Tekniske grundprincipper og operationel styring af et lav-blæserbeluftningsbassin
1. Overblik
1.1 Driftsprincip for blæserbeluftningsbassiner
Blæserbeluftning, der almindeligvis anvendes i Kina, omfatter primært diffuserede, spiralformede og mikroporøse beluftningstyper. Et beluftningsbassin omfatter typisk et beluftningssystem, bassinstrukturen og indløbs-/udløbsporte, der fungerer som en nøglestruktur i rensning af aktiveret slamspildevand. Almindelige beluftningsmetoder er mekanisk og blæserbeluftning. Blæserbeluftningssystemer består generelt af specialiserede beluftere og blæsere. Bassinerne er ofte opdelt i flere rum, der hver især er i stand til uafhængigt indflydende foder. Spildevand kommer ind i bassinet og kommer ud i den modsatte ende. Under denne proces leveres luft via kompressorer til diffusorer i bassinbunden og frigives som bobler.
1.2 Relateret forskning om blæserbeluftningsbassiner
Forskning af Cheng Dandan et al. fandt ud af, at i Kinas kommunale spildevandsrensningsanlæg (WWTP'er) forbruger luftblæsere cirka 60 % af den samlede energi. Integrering af beluftningssystemet med intelligent PID lukket-sløjfekontrol for opløst oxygen (DO) og implementering af blæserenergi-besparelsesstrategier kan effektivt adressere højt energiforbrug i WWTP-beluftningssystemer og reducere det med over 30 %.
Liu Xiaoqi et al. anvendte dispergerede flowbeluftere til at øge iltindholdet i spildevandet under behandling og samtidig sænke energiforbruget. Dette opnåede også ensartet vand-luftblanding og -fordeling, hvilket reducerede præcisionskravet til udjævning af beluftningsinstallationen.
Chang Kai et al. forbedret konventionelt beluftningsbassinsystems ydeevne ved at ændre den originale luftopsamlingstilstand. De erstattede traditionelle mikroporøse beluftere med mikroporøse beluftere med høj oxygen-overførselseffektivitet og erstattede enkelt-gennemstrømningsbassiner med lige-gennemstrømning med tre-passage serpentinestrømsbassiner. Inkorporering af præcis beluftningskontrol forbedrede systemet yderligere, og adresserede problemer med højt energiforbrug, lav effektivitet og dårlig masseoverførsel i traditionelle blæserbeluftningsmetoder.
1.3 Driftsstyring af blæserbeluftningsbassiner
Blæserbeluftningsbassiner anvendes i vid udstrækning til spildevandsrensning. I overensstemmelse med princippet om "særskilt behandling af forskellige spildevandsstrømme" håndterer en specifik renseanlæggets saltvandsrensningsenhed primært elektrisk afsaltningsspildevand fra atmosfærisk-vakuumdestillation, renset renset vand, alkyleringsneutraliseringsspildevand og noget supernatant og spildevand med høj-salinitet. Denne enhed har et tre-biologisk behandlingssystem med blæserbeluftningsbassinet som sekundært trin. Dens indflydende gennemsnitlige kemiske iltbehov (COD) er konsekvent under 100 mg/L, hvilket klassificerer det som en lav-aktiveret slamproces. Ud over udstyrsopgraderinger kræver opretholdelse af optimal drift omhyggelig kontrol og justering af procesparametre.
2. Facilitetsoversigt
2.1 Saltholdigt spildevandsbehandlingsenhed Procesflow
Enheden anvender en "Equalization + Oil Separation + Two-Stage Flotation + Three-Stage Biological Treatment"-proces, hvor behandlet spildevand sendes til en poleringsenhed. Olieudskilleren bruger et kombineret vandret flow og skrå pladedesign. De to flotationstrin anvender henholdsvis Vortex Cavitation Air Flotation (CAF) og Partial Reflux Pressurized Solved Air Flotation (DAF). De tre biologiske stadier er sekventielt: Pure Oxygen Aeration Tank III, Blower Aeration Tank og Secondary Biochemical Tank (EM-BAF). Procesflowet er vist iFigur 1.
