Aplicação de tecnologia online de limpeza química para aeradores de bolhas finas em estações de tratamento de águas residuais
Os aeradores de bolhas finas são amplamente utilizados como equipamentos de aeração em estações de tratamento de águas residuais devido à sua estrutura simples, alta eficiência de utilização de oxigênio, desempenho confiável, poros resistentes ao entupimento-, prevenção de refluxo de águas residuais, distribuição uniforme de tensão circunferencial, longa vida útil, fácil instalação e manutenção e baixo custo do sistema. Como um componente-chave para o fornecimento de oxigênio no tratamento de águas residuais, os sistemas de aeração de bolhas finas são propensos a entupimentos por incrustações e biofilme durante a operação-de longo prazo, representando desafios significativos para manter seu desempenho. A tecnologia de limpeza química online oferece uma solução eficaz para esse problema.
1. Formação e riscos de entupimento do aerador com bolhas finas
Após operação prolongada, os aeradores de bolhas finas são suscetíveis a entupimentos, normalmente classificados como "entupimento interno" e "entupimento externo" com base na forma de bloqueio do poluente. "Obstrução interna" refere-se à deposição de partículas finas, tais como partículas coloidais e macromoléculas de soluto do licor misto dentro dos poros, levando ao bloqueio dos poros. "entupimento externo" refere-se à deposição de substâncias incrustantes na superfície da membrana voltada para o lado da água. Este tipo de bloqueio tende a aumentar continuamente a resistência à descarga de ar da membrana, levando ao aumento da pressão na membrana e a um aumento gradual do tamanho dos poros. Com o tempo, isso pode facilmente causar ruptura da membrana. Uma vez que a membrana se rompe, o impacto se estende desde a destruição da eficiência da aeração até danos estruturais do sistema, necessitando potencialmente de desligamento para manutenção ou substituição do aerador.
Problemas de entupimento em aeradores de bolhas finas trazem riscos operacionais aumentados:
- Do ponto de vista do custo do consumo de eletricidade: à medida que os aeradores ficam entupidos, a pressão da tubulação aumenta, forçando os sopradores a operar sob condições de alta-carga e alto-consumo de energia-. Isto aumenta o consumo de energia e também afeta a vida útil do soprador.
- Do ponto de vista do risco ambiental: A aeração irregular reduz as taxas de transferência de oxigênio, limita a flexibilidade do controle do processo e pode afetar gravemente a qualidade do efluente em casos graves.
- De uma perspectiva de custo econômico: O custo da limpeza manual após o esvaziamento dos tanques é alto.
- Do ponto de vista da segurança: A limpeza manual após o esvaziamento requer a entrada em tanques para remoção de lodo, envolvendo entrada em espaços confinados e trabalho elétrico temporário, aumentando assim os riscos de riscos elétricos e de segurança pessoal.Figura 1mostra o fenômeno de acúmulo de lodo causado pelo entupimento do aerador.
Portanto, a manutenção e limpeza regular dos aeradores de bolhas finas é crucial para garantir o seu desempenho operacional. Os métodos tradicionais de manutenção e limpeza de aeradores exigem o esvaziamento completo dos tanques de reação biológica. A manutenção-e a limpeza em grande escala de instalações de tratamento de águas residuais podem afetar o tratamento e a descarga normais de águas residuais ou exigir a aprovação dos departamentos governamentais relevantes se forem realizadas em locais específicos (como áreas cobertas por redes de drenagem urbana ou zonas de proteção de fontes de água potável). Este processo envolve múltiplas operações perigosas (por exemplo, entrada em espaços confinados) com numerosos riscos e desvantagens, impondo encargos económicos significativos e custos potenciais (por exemplo, coordenação com relações governamentais, capacidade de tratamento reduzida durante a manutenção, ajuste da qualidade da água, riscos de segurança) nas estações de tratamento de águas residuais. A pressão e os desafios colocados pelo esvaziamento para manutenção tornam relativamente fraca a viabilidade do esvaziamento regular para limpeza do arejador.
Dadas as inúmeras desvantagens da limpeza manual tradicional após o esvaziamento,-o alto custo, o alto risco operacional e a eficácia de limpeza abaixo do ideal-a pesquisa sobre limpeza on-line de aeradores de bolhas finas usando dispositivos de dosagem de produtos químicos on-line sob condições normais de aeração é particularmente importante.
