Kajian Penjimatan Tenaga dan Pengurangan Karbon Sistem Pengudaraan di Loji Rawatan Air Sisa
Menjelang akhir tahun 2020, China mempunyai 4,326-peringkat perbandaran dan loji rawatan air sisa (WWTP), merawat 65.59 bilion meter padu air sisa setiap tahun, dengan penggunaan elektrik tahunan sebanyak 33.77 bilion kWj, menyumbang 0.45% daripada jumlah penggunaan elektrik negara. Pada tahun 2020, penggunaan unit elektrik bagi setiap meter padu air yang dirawat ialah 0.405 kWj/m³ untuk LPA yang melaksanakan piawaian Gred A atau lebih tinggi daripada "Piawaian Pelepasan Bahan Pencemar untuk Loji Rawatan Air Sisa Perbandaran" (GB 18918-2002), dan 0.375 kWj/m³ Angka-angka ini lebih tinggi daripada purata Gred Pelaksana. negara maju. Walaupun purata kepekatan bahan pencemar influen di WWTP China adalah kurang daripada 50% daripada di negara maju, penggunaan elektrik unit bagi setiap bahan cemar yang dikeluarkan adalah sekurang-kurangnya 100% lebih tinggi. Oleh itu, masih terdapat potensi besar untuk penjimatan tenaga dan pengurangan karbon di WWTP China.
Pelepasan karbon daripada WWTP termasuk pelepasan langsung dan tidak langsung. Menurut "Spesifikasi Teknikal untuk-Penilaian Operasi Karbon Rendah bagi Loji Rawatan Air Sisa" (T/CAEPI 49-2022), pelepasan karbon langsung terutamanya terdiri daripada CH₄, N₂O dan CO₂ daripada pembakaran bahan api fosil. Pelepasan tidak langsung merangkumi yang berkaitan dengan elektrik, haba dan bahan kimia yang dibeli. Seperti yang ditakrifkan oleh Panel Antara Kerajaan mengenai Perubahan Iklim (IPCC), CO₂ yang dipancarkan daripada proses degradasi biologi dalam rawatan air sisa tidak termasuk dalam perakaunan pelepasan karbon. Antara pelbagai elemen pelepasan karbon dalam WWTP, penggunaan elektrik menyumbang bahagian tertinggi. Jiang Fuhai et al., berdasarkan sampel 10 WWTP, mendapati bahawa berat sumbangan penggunaan elektrik kepada pelepasan karbon adalah antara 31% hingga 64%. Hu Xiang et al., menganalisis 22 WWTP di lembangan Tasik Chaohu, melaporkan bahawa pelepasan karbon daripada penggunaan elektrik menyumbang 61.55% hingga 73.56%. Semakin rendah kepekatan influen dan semakin tinggi standard efluen, semakin tinggi kadar pelepasan karbon langsung, terutamanya daripada penggunaan elektrik. Sistem pengudaraan menggunakan lebih 50% daripada jumlah elektrik WWTP. Keberkesanan operasi sistem pengudaraan secara langsung memberi kesan kepada penyingkiran nitrogen dan fosforus. Pengudaraan yang berlebihan membawa kepada penggunaan sumber karbon endogen yang tidak diperlukan dalam air sisa, mengurangkan kecekapan nitrogen biologi dan penyingkiran fosforus, dengan itu meningkatkan dos sumber karbon luaran dan bahan kimia penyingkiran fosforus, yang seterusnya meningkatkan pelepasan karbon daripada penggunaan kimia. Akibatnya, penjimatan tenaga dalam sistem pengudaraan adalah kunci kepada pengurangan karbon dalam WWTP, menjadikan penyelidikan tentang teknologi penjimatan tenaga sistem pengudaraan sangat penting.
1. Sebab Penggunaan Tenaga Tinggi dalam Sistem Pengudaraan WWTP Cina
1.1 Beban Pengaruh Sebenar Lebih Rendah Daripada Beban Reka Bentuk
Beban influen rendah termasuk kedua-dua kadar aliran rendah dan kepekatan pencemar yang rendah. Ia adalah punca utama pengudaraan yang berlebihan. Lebih-pengudaraan bukan sahaja meningkatkan penggunaan elektrik tetapi juga menghabiskan sumber karbon endogen secara berlebihan dalam air sisa dan meningkatkan kepekatan oksigen terlarut dalam tangki anaerobik dan anoksik, menjejaskan penyingkiran nitrogen dan fosforus. Ini memerlukan peningkatan dos sumber karbon dan bahan kimia penyingkiran fosforus, meningkatkan pelepasan karbon yang berkaitan.
1.1.1 Kadar Aliran Rendah
Lazimnya, pada tahun-tahun awal selepas pembinaan WWTP, aliran pengaruh sering gagal mencapai kapasiti reka bentuk kerana pembangunan bandar yang ketinggalan atau pembinaan rangkaian pembetung. Tambahan pula, dalam gabungan kawasan sistem pembetung atau kawasan dengan air ribut dan percampuran kumbahan yang teruk,{1}}aliran cuaca kering adalah jauh lebih rendah daripada aliran cuaca-basah, mengakibatkan turun naik aliran yang besar. Ini menuntut peraturan dan kawalan kadar pengudaraan yang lebih tepat; sebaliknya, lebih-pengudaraan semasa tempoh aliran rendah-adalah perkara biasa, menjejaskan kecekapan penyingkiran karbon, nitrogen dan fosforus serta meningkatkan penggunaan elektrik dan kimia.Rajah 1menunjukkan variasi dalam isipadu rawatan air sisa di Bandar Changsha antara musim kering dan basah. Isipadu rawatan-musim basah adalah 30%–40% lebih tinggi berbanding musim kemarau. Turun naik bermusim dalam jumlah rawatan memerlukan kawalan sistem pengudaraan yang lebih tepat.