2.2 Blæserbeluftningsbassin Beskrivelse
Blæserbeluftningsbassinet er et genbrugt anlæg, der oprindeligt blev bygget i 1995 som en del af et olieholdigt spildevandsbehandlingsenhed. Den bruger et traditionelt plug-flow-beluftningsdesign med et effektivt volumen på 3.888 m³ og en nuværende hydraulisk retentionstid (HRT) på cirka 17,6 timer. Bassinet kører i to parallelle tog, hver med fire rum. Beluftere er installeret i bunden, forsynet af centrifugalblæsere for at give ilt til aktiveret slammetabolisme. Den er også udstyret med to sekundære clarifiers (Φ18m x 5m).
Inden for det tre-biologiske system:
- Trin 1 (Pure Oxygen Aeration Tank III): Primær funktion er COD-fjernelse.
- Trin 2 (blæserbeluftningstank): Primær funktion er ammoniak nitrogen (NH₃-N) fjernelse, sekundær funktion er yderligere COD fjernelse.
- Trin 3 (sekundær biokemisk tank - EM-BAF): Funktioner til at polere spildevandet COD og NH₃-N yderligere, hvilket sikrer den endelige vandkvalitet.
2.3 Blæserbeluftningsbassin Indflydelse og spildevandskvalitet
Indflydelse til blæserbeluftningsbassinet kommer fra Pure Oxygen Aeration Tank III med forureningsgrænser: CODcr Mindre end eller lig med 300 mg/L, NH₃-N Mindre end eller lig med 30 mg/L, Suspenderede faste stoffer (SS) Mindre end eller lig med 50 mg/L.
Dens spildevand tilfører den sekundære biokemiske tank med grænser: CODcr Mindre end eller lig med 120 mg/L, NH₃-N Mindre end eller lig med 30 mg/L, SS Mindre end eller lig med 50 mg/L.
Det endelige spildevand fra den sekundære biokemiske tank skal opfylde: CODcr Mindre end eller lig med 70 mg/L, Petroleum Mindre end eller lig med 5 mg/L, NH₃-N Mindre end eller lig med 3 mg/L.
Gennem hele 2021 var bassinets gennemsnitlige indflydende CODcr 67,094 mg/L, og den gennemsnitlige NH₃-N var 23,098 mg/L, hvilket begge opfylder designkravene. Imidlertid førte den bemærkelsesværdigt lavt indgående COD til kulstofkildemangel for det aktiverede slam, hvilket påvirkede dets normale metabolisme. Omvendt begunstigede tilstrækkelig ammoniak-kvælstof og lav koncentration af organiske forurenende stoffer i den blandede væske nitrifikation, som forløb effektivt.
3. Operationelle indflydelsesfaktorer og kontrolforanstaltninger
3.1 Indvirkning af lav indflydende belastning og ældning af slam
Med indstrømmende COD på 67.094 mg/L-under både designgrænsen (mindre end eller lig med 300 mg/L) og det mikrobielle kulstofbehov (ca. . 100 mg/L BOD₅)- oplevede det aktiverede slam kulstofkildemangel. Den lave belastning resulterede i langsom slamvækst, hvilket gjorde det tilbøjeligt til at ældes og danne en løs struktur. Ældret, dødt slam dannes afskum, der flyder på den sekundære klaringsoverflade. I mangel af udstyr til opsamling af skum flød dette skum ud med spildevandet, hvilket forårsagede turbiditet, overskred COD- og SS-grænserne og overbelastede efterfølgende den nedstrøms sekundære biokemiske tank, hvilket påvirkede dens endelige spildevandskvalitet.
