Nieprawidłowe stężenia rozpuszczonego tlenu (DO) są powszechnym i trudnym problemem w oczyszczalniach ścieków, wpływającym nie tylko na jakość ścieków, ale także potencjalnie wywołując reakcję łańcuchową polegającą na pęcznieniu osadu i zwiększonym zużyciu energii. Oprócz konwencjonalnej regulacji napowietrzania i środków wstępnego oczyszczania wody, poniższe rozwiązania zapewniają zaawansowane rozwiązania w przypadku anomalii DO w trzech wymiarach: innowacyjne technologie w sytuacjach awaryjnych, restrukturyzacja i optymalizacja systemu oraz-interdyscyplinarna integracja technologii.
Awaryjne innowacyjne technologie: szybkie przezwyciężenie dylematu koncentracji DO
(I) Ulepszona technologia napowietrzania
Technologia napowietrzania nanopęcherzykami
Zasada i zalety: Nanopęcherzyki o średnicy zaledwie 10–200 nm mają dużą powierzchnię właściwą, powolną prędkość wzrostu i wysoką skuteczność rozpuszczania. W porównaniu z tradycyjnymi metodami napowietrzania, napowietrzanie nanopęcherzykami może zwiększyć wykorzystanie tlenu do ponad 80%, czyli 2-3 razy więcej niż napowietrzanie mikroporowate. W sytuacjach awaryjnych, w których występuje nagły spadek stężenia DO, nanopęcherzyki mogą szybko zwiększyć poziom rozpuszczonego tlenu w wodzie bez wpływu na społeczność drobnoustrojów.
Przypadek zastosowania: W chemicznej oczyszczalni ścieków nastąpił nagły wzrost stężenia wpływającej materii organicznej, co spowodowało spadek stężenia rozpuszczonego tlenu (DO) z 2,5 mg/L do 0,8 mg/L. Po awaryjnej aktywacji systemu napowietrzania nanopęcherzykowego stężenie DO wzrosło do ponad 2 mg/l w ciągu zaledwie 30 minut i powróciło do normalnego poziomu po 2 godzinach, unikając ryzyka przekroczenia norm przez ścieki.
System awaryjny napowietrzania czystym tlenem
Obowiązujące scenariusze: Gdy konwencjonalne systemy napowietrzania nie są w stanie zaspokoić awaryjnego zapotrzebowania na tlen, jako uzupełnienie sytuacji awaryjnych można zastosować napowietrzanie czystym tlenem. Tlen o wysokim-stęeniu dostarczany jest ze zbiorników ciekłego tlenu lub generatorów tlenu i bezpośrednio wtryskiwany do zbiornika oczyszczania biologicznego, co znacznie zwiększa stężenie DO w krótkim czasie. Wydajność przenoszenia tlenu w przypadku napowietrzania czystym tlenem jest 5-10 razy większa niż w przypadku napowietrzania powietrzem, co czyni go szczególnie odpowiednim do leczenia awaryjnego w przypadku wstrząsów pod dużym obciążeniem lub awarii sprzętu napowietrzającego.
Środki ostrożności: W przypadku napowietrzania czystym tlenem konieczna jest ścisła kontrola szybkości wtryskiwania tlenu, aby uniknąć zbyt wysokich stężeń DO, prowadzących do zatrucia drobnoustrojami. Co więcej, czysty tlen jest stosunkowo drogi i powinien być stosowany jedynie-doraźnie, jako krótkotrwały środek awaryjny, a nie do długotrwałego-ciągłego stosowania. W okresach szczytowego zrzutu ścieków z czyszczenia zbiorników fermentacyjnych, browarnicza oczyszczalnia ścieków stosowała napowietrzanie czystym tlenem, aby utrzymać stabilne stężenie rozpuszczonego tlenu (DO) na poziomie około 3 mg/l, zapewniając skuteczny rozkład materii organicznej.
