Estudo de retrofit e desempenho de sistema de aeração de bolhas-finas em uma estação de tratamento de águas residuais municipal

Estudo de retrofit e desempenho de sistema de aeração de bolhas-finas em uma estação de tratamento de águas residuais municipal

Introdução

Atualmente, os principais processos de tratamento de águas residuais utilizados na China incluem vala de oxidação, SBR, lodo ativado e outros. O processo de vala de oxidação apresenta o problema do alto consumo de energia, principalmente na seção biológica, que responde por 65% a 80% do consumo total de energia. Equipamentos de aeração comuns usados ​​em processos de valas de oxidação incluem escovas de aeração, discos de aeração, aeradores de eixo vertical e aeradores de bolhas-finas. Por exemplo, depois que uma estação de tratamento de águas residuais municipal em uma determinada cidade mudou da aeração mecânica de superfície tradicional para a aeração de bolhas-finas de fundo, o consumo de energia diminuiu 20,11%, enquanto a qualidade da água de tratamento se tornou mais estável. Além disso, a aeração-de bolhas finas tem a característica de fornecimento de oxigênio zoneado, que pode fornecer fornecimento preciso de oxigênio de acordo com a demanda de oxigênio em diferentes áreas da vala de oxidação, melhorando ainda mais a eficiência de remoção de nitrogênio e fósforo.

O sistema de arejamento superficial de uma determinada estação de tratamento de águas residuais municipal estava em funcionamento há mais de dez anos, com sérios problemas de envelhecimento dos equipamentos e dificuldades operacionais. Foi difícil cumprir as mais recentes normas de quitação, tornando urgente a renovação técnica. Este projeto atualizou o sistema para um sistema de aeração de bolhas-finas, que pode reduzir significativamente o consumo de energia, otimizar a operação, prolongar a vida útil do equipamento e reduzir os custos de manutenção, alinhando-se às políticas nacionais de conservação de energia e redução de emissões. Este projeto de renovação implementou práticas de construção ecológica durante a desmontagem e instalação de equipamentos: reciclagem classificada de equipamentos antigos, adoção de instalações pré-fabricadas e uso de máquinas de baixo-ruído e baixa{5}}emissão, alcançando economias de energia bidimensionais-de "processo-de construção" e apoiando o desenvolvimento sustentável da estação de tratamento de águas residuais.

1 Visão Geral do Projeto

1.1 Situação Atual

Uma estação de tratamento de esgoto municipal de uma determinada cidade tem capacidade total de 50.000 toneladas/dia, construída em três fases. A Fase I adotou o processo de vala de oxidação, a Fase II e o projeto de tratamento avançado também adotaram o processo de vala de oxidação, com posterior tratamento avançado utilizando sedimentação por coagulação + filtração em tecido + processo de desinfecção ultravioleta. A Fase III adotou o processo A²O modificado. Atualmente o efluente atende à norma DB32/1072-2018.

1.2 Problemas Existentes

1.2.1 Impacto na Rede de Tubulação Externa

As águas residuais abrangidas pelo âmbito de recolha da rede de tubagens desta central incluem contribuições de muitas empresas industriais. Durante a operação diária, pode haver impactos de águas residuais anormais de empreendimentos industriais, fazendo com que o valor de OD no tanque biológico fique muito baixo, chegando até a 0 mg/L, não atendendo aos requisitos de produção. Entretanto, devido a mudanças nas condições externas, à medida que mais empresas industriais dentro da área de serviço descarregam águas residuais na rede de tubulações, esta planta enfrentará uma qualidade de água influente mais severa no futuro. Uma vez que o afluente flutua, o oxigênio dissolvido no tanque biológico diminuirá significativamente e a faixa de ajuste do volume de aeração dos discos rotativos será limitada. Em alguns períodos, o OD no tanque aeróbio chega a 0 mg/L, forçando a planta a reduzir a capacidade de tratamento em resposta, impactando significativamente o ambiente aeróbio do tanque biológico e a capacidade de tratamento.

1.2.2 Baixo OD no Tanque de Aeração

Devido ao mau funcionamento do disco rotativo que causa baixa eficiência de oxigenação dos aeradores, durante a operação de produção real, os dados operacionais históricos mostram que os valores médios de OD dos instrumentos no meio e na saída do tanque de aeração não excedem 1 mg/L, com o menor atingindo 0 mg/L, afetando gravemente a eficácia da reação bioquímica.