Este estudo selecionou um projeto de planta como local de teste de campo para a tecnologia de limpeza química online. A estação tem capacidade total de tratamento de águas residuais de 600 mil toneladas por dia, construída em quatro fases. A terceira-fase do projeto tem capacidade de tratamento de 100 mil toneladas por dia, utilizando um processo AAO; a quarta-fase do projeto tem capacidade de tratamento de 200 mil toneladas por dia, utilizando um processo MBR. A qualidade do efluente atende ao padrão Grau A da GB 18918-2002 "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais". A limpeza online foi realizada em aeradores de bolhas finas nos tanques aeróbios da terceira e quarta fases, que estavam em operação há 6 a 7 anos.
2. Princípio da tecnologia de limpeza química online
A tecnologia de limpeza química online envolve a adição de agentes químicos específicos ao sistema de aeração para dissolver ou dispersar substâncias obstrutivas por meio de ação química. Esses agentes podem ser ácidos, alcalinos, oxidantes ou quelantes. Por exemplo, alguns agentes ácidos podem dissolver precipitados alcalinos como o carbonato de cálcio, enquanto os agentes oxidantes podem decompor bloqueios orgânicos produzidos por microrganismos.
2.1 Análise de Poluentes Comuns
Os poluentes que aderem às superfícies dos arejadores são diversos e a sua composição está intimamente relacionada com as características das águas residuais, processos de tratamento e condições operacionais. Os poluentes comuns são analisados da seguinte forma:
- Poluentes Inorgânicos: Inclui compostos de cálcio e magnésio, sulfetos, óxidos metálicos e hidróxidos, originados principalmente de precipitação química e supersaturação iônica. Seus principais impactos nos aeradores incluem obstrução dos poros, redução da eficiência da aeração, aumento do consumo de energia do sistema, aumento da resistência à aeração e diminuição da eficiência da transferência de oxigênio.
- Poluentes Orgânicos: Inclui biofilme microbiano, partículas orgânicas suspensas, gorduras/óleos e colóides orgânicos. O biofilme microbiano se forma principalmente devido à colonização microbiana e à adesão da substância polimérica extracelular (EPS). Seus perigos incluem a criação de microambientes anaeróbicos e a liberação de gases tóxicos (por exemplo, H₂S). Colóides orgânicos se formam devido a interações hidrofóbicas e adsorção eletrostática, criando camadas hidrofóbicas que dificultam a liberação de gases e afetam a uniformidade da aeração.
- Poluentes compostos (escala mista-orgânica inorgânica): Inclui incrustações biológicas-misturadas químicas e fixação de partículas de lodo, formadas principalmente por meio de aprisionamento físico e ligação química. Seus efeitos incluem cobrir a superfície do aerador, reduzir a área de aeração efetiva, acelerar o envelhecimento do equipamento e encurtar os ciclos de manutenção.
Por meio de inspeções de manutenção do sistema de aeração da planta, foram identificados os seguintes problemas: ① A operação subaquática prolongada dos aeradores, juntamente com o aumento da vida útil, levou ao envelhecimento significativo dos anéis de vedação em O nos pontos de conexão, resultando em vazamento de gás; ② Durante a operação, a deposição contínua de lodo e os ajustes no controle do processo de produção resultaram em maiores concentrações de lodo em certas áreas, causando indiretamente incrustações severas nas superfícies da membrana do arejador, conforme mostrado emFigura 2; ③ Quando a concentração de lodo nos tanques de reação biológica é muito alta, a idade do lodo se estende, aumentando o oxigênio dissolvido necessário para a atividade microbiana normal e aumentando a demanda no sistema de fornecimento de oxigênio; ④ O aumento da densidade do licor misturado em tanques de aeração aumenta a resistência, levando a maior consumo de energia para aeração mecânica ou com soprador; ⑤ Algumas incrustações penetraram nos poros de aeração, afetando a aeração do sistema, conforme mostrado emFigura 3. Com base nas causas da formação de poluentes, foi determinado que a incrustação nas superfícies do arejador continha poluentes inorgânicos, matéria orgânica, proteínas, etc.
2.2 Seleção de Agentes de Limpeza
Para os tipos de poluição da membrana, é necessário selecionar agentes de limpeza químicos adequados. Estes agentes podem penetrar através dos poros de arejamento na parede do tubo até ao espaço entre a membrana e a parede do tubo, conseguindo a limpeza da superfície da membrana e dos seus poros. A seleção do tipo de agente de limpeza deve ser baseada nas propriedades físico-químicas reais da membrana, nos tipos de poluentes e no grau de incrustação. O agente de limpeza deve ser biodegradável e não{3}}tóxico para os organismos, capaz de remover eficazmente incrustações inorgânicas das paredes do tubo de ar e do interior dos difusores. Ele deve ter boa eficácia de limpeza contra bloqueios (também conhecidos como "entupimento-da fase gasosa") causados por contaminantes, partículas ou poeira no ar de entrada dos sistemas de aeração do soprador, vazamentos de óleo dos sopradores e ferrugem da tubulação de ar interna.
