Аномальные концентрации растворенного кислорода (РК) являются распространенной и сложной проблемой на очистных сооружениях, влияющей не только на качество сточных вод, но и потенциально вызывающей цепную реакцию накопления осадка и увеличения потребления энергии. Помимо традиционных корректировок аэрации и мер по предварительной очистке воды, следующие меры обеспечивают передовые решения для аномалий растворенного кислорода в трех измерениях: экстренные инновационные технологии, реструктуризация и оптимизация системы, а также междисциплинарная интеграция технологий.
Чрезвычайные инновационные технологии: быстрое преодоление дилеммы концентрации DO
(I) Технология улучшенной аэрации
Технология нанопузырьковой аэрации
Принцип и преимущества: Нанопузырьки диаметром всего 10-200 нм обладают большой удельной поверхностью, медленной скоростью подъема и высокой эффективностью растворения. По сравнению с традиционными методами аэрации, аэрация нанопузырьками может увеличить использование кислорода более чем на 80%, что в 2-3 раза больше, чем при микропористой аэрации. В чрезвычайных ситуациях с внезапным падением концентрации DO нанопузырьки могут быстро повысить уровень растворенного кислорода в воде, не влияя на микробное сообщество.
Случай применения: На установке химической очистки сточных вод произошло внезапное увеличение концентрации поступающих органических веществ, в результате чего концентрация растворенного кислорода (DO) упала с 2,5 мг/л до 0,8 мг/л. После экстренной активации системы аэрации нанопузырьками концентрация DO подскочила до уровня выше 2 мг/л всего за 30 минут и вернулась к нормальному уровню через 2 часа, что позволило избежать риска превышения норм в сточных водах.
Аварийная система аэрации чистым кислородом
Применимые сценарии: Когда традиционные системы аэрации не могут удовлетворить экстренную потребность в кислороде, аэрацию чистым кислородом можно использовать в качестве экстренной добавки. Кислород высокой-концентрации подается через резервуары для хранения жидкого кислорода или генераторы кислорода и впрыскивается непосредственно в резервуар биологической очистки, что значительно увеличивает концентрацию DO за короткое время. Эффективность переноса кислорода при аэрации чистым кислородом в 5-10 раз выше, чем при аэрации воздухом, что делает ее особенно подходящей для экстренной помощи при сильных ударах или отказах аэрационного оборудования.
Меры предосторожности: Для аэрации чистого кислорода необходим строгий контроль скорости подачи кислорода, чтобы избежать чрезмерно высоких концентраций DO, приводящих к микробному отравлению. Кроме того, чистый кислород относительно дорог и его следует использовать только в качестве краткосрочной-чрезвычайных мер, а не для длительного-непрерывного использования. В периоды пикового сброса сточных вод для очистки бродильного резервуара на очистных сооружениях пивоваренного завода применялась аэрация чистым кислородом для поддержания стабильной концентрации растворенного кислорода (РК) на уровне примерно 3 мг/л, обеспечивая эффективное разложение органических веществ.
(II) Технология улучшенной микробиологической реабилитации
Целевое дозирование функциональных микробных агентов:
Выбор и применение агентов. Конкретные функциональные микробные агенты выбираются для улучшения на основе различных типов аномалий DO. Например, когда потребление DO медленное из-за недостаточной активности ила, добавление высокоэффективных разлагающих микроорганизмов (таких как Bacillus и Pseudomonas) может быстро повысить метаболическую способность микробов и увеличить потребление кислорода. Когда концентрация DO слишком высока, добавляются денитрифицирующие микробные агенты, чтобы использовать реакции денитрификации для потребления избыточного кислорода.