(II) Technologia wzmocnionej rekultywacji mikrobiologicznej
Ukierunkowane dawkowanie funkcjonalnych środków mikrobiologicznych:
Wybór i zastosowanie agenta: Określone funkcjonalne środki bakteryjne wybiera się w celu ulepszenia w oparciu o różne typy anomalii DO. Na przykład, gdy zużycie DO jest powolne z powodu niewystarczającej aktywności osadu, dodanie wysoce skutecznych rozkładających czynników mikrobiologicznych (takich jak Bacillus i Pseudomonas) może szybko zwiększyć zdolność metaboliczną drobnoustrojów i zwiększyć zużycie tlenu. Gdy stężenie DO jest zbyt wysokie, dodaje się środki mikrobiologiczne denitryfikujące, aby wykorzystać reakcje denitryfikacji w celu zużycia nadmiaru tlenu.
Opracowywanie dostosowanych środków mikrobiologicznych: Niektóre oczyszczalnie ścieków współpracują z instytucjami badawczymi w celu opracowania dostosowanych złożonych środków mikrobiologicznych w oparciu o jakość wody wpływającej i strukturę społeczności drobnoustrojów. Farmaceutyczna oczyszczalnia ścieków na podstawie analizy społeczności drobnoustrojów osadowych odkryła brak szczepów rozkładających określone antybiotyki. Po ukierunkowanym zastosowaniu złożonego środka bakteryjnego stężenie DO spadło z 5 mg/l do 2,8 mg/l, podczas gdy stopień usuwania antybiotyków wzrósł o 40%. Technologia szybkiej budowy biofilmu
Wybór nośnika i metoda tworzenia biofilmu: Zawieszone nośniki biologiczne (takie jak gąbka poliuretanowa lub ceramzyt) dodaje się do zbiornika oczyszczania biologicznego. W celu wytworzenia biofilmu na powierzchni nośnika stosuje się technologię szybkiego tworzenia biofilmu. Społeczność drobnoustrojów w biofilmie ma stabilną strukturę, dużą odporność na wstrząsy i może utrzymać aktywność nawet w warunkach dużych wahań stężenia DO. Stosując napowietrzanie i mieszanie w połączeniu z inokulacją dominujących gatunków bakterii, tworzenie biofilmu można zakończyć w ciągu 7-10 dni, zwiększając zdolność oczyszczania układu biologicznego o 20%-30%.
Wyniki zastosowania: W miejskiej oczyszczalni ścieków zaobserwowano zmniejszoną aktywność osadu i nadmierną ilość azotu amonowego w ściekach z powodu długotrwałych-wahań stężenia DO. Dodając ceramzytowe nośniki biologiczne i zaszczepiając bakteriami nitryfikacyjnymi, stężenie DO ustabilizowało się na poziomie 2-3 mg/l po utworzeniu biofilmu, a stopień usuwania azotu amonowego wzrósł z 60% do 95%, znacznie poprawiając stopień zgodności jakości ścieków.
Restrukturyzacja i optymalizacja systemu: eliminacja pierwotnych przyczyn nieprawidłowości DO
(I) Aktualizacja i transformacja ścieżki procesu
Wieloetapowa-optymalizacja procesu AO
Segmentowy dopływ i precyzyjne napowietrzanie: modernizacja tradycyjnego procesu AO do wieloetapowego-procesu AO, poprzez segmentację dopływu i niezależną kontrolę napowietrzania, umożliwia precyzyjną regulację stężenia DO w różnych strefach. Na przykład w pierwszym-strefie beztlenowej stężenie DO jest kontrolowane<0.5 mg/L to enhance denitrification; in the aerobic zone, the aeration rate is adjusted according to the influent load to stabilize the DO concentration at 2-4 mg/L. After adopting the multi-stage AO process, a wastewater treatment plant reduced the DO concentration fluctuation range from ±1 mg/L to ±0.3 mg/L, and the denitrification efficiency increased by 30%.
Dodanie pośredniego zbiornika sedymentacyjnego: dodanie pośredniego osadnika do wieloetapowego-procesu AO zapewnia oddzielną kontrolę powrotu osadu i powrotu zmieszanego ługu. Pośredni osadnik może usunąć część osadu, zmniejszając stężenie osadu w kolejnej strefie tlenowej i zmniejszając zużycie tlenu; jednocześnie powrót zmieszanego ługu może przenosić więcej azotanów do strefy beztlenowej, poprawiając skuteczność denitryfikacji. Oczyszczalnia ścieków w parku przemysłowym obniżyła stężenie DO w strefie tlenowej o 0,5 mg/L i zmniejszyła zużycie energii na napowietrzanie o 15% poprzez dodanie osadnika pośredniego.
