Преглед о уштеди енергије и смањењу угљеника у системима за аерацију у постројењима за пречишћавање отпадних вода
До краја 2020. Кина је имала 4.326 општинских-постројења за пречишћавање отпадних вода (ППОВ), пречишћавајући 65,59 милијарди кубних метара отпадних вода годишње, са годишњом потрошњом електричне енергије од 33,77 милијарди кВх, што чини 0,45% укупне националне потрошње електричне енергије. У 2020., јединична потрошња електричне енергије по кубном метру пречишћене воде била је 0,405 кВх/м³ за ППОВ која примењују стандард А или више од „Стандарда за испуштање загађујућих материја за комунална постројења за пречишћавање отпадних вода“ (ГБ 18918-2002), и 0,37 кВх/м³. знатно су већи од просека у развијеним земљама. Иако је просечна концентрација утицајног загађивача у кинеским ППОВ мања од 50% оне у развијеним земљама, јединична потрошња електричне енергије по уклоњеном загађивачу је најмање 100% већа. Стога, остаје значајан потенцијал за уштеду енергије и смањење угљеника у кинеским ППОВ.
Емисије угљеника из ППОВ укључују директне и индиректне емисије. Према „Техничкој спецификацији за ниско-оцену рада постројења за пречишћавање отпадних вода“ (Т/ЦАЕПИ 49-2022), директне емисије угљеника се првенствено састоје од ЦХ₄, Н₂О и ЦО₂ из сагоревања фосилних горива. Индиректне емисије обухватају оне повезане са купљеном електричном енергијом, топлотом и хемикалијама. Како је дефинисано од стране Међувладиног панела за климатске промене (ИПЦЦ), ЦО₂ који се емитује из процеса биолошке деградације у третману отпадних вода није укључен у обрачун емисије угљеника. Међу различитим елементима емисије угљеника у ППОВ, потрошња електричне енергије доприноси највећем уделу. Јианг Фухаи ет ал., на основу узорка од 10 ППОВ, открили су да се тежина доприноса потрошње електричне енергије емисијама угљеника кретала од 31% до 64%. Ху Ксианг ет ал., анализирајући 22 ППОВ у басену језера Цхаоху, известили су да емисије угљеника из потрошње електричне енергије чине 61,55% до 73,56%. Што је нижа концентрација инфлуента и већи стандард ефлуента, то је већи удео директних емисија угљеника, посебно оних из потрошње електричне енергије. Системи за аерацију троше преко 50% укупне електричне енергије ППОВ. Оперативна ефикасност система за аерацију директно утиче на уклањање азота и фосфора. Прекомерна аерација доводи до непотребне потрошње ендогених извора угљеника у отпадној води, смањујући ефикасност биолошког уклањања азота и фосфора, чиме се повећава доза спољних извора угљеника и хемикалија за уклањање фосфора, што заузврат повећава емисије угљеника из потрошње хемикалија. Сходно томе, уштеда енергије у системима за аерацију је кључна за смањење угљеника у ППОВ, што чини истраживање технологија за уштеду енергије система за аерацију веома значајним.
1. Разлози високе потрошње енергије у аерационим системима кинеских ППОВ
1.1 Стварно утицајно оптерећење је ниже од пројектованог оптерећења
Ниско оптерећење утицаја укључује и ниску брзину протока и ниску концентрацију загађивача. То је примарни узрок прекомерне аерације. Преко-аерација не само да повећава потрошњу електричне енергије, већ и прекомерно исцрпљује ендогене изворе угљеника у отпадној води и подиже концентрацију раствореног кисеоника у анаеробним и аноксичним резервоарима, ометајући уклањање азота и фосфора. Ово захтева повећане дозе извора угљеника и хемикалија за уклањање фосфора, повећавајући повезане емисије угљеника.