Разработка индивидуальных микробных агентов: некоторые станции очистки сточных вод сотрудничают с исследовательскими институтами для разработки индивидуальных сложных микробных агентов на основе качества поступающей воды и структуры микробного сообщества. Фармацевтический завод по очистке сточных вод путем анализа микробного сообщества ила обнаружил отсутствие штаммов, которые разлагают определенные антибиотики. После целенаправленного применения комплексного микробного препарата концентрация РК снизилась с 5 мг/л до 2,8 мг/л, а скорость выведения антибиотика увеличилась на 40%. Технология быстрого создания биопленки
Выбор носителя и метод формирования биопленки: Суспендированные биологические носители (такие как полиуретановая губка или керамсит) добавляются в резервуар биологической очистки. Для создания биопленки на поверхности носителя используется технология быстрого формирования биопленки. Микробное сообщество биопленки имеет стабильную структуру, высокую удароустойчивость и может сохранять активность даже в условиях больших колебаний концентрации РК. При использовании аэрации и перемешивания в сочетании с инокуляцией доминирующих видов бактерий образование биопленки может быть завершено в течение 7–10 дней, увеличивая очищающую способность биологической системы на 20–30%.
Результаты применения: На муниципальной станции очистки сточных вод наблюдалось снижение активности ила и повышенное содержание аммиачного азота в сточных водах из-за долгосрочных-колебаний концентрации растворенного кислорода. За счет добавления биологических носителей керамзита и инокуляции нитрифицирующими бактериями концентрация РК после образования биопленки стабилизировалась на уровне 2-3 мг/л, а степень удаления аммиачного азота увеличилась с 60% до 95%, что значительно улучшило уровень соблюдения качества сточных вод.
Реструктуризация и оптимизация системы: устранение коренных причин нарушений DO
(I) Модернизация и трансформация технологического маршрута
Многоэтапная-оптимизация процесса АО
Сегментированный приток и точная аэрация. Модернизация традиционного процесса АО до многоэтапного процесса АО за счет сегментированного притока и независимого контроля аэрации обеспечивает точное регулирование концентрации DO в различных зонах. Например, в бескислородной зоне первой-ступени концентрация DO контролируется таким образом, чтобы<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%.
Добавление промежуточного отстойника. Добавление промежуточного отстойника к многоэтапному процессу АО обеспечивает раздельный контроль возврата ила и возврата смешанного раствора. Промежуточный отстойник может удалять часть ила, снижая концентрацию ила в последующей аэробной зоне и снижая потребление кислорода; в то же время возврат смешанного щелока может переносить больше нитратов в бескислородную зону, повышая эффективность денитрификации. Установка по очистке сточных вод в индустриальном парке снизила концентрацию РК в аэробной зоне на 0,5 мг/л и снизила энергопотребление аэрации на 15% за счет установки промежуточного отстойника.
Глубокая оптимизация процесса MBR: компоновка мембранного модуля и корректировка метода аэрации. В мембранном биореакторе (MBR) оптимизация компоновки мембранного модуля и метода аэрации может эффективно контролировать распределение концентрации DO. Комбинация нижней и боковой аэрации используется для удовлетворения потребности микроорганизмов в кислороде, одновременно создавая силу сдвига для предотвращения загрязнения мембраны. Одновременно с этим онлайн-мониторинг концентрации DO в мембранном резервуаре позволяет в реальном-времени регулировать скорость аэрации, предотвращая чрезмерную аэрацию, которая может привести к высоким концентрациям DO. После оптимизации концентрация РК в системе МБР очистных сооружений пищевого предприятия стабилизировалась на уровне 1,5-2,5 мг/л, а цикл очистки мембран был увеличен с 30 до 60 суток.
MBR в сочетании с усовершенствованными процессами окисления: когда концентрация DO в системе MBR является аномальной из-за неподатливых органических веществ в приточной воде, для предварительной очистки приточной воды используются усовершенствованные процессы окисления (такие как окисление озоном и окисление Фентона). Усовершенствованное окисление может разложить неподатливые органические вещества на легко биоразлагаемые вещества, снижая нагрузку на биохимическую обработку и стабилизируя концентрацию DO. После внедрения озонового процесса MBR-на заводе по очистке сточных вод красильно-полиграфического производства концентрация растворенного кислорода увеличилась с 1,2 мг/л до 2,2 мг/л, а степень удаления ХПК увеличилась с 75 % до 90 %.
