Pregled uštede energije i smanjenja ugljika u sustavima za prozračivanje u postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda
Do kraja 2020. Kina je imala 4 326 komunalnih-postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda (WWTP) na razini više, koja su pročišćavala 65,59 milijardi kubičnih metara otpadnih voda godišnje, s godišnjom potrošnjom električne energije od 33,77 milijardi kWh, što čini 0,45% ukupne nacionalne potrošnje električne energije. U 2020. jedinična potrošnja električne energije po kubičnom metru pročišćene vode iznosila je 0,405 kWh/m³ za postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda koja provode standard razreda A ili viši od "Standarda ispuštanja onečišćujućih tvari za komunalna postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda" (GB 18918-2002) i 0,375 kWh/m³ za one koji provode standarde ispod stupnja A. Ove brojke znatno su više od prosjek u razvijenim zemljama. Iako je prosječna ulazna koncentracija onečišćujućih tvari u kineskim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda manja od 50% one u razvijenim zemljama, jedinična potrošnja električne energije po uklonjenoj onečišćujućoj tvari je najmanje 100% veća. Stoga i dalje postoji znatan potencijal za uštedu energije i smanjenje ugljika u kineskim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda.
Emisije ugljika iz UPOV-a uključuju izravne i neizravne emisije. Prema "Tehničkim specifikacijama za procjenu rada postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda s niskim-ugljikom" (T/CAEPI 49-2022), izravne emisije ugljika prvenstveno se sastoje od CH₄, N₂O i CO₂ izgaranja fosilnih goriva. Neizravne emisije obuhvaćaju one povezane s kupljenom električnom energijom, toplinom i kemikalijama. Kao što je definirao Međuvladin panel za klimatske promjene (IPCC), CO₂ koji se emitira iz procesa biološke razgradnje u pročišćavanju otpadnih voda nije uključen u obračun emisije ugljika. Među različitim elementima emisije ugljika u uređajima za pročišćavanje otpadnih voda, potrošnja električne energije ima najveći udio. Jiang Fuhai i dr., na temelju uzorka od 10 postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda, otkrili su da se udio potrošnje električne energije u emisiji ugljika kreće od 31% do 64%. Hu Xiang i dr., analizirajući 22 postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda u bazenu jezera Chaohu, izvijestili su da emisije ugljika iz potrošnje električne energije čine 61,55% do 73,56%. Što je niža koncentracija dotoka i što je viši standard efluenta, to je veći udio izravnih emisija ugljika, posebice onih od potrošnje električne energije. Sustavi prozračivanja troše više od 50% ukupne električne energije uređaja za pročišćavanje otpadnih voda. Radna učinkovitost sustava za prozračivanje izravno utječe na uklanjanje dušika i fosfora. Pretjerano prozračivanje dovodi do nepotrebne potrošnje endogenih izvora ugljika u otpadnoj vodi, smanjujući učinkovitost biološkog uklanjanja dušika i fosfora, čime se povećava doza vanjskih izvora ugljika i kemikalija za uklanjanje fosfora, što zauzvrat povećava emisije ugljika od potrošnje kemikalija. Posljedično, ušteda energije u sustavima prozračivanja ključna je za smanjenje ugljika u uređajima za pročišćavanje otpadnih voda, što istraživanje tehnologija za uštedu energije sustava prozračivanja čini vrlo značajnim.
1. Razlozi visoke potrošnje energije u sustavima prozračivanja kineskih uređaja za pročišćavanje otpadnih voda
1.1 Stvarno utjecajno opterećenje niže je od proračunskog opterećenja
Nisko utjecajno opterećenje uključuje i nisku stopu protoka i nisku koncentraciju onečišćivača. To je primarni uzrok prekomjerne aeracije. Pre-prozračivanje ne samo da povećava potrošnju električne energije, već također pretjerano iscrpljuje endogene izvore ugljika u otpadnoj vodi i podiže koncentracije otopljenog kisika u anaerobnim i anoksičnim spremnicima, otežavajući uklanjanje dušika i fosfora. To zahtijeva povećane doze izvora ugljika i kemikalija za uklanjanje fosfora, povećavajući povezane emisije ugljika.