1.1.1 Ниска брзина протока
Типично, у првим годинама након изградње ППОВ, доводни ток често не успева да достигне пројектовани капацитет због заостајања у урбаном развоју или изградње канализационе мреже. Штавише, у областима комбинованог канализационог система или регионима са јаким мешањем атмосферских вода и канализације, проток сувог{1}}времена је знатно мањи од протока влажног-времена, што доводи до великих флуктуација протока. Ово захтева прецизније регулисање и контролу аерације; иначе, честа је-аерација током периода ниског протока-, што утиче на ефикасност уклањања угљеника, азота и фосфора и повећава потрошњу електричне енергије и хемикалија.Слика 1показује варијацију у запремини пречишћавања отпадних вода у граду Чангша између сушне и влажне сезоне. Обим третмана у влажној-сезони је за 30%–40% већи него у сушној сезони. Сезонске флуктуације у запремини третмана захтевају прецизнију контролу система аерације.
1.1.2 Ниска концентрација утицаја
Стварне концентрације загађујућих материја у кинеским општинским ППОВ су генерално много ниже од пројектованих вредности. У пројектовању ППОВ, утицајни квалитет се обично заснива на средњорочним-до-дугорочним-пројекцијама са комплетним канализационим мрежама. Према „Стандарду за пројектовање отпадних вода на отвореном“ (ГБ 50014-2021), пет-дневна биохемијска потреба за кисеоником (БОД₅) за кућну отпадну воду се израчунава на 40–60 г/(особа·д), углавном узимајући 40 г/(особа·д). Са испуштањем отпадне воде по глави становника од 200–350 Л/(особа·д) у већини градова, пројектована концентрација БПК₅ се обично креће од 110 до 200 мг/Л. Статистике показују да 68% ППОВ у Кини има стварни годишњи просечан утицај БПК₅ испод 100 мг/Л, а 40% има годишњи просек испод 50 мг/Л. Из перспективе концентрације утицаја наспрам потребне аерације, већина кинеских ППОВ има системе за аерацију дизајниране са „великим мотором за мала колица“-конфигурисаним са вентилаторима великог-капацитета док је стварна потражња за ваздухом ниска. Ова конфигурација лако доводи до прекомерне аерације и повећане потрошње енергије.
1.2 Неразумна конфигурација количине опреме за аерацију
Многи уређаји за пречишћавање отпадних вода су неоправдано конфигурисали број јединица опреме за аерацију због тога што нису узимали у обзир честе радне услове ниског{0}}оптерећења. На пример, многа мала и средња- ППОВ типично конфигуришу дуваљке у „2 дути + 1 стандби” (укупно 3) подешавање у дизајну просторије за дуваљку, што је оптимално у условима пројектованог протока и квалитета. Међутим, у условима малог утицаја оптерећења, рад чак и једног вентилатора на минималној снази може да изазове прекомерно{7}}аерацију и повећану потрошњу енергије. Док инсталирање претварача са променљивом фреквенцијом (ВФД) или других средстава за смањење довода ваздуха може да избегне претерано-аерацију, ове мере могу да помере рад вентилатора из његове зоне високе{10}}е, смањујући ефикасност и трошење енергије. С обзиром на генерално ниске концентрације утицаја, стратегије као што је повећање броја дуваљки уз смањење капацитета појединачних јединица треба размотрити како би се задовољиле потребе регулације потражње ваздуха током периода ниског-оптерећења. Историјски гледано, ограничени буџети и висока цена увезених дуваљки високих{14}}учинака довели су до мање{{15}конфигурација јединица. Сазревањем домаће технологије вентилатора високих{17}}учинака и смањеним трошковима, сада су повољни услови за оптимизацију конфигурација вентилатора како би се постигла уштеда енергије и смањење угљеника.
1.3 Ниска ефикасност опреме за аерацију
Неки старији уређаји за пречишћавање отпадних вода, изграђени технологијом свог времена, користе опрему за аерацију са ниском{0}}ефикасношћу и великом-потрошњом енергије-. Према тренутним технолошким стандардима и стандардима енергетске ефикасности, опрема као што су Роотс дуваљке, више{4}}ниске-центрифугалне дуваљке са ниском брзином, диск аератори и аератори са четкицама сматрају се ниском-ефикасношћу, обично у распону од 40% до 65% ефикасности{{11}{11}{0% ниже од 15% центрифугалне високе до 3} дуваљке. Штавише, у ППОВ који користе фину-дифузну аерацију са мехурићима у анаеробним-аноксичним-оксидним (А₂/О) или аноксично-оксидним (А/О) процесима, старење или зачепљење дифузора смањује ефикасност преноса кисеоника и повећава отпорност на пренос енергије.
