي الدقيق- في محطة معالجة مياه الصرف الصحي التابعة للبلدية

مقدمة

في الوقت الحاضر، تشمل عمليات معالجة مياه الصرف الصحي الرئيسية المستخدمة في الصين خندق الأكسدة، وSBR، والحمأة المنشطة، وغيرها. تواجه عملية خندق الأكسدة مشكلة استهلاك الطاقة العالية، خاصة في القسم البيولوجي، الذي يمثل 65%-80% من إجمالي استهلاك الطاقة. تشتمل معدات التهوية الشائعة المستخدمة في عمليات خنادق الأكسدة على فرش التهوية، وأقراص التهوية، وأجهزة التهوية ذات العمود الرأسي، وأجهزة التهوية الفقاعية الدقيقة-. على سبيل المثال، بعد أن تغيرت محطة معالجة مياه الصرف الصحي التابعة للبلدية في مدينة معينة من التهوية الميكانيكية السطحية التقليدية إلى التهوية الفقاعية الدقيقة-، انخفض استهلاك الطاقة بنسبة 20.11%، بينما أصبحت جودة مياه المعالجة أكثر استقرارًا. بالإضافة إلى ذلك، تتميز التهوية الفقاعية- الدقيقة بخاصية إمداد الأكسجين حسب المناطق، والذي يمكن أن يوفر إمدادًا دقيقًا بالأكسجين وفقًا لطلب الأكسجين في مناطق مختلفة من خندق الأكسدة، مما يزيد من تحسين كفاءة إزالة النيتروجين والفوسفور.

ظل نظام التهوية السطحية في إحدى محطات معالجة مياه الصرف الصحي التابعة للبلدية قيد التشغيل لأكثر من عشر سنوات، مع تقادم خطير للمعدات وصعوبات تشغيلية. وكان من الصعب تلبية أحدث معايير التفريغ، مما يجعل التجديد الفني أمرًا ملحًا. قام هذا المشروع بترقية النظام إلى -نظام تهوية فقاعي دقيق، والذي يمكن أن يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة، وتحسين التشغيل، وإطالة عمر المعدات، وتقليل تكاليف الصيانة، بما يتماشى مع السياسات الوطنية للحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات. نفذ مشروع التجديد هذا ممارسات بناء صديقة للبيئة أثناء تفكيك المعدات وتركيبها: إعادة التدوير المصنفة للمعدات القديمة، واعتماد التركيبات الجاهزة، واستخدام آلات منخفضة-ضوضاء، ومنخفضة-الانبعاثات، وتحقيق "عملية البناء"-توفير الطاقة ثنائي الأبعاد- ودعم التنمية المستدامة لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي.

1 نظرة عامة على المشروع

1.1 الوضع الحالي

تبلغ القدرة الإجمالية لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي التابعة للبلدية في مدينة معينة 50,000 طن/يوم، ويتم إنشاؤها على ثلاث مراحل. اعتمدت المرحلة الأولى عملية خندق الأكسدة، كما اعتمدت المرحلة الثانية ومشروع المعالجة المتقدمة أيضًا عملية خندق الأكسدة، مع المعالجة المتقدمة اللاحقة باستخدام ترسيب التخثر + ترشيح وسائط القماش + عملية التطهير بالأشعة فوق البنفسجية. اعتمدت المرحلة الثالثة عملية A²O المعدلة. حاليًا، تتوافق النفايات السائلة مع معيار DB32/1072-2018.