1.1.1 Nizak protok
Tipično, u prvim godinama nakon izgradnje uređaja za pročišćavanje otpadnih voda, dotok vode često ne dosegne projektirani kapacitet zbog zaostajanja urbanog razvoja ili izgradnje kanalizacijske mreže. Nadalje, u područjima kombiniranog kanalizacijskog sustava ili regijama s jakim miješanjem oborinske i kanalizacijske vode, protok po suhom-vremenu znatno je niži od protoka po-mokrom vremenu, što dovodi do velikih fluktuacija protoka. To zahtijeva preciznije reguliranje i kontrolu stupnja prozračivanja; inače, prekomjerno{4}}prozračivanje tijekom razdoblja slabog-protoka je uobičajeno, što utječe na učinkovitost uklanjanja ugljika, dušika i fosfora i povećava potrošnju električne energije i kemikalija.Slika 1prikazuje varijacije u količini pročišćavanja otpadnih voda u gradu Changsha između sušnih i vlažnih sezona. Količina tretmana-u vlažnoj sezoni je 30%–40% veća nego u sušnoj sezoni. Sezonske fluktuacije volumena tretiranja zahtijevaju precizniju kontrolu sustava prozračivanja.
1.1.2 Niska utjecajna koncentracija
Stvarne ulazne koncentracije onečišćujućih tvari u kineskim gradskim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda općenito su puno niže od projektiranih vrijednosti. U projektiranju uređaja za pročišćavanje otpadnih voda, kvaliteta utjecaja obično se temelji na srednjoročnim-do-dugoročnim-projekcijama s kompletnom kanalizacijskom mrežom. Prema "Standardu za projektiranje vanjskog inženjeringa otpadnih voda" (GB 50014-2021), pet-dnevna biokemijska potrošnja kisika (BPK₅) za kućnu otpadnu vodu izračunata je na 40–60 g/(osoba·d), općenito uzimajući 40 g/(osoba·d). S ispuštanjem otpadnih voda po stanovniku od 200–350 L/(osoba·d) u većini gradova, projektirana koncentracija BPK5 obično se kreće od 110 do 200 mg/L. Statistike pokazuju da 68% postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda u Kini ima stvarni godišnji prosječni BPK5 ispod 100 mg/L, dok 40% ima godišnji prosjek ispod 50 mg/L. Iz perspektive utjecajne koncentracije u odnosu na potrebnu aeraciju, većina kineskih UPOV-a ima sustave prozračivanja dizajnirane s "prevelikim motorom za mala kolica"-konfiguriranim s puhalima velikog-kapaciteta dok je stvarna potražnja za zrakom niska. Ova konfiguracija lako dovodi do pretjeranog prozračivanja i povećane potrošnje energije.
1.2 Nerazumna konfiguracija količine opreme za prozračivanje
Mnogi uređaji za pročišćavanje otpadnih voda nerazumno su konfigurirali broj jedinica opreme za prozračivanje jer nisu uzeli u obzir česte radne uvjete-opterećenja. Na primjer, mnogi mali i srednji-uređaji za pročišćavanje otpadnih voda obično konfiguriraju puhala u postavci "2 duty + 1 standby" (ukupno 3) u dizajnu prostorija za puhanje, što je optimalno prema projektiranom protoku i uvjetima kvalitete. Međutim, pod uvjetima niskog utjecajnog opterećenja, rad čak i jednog puhala na minimalnoj snazi može uzrokovati prekomjerno-prozračivanje i povećanu potrošnju energije. Dok se ugradnjom pogona s promjenjivom frekvencijom (VFD) ili drugih sredstava za smanjenje dovoda zraka može izbjeći prekomjerno-prozračivanje, ove mjere mogu pomaknuti rad puhala iz zone visoke-učinkovitosti, smanjujući učinkovitost i rasipanje energije. S obzirom na općenito niske koncentracije utjecaja, trebalo bi razmotriti strategije poput povećanja broja puhala uz smanjenje kapaciteta pojedinačne jedinice kako bi se zadovoljile potrebe regulacije potražnje zraka tijekom razdoblja niskog-opterećenja. Povijesno gledano, ograničeni proračuni i visoka cijena uvezenih puhala visokih-učinkovitosti doveli su do manjeg broja-konfiguracija jedinica. Uz sazrijevanje domaće-tehnologije puhala visokih performansi i smanjene troškove, sada su povoljni uvjeti za optimizaciju konfiguracije puhala za postizanje uštede energije i smanjenja ugljika.
