Gennemgang af energibesparelser og kulstofreduktion af beluftningssystemer i spildevandsrensningsanlæg
Ved udgangen af 2020 havde Kina 4.326 kommunale-niveau og derover spildevandsrensningsanlæg (WWTP), der behandlede 65,59 milliarder kubikmeter spildevand årligt med et årligt elforbrug på 33,77 milliarder kWh, svarende til 0,45 % af det nationale samlede elforbrug. I 2020 var enhedselektricitetsforbruget pr. kubikmeter behandlet vand 0,405 kWh/m³ for renseanlæg, der implementerer Grade A-standarden eller derover i "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002), og 0,375 kWh/m³ er væsentlige højere end A³-standarderne for dem, der implementerer væsentlige A³-standarder. gennemsnit i udviklede lande. Selvom den gennemsnitlige koncentration af forurenende stoffer i kinesiske renseanlæg er mindre end 50 % af koncentrationen i udviklede lande, er elforbruget pr. fjernet forurenende stof mindst 100 % højere. Derfor er der fortsat et betydeligt potentiale for energibesparelser og kulstofreduktion i Kinas renseanlæg.
Kulstofemissionerne fra renseanlæg omfatter direkte og indirekte emissioner. Ifølge "Technical Specification for Low-Carbon Operation Evaluation of Wastewater Treatment Plants" (T/CAEPI 49-2022), består direkte kulstofemissioner primært af CH₄, N₂O og CO₂ fra forbrænding af fossilt brændstof. Indirekte emissioner omfatter dem, der er forbundet med købt elektricitet, varme og kemikalier. Som defineret af Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), er CO₂ udledt fra den biologiske nedbrydningsproces i spildevandsbehandling ikke inkluderet i kulstofemissionsregnskabet. Blandt de forskellige kulstofemissionselementer i renseanlæg er elforbruget den største andel. Jiang Fuhai et al., baseret på en stikprøve på 10 renseanlæg, fandt, at bidragsvægten af elforbrug til kulstofemissioner varierede fra 31 % til 64 %. Hu Xiang et al., der analyserede 22 renseanlæg i Chaohu Lake-bassinet, rapporterede, at kulstofemissioner fra elforbrug tegnede sig for 61,55 % til 73,56 %. Jo lavere indløbskoncentrationen er og jo højere udløbsstandarden er, jo højere andel af direkte kulstofemissioner, især dem fra elforbrug. Beluftningssystemer forbruger over 50 % af et renseanlægs samlede elektricitet. Beluftningssystemernes operationelle effektivitet påvirker direkte nitrogen- og fosforfjernelsen. Overdreven beluftning fører til unødvendigt forbrug af endogene kulstofkilder i spildevandet, hvilket reducerer effektiviteten af biologisk nitrogen- og fosforfjernelse, og derved øger doseringen af eksterne kulstofkilder og fosforfjernende kemikalier, hvilket igen øger kulstofemissionerne fra kemikalieforbruget. Som følge heraf er energibesparelser i beluftningssystemer nøglen til kulstofreduktion i renseanlæg, hvilket gør forskning i energibesparende teknologier til beluftningssystem meget vigtig.
1. Årsager til højt energiforbrug i beluftningssystemer af kinesiske spildevandsanlæg
1.1 Faktisk indflydelsesbelastning er lavere end designbelastning
Lav indløbsbelastning omfatter både lav strømningshastighed og lav forureningskoncentration. Det er en primær årsag til overdreven beluftning. Over-beluftning øger ikke kun elforbruget, men udtømmer også endogene kulstofkilder i spildevandet og øger koncentrationen af opløst ilt i anaerobe og anoxiske tanke, hvilket forringer nitrogen- og fosforfjernelsen. Dette nødvendiggør øgede doser af kulstofkilder og kemikalier til fjernelse af fosfor, hvilket øger de tilhørende kulstofemissioner.