1.2.3 Alto Consumo de Energia

Os tanques biológicos de Fase I e II desta planta estão em forma de vala de oxidação. A vala de oxidação da Fase I utiliza 8 aeradores de disco rotativo com potência de 18,5 kW, com potência total do aerador de superfície de 148 kW. A vala de oxidação da Fase II é do tipo carrossel de quatro canais-, usando 13 aeradores autoescorvantes Hitachi, incluindo 2 conjuntos de 11 kW, 2 conjuntos de 18,5 kW e 9 conjuntos de 15 kW, com potência total do aerador de superfície de 194 kW. Em operação normal, para garantir volume de água suficiente, devido à baixa eficiência de oxigenação do equipamento de fornecimento de oxigênio existente, todos os arejadores devem estar totalmente ligados.

O consumo de energia por tonelada de água para aeradores de Fase I e II é: (18,5 kW*7+194)*24*0,75/25,000=0.2392 RMB/ton. Com base em uma pesquisa sobre o consumo de energia do sistema biológico em diversas estações de tratamento de águas residuais domésticas municipais vizinhas, o consumo de energia para uma estação municipal de águas residuais domésticas de 25.000 toneladas/dia usando um sistema de aeração de bolhas-de fundo fino é geralmente de 0,09 a 0,1 RMB/ton. O consumo de energia do aerador de disco rotativo é 2,4–2,7 vezes maior que o do sistema de aeração de bolhas finas-de fundo, indicando um consumo de energia relativamente alto.

1.2.4 Alta Taxa de Falhas de Equipamentos

À medida que os aeradores de disco rotativo envelhecem, as taxas de falhas do equipamento aumentam gradualmente. Após 11 anos de operação nesta planta, o sistema de aeração de disco rotativo desenvolveu deformação do disco, causando alta carga no equipamento e vibração significativa. O uso-de longo prazo levou ao afrouxamento da parte inferior, resultando em desalinhamento em ambas as extremidades e outros problemas, causando maior desgaste do rolamento e altas taxas de falhas. Eixos principais, impulsores, acoplamentos e engrenagens de base passaram por diversos reparos ou substituições, chegando essencialmente ao ponto de substituição. Os rolamentos e as lâminas da cabeça do aerador dos aeradores-autoescorvantes estavam muito desgastados. Estatísticas recentes mostram que a fábrica passou por quase 30 reparos anualmente em aeradores de disco rotativo e aeradores-autoescorvantes.

2 Projeto de Solução Técnica de Retrofit

A abordagem geral de modernização é: remover os aeradores de disco rotativo originais e substituí-los por aeração de bolhas-finas inferiores, com adição correspondente de sopradores; elevar o açude de efluentes do tanque biológico para aumentar a profundidade efetiva da água do tanque biológico; adicione misturadores na seção aeróbica usando a estrutura original do canal para evitar o acúmulo localizado de lodo.

2.1 Seleção e Layout do Aerador

2.1.1 Parâmetros do disco aerador

O disco aerador de membrana EPDM modelo DD330 foi selecionado, conforme mostrado emFigura 1, com parâmetros específicos mostrados emTabela 1.

2.1.2 Layout do disco aerador

Número de discos arejadores: Área líquida inferior do tanque Fase I 864 m², área líquida inferior do tanque Fase II 1.412 m², área de serviço média 0,8 m²/disco, com fator de segurança de 1,05–1,10. O número total final de discos arejadores foi determinado: Fase I 1.150 discos, Fase II 1.900 discos.

Princípio de layout: Distribuído uniformemente em um padrão de grade triangular regular. Distância da parede do tanque Maior ou igual a 0,3 m para evitar zonas mortas; folga da parede divisória do canal Maior ou igual a 0,4 m para facilitar a manutenção. Divisória ao longo da direção do fluxo de água, com uma válvula elétrica de controle de ar por zona para obter controle zonal de OD. Evite portas de sucção de bombas de lodo, calhas de amostragem e bandejas de cabos, ajustando localmente o espaçamento para 1,5 m, mantendo a área de serviço por disco menor ou igual a 0,8 m².

Altura de instalação e classificação da tubulação: A superfície superior do disco de membrana fica a 0,25 m do fundo do tanque, garantindo submersão maior ou igual a 5,0 m no nível mínimo da água para evitar oscilações do ventilador. Os ramais utilizam ABS DN50 com distribuição de ar perfurada; os tubos principais são dispostos em loop, com velocidade do ar controlada em 10–12 m·s⁻¹, material SS304. Um par de acessórios de conexão rápida-de flange é fornecido para cada 10 discos, permitindo a elevação geral para manutenção sem drenar o tanque.