1.3 Niska učinkovitost opreme za prozračivanje
Neka starija postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda, izgrađena s tehnologijom svog vremena, koriste opremu za prozračivanje niske-učinkovitosti, visoke-energetske-potrošnje. Prema trenutnim standardima tehnologije i energetske učinkovitosti, oprema poput Roots puhala, više{4}}stupanjskih centrifugalnih puhala-niske brzine, diskastih aeratora i četkastih aeratora smatra se niskom-učinkovitošću, obično u rasponu od 40% do 65% učinkovitosti-15% do 40% niže od modernih centrifugalnih puhala velike-brzine. Nadalje, u uređajima za pročišćavanje otpadnih voda koji koriste finu{14}}prozračivanje difuzijom mjehurića u anaerobnim-anoksičnim-oksičnim (A₂/O) ili anoksično-oksičnim (A/O) procesima, starenje ili začepljenje difuzora smanjuje učinkovitost prijenosa kisika i povećava otpor, čime se povećava potrošnja energije puhala.
1.4 Nerazumna konfiguracija miješalica u biološkim spremnicima
U oksidacijskim jarcima s površinskim aeratorima, oprema služi i za prozračivanje i za miješanje/guranje. Ovo je razuman dizajn u uvjetima proračunskog opterećenja. Međutim, pod uvjetima niskog-opterećenja, smanjenje ili zaustavljanje prozračivanja može biti potrebno, ali da bi se spriječilo taloženje mulja ili odvajanje tekućih-krutih tvari, mora se održavati dovoljna brzina protoka, prisiljavajući kontinuirani rad aeratora i uzrokujući prekomjerno-prozračivanje, loše uklanjanje hranjivih tvari i gubitak energije. Za energetski-učinkovitiji rad pri malim opterećenjima, oksidacijski jarci trebaju biti opremljeni pravilno konfiguriranim potopnim miješalicama.
U A₂/O i A/O procesima, aerobni spremnici obično su potpuno prekriveni finim -difuzorima mjehurića bez namjenskih miješalica, oslanjajući se na dovoljno prozračivanje kako bi se spriječilo taloženje. Pod malim opterećenjima, smanjenje prozračivanja ili provođenje povremenog prozračivanja kako bi se izbjeglo prekomjerno-prozračivanje može lako dovesti do taloženja mulja, što utječe na obradu. Za učinkovitiji rad pri malim opterećenjima, A₂/O i A/O aerobni spremnici trebali bi razmotriti dodavanje odgovarajućih miksera.
2. Tehnički pristupi uštedi energije i smanjenju ugljika u sustavima prozračivanja uređaja za pročišćavanje otpadnih voda
2.1 Zamjena visoko{1}}učinkovitom opremom za prozračivanje
Postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda koja još uvijek koriste nisko{0}}učinkovitu opremu kao što su Roots puhala, više-stupanjska centrifugalna-brzinska puhala, diskasti aeratori ili četkasti aeratori, ili oni s ozbiljno starom i neučinkovitom opremom, trebali bi provoditi procjene energetske učinkovitosti iz perspektive-uštede energije i-smanjenja ugljika te ih pravovremeno zamijeniti novima, modeli visoke-učinkovitosti. Trenutačno, puhala velike-brzine poput jednostupanjskih-centrifugalnih puhala velike{9}}brzine, puhala s magnetskim ležajem i puhala sa zračnim ležajem koji se koriste u velikim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda obično imaju učinkovitost između 80% i 85%. Međutim, tržištu trenutačno nedostaju centrifugalni puhači malog{13}}velikog{14}}kapaciteta. Uređaji za pročišćavanje otpadnih voda s kapacitetom ispod 2.000 m³/d još uvijek se oslanjaju na manje učinkovitu opremu poput Roots puhala, s učinkovitošću općenito između 40% i 65%, što ukazuje na značajan potencijal za poboljšanje. Stoga je razvoj učinkovitije male{21}}opreme za prozračivanje značajan za uštedu energije i smanjenje ugljika u malim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda.