Głęboka optymalizacja procesu MBR: Układ modułu membranowego i dostosowanie metody napowietrzania: W bioreaktorze membranowym (MBR) optymalizacja układu modułu membranowego i metody napowietrzania może skutecznie kontrolować rozkład stężenia DO. Aby zaspokoić zapotrzebowanie mikroorganizmów na tlen, jednocześnie wytwarzając siłę ścinającą, zapobiegającą zabrudzeniu membrany, stosuje się kombinację napowietrzania dolnego i bocznego. Jednocześnie monitorowanie online stężenia DO w zbiorniku membranowym umożliwia-regulowanie szybkości napowietrzania w czasie rzeczywistym, zapobiegając nadmiernemu napowietrzaniu, które mogłoby prowadzić do wysokich stężeń DO. Po optymalizacji stężenie DO w układzie MBR oczyszczalni ścieków zakładu przetwórstwa spożywczego ustabilizowało się na poziomie 1,5-2,5 mg/L, a cykl czyszczenia membrany wydłużono z 30 dni do 60 dni.
MBR w połączeniu z zaawansowanymi procesami utleniania: Gdy stężenie DO w systemie MBR jest nieprawidłowe z powodu opornej materii organicznej na dopływie, zaawansowane procesy utleniania (takie jak utlenianie ozonem i utlenianie Fentona) są łączone w celu wstępnej obróbki dopływu. Zaawansowane utlenianie może rozłożyć oporną materię organiczną na substancje łatwo biodegradowalne, zmniejszając obciążenie oczyszczaniem biochemicznym i stabilizując stężenie DO. Po przyjęciu procesu MBR-z ozonem w barwiarni i drukarni oczyszczalni ścieków odnotowano wzrost stężenia DO z 1,2 mg/l do 2,2 mg/l, a stopień usuwania ChZT z 75% do 90%.
(II) Odzyskiwanie i recykling energii
Beztlenowa fermentacja osadów na potrzeby wytwarzania energii i napowietrzania
Zasada procesu: Osad nadmierny jest wprowadzany do komory fermentacyjnej beztlenowej. Wytworzony biogaz wykorzystywany jest do wytwarzania energii elektrycznej w ogniwach paliwowych, dostarczając energię do urządzeń napowietrzających. Jednocześnie poferment po fermentacji beztlenowej jest bogaty w składniki odżywcze, takie jak azot i fosfor, które można zawrócić do zbiornika biochemicznego w celu uzupełnienia mikrobiologicznych składników odżywczych, promowania metabolizmu drobnoustrojów i stabilizacji stężenia DO. Oczyszczalnia ścieków, poprzez beztlenową fermentację osadu do celów wytwarzania energii, pokryła 30% zapotrzebowania systemu napowietrzania na energię elektryczną, oszczędzając około 800 000 juanów rocznie na kosztach energii elektrycznej, jednocześnie poprawiając stabilność stężenia DO o 25%.
Kontrola powrotu pofermentu: Ściśle kontroluj natężenie przepływu pofermentu, aby uniknąć nadmiernego rozwoju drobnoustrojów z powodu nadmiernej ilości składników odżywczych, co mogłoby zwiększyć zużycie tlenu. Monitorując stężenia azotu i fosforu w zbiorniku oczyszczania biologicznego, reguluje się udział recyrkulacji szlamu biogazowego, zwykle kontrolowany na poziomie 5–10% natężenia przepływu napływającego.