1.4 Неразумна конфигурација миксера у биолошким резервоарима
У оксидационим каналима са површинским аераторима, опрема служи и функцијама аерације и мешања/гурања. Ово је разуман дизајн у условима пројектованог оптерећења. Међутим, у условима малог-оптерећења, смањење или заустављање аерације може бити неопходно, али да би се спречило таложење муља или одвајање течности{3}}чврсте материје, мора се одржавати довољна брзина протока, што доводи до континуираног рада аератора и изазива прекомерно-аерацију, лоше уклањање хранљивих материја и губитак енергије. За енергетски{6}}ефикаснији рад при малим оптерећењима, оксидациони канали треба да буду опремљени правилно конфигурисаним потопљеним мешалицама.
У А₂/О и А/О процесима, аеробни резервоари су обично потпуно прекривени финим-дифузерима са финим мехурићима без наменских миксера, ослањајући се на довољно проветравања да би се спречило таложење. Под малим оптерећењима, смањење аерације или примена повремене аерације да би се избегло прекомерно-аерирање може лако довести до таложења муља, што утиче на третман. Да би радили ефикасније при малим оптерећењима, А₂/О и А/О аеробни резервоари треба да размотре додавање одговарајућих миксера.
2. Технички приступи за уштеду енергије и смањење угљеника у системима за аерацију ППОВ
2.1 Замена са високо{1}}ефикасном аерационом опремом
Постројења за пречишћавање отпадних вода која још увек користе нискоефикасну опрему као што су Роотс дуваљке, више-нискостепене-центрифугалне дуваљке, диск аератори или аератори са четком, или они са веома застарелом и неефикасном опремом, требало би да спроводе процене енергетске ефикасности са-успешновањем енергије и замењују их новим, штедљивим временом и{4}угљиком{4} високо{5}}модели високе ефикасности. Тренутно,-духалице велике брзине као што су једностепене-центрифугалне дуваљке велике брзине, дуваљке са магнетним лежајевима и дуваљке са ваздушним лежајем које се користе у великим ППОВ обично се могу похвалити ефикасношћу између 80% и 85%. Међутим, тржишту тренутно недостају производи са центрифугалним дуваљком малог{13}}капацитета велике{14}}брзине. ППОВ са капацитетом испод 2.000 м³/д и даље се ослањају на мање ефикасну опрему као што су Роотс дуваљке, са ефикасношћу генерално између 40% и 65%, што указује на значајан потенцијал за побољшање. Стога је развој ефикасније опреме за аерацију малих{21}}размера значајан за уштеду енергије и смањење угљеника у малим ППОВ.
2.2 Прелазак са површинске аерације на фину-аерацију са мехурићима
С обзиром на одговарајућу дубину воде, фино{0}}аерација дифузном мехурићем је енергетски-ефикаснија од површинске аерације. Претварање оксидационих канала из површинске у фину-дифузну аерацију са мехурићима може дати добре резултате-уштеде енергије. Из имплементираних пројеката ретрофита, оваквим конверзијама не само да се постижу значајне уштеде енергије већ и побољшавају ефикасност уклањања биолошких хранљивих материја. Цхен Цхаоова студија је приметила да је након конверзије једног ППОВ укупна потрошња електричне енергије смањена за 24,7%, док су стопе уклањања амонијачног азота, ЦОД-а и укупног фосфора порасле за 30,39%, 5,39% и 2,09%, респективно. Ксие Јици и др. пријавиле су уштеде енергије од 0,09–0,12 кВх/м³ након сличне конверзије, уз значајно побољшање ефикасности биолошког уклањања хранљивих материја. У финој{16}}аерацији са мехурићима, ефикасност преноса кисеоника је у линеарној позитивној корелацији са дубином воде. Испод одређене критичне дубине, његова ефикасност може бити нижа од површинске аерације. Генерално, дубина воде већа од 4 м сматра се погодним условом за претварање оксидационих канала у фино-дифузну аерацију са мехурићима.