2.2 Pretvorba s površinske aeracije na finu -aeraciju difuznom mjehurićima
S obzirom na odgovarajuću dubinu vode, prozračivanje s finim-mjehurićima energetski je-učinkovitije od površinskog prozračivanja. Pretvaranje oksidacijskih kanala iz površinskih u finu-prozračivanje raspršenim mjehurićima može polučiti dobre-rezultate uštede energije. Iz implementiranih projekata rekonstrukcije, takve pretvorbe ne samo da postižu značajne uštede energije, već i poboljšavaju učinkovitost biološkog uklanjanja hranjivih tvari. Studija Chen Chaoa primijetila je da je nakon preinake jednog uređaja za pročišćavanje otpadnih voda ukupna potrošnja električne energije smanjena za 24,7%, dok su se stope uklanjanja dušika iz amonijaka, KPK i ukupnog fosfora povećale za 30,39%, 5,39%, odnosno 2,09%. Xie Jici i sur. objavili su uštedu energije od 0,09–0,12 kWh/m³ nakon slične pretvorbe, sa značajnim poboljšanjem učinkovitosti biološkog uklanjanja hranjivih tvari. U aeraciji s finim-mjehurićima, učinkovitost prijenosa kisika u linearnoj je pozitivnoj korelaciji s dubinom vode. Ispod određene kritične dubine njegova učinkovitost može biti niža od površinske aeracije. Općenito, dubina vode veća od 4 m smatra se prikladnim uvjetom za pretvaranje oksidacijskih jaraka u finu -aeraciju difuzijom mjehurića.
3. Tehnički pristupi uštedi energije i smanjenju ugljika u sustavima prozračivanja uređaja za pročišćavanje otpadnih voda
3.1 Zamjena visoko{1}}učinkovitom opremom za prozračivanje
Postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda koja još uvijek koriste nisko{0}}učinkovitu opremu kao što su Roots puhala, više-stupanjska centrifugalna-brzinska puhala, diskasti aeratori ili četkasti aeratori, ili oni s ozbiljno starom i neučinkovitom opremom, trebali bi provoditi procjene energetske učinkovitosti iz perspektive-uštede energije i-smanjenja ugljika te ih pravovremeno zamijeniti novima, modeli visoke-učinkovitosti. Trenutačno, puhala velike-brzine poput jednostupanjskih-centrifugalnih puhala velike{9}}brzine, puhala s magnetskim ležajem i puhala sa zračnim ležajem koji se koriste u velikim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda obično imaju učinkovitost između 80% i 85%. Međutim, tržištu trenutačno nedostaju centrifugalni puhači malog{13}}velikog{14}}kapaciteta. Uređaji za pročišćavanje otpadnih voda s kapacitetom ispod 2.000 m³/d još uvijek se oslanjaju na manje učinkovitu opremu poput Roots puhala, s učinkovitošću općenito između 40% i 65%, što ukazuje na značajan potencijal za poboljšanje. Stoga je razvoj učinkovitije male{21}}opreme za prozračivanje značajan za uštedu energije i smanjenje ugljika u malim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda.