Odzysk ciepła odpadowego i kontrola temperatury wody
System odzyskiwania ciepła odpadowego gromadzi ciepło odpadowe powstające podczas oczyszczania ścieków (takie jak rozpraszanie ciepła z urządzeń napowietrzających i ciepło wytwarzane w wyniku fermentacji beztlenowej), przekształcając je w gorącą wodę za pośrednictwem układu pompy ciepła w celu regulacji temperatury wody w zbiorniku oczyszczania biologicznego. Temperatura wody jest kluczowym czynnikiem wpływającym na rozpuszczalność tlenu i aktywność drobnoustrojów. Utrzymywanie temperatury wody na poziomie 20-30 stopni pomaga ustabilizować rozpuszczalność tlenu i optymalizuje aktywność drobnoustrojów. Oczyszczalnia ścieków w północnych Chinach, dzięki systemowi odzyskiwania ciepła odpadowego, podniosła temperaturę wody w zbiorniku oczyszczania biologicznego z 12 stopni do 22 stopni zimą, zwiększyła stężenie rozpuszczonego tlenu (DO) o 0,8 mg/l i poprawiła skuteczność oczyszczania o 20%.
Temperatura wody i współkontrola DO: ustala się model współ-kontroli pomiędzy temperaturą wody a stężeniem DO. Gdy temperatura wody wzrasta, stopień napowietrzania jest odpowiednio zwiększany, aby skompensować spadek rozpuszczalności tlenu; gdy temperatura wody spada, szybkość napowietrzania jest zmniejszana, aby zapobiec zbyt wysokim stężeniom DO. Ta dynamiczna kontrola zapewnia, że stężenie DO pozostaje stabilne w odpowiednim zakresie.
Między-Integracja technologii branżowych: innowacyjne rozwiązania w przypadku anomalii DO
(I) Zastosowanie technologii IoT i Big Data
DO Inteligentny system przewidywania i wczesnego ostrzegania o stężeniu
Analiza fuzji danych z wielu-źródeł: integrując informacje z wielu-źródeł, takie jak jakość wody dopływającej, ilość wody, parametry operacyjne urządzeń napowietrzających i dane meteorologiczne, w drodze analizy dużych zbiorów danych tworzony jest model przewidywania stężenia DO. Model ten może przewidzieć trendy stężeń DO z 24-godzinnym wyprzedzeniem. Kiedy przewidywane stężenie DO przekroczy normalny zakres, automatycznie uruchamia wczesne ostrzeżenie i wyświetla sugestie optymalizacji. Inteligentny system wczesnego ostrzegania w oczyszczalni ścieków osiągnął współczynnik dokładności na poziomie 95%, skracając czas reakcji w przypadku anomalii w stężeniu DO z 2 godzin do 30 minut.
Zdalne sterowanie i obsługa bezzałogowa: W oparciu o technologię IoT możliwe jest zdalne sterowanie urządzeniami napowietrzającymi i bezzałogowe zarządzanie zbiornikami do oczyszczania biologicznego. Operatorzy mogą monitorować stężenie DO i stan pracy sprzętu w czasie rzeczywistym za pośrednictwem aplikacji mobilnej lub komputera oraz zdalnie regulować parametry, takie jak szybkość napowietrzania i współczynnik powrotu osadu. Po przyjęciu bezzałogowego systemu operacyjnego w oczyszczalni ścieków na obszarze górskim wskaźnik stabilności stężenia DO wzrósł do 98%, a koszty pracy spadły o 60%. Symulacja i optymalizacja cyfrowego systemu bliźniaczego
Budowa wirtualnego zbiornika biochemicznego: Wirtualny model zbiornika biochemicznego jest tworzony przy użyciu technologii cyfrowych bliźniaków w celu symulacji rozkładu stężenia DO i procesów metabolicznych drobnoustrojów w różnych warunkach wpływających i parametrach operacyjnych. Dzięki wirtualnym eksperymentom optymalizowane są takie parametry, jak strategie napowietrzania i współczynniki zwrotu osadu, a następnie stosowane jest optymalne rozwiązanie w rzeczywistej produkcji. Oczyszczalnia ścieków, poprzez symulację cyfrowego systemu bliźniaczego, wykazała, że dostosowanie rozstawu głowic napowietrzających z 1,2 m do 1 m poprawiło równomierność stężenia DO o 20%, a rzeczywisty efekt po modyfikacji był zgodny z wynikami symulacji.