1.1.1 Lav flowhastighed
Typisk, i de første år efter anlæg af et renseanlæg, når den influent flow ofte ikke op på designkapaciteten på grund af forsinket byudvikling eller anlæg af kloaknet. Ydermere, i områder med kombineret kloaksystem eller regioner med alvorlig regnvands- og spildevandsblanding, er tør-vejrstrøm betydeligt lavere end våd-vejrstrøm, hvilket resulterer i store strømningsudsving. Dette kræver mere præcis regulering og kontrol af beluftningshastigheder; Ellers er overluftning i perioder med lavt-flow almindeligt, hvilket påvirker effektiviteten af fjernelse af kulstof, nitrogen og fosfor og øger både el- og kemikalieforbruget.Figur 1viser variationen i spildevandsbehandlingsvolumen i Changsha City mellem tørre og våde sæsoner. Behandlingsvolumen for våd-sæson er 30-40 % højere end i den tørre sæson. Sæsonbestemte udsving i behandlingsvolumen kræver mere præcis kontrol af beluftningssystem.
1.1.2 Lav Indflydelseskoncentration
De faktiske koncentrationer af forurenende stoffer i Kinas kommunale renseanlæg er generelt meget lavere end designværdierne. I rensningsanlægsdesign er den indflydelsesrige kvalitet normalt baseret på mellem-til-langsigtede-projektioner med komplette kloaknetværk. I henhold til "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021) er det fem-dages biokemiske iltforbrug (BOD₅) for husspildevand beregnet til 40-60 g/(person·d), hvilket generelt tager 40 g/(person·d). Med et spildevandsudledning pr. indbygger på 200–350 L/(person·d) i de fleste byer, varierer design BOD₅-koncentrationen typisk fra 110 til 200 mg/L. Statistikker viser, at 68 % af renseanlæg i Kina har en faktisk årlig gennemsnitlig indvirkning på BOD₅ under 100 mg/L, hvor 40 % har et årligt gennemsnit på under 50 mg/L. Set ud fra perspektivet af indflydende koncentration versus påkrævet beluftning, har de fleste kinesiske spildevandsanlæg beluftningssystemer designet med en "overdimensioneret motor til en lille vogn" situation-konfigureret med høj-kapacitetsblæsere, mens den faktiske luftefterspørgsel er lav. Denne konfiguration fører let til overluftning og øget energiforbrug.
1.2 Urimelig konfiguration af mængden af beluftningsudstyr
Mange renseanlæg har urimeligt konfigureret antallet af beluftningsudstyrsenheder, fordi de ikke tager højde for hyppige driftsforhold med-lav belastning. For eksempel konfigurerer mange små og mellemstore spildevandsanlæg typisk blæsere i en "2 duty + 1 standby" (i alt 3) opsætning i blæserrumsdesignet, hvilket er optimalt under designflow- og kvalitetsforhold. Under forhold med lav indvirkningsbelastning kan det dog medføre over-beluftning og øget strømforbrug at betjene selv en blæser ved dens minimumsydelse. Mens installation af frekvensomformere (VFD'er) eller andre midler til at reducere lufttilførslen kan undgå overluftning, kan disse foranstaltninger flytte blæserdrift væk fra dens højeffektive zone, hvilket reducerer effektiviteten og spilder energi. I betragtning af de generelt lave koncentrationer af tilstrømning bør strategier som at øge antallet af blæsere og samtidig reducere den enkelte enheds kapacitet overvejes for at imødekomme behov for regulering af luftbehovet i perioder med lav belastning. Historisk set førte begrænsede budgetter og de høje omkostninger ved importerede højtydende blæsere til færre-enhedskonfigurationer. Med modningen af indenlandsk højtydende blæserteknologi og reducerede omkostninger er betingelserne nu gunstige for optimering af blæserkonfigurationer for at opnå energibesparelse og kulstofreduktion.
1.3 Lav effektivitet af beluftningsudstyr
Nogle ældre spildevandsanlæg, bygget med deres tids teknologi, anvender beluftningsudstyr med lav-effektivitet og højt-energi-forbrug. I henhold til nuværende teknologiske standarder og energieffektivitetsstandarder betragtes udstyr som Roots-blæsere, multi-lav-lavhastigheds-centrifugalblæsere, skiveluftere og børsteluftere for lav-effektivitet, typisk fra 40 % til 65 % effektivitet-15 % til 40 % lavere end moderne højhastighedscentrifugalblæsere. Ydermere, i renseanlæg, der bruger fin-boblediffunderet beluftning i Anaerob-Anoxic-Oxic (A₂/O) eller Anoxic-Oxic (A/O) processer, reducerer ældning eller tilstopning af diffusorer iltoverførselseffektiviteten og øger modstanden, hvilket øger blæserens energiforbrug.