3.2 Pretvorba s površinske aeracije na finu -aeraciju difuznom mjehurićima
S obzirom na odgovarajuću dubinu vode, prozračivanje s finim-mjehurićima energetski je-učinkovitije od površinskog prozračivanja. Pretvaranje oksidacijskih kanala iz površinskih u finu-prozračivanje raspršenim mjehurićima može polučiti dobre-rezultate uštede energije. Iz implementiranih projekata rekonstrukcije, takve pretvorbe ne samo da postižu značajne uštede energije, već i poboljšavaju učinkovitost biološkog uklanjanja hranjivih tvari. Studija Chen Chaoa primijetila je da je nakon preinake jednog uređaja za pročišćavanje otpadnih voda ukupna potrošnja električne energije smanjena za 24,7%, dok su se stope uklanjanja dušika iz amonijaka, KPK i ukupnog fosfora povećale za 30,39%, 5,39%, odnosno 2,09%. Xie Jici i sur. objavili su uštedu energije od 0,09–0,12 kWh/m³ nakon slične pretvorbe, sa značajnim poboljšanjem učinkovitosti biološkog uklanjanja hranjivih tvari. U aeraciji s finim-mjehurićima, učinkovitost prijenosa kisika u linearnoj je pozitivnoj korelaciji s dubinom vode. Ispod određene kritične dubine njegova učinkovitost može biti niža od površinske aeracije. Općenito, dubina vode veća od 4 m smatra se prikladnim uvjetom za pretvaranje oksidacijskih jaraka u finu -aeraciju difuzijom mjehurića.
3.3 Tehnologija povremenog prozračivanja
Za postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda s niskim koncentracijama dotoka, povremena aeracija kontinuiranog-protoka učinkovito rješava probleme slabog uklanjanja hranjivih tvari i velike potrošnje energije uzrokovane prekomjernom{1}}prozračivanjem. Uključuje kontinuirani dolazni i otpadni tok dok sustav prozračivanja radi u ciklusima uključivanja/isključivanja prozračivanja. Nakon istraživanja ARAKI-ja i suradnika iz 1986. o povremenom prozračivanju za uklanjanje dušika u oksidacijskim jarcima, mnogi su znanstvenici proveli eksperimentalne studije. Hou Hongxun i sur. proveli su -pokus u punom opsegu u PPOV-u od 100.000 m³/d koristeći kontinuiranu-protočnu isprekidanu aeraciju u oksidacijskom jarku, postigavši povećanje od 20% u ukupnom uklanjanju dušika, 49% povećanje u ukupnom uklanjanju fosfora i 21% smanjenje ukupne potrošnje energije postrojenja. He Quan i dr., u ispitivanju oksidacijskog jarka s WWTP-om od 40 000 m³/d uz ciklus od 2-sata uključeno/2-satnog isključenja, otkrili su da je u usporedbi s kontinuiranim prozračivanjem, povremeno prozračivanje uštedjelo 42% energije prozračivanja, povećalo ukupno uklanjanje dušika za 9,6%, a ukupno uklanjanje fosfora za 6,9% tijekom zime uvjetima niske-temperature. Zheng Wanlin i suradnici, u probnom postupku A₂/O postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda od 40 000 m³/d koristeći ciklus od 3-satnog uključenja/3-satnog isključenja, održali su stabilnu kvalitetu otpadnih voda u skladu sa standardima uz uštedu od 18,3% u potrošnji električne energije. Trenutačno su sveobuhvatne primjene isprekidane aeracije s kontinuiranim protokom još uvijek ograničene, s nekoliko preostalih tehničkih izazova.
Za A₂/O procese koji koriste finu{0}}aeraciju s mjehurićima, dva čimbenika ograničavaju široku primjenu povremene aeracije. Prvo, centrifugalni puhači velike-brzine stvaraju jak-decibel, oštru buku nakon pokretanja; česti ciklusi za povremeni rad stvaraju buku. Drugo, česti ciklusi pokretanja-zaustavljanja za puhače s magnetskim/zračnim ležajevima uzrokuju da be-kontaktni ležajevi opetovano dolaze u kontakt s kućištem, što lako dovodi do oštećenja ležaja, povećane stope kvarova i smanjenog vijeka trajanja.