3. Технички приступи за уштеду енергије и смањење угљеника у системима за аерацију ППОВ
3.1 Замена са високо{1}}ефикасном аерационом опремом
Постројења за пречишћавање отпадних вода која још увек користе нискоефикасну опрему као што су Роотс дуваљке, више-нискостепене-центрифугалне дуваљке, диск аератори или аератори са четком, или они са веома застарелом и неефикасном опремом, требало би да спроводе процене енергетске ефикасности са-успешновањем енергије и замењују их новим, штедљивим временом и{4}угљиком{4} високо{5}}модели високе ефикасности. Тренутно,-духалице велике брзине као што су једностепене-центрифугалне дуваљке велике брзине, дуваљке са магнетним лежајевима и дуваљке са ваздушним лежајем које се користе у великим ППОВ обично се могу похвалити ефикасношћу између 80% и 85%. Међутим, тржишту тренутно недостају производи са центрифугалним дуваљком малог{13}}капацитета велике{14}}брзине. ППОВ са капацитетом испод 2.000 м³/д и даље се ослањају на мање ефикасну опрему као што су Роотс дуваљке, са ефикасношћу генерално између 40% и 65%, што указује на значајан потенцијал за побољшање. Стога је развој ефикасније опреме за аерацију малих{21}}размера значајан за уштеду енергије и смањење угљеника у малим ППОВ.
3.2 Конверзија са површинске аерације на фину-аерацију са мехурићима
С обзиром на одговарајућу дубину воде, фино{0}}аерација дифузном мехурићем је енергетски-ефикаснија од површинске аерације. Претварање оксидационих канала из површинске у фину-дифузну аерацију са мехурићима може дати добре резултате-уштеде енергије. Из имплементираних пројеката ретрофита, оваквим конверзијама не само да се постижу значајне уштеде енергије већ и побољшавају ефикасност уклањања биолошких хранљивих материја. Цхен Цхаоова студија је приметила да је након конверзије једног ППОВ укупна потрошња електричне енергије смањена за 24,7%, док су стопе уклањања амонијачног азота, ЦОД-а и укупног фосфора порасле за 30,39%, 5,39% и 2,09%, респективно. Ксие Јици и др. пријавиле су уштеде енергије од 0,09–0,12 кВх/м³ након сличне конверзије, уз значајно побољшање ефикасности биолошког уклањања хранљивих материја. У финој{16}}аерацији са мехурићима, ефикасност преноса кисеоника је у линеарној позитивној корелацији са дубином воде. Испод одређене критичне дубине, његова ефикасност може бити нижа од површинске аерације. Генерално, дубина воде већа од 4 м сматра се погодним условом за претварање оксидационих канала у фино-дифузну аерацију са мехурићима.
3.3 Технологија интермитентне аерације
За постројења за пречишћавање отпадних вода са ниским концентрацијама утицаја, континуирано-аерација са прекидима протока ефикасно решава проблеме лошег уклањања хранљивих материја и велике потрошње енергије изазване прекомерним-аерацијом. Укључује континуирани доток и ефлуент, док систем за аерацију ради у циклусима укључивања/искључивања аерације. Након истраживања АРАКИ ет ал. из 1986. о повременој аерацији за уклањање азота у оксидационим каналима, многи научници су спровели експерименталне студије. Хоу Хонгкун и др. спровео је испитивање у пуном обиму у ППОВ од 100.000 м³/д користећи континуирано-аерацију са прекидима у оксидационом јарку, постигавши повећање укупног уклањања азота од 20%, повећање укупног уклањања фосфора за 49% и смањење укупне потрошње енергије постројења за 21%. Хе Куан и сарадници, у испитивању оксидационог канала за ППОВ од 40.000 м³/д користећи циклус од 2-укључено/2-часовно искључење, открили су да је у поређењу са континуираном аерацијом, интермитентна аерација уштедела 42% енергије аерације, повећала укупни азот за зиму и укупно уклањање азота за 9,6% пхо9% пхо9. ниске{34}услове температуре. Зхенг Ванлин и сарадници, у испитивању процеса ППОВ А₂/О од 40.000 м³/д коришћењем циклуса од 3-укључено/3-часовно искључење, одржали су стабилан квалитет ефлуента у складу са стандардима уз уштеду од 18,3% у потрошњи електричне енергије. Тренутно су пуне примене повремене аерације са континуираним протоком и даље ограничене, са неколико преосталих техничких изазова.