1.4 Urimelig konfiguration af blandere i biologiske tanke
I oxidationsgrøfter med overfladeluftere tjener udstyret både beluftnings- og blande-/skubbefunktioner. Dette er et rimeligt design under designbelastningsforhold. Under betingelser med lav-belastning kan det dog være nødvendigt at reducere eller standse beluftning, men for at forhindre slamudfældning eller udskillelse af væske-faste stoffer skal der opretholdes tilstrækkelig strømningshastighed, hvilket tvinger til fortsat drift af beluftere og forårsager overbeluftning, dårlig fjernelse af næringsstoffer og energispild. For mere energi-effektiv drift ved lave belastninger bør oxidationsgrøfter være udstyret med korrekt konfigurerede dykblander.
I A₂/O- og A/O-processer er aerobe tanke typisk fuldt dækket med fine-boblediffusorer uden dedikerede blandere, der er afhængige af tilstrækkelig beluftning for at forhindre bundfældning. Under lav belastning kan reduktion af beluftning eller implementering af intermitterende beluftning for at undgå over-beluftning nemt føre til slamsætning, hvilket påvirker behandlingen. For at fungere mere effektivt ved lav belastning bør A₂/O og A/O aerobe tanke overveje at tilføje passende blandere.
2. Tekniske tilgange til energibesparelse og kulstofreduktion i rensningsanlægs-beluftningssystemer
2.1 Udskiftning med højeffektivt-luftningsudstyr
Renseanlæg, der stadig bruger lav-effektivt udstyr som Roots-blæsere, fler-lav--lavhastigheds-centrifugalblæsere, skiveluftere eller børsteluftere, eller dem med stærkt ældet og ineffektivt udstyr, bør udføre energieffektivitetsevalueringer ud fra et energi-tidsbesparende-tidsbesparende perspektiv og erstatte dem med ny kulstofreduktion,{4} højeffektive modeller. I øjeblikket har høj-blæsere som enkelt-højhastigheds--centrifugalblæsere, magnetiske lejeblæsere og luftlejeblæsere, der bruges i store spildevandsanlæg, typisk en effektivitet på mellem 80 % og 85 %. Men markedet mangler i øjeblikket små-højhastigheds-centrifugalblæserprodukter. Rensningsanlæg med kapaciteter under 2.000 m³/d er stadig afhængige af mindre effektivt udstyr som Roots-blæsere, med effektivitet generelt mellem 40 % og 65 %, hvilket indikerer et betydeligt potentiale for forbedringer. Derfor er det meningsfuldt at udvikle mere effektivt-beluftningsudstyr i lille skala for energibesparelser og kulstofreduktion i små spildevandsanlæg.
2.2 Konvertering fra overfladebeluftning til fin-boblediffuseret beluftning
Givet passende vanddybde er fin-boblediffunderet beluftning mere energi-effektiv end overfladebeluftning. Konvertering af oxidationsgrøfter fra overflade til fin-boblediffunderet beluftning kan give gode energibesparende-resultater. Fra implementerede eftermonteringsprojekter opnår sådanne konverteringer ikke kun betydelige energibesparelser, men forbedrer også effektiviteten til fjernelse af biologiske næringsstoffer. Chen Chaos undersøgelse bemærkede, at det samlede elforbrug faldt med 24,7 % efter en ombygget renseanlæg, mens fjernelsesraterne for ammoniaknitrogen, COD og totalt fosfor steg med henholdsvis 30,39 %, 5,39 % og 2,09 %. Xie Jici et al. rapporterede energibesparelser på 0,09-0,12 kWh/m³ efter en lignende konvertering, med betydelig forbedring af effektiviteten til fjernelse af biologiske næringsstoffer. Ved fin-bobleluftning er iltoverførselseffektiviteten lineært positivt korreleret med vanddybden. Under en vis kritisk dybde kan dens effektivitet være lavere end overfladebeluftning. Generelt betragtes en vanddybde på mere end 4 m som en passende betingelse for at omdanne oxidationsgrøfter til fin{20}}boblediffunderet beluftning.