1.2 المشاكل القائمة

1.2.1 تأثير شبكة الأنابيب الخارجية

تشتمل مياه الصرف الصحي الواقعة ضمن نطاق تجميع شبكة الأنابيب الخاصة بهذا المصنع على مساهمات من العديد من المؤسسات الصناعية. أثناء التشغيل اليومي، يمكن أن يكون هناك تأثيرات من مياه الصرف الصحي غير الطبيعية من المؤسسات الصناعية، مما يتسبب في أن تصبح قيمة DO في الخزان البيولوجي منخفضة جدًا، حتى تصل إلى 0 ملجم / لتر، مما يفشل في تلبية متطلبات الإنتاج. وفي الوقت نفسه، نظرًا للتغيرات في الظروف الخارجية، حيث يقوم المزيد من المؤسسات الصناعية داخل منطقة الخدمة بتصريف مياه الصرف الصحي في شبكة الأنابيب، ستواجه هذه المحطة جودة مياه أكثر خطورة في المستقبل. بمجرد تقلب التدفق، سينخفض ​​الأكسجين المذاب في الخزان البيولوجي بشكل ملحوظ، ويكون نطاق ضبط حجم التهوية من الأقراص الدوارة محدودًا. في بعض الفترات، يصل الأكسجين المذاب في الخزان الهوائي إلى 0 ملجم/لتر، مما يجبر المصنع على تقليل قدرة المعالجة استجابةً لذلك، مما يؤثر بشكل كبير على البيئة الهوائية للخزان البيولوجي وقدرة المعالجة.

1.2.2 انخفاض مستوى الأكسجين المذاب في خزان التهوية

بسبب أعطال القرص الدوار التي تسبب انخفاض كفاءة الأوكسجين في أجهزة التهوية، أثناء عملية الإنتاج الفعلية، تظهر بيانات التشغيل التاريخية أن متوسط ​​قيم الأكسجين المذاب من الأدوات الموجودة في منتصف ومخرج خزان التهوية لا يتجاوز 1 ملجم / لتر، مع وصول أدنى قيمة إلى 0 ملجم / لتر، مما يؤثر بشدة على فعالية التفاعل الكيميائي الحيوي.

1.2.3 استهلاك الطاقة العالي

الخزانات البيولوجية للمرحلة الأولى والثانية لهذا النبات موجودة في شكل خندق الأكسدة. يستخدم خندق الأكسدة في المرحلة الأولى 8 مهويات قرصية دوارة بقدرة 18.5 كيلووات، مع طاقة إجمالية للمهويات السطحية تبلغ 148 كيلووات. خندق الأكسدة للمرحلة الثانية هو نوع خندق كاروسيل ذو أربع قنوات، يستخدم 13 مهويات هيتاشي ذاتية التحضير، بما في ذلك مجموعتان بقدرة 11 كيلووات، ومجموعتين بقدرة 18.5 كيلووات، و9 مجموعات بقدرة 15 كيلووات، بإجمالي طاقة للمهويات السطحية تبلغ 194 كيلووات. في ظل التشغيل العادي، ولضمان حجم كافٍ من الماء، نظرًا لانخفاض كفاءة الأكسجين في معدات إمداد الأكسجين الموجودة، يجب تشغيل جميع أجهزة التهوية بالكامل.

استهلاك الطاقة لكل طن من المياه لأجهزة التهوية للمرحلتين الأولى والثانية هو: (18.5 كيلووات*7+194)*24*0.75/25،000=0.2392 يوان صيني/طن. استنادًا إلى دراسة استقصائية لاستهلاك طاقة النظام البيولوجي في العديد من محطات معالجة مياه الصرف الصحي المحلية المحيطة بالبلدية، يبلغ استهلاك الطاقة لمحطة مياه الصرف الصحي المحلية بقدرة 25000 طن/اليوم باستخدام نظام تهوية الفقاعات الدقيقة- بشكل عام 0.09–0.1 يوان صيني/طن. يبلغ استهلاك الطاقة لجهاز التهوية القرصي الدوار 2.4 إلى 2.7 مرة من نظام التهوية الفقاعي الدقيق السفلي، مما يشير إلى استهلاك طاقة مرتفع نسبيًا.