Modforanstaltning: Driftsteamet kontrollerede koncentrationen af suspenderede faste stoffer (Mixed Liquor Suspended Solids). Ved at bruge en 1000 mL gradueret cylinder til 30-minutters Sludge Volume Index (SVI)-testen opretholdt de SVI omkring 20 %, svarende til en MLSS på ca. 2 g/L. Denne afbalancerede effektivitet til fjernelse af forurenende stoffer med at forhindre ældning af slam, flydende og forringelse af vandkvaliteten. Den langsomme slamvækst betød minimalt og sjældent slamspild, hvilket tillod nitrificerende bakterier en opholdstid, der oversteg deres minimumsgenereringstid, hvilket yderligere fremmede nitrifikation.
3.2 Indvirkning af opløst ilt (DO) kontrol
Mikroorganismer i aktiveret slam er primært aerobe og kræver typisk DO mellem 1-3 mg/L. Virksomhedsstandarder sætter DO-intervallet for traditionelle plug-flow beluftningsbassiner til 2-4 mg/L, hvor nitrifikation kræver DO generelt ikke under 2,0 mg/L. Den nuværende lave indstrømningsbelastning og yderligere reducerede MLSS-koncentration sænkede DO-kravet, hvilket gjorde kontrol udfordrende. Opretholdelse af fuld blanding hævede ofte DO til over 4 mg/L, mens kontrol af DO inden for målområdet førte nogle gange til utilstrækkelig blanding i nogle områder, hvilket forårsagede slamsætning.
Ydermere fremskynder høj DO nedbrydning af organisk materiale, hvilket forværrer ældning af slam. Derfor kontrolleres DO i praksis omkring 3 mg/L. Derudover justeres alle luftventiler ca. månedligt for at forbedre blandingens ensartethed, genaktivere sovende flokke og opretholde aktiv biomasse.
3.3 Indvirkning af vandtemperatur
Temperaturen påvirker mikrobiel aktivitet markant. Egnede temperaturer fremmer aktiviteten, mens lave temperaturer hæmmer eller reducerer den, og høje temperaturer kan ændre fysiologien eller forårsage død. I dette system er termofile bakterier de vigtigste funktionelle grupper. Af hensyn til systemsikkerheden holdes temperaturen typisk mellem 15-35 grader, selvom det passende område er 10-45 grader. Overskridelse af 30 grader kan denaturere nitrifier-proteiner, hvilket reducerer deres aktivitet. Det aktiverede slam indeholder både COD-nedbrydende og nitrificerende bakterier, hvor nitrifikation har et smallere optimalt område på 5-30 grader.
Det saltholdige spildevandsindløb indeholder høje-temperaturstrømme. Tidligere hændelser involverede på hinanden følgende dage med påvirkningstemperaturer på over 40 grader, hvilket førte til slamnedbrydning, død af COD-nedbrydere og nitrifikatorer og systemkollaps. Efterfølgende blev et termometer installeret på udligningsbeholderens udløbsledning for strengt at kontrollere udledningstemperaturen til ikke at overstige 40 grader, hvilket opfylder kravene til slamtemperatur. Ingen lignende hændelser, der påvirker nitrifikation, fandt sted i 2021.
3.4 Indvirkning af alkalinitet
I henhold til relevante virksomhedsstandarder, når der anvendes aktiveret slam til ammoniakfjernelse, bør forholdet mellem den indgående totale alkalinitet og ammoniaknitrogen ikke være mindre end 7,14; ellers skal alkaliniteten suppleres. Med en designindflydende NH₃-N på 30 mg/L og et faktisk gennemsnit på 23,098 mg/L, er den nødvendige totale alkalinitet ikke mindre end 214,2 mg/L. I øjeblikket er den indgående alkalinitet utilstrækkelig, hvilket kræver daglig tilsætning af soda (Na₂CO₃) for at opfylde proceskravene.