Symulacja usterek i ćwiczenia awaryjne: Scenariusze nieprawidłowej koncentracji DO (takie jak awaria sprzętu napowietrzającego i wstrząsy obciążenia napływającego) są symulowane w cyfrowym systemie bliźniaczym, a wirtualne ćwiczenia awaryjne są przeprowadzane w celu poprawy możliwości reagowania operatorów. Dzięki powtarzanym ćwiczeniom operatorzy lepiej zaznajomili się z procedurami postępowania w przypadku anomalii DO, a faktyczny czas reakcji na awarię skrócił się o 40%.
(II) Rozwój nowych materiałów i zaawansowanego sprzętu
Inteligentne materiały membranowe napowietrzające
Charakterystyka materiału i zalety: Nowy inteligentny materiał membrany napowietrzającej charakteryzuje się wysoką porowatością, wysoką wydajnością przenoszenia tlenu i silnymi właściwościami przeciwporostowymi. Inteligentna powłoka na powierzchni membrany automatycznie dostosowuje wielkość porów w zależności od stężenia DO. Kiedy stężenie DO jest zbyt wysokie, pory kurczą się, ograniczając przenikanie tlenu; gdy stężenie DO jest zbyt niskie, pory rozszerzają się, zwiększając transfer tlenu. Wydajność transferu tlenu inteligentnej membrany napowietrzającej jest o ponad 50% wyższa niż w przypadku tradycyjnych głowic napowietrzających, przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii o 30%.
Perspektywy zastosowania: inteligentny materiał na membranę napowietrzającą znajduje się obecnie w fazie-skali pilotażowej i oczekuje się, że w ciągu najbliższych 3-5 lat osiągnie-zastosowanie na dużą skalę. Wyniki pilotażowe instytucji badawczej pokazują, że zakres wahań stężenia DO w zbiorniku oczyszczania biologicznego przy użyciu inteligentnej membrany napowietrzającej wynosi zaledwie ±0,2 mg/l, a efekt oczyszczania jest znacznie lepszy niż w przypadku tradycyjnych systemów napowietrzania.
Podwodny robot monitorujący stężenie DO-w czasie rzeczywistym
Cechy: podwodny robot jest wyposażony w-precyzyjny czujnik DO, analizator jakości wody i kamerę. Może autonomicznie poruszać się po zbiorniku oczyszczania biologicznego, monitorując w czasie rzeczywistym stężenie DO i parametry jakości wody w różnych obszarach. Robot przesyła dane do centralnej sterowni za pośrednictwem komunikacji bezprzewodowej, umożliwiając operatorom intuicyjne zrozumienie rozkładu stężenia DO i szybką identyfikację obszarów o nieprawidłowych poziomach DO.
Innowacyjne zastosowanie: Po wprowadzeniu podwodnego robota monitorującego DO, duża oczyszczalnia ścieków odkryła martwą strefę o niskim stężeniu DO w rogu zbiornika oczyszczania biologicznego. Dostosowując układ głowicy napowietrzającej, wyeliminowano nierównomierny rozkład stężenia DO, poprawiając ogólną skuteczność oczyszczania o 10%.
Wniosek: rozwiązanie problemu nieprawidłowych stężeń DO wymaga przełamania tradycyjnego myślenia i połączenia innowacyjnych technologii awaryjnych, rekonstrukcji i optymalizacji systemu oraz między-dyscyplinarnej integracji technologii w celu zbudowania zróżnicowanych i wielopoziomowych-rozwiązań. Od-krótkoterminowych środków awaryjnych, takich jak napowietrzanie nanopęcherzykami i dodanie funkcjonalnego środka bakteryjnego, po długoterminową-optymalizację systemu poprzez unowocześnienie procesów i odzyskiwanie energii, aż po najnowocześniejsze-technologie, takie jak zastosowania Internetu Rzeczy i opracowywanie nowych materiałów, każda technologia dostarcza nowych pomysłów na rozwiązanie problemu nieprawidłowych stężeń DO. W przyszłości, wraz z ciągłym postępem technologicznym i innowacjami, kontrola stężenia DO stanie się bardziej precyzyjna i skuteczna, dając solidną gwarancję stabilnej pracy oczyszczalni ścieków i osiągania standardów jakości wody.