2.2 Otimização do Sistema de Ventiladores

2.2.1 Adicionando Sopradores

Sopradores de suspensão a ar importados foram adquiridos como unidades principais, e uma nova sala de sopradores foi construída com dutos de ar de aço inoxidável adicionados.

2.2.2 Seleção do soprador

Com base nas condições reais de operação da planta e considerando futuras mudanças na qualidade da água, a concentração influente de DQO no plano de retrofit não é significativamente diferente do valor de projeto, com uma concentração média de cerca de 320 mg/L. A concentração de DBO foi calculada com base no valor do projeto da Fase III de 150 mg/L, e outros indicadores influentes foram calculados com base nas concentrações do afluente do projeto da Fase III. O volume de ar operacional necessário para as Fases I e II da planta é de 103,7 m³/min (6.225,1 m³/h, duas unidades de serviço e uma de reserva, volume de ar de unidade única de 50 m³/min).

Considerando de forma abrangente vários fatores, dois sopradores de suspensão a ar importados NX75-C060 foram adquiridos como unidades principais para as Fases I e II. Foi necessária a construção de uma nova sala de ventilação, provisoriamente localizada no lado sul da oficina original de desidratação de lamas, com condutas de ar em aço inoxidável adicionadas à vala de oxidação. Parâmetros do soprador: pressão de ar 0,049 MPa, volume de ar 50 m³/min, com potência máxima de saída de 64,3 kW nestas condições de operação.

2.2.3 Retrofit do Sistema de Aeração

O método de aeração foi alterado para aeração inferior. Os tanques biológicos de Fase I e II usam números correspondentes de aeradores de disco e tubos de aeração UPVC. Abordagem específica de retrofit: Espera-se que o tanque biológico de Fase I use 780 conjuntos de aeradores de disco DD330 e tubos de aeração UPVC, o tanque biológico de Fase II deverá usar 1.276 conjuntos de aeradores de disco DD330 e tubos de aeração UPVC, com volume de ar operacional de aerador único de 3,45 m³/h. O layout da cabeça do arejador é mostrado emFiguras 2 e 3.

2.3 Otimização de Parâmetros de Processo

2.3.1 Zoneamento de Valas de Oxidação e Estratégia de Controle de OD

Ao longo da direção do fluxo de água da vala de oxidação, a seção de aeração é dividida em quatro zonas. Zona 1: OD 0,3–0,5 mg/L, Zona 2: OD 0,2–0,3 mg/L, Zona 3: OD 1,5–2,0 mg/L, Zona 4: OD 1,0–1,5 mg/L. Um instrumento de processo de nitrogênio amoniacal é instalado no ponto de maior taxa de reação de nitrificação entre a Zona 2 e a Zona 3, controlando em última análise o efluente NH₃-N menor ou igual a 1,5 mg/L.

2.3.2 Otimização do Período de Aeração

Um módulo de "aeração intermitente" foi adicionado ao sistema SCADA existente, formando um instrumento on-line de OD + ciclo fechado duplo de tempo para garantir que o OD no meio da seção aeróbica permaneça em 0,2 mg/L. Se FAZER<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 Análise do efeito de retrofit

O impacto desta modernização de engenharia na operação geral do processo foi examinado comparando as mudanças nos poluentes do efluente antes e depois da modernização.

3.1 Comparação da qualidade da água do efluente antes e depois do retrofit

A qualidade da água efluente antes e depois do retrofit tendeu a ser estável, como mostrado naFigura 4. Antes e depois do retrofit, a DQO média do efluente permaneceu abaixo de 30 mg/L, o TP permaneceu basicamente menor ou igual a 0,3 mg/L, NH₃-N menor ou igual a 1,5 mg/L, enquanto o TN oscilou em torno de 10 mg/L. A qualidade geral da água atingiu padrões de águas superficiais quase{7}classe IV, excedendo em muito os padrões de descarga exigidos para a planta.

Para analisar de forma mais intuitiva o possível impacto da modernização na qualidade da água, foram comparadas as tendências de qualidade da água dos efluentes de um-ano antes e depois da modernização, resultando emFigura 5. Pode-se observar na figura que, sem considerar o impacto das mudanças na concentração do afluente, as flutuações nas concentrações de DQO e efluentes de TP após o retrofit foram mais estáveis ​​do que antes do retrofit. Embora os valores médios dos indicadores de nitrogênio tenham aumentado em comparação com antes da modernização, a tendência geral foi relativamente estável, resultando em menor consumo geral de energia da planta e economia de produtos químicos.