Os agentes de limpeza alcalinos incluem hidróxido de sódio, carbonato de sódio, fosfato de sódio, silicato de sódio, hidróxido de potássio, etc. O hidróxido de sódio é um agente químico comum em processos de tratamento de águas residuais para aumentar o pH das águas residuais, por isso pode ser selecionado como agente de limpeza alcalino.
Os agentes de limpeza ácidos incluem ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido cítrico, ácido oxálico, ácido fosfórico, etc. Dado que o citrato tem forte capacidade quelante para íons como manganês e ferro e, na prática, comparado aos ácidos minerais, o ácido cítrico é relativamente fraco, menos corrosivo para o equipamento, mais seguro e facilmente biodegradável por microorganismos, o ácido cítrico foi selecionado como agente de limpeza ácido.
Tabela 1mostra as categorias e o desempenho dos agentes de limpeza comumente usados para incrustações de membranas.
2.3 Projeto do Dispositivo de Limpeza Online
Dada a pressão na operação de sistemas de aeração de bolhas finas e os numerosos tubos ramificados, é particularmente importante projetar um dispositivo de dosagem on-line adequado para aeradores de bolhas finas. O dispositivo de limpeza dosador projetado neste estudo inclui uma unidade de dissolução/diluição e uma unidade de dosagem, conforme mostrado emFigura 4.
A unidade de dissolução/diluição consiste principalmente em um tanque de preparação, agitador e medidor de nível, utilizado para dissolver e diluir os agentes. Ao injetar uma certa quantidade de água no tanque de preparação, adicionar o agente e iniciar o agitador, um agente de concentração específica pode ser preparado para uso pela unidade de dosagem.
A unidade de dosagem consiste principalmente em um tanque de dosagem, válvula de exaustão, válvula de dosagem, válvula de equilíbrio, válvula de alimentação e alguns sistemas de tubulação. A parte inferior do tanque de dosagem é conectada a um tubo de dosagem, que se ramifica em vários sub-tubos de dosagem. Todos os sub-tubos de dosagem são conectados-um a-um com vários tubos ramificados de aeração, que por sua vez são conectados a vários aeradores de bolhas finas, atingindo assim o objetivo de limpar os aeradores de bolhas finas.
Durante a implementação, foi feito um furo de Φ15 mm em cada tubo de aeração dos tanques de reação biológica como porta de dosagem, através do qual foi instalado um tubo dosador de náilon para entregar o agente aos aeradores de bolhas finas, reduzindo a perda de agente. Simultaneamente, um furo adicional foi perfurado no tubo de aeração como um tubo de gás de equilíbrio para equalizar a pressão entre o tanque de dosagem e o tubo de aeração. Os furos feitos nos tubos de aeração são vedados com tampões durante a operação normal, e acessórios de terminal de conexão-rápida são instalados durante a dosagem para permitir instalação e remoção rápidas.
3. Aplicação do Dispositivo de Limpeza Dosadora Online
Neste experimento de limpeza por dosagem online, os aeradores de bolhas finas foram colocados nos tanques biológicos. Uma solução de limpeza específica foi injetada nas membranas do arejador de bolhas finas através dos tubos ramificados de aeração, permitindo que ela fluísse em direção ao lado de alimentação para decompor a matéria orgânica aderida à superfície da membrana, restaurando assim a diferença de pressão transmembrana e alcançando o efeito de limpeza. O desenho experimental foi baseado em três variáveis: tipo de agente, concentração do agente e tempo de limpeza. O esquema de teste é mostrado emTabela 2.
3.1 Análise do efeito de limpeza da dosagem on-line
Após a limpeza, a observação sensorial da superfície de aeração no local mostrou tamanhos menores de bolhas escapando da superfície do tanque de aeração e uma aeração mais uniforme.Figura 5mostra a aparência sensorial da aeração antes e depois da limpeza.