3. Tekniske tilgange til energibesparelse og kulstofreduktion i rensningsanlægs-beluftningssystemer
3.1 Udskiftning med højeffektivt-luftningsudstyr
Renseanlæg, der stadig bruger lav-effektivt udstyr som Roots-blæsere, fler-lav--lavhastigheds-centrifugalblæsere, skiveluftere eller børsteluftere, eller dem med stærkt ældet og ineffektivt udstyr, bør udføre energieffektivitetsevalueringer ud fra et energi-tidsbesparende-tidsbesparende perspektiv og erstatte dem med ny kulstofreduktion,{4} højeffektive modeller. I øjeblikket har høj-blæsere som enkelt-højhastigheds--centrifugalblæsere, magnetiske lejeblæsere og luftlejeblæsere, der bruges i store spildevandsanlæg, typisk en effektivitet på mellem 80 % og 85 %. Men markedet mangler i øjeblikket små-højhastigheds-centrifugalblæserprodukter. Rensningsanlæg med kapaciteter under 2.000 m³/d er stadig afhængige af mindre effektivt udstyr som Roots-blæsere, med effektivitet generelt mellem 40 % og 65 %, hvilket indikerer et betydeligt potentiale for forbedringer. Derfor er det meningsfuldt at udvikle mere effektivt-beluftningsudstyr i lille skala for energibesparelser og kulstofreduktion i små spildevandsanlæg.
3.2 Konvertering fra overfladebeluftning til fin-boblediffuseret beluftning
Givet passende vanddybde er fin-boblediffunderet beluftning mere energi-effektiv end overfladebeluftning. Konvertering af oxidationsgrøfter fra overflade til fin-boblediffunderet beluftning kan give gode energibesparende-resultater. Fra implementerede eftermonteringsprojekter opnår sådanne konverteringer ikke kun betydelige energibesparelser, men forbedrer også effektiviteten til fjernelse af biologiske næringsstoffer. Chen Chaos undersøgelse bemærkede, at det samlede elforbrug faldt med 24,7 % efter en ombygget renseanlæg, mens fjernelsesraterne for ammoniaknitrogen, COD og totalt fosfor steg med henholdsvis 30,39 %, 5,39 % og 2,09 %. Xie Jici et al. rapporterede energibesparelser på 0,09-0,12 kWh/m³ efter en lignende konvertering, med betydelig forbedring af effektiviteten til fjernelse af biologiske næringsstoffer. Ved fin-bobleluftning er iltoverførselseffektiviteten lineært positivt korreleret med vanddybden. Under en vis kritisk dybde kan dens effektivitet være lavere end overfladebeluftning. Generelt betragtes en vanddybde på mere end 4 m som en passende betingelse for at omdanne oxidationsgrøfter til fin{20}}boblediffunderet beluftning.
3.3 Intermitterende beluftningsteknologi
For spildevandsanlæg med lave indløbskoncentrationer løser kontinuerlig -intermitterende beluftning effektivt problemer med dårlig fjernelse af næringsstoffer og højt energiforbrug forårsaget af over-beluftning. Det involverer kontinuerlig indstrømning og spildevandsstrøm, mens beluftningssystemet fungerer i cyklusser med beluftning til/fra. Efter ARAKI et al.'s forskning fra 1986 om intermitterende beluftning til nitrogenfjernelse i oxidationsgrøfter, har mange forskere udført eksperimentelle undersøgelser. Hou Hongxun et al. gennemførte et fuld-forsøg i et 100.000 m³/d spildevandsanlæg med kontinuerlig-gennemstrømning intermitterende beluftning i en oxidationsgrøft, hvilket opnåede en stigning på 20 % i den samlede nitrogenfjernelse, en stigning på 49 % i den samlede fosforfjernelse og en reduktion af det samlede energiforbrug på anlæg på 21 %. He Quan et al. fandt i et forsøg med oxidationsgrøfter på 40.000 m³/d spildevandsanlæg med en 2-timers on/2-timers off-cyklus, at sammenlignet med kontinuerlig beluftning sparede intermitterende beluftning 42 % i beluftningsenergi, øgede den samlede nitrogenfjernelse med 9,6 % og fjernelse af total nitrogen.6 %. 6,9 % under vinterlave-temperaturforhold. Zheng Wanlin et al., i et 40.000 m³/d WWTP A₂/O procesforsøg med en 3-timers on/3-timers off-cyklus, opretholdt en stabil standard-kompatibel spildevandskvalitet, mens der sparedes 18,3 % i elforbrug. I øjeblikket er fuldskalaanvendelser af intermitterende beluftning med kontinuerlig flow stadig begrænset, med adskillige tekniske udfordringer tilbage.