(II) Восстановление и переработка энергии
Анаэробное сбраживание осадка для производства электроэнергии и аэрации
Принцип процесса: Избыточный ил подается в анаэробный варочный котел. Генерируемый биогаз используется для выработки электроэнергии с помощью топливных элементов, обеспечивая питание аэрационного оборудования. В то же время дигестат после анаэробного сбраживания богат питательными веществами, такими как азот и фосфор, которые можно вернуть в биохимический резервуар для пополнения микробных питательных веществ, стимулирования микробного метаболизма и стабилизации концентрации DO. Завод по очистке сточных вод за счет анаэробного сбраживания осадка для выработки электроэнергии удовлетворил 30% потребности системы аэрации в электроэнергии, сэкономив примерно 800 000 юаней на затратах на электроэнергию в год и одновременно улучшив стабильность концентрации DO на 25%.
Контроль возврата дигестата: строго контролируйте скорость возврата дигестата, чтобы избежать чрезмерного роста микробов из-за чрезмерного количества питательных веществ, что может привести к увеличению потребления кислорода. Путем мониторинга концентрации азота и фосфора в баке биологической очистки регулируется доля рециркуляции суспензии биогаза, обычно контролируемая на уровне 5–10 % от расхода входящего потока.
Рекуперация отходящего тепла и контроль температуры воды
Система рекуперации отходящего тепла собирает отходящее тепло, образующееся при очистке сточных вод (например, отвод тепла от аэрационного оборудования и выделение тепла от анаэробного сбраживания), преобразуя его в горячую воду с помощью системы теплового насоса для регулирования температуры воды в резервуаре биологической очистки. Температура воды является решающим фактором, влияющим на растворимость кислорода и микробную активность. Поддержание температуры воды на уровне 20-30 градусов помогает стабилизировать растворимость кислорода и оптимизирует микробную активность. Завод по очистке сточных вод в северном Китае с помощью системы рекуперации отходящего тепла увеличил температуру воды в резервуаре биологической очистки с 12 градусов до 22 градусов зимой, увеличил концентрацию растворенного кислорода (РК) на 0,8 мг/л и повысил эффективность очистки на 20%.
Температура воды и контроль DO Co-: Модель совместного-контроля устанавливается между температурой воды и концентрацией DO. Когда температура воды повышается, скорость аэрации соответственно увеличивается, чтобы компенсировать снижение растворимости кислорода; когда температура воды падает, скорость аэрации снижается, чтобы предотвратить чрезмерно высокие концентрации DO. Этот динамический контроль гарантирует, что концентрация DO остается стабильной в подходящем диапазоне.
Межотраслевая интеграция-технологий: инновационные решения для устранения аномалий
(I) Применение технологий Интернета вещей и больших данных
Интеллектуальная система прогнозирования и раннего предупреждения концентрации DO
Анализ объединения данных из нескольких-источников. Интегрируя информацию из нескольких-источников, такую как качество поступающей воды, количество воды, рабочие параметры аэрационного оборудования и метеорологические данные, модель прогнозирования концентрации растворенного кислорода создается посредством анализа больших данных. Эта модель может предсказать тенденции концентрации DO на 24 часа вперед. Когда прогнозируемая концентрация DO превышает нормальный диапазон, автоматически срабатывает раннее предупреждение и выдаются предложения по оптимизации. Интеллектуальная система раннего предупреждения на очистных сооружениях достигла точности 95 %, сократив время реагирования на аномальную концентрацию растворенного кислорода с 2 часов до 30 минут.
Дистанционное управление и беспилотная работа: на основе технологии Интернета вещей достигается дистанционное управление аэрационным оборудованием и беспилотное управление резервуарами биологической очистки. Операторы могут отслеживать концентрацию растворенного кислорода и рабочее состояние оборудования в режиме реального времени через мобильное приложение или компьютер, а также удаленно регулировать такие параметры, как скорость аэрации и коэффициент возврата ила. После внедрения системы беспилотного управления на очистных сооружениях в горной местности стабильность концентрации РК увеличилась до 98 %, а затраты на рабочую силу снизились на 60 %. Моделирование и оптимизация системы цифровых двойников
Конструкция виртуального биохимического резервуара. Виртуальная модель биохимического резервуара создается с использованием технологии цифровых двойников для моделирования распределения концентрации DO и микробных метаболических процессов при различных условиях поступления и рабочих параметрах. Посредством виртуальных экспериментов оптимизируются такие параметры, как стратегии аэрации и коэффициенты возврата ила, а затем оптимальное решение применяется к реальному производству. Завод по очистке сточных вод с помощью цифрового двойного моделирования системы обнаружил, что изменение расстояния между аэрационными головками с 1,2 метра до 1 метра улучшает однородность концентрации DO на 20%, а фактический эффект после модификации соответствует результатам моделирования.