Prilikom primjene povremene aeracije u oksidacijskim jarakovima ili A₂/O procesima, mora se osigurati dovoljna brzina miješanja tijekom razdoblja bez -prozračivanja, što može zahtijevati dodatne miješalice kako bi se spriječilo taloženje mulja. Koncentracije dušika u amonijaku mogu brzo porasti tijekom ne-prozračivanja, riskirajući trenutno prekoračenje. Stoga su potrebna daljnja istraživanja kako bi se znanstveno postavili i prilagodili ciklusi prozračivanja, bolje poboljšavajući uštedu energije i uklanjanje onečišćujućih tvari uz izbjegavanje trenutnog prekoračenja amonijačnog dušika.
Zabrinutost uređaja za pročišćavanje otpadnih voda o potencijalnom trenutnom prekoračenju dušika u amonijaku glavna je prepreka širokoj primjeni povremene aeracije. U siječnju 2022. Ministarstvo ekologije i okoliša objavilo je savjetovanje o nacrtu amandmana na GB 18918-2002, prvenstveno predlažući dodavanje najvećih dopuštenih granica za pojedinačna mjerenja. Ova predložena ograničenja pojedinačnog mjerenja znatno su viša od izvornih ograničenja dnevnog prosjeka, dok dnevni prosjeci ostaju nepromijenjeni. Na primjer, za standard stupnja A jedno mjerenje ispod 10 mg/L (15 mg/L ispod 12 stupnjeva) bilo bi prihvatljivo ako dnevni prosjek ostane ispod 5 mg/L (8 mg/L ispod 12 stupnjeva). Ako se provede, ovaj bi amandman mogao pomoći u rješavanju regulatornih problema u vezi s trenutačnim prekoračenjem zbog povremene aeracije, olakšavajući njegovu primjenu u procesima oksidacijskih kanala.
3.4 Precizna tehnologija prozračivanja
Brzine protoka uređaja za pročišćavanje otpadnih voda i koncentracije dotoka značajno variraju, čak i tijekom dana, uzrokujući promjenjivu potražnju za zrakom. Oslanjanje isključivo na ručno{1}}podešavanje utemeljeno na iskustvu otežava preciznu kontrolu i može ugroziti stabilnost kvalitete efluenta. S napretkom velikih podataka i umjetne inteligencije, pojavio se koncept precizne aeracije. Precizna tehnologija prozračivanja primijenjena je u nekim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda, obično postižući 10%–20% uštede energije u sustavima prozračivanja. Kombinacija precizne aeracije s drugim modifikacijama procesa može dati bolje rezultate. Zhu Jie i sur. implementirao preciznu rekonstrukciju prozračivanja u više-stupanjskom A/O procesu UPOV, postigavši 49,8% uštede energije u sustavu prozračivanja. Precizno i inteligentno prozračivanje predstavljaju važne buduće smjerove za uštedu energije i smanjenje ugljika. Trenutna ograničenja postoje-u mogućnostima i točnosti prikupljanja i analize podataka u stvarnom vremenu za te sustave. Potrebno je više tehnoloških otkrića u-preciznoj kontroli puhala i ventila u stvarnom vremenu i preciznoj distribuciji zraka.
4. Zaključak
Ušteda energije u sustavima prozračivanja ključna je za smanjenje ugljika u uređajima za pročišćavanje otpadnih voda. Primarni razlog za visoku potrošnju energije u kineskim sustavima prozračivanja uređaja za pročišćavanje otpadnih voda je nisko utjecajno opterećenje, što lako dovodi do prekomjerne-prozračivanja, rasipanja električne energije i povećanja emisija ugljika iz energije i kemikalija. Ostali razlozi uključuju starenje/nisku-učinkovitost opreme i nerazumnu konfiguraciju opreme za prozračivanje i miješanje. Učinkovita sredstva za postizanje uštede energije i smanjenja ugljika uključuju zamjenu niske-učinkovitosti visoko-učinkovitom opremom za prozračivanje, pretvorbu površine u finu-mjehurićastu difuznu aeraciju i primjenu tehnologija kao što su kontinuirano-protočno isprekidano prozračivanje i precizno prozračivanje.