3.5 Indvirkning af pH og giftige stoffer
Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 eller<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Aerob mikrobiel metabolisme kan moderat buffer pH-ændringer. For eksempel kan udnyttelse af nitrogenforbindelser sænke pH under nitrifikation, mens decarboxylering producerer alkaliske aminer, hvilket hæver pH. Dette giver mulighed for langvarig-tilvænning til let surt/alkalisk spildevand. Spildevandets iboende alkalinitet hjælper også med at hæmme pH-faldet.
Imidlertid påvirker drastiske pH-skift (f.eks. pludselig alkalisk indstrømning i et surt system) mikrober betydeligt og kan forstyrre driften. Derfor afhænger neutraliseringens nødvendighed af det konkrete tilfælde. Mindre, konsekvente pH-udsving, især med svage syrer/baser, kræver muligvis ikke neutralisering. Større udsving nødvendiggør pH-justering til neutral.
Nitrificerende bakterier er meget pH--følsomme med optimal nitrifikation ved pH 7,2-8,0, mens generelle mikrober foretrækker 6,5-8,5. For specifikt industrispildevand er giftige stoftyper ofte faste, men koncentrationer og udledningsmængder svinger. Udover udligning skal indflydende giftstofniveauer overvåges og kontrolleres. Efter slamakklimatisering bør der fastsættes en maksimal grænse for indløbskoncentration baseret på akklimatiseringsgrad og driftserfaring. Langvarig overskridelse kræver foranstaltninger som at reducere tilstrømningen, øge slamgenanvendelse eller øge iltningen for at forhindre mikrobiel forgiftning og behandlingssvigt. I øjeblikket er der ikke påvist giftige stoffer, der forårsager mikrobiel forgiftning i bassinets afløb.
3.6 Indvirkning af indflydelsesrige stødbelastninger
Den indstrømmende COD forbliver stabilt lav med mindre udsving, og NH₃-N og Total Nitrogen (TN) forbliver også inden for relativt stabile områder over lange perioder. Nitrifikatorpopulationen forbliver relativt fast. Men på grund af deres langsomme væksthastighed kan en pludselig, signifikant stigning i indstrømmende NH₃-N eller TN mætte bassinets fjernelseskapacitet, hvilket kompromitterer spildevandets NH₃-N- og TN-kvalitet.
Teoretisk følger mikrobiel N- og P-behov et BOD5:N:P-forhold på 100:5:1. N- og P-indholdet varierer dog meget med industriel spildevandstype. Noget spildevand er højt i N og P, hvilket kræver fjernelse for at opfylde standarderne. Andre er mangelfulde, hvilket nødvendiggør tilskud for at undgå at begrænse stofskiftet. Til driftsbassiner, der behandler spildevand med lavt N/P, kan indløbsniveauer på omkring 10 mg/L NH₃-N og 5 mg/L fosfat opfylde mikrobielle behov. Langvarige niveauer under disse kræver øget N/P-dosering.
Daglig drift kræver tæt overvågning af NH₃-N og TN i alle indgående strømme og udligningstankens spildevand samt i genbrugsstrømme fra justeringstanke for at forhindre overbelastning af den nedstrøms poleringsenhed og truer den endelige udledningsvandssikkerhed.
4. Konklusion
Som kernenitrifikationsreaktoren i den saltholdige spildevandsbehandlingsenhed kræver blæserbeluftningsbassinet tæt daglig overvågning af vandtemperaturen, indstrømmende NH₃-N og TN. Streng kontrol af MLSS-koncentration, opretholdelse af DO omkring 3 mg/L og sikring af tilstrækkelig alkalinitetstilsætning er afgørende. Under disse optimerede foranstaltninger kører systemet stabilt med fremragende spildevandskvalitet: gennemsnitlig COD på 54.213 mg/L, NH₃-N på 9.678 mg/L og SS på 23.849 mg/L, hvilket fuldt ud opfylder den sekundære biokemiske tanks krav til influent. Løbende test, opsummering og optimering fra flere aspekter er også afgørende for yderligere at sikre udstyrspålidelighed og systembehandlingseffektivitet.