1.2.4 ارتفاع معدل فشل المعدات

مع تقدم عمر المهويات القرصية الدوارة، تزداد معدلات فشل المعدات تدريجيًا. بعد 11 عامًا من التشغيل في هذا المصنع، طور نظام تهوية القرص الدوار تشوهًا في القرص، مما تسبب في حمل عالي للمعدات واهتزاز كبير. أدى الاستخدام طويل الأمد- إلى ارتخاء الجزء السفلي، مما أدى إلى اختلال المحاذاة عند كلا الطرفين ومشاكل أخرى، مما أدى إلى زيادة تآكل المحامل وارتفاع معدلات الفشل. خضعت الأعمدة الرئيسية، والدفاعات، والوصلات، والتروس الأساسية لإصلاحات أو استبدالات متعددة، لتصل بشكل أساسي إلى نقطة الاستبدال. تم تآكل المحامل وشفرات رأس المهوِّيات-الذاتية بشكل كبير. تشير الإحصائيات الحديثة إلى أن المصنع أجرى ما يقرب من 30 إصلاحًا سنويًا لأجهزة التهوية القرصية الدوارة وأجهزة التهوية ذاتية التحضير.

2 تصميم الحل الفني التحديثي

إن النهج التحديثي الشامل هو: إزالة مهويات الأقراص الدوارة الأصلية واستبدالها بقاع تهوية فقاعي-، مع إضافة المنافيخ المقابلة؛ رفع سد النفايات السائلة للخزان البيولوجي لزيادة عمق المياه الفعال للخزان البيولوجي؛ أضف الخلاطات في القسم الهوائي باستخدام هيكل القناة الأصلي لمنع تراكم الحمأة الموضعية.

2.1 اختيار المهوية وتخطيطها

2.1.1 معلمات قرص المهوية

تم اختيار نموذج قرص مهوية غشاء EPDM DD330، كما هو موضح فيالشكل 1، مع معلمات محددة موضحة فيالجدول 1.

2.1.2 تخطيط قرص المهوية

عدد أقراص التهوية: المساحة الصافية لقاع خزان المرحلة الأولى 864 م²، المساحة الصافية لقاع الخزان للمرحلة الثانية 1,412 م²، متوسط ​​مساحة الخدمة 0.8 م²/القرص، مع عامل أمان يبلغ 1.05-1.10. تم تحديد العدد الإجمالي النهائي لأقراص المهوِّية: المرحلة الأولى 1150 قرصًا، المرحلة الثانية 1900 قرص.

مبدأ التخطيط: موزعة بالتساوي في نمط شبكة مثلثية منتظمة. الخلوص من جدار الخزان أكبر من أو يساوي 0.3 متر لتجنب المناطق الميتة؛ خلوص من جدار فاصل القناة أكبر من أو يساوي 0.4 متر لتسهيل الصيانة. تقسيم على طول اتجاه تدفق المياه، مع صمام كهربائي واحد للتحكم في الهواء لكل منطقة لتحقيق التحكم في منطقة DO. تجنب منافذ شفط مضخة الحمأة، وأحواض أخذ العينات، وحوامل الكابلات، وقم بضبط التباعد محليًا إلى 1.5 متر مع الحفاظ على مساحة الخدمة لكل قرص أقل من أو تساوي 0.8 متر مربع.

ارتفاع التركيب وتصنيف الأنابيب: السطح العلوي لقرص الغشاء هو 0.25 متر من قاع الخزان، مما يضمن غمر أكبر من أو يساوي 5.0 متر عند الحد الأدنى لمستوى الماء لمنع تدفق المروحة. تستخدم الأنابيب الفرعية ABS DN50 مع توزيع الهواء المثقوب؛ يتم ترتيب الأنابيب الرئيسية في حلقة، مع التحكم في سرعة الهواء عند 10-12 مللي ثانية⁻¹، المادة SS304. يتم توفير زوج من تركيبات التوصيل السريع-للشفة لكل 10 أقراص، مما يسمح بالرفع الإجمالي للصيانة دون تصريف الخزان.

2.2 تحسين نظام المنفاخ

2.2.1 إضافة المنافيخ

تم شراء منافيخ التعليق الهوائي المستوردة كوحدات رئيسية، وتم إنشاء غرفة منفاخ جديدة مع إضافة قنوات هواء من الفولاذ المقاوم للصدأ.