Após a limpeza com diferentes tipos e concentrações de agentes, os aeradores apresentaram consistentemente aumento da vazão e diminuição da pressão da tubulação, com vazões restauradas. A eficiência da aeração foi restaurada em graus variados após o tratamento com diferentes métodos de limpeza. Dados combinados sobre o aumento do fluxo de ar e a diminuição da pressão da tubulação indicam que diferentes tipos de agentes, concentrações e tempos de limpeza têm efeitos variados na restauração do aerador.Figuras 6 e 7mostram as mudanças na taxa de fluxo e pressão antes e depois da limpeza, respectivamente.
A eficiência de restauração dos aeradores após a limpeza com hidróxido de sódio foi ligeiramente menor do que após a limpeza com ácido cítrico. A alta solubilidade do hidróxido de sódio em água leva a uma liberação significativa de calor após a dissolução. Juntamente com sua forte higroscopicidade, alcalinidade e corrosividade, essas propriedades exigem precauções extras nas operações práticas. Do ponto de vista da segurança da operação de limpeza, o hidróxido de sódio não é o agente de limpeza preferido. Portanto, ao selecionar agentes de limpeza, sua segurança e conveniência operacional devem ser cuidadosamente avaliadas para garantir a segurança do operador e a eficácia ideal da limpeza.
Os resultados dos testes mostraram que após a limpeza de dosagem on-line, a aeração nos tanques biológicos tornou-se mais uniforme, a vazão dos aeradores de bolhas finas aumentou, a pressão da tubulação diminuiu significativamente e o efeito de limpeza foi notável.
3.2 Vantagens Técnicas
- Reduz o tempo de inatividade: Em comparação com a limpeza por desmontagem tradicional, a limpeza por dosagem online não requer a parada do sistema de aeração, evitando interrupções no processo de tratamento de efluentes e redução da eficiência do tratamento causada por paradas.
- Melhora a eficiência da limpeza: os agentes podem penetrar profundamente nos poros, limpando com eficiência áreas obstruídas-difíceis de-alcançar. Após a aplicação em algumas estações de tratamento de águas residuais domésticas, a uniformidade da aeração melhorou visivelmente e a eficiência da transferência de oxigênio aumentou significativamente.
- Reduz a intensidade e os custos do trabalho: Elimina a necessidade de desmontagem e remontagem manual de aeradores, reduzindo o trabalho manual e o risco de danos ao equipamento devido a desmontagens frequentes, economizando assim custos de manutenção. O custo da limpeza química online para aeradores de bolhas finas é de 0,47 RMB/ton, enquanto o custo da limpeza manual tradicional para aeradores antigos é de 13,3 RMB/ton. Estima-se que a economia anual nos custos de limpeza do aerador de bolhas finas chegue a 515.000 RMB. Em comparação com a limpeza manual tradicional de arejadores antigos, a limpeza química online oferece vantagens económicas significativas.
- Prolonga a vida útil do equipamento de aeração: Através da limpeza química online, o efeito de aeração dos aeradores de bolhas finas é efetivamente melhorado, melhorando o desempenho do aerador e, até certo ponto, prolongando a vida útil do equipamento de aeração, reduzindo efetivamente a carga do soprador.
- Fornece mais opções para programação de produção e planos de manutenção: Através da limpeza química online, a distribuição das bolhas torna-se mais uniforme, a pressão do tubo de ar é efetivamente reduzida, a taxa de fluxo aumenta significativamente, melhorando significativamente as taxas de transferência de oxigênio e fornecendo uma garantia sólida para a regulação da qualidade da água.
4. Conclusão
A tecnologia online de limpeza química para aeradores de bolhas finas possui um valor de aplicação significativo em estações de tratamento de águas residuais. Através da sua aplicação racional, os problemas de entupimento em aeradores de bolhas finas podem ser efetivamente resolvidos, o desempenho do sistema de aeração pode ser melhorado, o tempo de inatividade e os custos operacionais são reduzidos e a operação estável e eficiente das estações de tratamento de águas residuais é garantida. As limitações da limpeza manual tradicional conduzirão a indústria à limpeza online. O surgimento de novos equipamentos e sistemas de controle inteligentes reduz significativamente a dificuldade operacional da limpeza online. Juntamente com regulamentos políticos e ambientais que enfatizam a neutralidade de carbono e a reciclagem de recursos hídricos, o que promoverá indiretamente a aplicação de tecnologia de limpeza online. No futuro, as formulações de agentes poderão ser otimizadas e tecnologias de limpeza sinérgica multi-agentes poderão ser pesquisadas. Além disso, estratégias de controle de dosagem e pesquisas sobre inteligência de equipamentos podem ser adotadas para melhor adaptação às necessidades das diferentes estações de tratamento de águas residuais.