For A₂/O-processer, der bruger fin-boblebeluftning, begrænser to faktorer den brede anvendelse af intermitterende beluftning. For det første genererer høj-centrifugalblæsere høj-decibel, skarp støj ved opstart; hyppig cykling til intermitterende drift skaber støjforurening. For det andet forårsager hyppige start-stopcyklusser for blæsere med magnet-/luftlejer, at de ikke--berøringsløse lejer gentagne gange kommer i kontakt med huset, hvilket let fører til lejeskade, øget fejlfrekvens og reduceret levetid.
Når der påføres intermitterende beluftning til oxidationsgrøfter eller A₂/O-processer, skal der sikres tilstrækkelig blandingshastighed under ikke-{0}}luftningsperioder, hvilket potentielt kræver yderligere blandere for at forhindre slamudfældning. Ammoniak nitrogenkoncentrationer kan stige hurtigt under ikke-beluftning, hvilket risikerer øjeblikkelig overskridelse. Derfor er der behov for yderligere forskning for at videnskabeligt indstille og justere beluftningscyklusser, hvilket forbedrer energibesparelser og fjernelse af forurenende stoffer, samtidig med at man undgår øjeblikkelig overskridelse af ammoniaknitrogen.
Rensningsanlægs bekymringer om potentiel øjeblikkelig overskridelse af ammoniaknitrogen er en væsentlig barriere for bred anvendelse af intermitterende beluftning. I januar 2022 udsendte ministeriet for økologi og miljø en høring om et udkast til ændring af GB 18918-2002, der primært foreslog at tilføje maksimalt tilladte grænser for enkeltmålinger. Disse foreslåede enkeltmålingsgrænser er væsentligt højere end de oprindelige daglige gennemsnitsgrænser, mens dagsgennemsnittene forbliver uændrede. For eksempel, for Grad A-standard, ville en enkelt måling under 10 mg/L (15 mg/L under 12 grader) være acceptabel, hvis det daglige gennemsnit forbliver under 5 mg/L (8 mg/L under 12 grader). Hvis det implementeres, kan dette ændringsforslag hjælpe med at afhjælpe regulatoriske bekymringer vedrørende øjeblikkelig overskridelse fra intermitterende beluftning, hvilket letter dets anvendelse i oxidationsgrøfteprocesser.
3.4 Præcis beluftningsteknologi
Rensningsanlægs flowhastigheder og indløbskoncentrationer svinger betydeligt, selv i løbet af dagen, hvilket forårsager varierende luftbehov. At stole udelukkende på manuel erfaringsbaseret-justering gør præcis kontrol vanskelig og kan kompromittere stabiliteten af spildevandskvaliteten. Med fremskridt inden for big data og kunstig intelligens er begrebet præcis beluftning opstået. Præcis beluftningsteknologi er blevet anvendt i nogle spildevandsanlæg, hvilket typisk opnår 10 %-20 % energibesparelser i beluftningssystemer. Kombination af præcis beluftning med andre procesmodifikationer kan give bedre resultater. Zhu Jie et al. implementeret præcis beluftning eftermontering i en flertrins A/O proces WWTP, hvilket opnåede 49,8 % energibesparelser i beluftningssystemet. Præcis og intelligent beluftning repræsenterer vigtige fremtidige retninger for energibesparelser og kulstofreduktion. Der er aktuelle begrænsninger i realtidskapaciteten og nøjagtigheden af dataindsamling og analyse for disse systemer. Der er behov for flere teknologiske gennembrud i{15}}realtid præcis kontrol af blæsere og ventiler og nøjagtig luftfordeling.
4. Konklusion
Energibesparelser i beluftningssystemer er nøglen til kulstofreduktion i spildevandsanlæg. Den primære årsag til det høje energiforbrug i kinesiske WWTP-beluftningssystemer er lav indvirkningsbelastning, som let fører til over-beluftning, spild af elektricitet og stigende kulstofemissioner fra både strøm og kemikalier. Andre årsager omfatter ældning/lav-effektivt udstyr og urimelig konfiguration af beluftnings- og blandingsudstyr. Effektive midler til at opnå energibesparelse og kulstofreduktion omfatter udskiftning af lav-effektivitet med høj-effektiv beluftningsudstyr, konvertering af overflade til fin-boblediffunderet beluftning og anvendelse af teknologier som kontinuerlig-gennemstrømning med intermitterende beluftning og præcis beluftning.