2.2.2 اختيار المنفاخ

استنادًا إلى ظروف التشغيل الفعلية للمحطة ومع الأخذ في الاعتبار التغيرات المستقبلية في جودة المياه، فإن تركيز COD المؤثر في خطة التعديل التحديثي لا يختلف بشكل كبير عن قيمة التصميم، بمتوسط ​​تركيز يبلغ حوالي 320 ملجم / لتر. تم حساب تركيز BOD بناءً على قيمة تصميم المرحلة الثالثة البالغة 150 ملغم / لتر، وتم حساب المؤشرات المؤثرة الأخرى بناءً على تركيزات تصميم المرحلة الثالثة. يبلغ حجم هواء التشغيل المطلوب للمرحلتين الأولى والثانية من المحطة 103.7 متر مكعب/دقيقة (6,225.1 متر مكعب/ساعة، وحدتي عمل ووحدة احتياطية واحدة، حجم هواء الوحدة الواحدة 50 متر مكعب/دقيقة).

مع الأخذ في الاعتبار العوامل المختلفة بشكل شامل، تم شراء منافيخ تعليق هوائي مستوردين NX75-C060 كوحدات رئيسية للمرحلتين الأولى والثانية. كان من الضروري إنشاء غرفة نفخ جديدة، تقع مؤقتًا على الجانب الجنوبي من ورشة نزح المياه الأصلية من الحمأة، مع إضافة قنوات هواء من الفولاذ المقاوم للصدأ إلى خندق الأكسدة. معلمات المنفاخ: ضغط الهواء 0.049 ميجا باسكال، وحجم الهواء 50 م3/الدقيقة، مع طاقة خرج قصوى تبلغ 64.3 كيلووات في ظل ظروف التشغيل هذه.

2.2.3 التحديثية لنظام التهوية

تم تغيير طريقة التهوية إلى تهوية القاع. تستخدم الخزانات البيولوجية للمرحلتين الأولى والثانية أعدادًا مقابلة من أجهزة التهوية القرصية وأنابيب التهوية UPVC. نهج التعديل التحديثي المحدد: من المتوقع أن يستخدم الخزان البيولوجي للمرحلة الأولى 780 مجموعة من أجهزة التهوية القرصية DD330 وأنابيب التهوية UPVC، ومن المتوقع أن يستخدم الخزان البيولوجي للمرحلة الثانية 1,276 مجموعة من أجهزة التهوية القرصية DD330 وأنابيب التهوية UPVC، مع تشغيل مهوية واحدة بحجم هواء يبلغ 3.45 متر مكعب/ساعة. يظهر تخطيط رأس المهوية فيالشكلان 2 و 3.

2.3 تحسين معلمات العملية

2.3.1 تقسيم خنادق الأكسدة وإستراتيجية التحكم في DO

على طول اتجاه تدفق المياه لخندق الأكسدة، يتم تقسيم قسم التهوية إلى أربع مناطق. المنطقة 1: 0.3-0.5 ملغم/لتر، المنطقة 2: 0.2-0.3 ملغم/لتر، المنطقة 3: 1.5-2.0 ملغم/لتر، المنطقة 4: 1.0-1.5 ملغم/لتر. يتم تركيب أداة معالجة نيتروجين الأمونيا عند نقطة أعلى معدل تفاعل نترجة بين المنطقة 2 والمنطقة 3، مما يؤدي في النهاية إلى التحكم في التدفق السائل NH₃-N أقل من أو يساوي 1.5 مجم/لتر.

2.3.2 تحسين فترة التهوية

تمت إضافة وحدة "التهوية المتقطعة" إلى نظام SCADA الحالي، مما يشكل أداة DO عبر الإنترنت + حلقة مغلقة مزدوجة زمنية لضمان بقاء DO في منتصف القسم الهوائي عند 0.2 مجم / لتر. إذا افعل<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 تحليل تأثير التعديل التحديثي

تم فحص تأثير هذا التعديل الهندسي على العملية الشاملة من خلال مقارنة التغيرات في ملوثات النفايات السائلة قبل التعديل وبعده.