За А₂/О процесе који користе фину-аерацију са мехурићима, два фактора ограничавају широку примену повремене аерације. Прво,-центрифугални вентилатори велике брзине стварају висок-децибел, оштру буку при покретању; честа вожња бицикла за рад са прекидима ствара загађење буком. Друго, чести циклуси покретања{5}}заустављања за дуваљке са магнетним/ваздушним лежајевима доводе до тога да бесконтактни лежајеви непрестано додирују кућиште, што лако доводи до оштећења лежаја, повећања стопе кварова и смањеног животног века.
Приликом примене повремене аерације на оксидационе канале или А₂/О процесе, мора се обезбедити довољна брзина мешања током периода без-аерације, што потенцијално захтева додатне мешалице да би се спречило таложење муља. Концентрације амонијачног азота могу брзо да порасту током не-аерације, ризикујући тренутно прекорачење. Због тога су потребна даља истраживања како би се научно поставили и прилагодили циклуси аерације, боље побољшала уштеда енергије и уклањање загађивача уз избегавање тренутног прекорачења амонијачног азота.
Забринутост ППОВ због потенцијалног тренутног прекорачења амонијачног азота је главна препрека широкој примени интермитентне аерације. У јануару 2022. Министарство екологије и животне средине издало је консултације о нацрту амандмана на ГБ 18918-2002, првенствено предлажући да се додају максимално дозвољене границе за појединачна мерења. Ове предложене границе појединачног мерења су значајно веће од првобитних дневних просечних граница, док дневни просеци остају непромењени. На пример, за стандард степена А, једно мерење испод 10 мг/Л (15 мг/Л испод 12 степени) би било прихватљиво ако дневни просек остане испод 5 мг/Л (8 мг/Л испод 12 степени). Ако се примени, овај амандман би могао да помогне у решавању регулаторних проблема у вези са тренутним прекорачењем услед повремене аерације, олакшавајући његову примену у процесима оксидационог канала.
3.4 Технологија прецизне аерације
Брзине протока ППОВ и концентрације утицаја значајно варирају, чак и током дана, што узрокује променљиву потражњу за ваздухом. Ослањање искључиво на ручно подешавање засновано на искуству{1}}отежава прецизну контролу и може угрозити стабилност квалитета отпадних вода. Са напретком у великим подацима и вештачкој интелигенцији, појавио се концепт прецизне аерације. Прецизна технологија аерације је примењена у неким постројењима за пречишћавање отпадних вода, постижући типично 10%–20% уштеде енергије у системима за аерацију. Комбиновање прецизне аерације са другим модификацијама процеса може дати боље резултате. Зху Јие ет ал. имплементирао прецизну накнадну аерацију у више-степени А/О процес ППОВ, постигавши 49,8% уштеде енергије у систему за аерацију. Прецизна и интелигентна аерација представља важне будуће правце за уштеду енергије и смањење угљеника. Постоје тренутна ограничења у-могућностима у реалном времену и тачности прикупљања и анализе података за ове системе. Потребна су још технолошка открића у-реалном времену, прецизна контрола дуваљки и вентила и прецизна дистрибуција ваздуха.
4. Закључак
Уштеда енергије у системима за аерацију је кључна за смањење угљеника у ППОВ. Примарни разлог велике потрошње енергије у кинеским системима за аерацију ППОВ је ниско оптерећење утицаја, што лако доводи до прекомерне-аерације, трошења електричне енергије и повећања емисије угљеника из струје и хемикалија. Остали разлози укључују старење/ниску ефикасност опреме-и неразумну конфигурацију опреме за аерацију и мешање. Ефикасна средства за постизање уштеде енергије и смањења угљеника укључују замену ниске{5}}ефикасности високоефикасном-опремом за аерацију, претварање површине у фину-дифузну аерацију са мехурићима и примену технологија као што су континуирано-повремено прозрачивање и прецизна аерација.