3.2 Comparação da remoção de poluentes antes e depois do retrofit

Devido à melhoria no sistema de aeração, o consumo geral de eletricidade da planta diminuiu 1,7% em comparação com antes, enquanto a capacidade de tratamento aumentou 8,33%, e a correspondente redução de poluentes também aumentou, conforme mostrado emFigura 6. Após cálculo, a redução de DQO aumentou em 948,5 toneladas, o TP aumentou em 7,0 toneladas, o NH₃-N aumentou em 100,4 toneladas e o TN aumentou em 125,9 toneladas.

A remoção real de poluentes também mudou em conformidade, como mostrado naTabela 2. Após o retrofit, exceto por uma diminuição na taxa de remoção de NH₃-N, as taxas de remoção para todos os outros indicadores aumentaram.

3.3 Comparação do consumo de energia antes e depois do retrofit

O consumo de energia deste projeto de retrofit é mostrado emTabela 3. Após o retrofit, o consumo de energia por tonelada de água para o sistema de aeração do tanque biológico da Fase I diminuiu 67,3% e para a Fase II diminuiu 80,9%. O consumo médio geral de energia da planta por tonelada de água diminuiu 55,3%, demonstrando efeitos significativos-de economia de energia. O consumo global de energia da planta por tonelada de água diminuiu para 0,21 kW·h/m³, dentro da faixa de valores de consumo de energia para processos de valas de oxidação semelhantes em todo o país (0,292±0,192) kW·h/m³. O consumo de energia por unidade de peso de poluente antes e depois do retrofit para toda a planta é mostrado emTabela 4. Após a modernização do sistema geral de aeração da planta, o consumo de energia por 1 kg de DQO tratado diminuiu 26,2%, por 1 kg de TP tratado diminuiu 15,7%, por 1 kg de NH₃-N tratado diminuiu 29,3% e por 1 kg de TN tratado diminuiu 36,1%, mostrando bons efeitos de economia-de energia.

3.4 Comparação Química Antes e Depois do Retrofit

Antes da modernização, devido a falhas frequentes no sistema de aeração, o OD no sistema biológico era difícil de controlar, e o cumprimento dos padrões de indicadores de nitrogênio exigia a adição de fontes externas de carbono para garantir a eficácia da remoção. Após o retrofit, a adição de fontes externas de carbono basicamente não era mais necessária. Após o retrofit, a eficiência da remoção biológica de fósforo e da desnitrificação melhorou significativamente, e o produto químico de remoção de fósforo PAC e o produto químico de desidratação de lodo PAM foram correspondentemente reduzidos. Os custos anuais dos produtos químicos diminuíram cerca de 167.000 RMB em comparação com antes. Mudanças específicas são mostradas emTabela 5.

3.5 Comparação de investimentos antes e depois do retrofit

Antes da modernização, o custo anual dos aeradores de superfície era de 1,6281 milhões de RMB, com custos anuais de reparação de equipamentos não inferiores a 250.000 RMB. Após o retrofit, o custo anual com sopradores e misturadores foi de 714.600 RMB. Com base neste cálculo, a economia anual nos custos de eletricidade foi de 913.500 RMB, além da economia anual nos custos de reparo de 250.000 RMB, totalizando uma economia anual de 1,1635 milhão de RMB. Com base num investimento total de 3,704 milhões de RMB, o período de retorno é de 3,18 anos.

3.6 Estabilidade do Processo

Antes da modernização, durante períodos de mau funcionamento, o oxigênio dissolvido no tanque biológico era mantido principalmente abaixo de 1,0 mg/L. Após o retrofit, o oxigênio dissolvido no tanque biológico ficou em média entre 1,5 e 2,0 mg/L. Dependendo da concentração do afluente e dos requisitos do processo, a faixa de ajuste de oxigênio dissolvido pode ser de 1,0–2,5 mg/L. Quando a concentração do afluente é alta, os níveis normais de oxigênio dissolvido no tanque biológico também podem ser mantidos ajustando a saída do soprador. Portanto, após o retrofit, as condições estáveis ​​de conformidade do efluente são satisfeitas.

4 Conclusão

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, FAÇA frequentemente<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%, podem replicar esta renovação técnica. Com base na poupança de eletricidade de 55,3%, no período de retorno de 3,18{6}}anos e nos benefícios marginais do aumento de 3% a 5% nas taxas de redução de poluentes deste exemplo, o investimento em renovação tem uma margem de segurança elevada e pode desbloquear imediatamente o potencial de redução de carbono, proporcionando condições replicáveis ​​e suficientes para a modernização verde e de baixo carbono de antigas valas de oxidação.