3.1 مقارنة جودة مياه الصرف الصحي قبل التعديل وبعده

تميل جودة المياه العادمة قبل التعديل التحديثي وبعده إلى أن تكون مستقرة، كما هو مبين فيالشكل 4. قبل وبعد التعديل التحديثي، ظل متوسط ​​COD للنفايات السائلة أقل من 30 مجم / لتر، وظل TP بشكل أساسي أقل من أو يساوي 0.3 مجم / لتر، NH₃-N أقل من أو يساوي 1.5 مجم / لتر، بينما تقلب TN حول 10 مجم / لتر. وصلت جودة المياه بشكل عام إلى ما يقارب-معايير المياه السطحية من الدرجة الرابعة، وهي أعلى بكثير من معايير التصريف المطلوبة للمحطة.

لتحليل التأثير المحتمل للتعديل التحديثي على جودة المياه بشكل أكثر سهولة، تمت مقارنة اتجاهات جودة المياه السائلة لمدة عام-قبل التعديل التحديثي وبعده، مما أدى إلى إنتاجالشكل 5. يمكن أن نرى من الشكل أنه، دون النظر في تأثير تغيرات التركيز المؤثر، كانت التقلبات في تركيزات النفايات السائلة COD وTP بعد التعديل التحديثي أكثر استقرارًا مما كانت عليه قبل التعديل التحديثي. على الرغم من زيادة متوسط ​​قيم مؤشرات النيتروجين مقارنة بما كان عليه قبل التعديل التحديثي، إلا أن الاتجاه العام كان مستقرًا نسبيًا، مما أدى إلى انخفاض إجمالي استهلاك الطاقة النباتية وتوفير المواد الكيميائية.

3.2 مقارنة إزالة الملوثات قبل التعديل التحديثي وبعده

ونتيجة للتحسن في نظام التهوية، انخفض استهلاك الكهرباء الإجمالي للمحطة بنسبة 1.7% مقارنة بالسابق، في حين زادت قدرة المعالجة بنسبة 8.33%، كما زاد انخفاض الملوثات المقابلة، كما هو موضح فيالشكل 6. بعد الحساب، زاد تخفيض COD بمقدار 948.5 طن، وزاد TP بمقدار 7.0 طن، وزاد NH₃-N بمقدار 100.4 طن، وزاد TN بمقدار 125.9 طن.

كما تغيرت عملية إزالة الملوثات الفعلية وفقًا لذلك، كما هو موضح فيالجدول 2. بعد التعديل التحديثي، باستثناء الانخفاض في معدل إزالة NH₃-N، زادت معدلات الإزالة لجميع المؤشرات الأخرى.

3.3 مقارنة استهلاك الطاقة قبل التحديث وبعده

يظهر استهلاك الطاقة لهذا المشروع التحديثي فيالجدول 3. بعد التعديل التحديثي، انخفض استهلاك الطاقة لكل طن من المياه لنظام تهوية الخزان البيولوجي للمرحلة الأولى بنسبة 67.3%، وانخفض للمرحلة الثانية بنسبة 80.9%. انخفض متوسط ​​استهلاك المحطة الإجمالي للطاقة لكل طن من المياه بنسبة 55.3%، مما يدل على تأثير كبير في توفير الطاقة-. انخفض إجمالي استهلاك طاقة المحطة لكل طن من الماء إلى 0.21 كيلووات · ساعة/م3، ضمن نطاق قيم استهلاك الطاقة لعمليات خندق الأكسدة المماثلة على مستوى الدولة (0.292 ± 0.192) كيلووات · ساعة / م 3. يظهر في الشكل استهلاك الطاقة لكل وحدة وزن من الملوثات قبل وبعد التعديل التحديثي للمحطة بشكل عامالجدول 4. بعد التعديل التحديثي لنظام تهوية المصنع بشكل عام، انخفض استهلاك الطاقة لكل 1 كجم من المعالجة COD بنسبة 26.2%، وانخفض لكل 1 كجم من المعالجة TP بنسبة 15.7%، وانخفض لكل 1 كجم من NH₃-N المعالجة بنسبة 29.3%، وانخفض لكل 1 كجم من المعالجة TN بنسبة 36.1%، مما يظهر تأثيرات جيدة في توفير الطاقة.