Моделирование неисправностей и учения по чрезвычайным ситуациям: в системе цифрового двойника моделируются сценарии аномальной концентрации растворенного кислорода (такие как отказ аэрационного оборудования и удары приходящей нагрузки), а для улучшения возможностей реагирования операторов проводятся виртуальные учения по чрезвычайным ситуациям. Благодаря повторным тренировкам операторы лучше ознакомились с процедурами реагирования на аномалии растворенного кислорода, а фактическое время реагирования на чрезвычайные ситуации сократилось на 40%.
(II) Разработка новых материалов и современного оборудования
Интеллектуальные мембранные материалы для аэрации
Характеристики и преимущества материала. Новый интеллектуальный материал аэрационной мембраны отличается высокой пористостью, высокой эффективностью переноса кислорода и сильными противо-способностями к обрастанию. Интеллектуальное покрытие на поверхности мембраны автоматически регулирует размер пор в зависимости от концентрации растворенного кислорода. Когда концентрация DO слишком высока, поры сжимаются, уменьшая перенос кислорода; когда концентрация DO слишком низкая, поры расширяются, увеличивая перенос кислорода. Эффективность переноса кислорода интеллектуальной аэрационной мембраны более чем на 50 % выше, чем у традиционных аэрационных головок, при этом потребление энергии снижается на 30 %.
Перспективы применения. В настоящее время интеллектуальный аэрационный мембранный материал находится на стадии пилотного-масштабного масштабирования и, как ожидается, получит широкомасштабное-применение в ближайшие 3-5 лет. Экспериментальные результаты исследовательского института показывают, что диапазон колебаний концентрации DO в резервуаре биологической очистки с использованием интеллектуальной аэрационной мембраны составляет всего ± 0,2 мг/л, а эффект очистки значительно лучше, чем у традиционных систем аэрации.
Подводный робот для мониторинга концентрации растворенного кислорода-в реальном времени
Особенности: Подводный робот оснащен высокоточным-датчиком растворенного кислорода, анализатором качества воды и камерой. Он может автономно перемещаться внутри резервуара биологической очистки, отслеживая концентрацию РК и параметры качества воды в различных зонах в режиме реального времени. Робот передает данные в центральную диспетчерскую через беспроводную связь, что позволяет операторам интуитивно определять распределение концентрации растворенного кислорода и оперативно выявлять области с аномальными уровнями растворенного кислорода.
Инновационное применение: после внедрения подводного робота для мониторинга растворенного кислорода крупная станция очистки сточных вод обнаружила мертвую зону с низкой концентрацией растворенного кислорода в углу резервуара биологической очистки. Путем регулировки расположения аэрационной головки было устранено неравномерное распределение концентрации РК, что повысило общую эффективность очистки на 10%.
Вывод: решение проблемы аномальной концентрации растворенного кислорода требует выхода за рамки традиционного мышления и объединения инновационных технологий экстренной помощи, реконструкции и оптимизации систем, а также междисциплинарной интеграции технологий для создания диверсифицированных и много-уровневых решений. От краткосрочных-чрезвычайных мер, таких как аэрация нанопузырьками и добавление функциональных бактериальных агентов, до долгосрочной-оптимизации системы за счет модернизации процессов и рекуперации энергии, а также передовых-технологий, таких как приложения Интернета вещей и разработка новых материалов, каждая технология предлагает новые идеи для решения проблемы аномальных концентраций растворенного кислорода. В будущем, благодаря постоянному технологическому прогрессу и инновациям, контроль концентрации РК станет более точным и эффективным, обеспечивая надежную гарантию стабильной работы очистных сооружений и достижения стандартов качества воды.