3.4 المقارنة الكيميائية قبل التعديل التحديثي وبعده

قبل التعديل التحديثي، بسبب فشل نظام التهوية المتكرر، كان من الصعب التحكم في أكسيد الأوكسجين في النظام البيولوجي، وتتطلب تلبية معايير مؤشر النيتروجين إضافة مصدر كربون خارجي لضمان فعالية الإزالة. بعد التعديل التحديثي، لم تعد هناك حاجة إلى إضافة مصدر الكربون الخارجي. بعد التعديل التحديثي، تحسنت كفاءة إزالة الفسفور البيولوجي ونزع النتروجين بشكل كبير، وتم تقليل مادة PAC الكيميائية المصاحبة لإزالة الفسفور والمادة الكيميائية PAM لنزح المياه من الحمأة. انخفضت تكاليف المواد الكيميائية السنوية بنحو 167000 يوان مقارنة بما كانت عليه من قبل. تظهر التغييرات المحددة فيالجدول 5.

3.5 مقارنة الاستثمار قبل التحديث وبعده

قبل التعديل التحديثي، كانت التكلفة السنوية لأجهزة التهوية السطحية تبلغ 1.6281 مليون يوان صيني، مع تكاليف إصلاح المعدات السنوية لا تقل عن 250.000 يوان صيني. بعد التعديل التحديثي، بلغت التكلفة السنوية للمنافيخ والخلاطات 714,600 يوان صيني. بناءً على هذا الحساب، بلغ التوفير السنوي في تكاليف الكهرباء 913,500 يوان صيني، بالإضافة إلى وفورات سنوية في تكاليف الإصلاح قدرها 250,000 يوان صيني، بإجمالي وفورات سنوية قدرها 1.1635 مليون يوان صيني. على أساس إجمالي الاستثمار البالغ 3.704 مليون يوان صيني، فإن فترة الاسترداد هي 3.18 سنة.

3.6 استقرار العملية

قبل التعديل التحديثي، خلال فترات الخلل، تم الحفاظ على الأكسجين المذاب في الخزان البيولوجي في الغالب أقل من 1.0 ملجم / لتر. بعد التعديل التحديثي، بلغ متوسط ​​الأكسجين المذاب في الخزان البيولوجي 1.5-2.0 ملغم/لتر. اعتمادًا على تركيز السائل ومتطلبات العملية، يمكن أن يتراوح نطاق ضبط الأكسجين المذاب من 1.0 إلى 2.5 ملجم/لتر. عندما يكون تركيز المتدفق مرتفعًا، يمكن أيضًا الحفاظ على مستويات الأكسجين المذاب الطبيعية في الخزان البيولوجي عن طريق ضبط خرج المنفاخ. لذلك، بعد التعديل التحديثي، يتم استيفاء شروط الامتثال المستقرة للنفايات السائلة.

4 الاستنتاج

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 كيلووات · ساعة، قم بالتشغيل بشكل متكرر<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%، يمكنهم تكرار هذا التجديد التقني. استنادًا إلى توفير الكهرباء بنسبة 55.3%، وفترة استرداد مدتها 3.18-سنة، والفوائد الهامشية المتمثلة في زيادة تتراوح بين 3% و5% في معدلات تقليل الملوثات من هذا المثال، يتمتع استثمار التجديد بهامش أمان مرتفع ويمكنه إطلاق إمكانات تقليل الكربون على الفور، مما يوفر ظروف قابلة للتكرار وكافية للترقية الخضراء ومنخفضة الكربون لخنادق الأكسدة القديمة.