1.1.2 Kepekatan Pengaruh Rendah
Kepekatan bahan pencemar pengaruh sebenar di WWTP perbandaran China secara amnya jauh lebih rendah daripada nilai reka bentuk. Dalam reka bentuk WWTP, kualiti pengaruh biasanya berdasarkan unjuran pertengahan-hingga-panjang-dengan rangkaian pembetung yang lengkap. Menurut "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021), lima-permintaan oksigen biokimia (BOD₅) untuk air sisa domestik dikira pada 40–60 g/(orang·d), biasanya mengambil 40 g/(orang·d). Dengan pelepasan air sisa per kapita sebanyak 200–350 L/(orang·d) di kebanyakan bandar, kepekatan BOD₅ reka bentuk biasanya berjulat dari 110 hingga 200 mg/L. Statistik menunjukkan bahawa 68% daripada WWTP di China mempunyai purata tahunan sebenar BOD₅ influen di bawah 100 mg/L, dengan 40% mempunyai purata tahunan di bawah 50 mg/L. Dari perspektif kepekatan pengaruh berbanding pengudaraan yang diperlukan, kebanyakan WWTP China mempunyai sistem pengudaraan yang direka bentuk dengan situasi "motor besar untuk kereta kecil"-dikonfigurasikan dengan peniup-berkapasiti tinggi manakala permintaan udara sebenar adalah rendah. Konfigurasi ini dengan mudah membawa kepada pengudaraan berlebihan dan peningkatan penggunaan tenaga.
1.2 Konfigurasi Tidak Munasabah Kuantiti Peralatan Pengudaraan
Banyak WWTP telah mengkonfigurasi bilangan unit peralatan pengudaraan secara tidak munasabah kerana tidak mengambil kira keadaan operasi-beban rendah yang kerap. Sebagai contoh, banyak IPAL bersaiz kecil dan sederhana-biasanya mengkonfigurasi peniup dalam persediaan "siap sedia 2 tugas + 1" (jumlah 3) dalam reka bentuk bilik peniup, yang optimum di bawah aliran reka bentuk dan keadaan kualiti. Walau bagaimanapun, di bawah keadaan beban pengaruh rendah, mengendalikan walaupun satu peniup pada output minimumnya boleh menyebabkan pengudaraan-berlebihan dan penggunaan kuasa meningkat. Semasa memasang pemacu frekuensi boleh ubah (VFD) atau cara lain untuk mengurangkan bekalan udara boleh mengelakkan-pengudaraan berlebihan, langkah ini boleh mengalihkan operasi blower daripada zon kecekapan-tingginya, mengurangkan kecekapan dan membazir tenaga. Memandangkan kepekatan influen yang umumnya rendah, strategi seperti menambah bilangan peniup sambil mengurangkan kapasiti unit individu harus dipertimbangkan untuk memenuhi keperluan peraturan permintaan udara semasa{12}}tempoh beban rendah. Dari segi sejarah, belanjawan yang terhad dan kos tinggi{14}}peniup berprestasi tinggi yang diimport menyebabkan konfigurasi unit yang lebih sedikit- Dengan pematangan teknologi blower berprestasi tinggi{17}} domestik dan kos yang dikurangkan, keadaan kini sesuai untuk mengoptimumkan konfigurasi blower untuk mencapai penjimatan tenaga dan pengurangan karbon.
1.3 Kecekapan Rendah Peralatan Pengudaraan
Sesetengah WWTP yang lebih lama, dibina dengan teknologi pada zamannya, menggunakan peralatan pengudaraan-kecekapan rendah,-tenaga tinggi-yang tinggi. Mengikut piawaian kecekapan teknologi dan tenaga semasa, peralatan seperti peniup Akar, peniup empar-berbilang peringkat rendah{5}}kelajuan, pengudara cakera dan pengudara berus dianggap sebagai kecekapan-rendah, biasanya antara 40% hingga 65% kecekapan-15% hingga 40% lebih rendah daripada peniup sentrifugal berkelajuan tinggi{13} moden. Tambahan pula, dalam WWTP yang menggunakan proses-buih meresap halus dalam Anaerobik-Anoxic-Oxic (A₂/O) atau proses Anoxic-Oxic (A/O), penuaan atau penyumbatan peresap mengurangkan kecekapan pemindahan oksigen dan meningkatkan rintangan, dengan itu meningkatkan penggunaan tenaga blower.
1.4 Konfigurasi Pembancuh yang Tidak Munasabah dalam Tangki Biologi
Dalam parit pengoksidaan dengan pengudara permukaan, peralatan berfungsi kedua-dua fungsi pengudaraan dan pencampuran/tolak. Ini adalah reka bentuk yang munasabah di bawah keadaan beban reka bentuk. Walau bagaimanapun, di bawah-keadaan beban yang rendah, mengurangkan atau menghentikan pengudaraan mungkin diperlukan, tetapi untuk mengelakkan pemisahan enapcemar atau{3}}pejal cecair, halaju aliran yang mencukupi mesti dikekalkan, memaksa operasi pengudaraan berterusan dan menyebabkan lebih-pengudaraan, penyingkiran nutrien yang lemah dan pembaziran tenaga. Untuk operasi yang lebih cekap tenaga-pada beban rendah, parit pengoksidaan hendaklah dilengkapi dengan pengadun tenggelam yang dikonfigurasikan dengan betul.
Dalam proses A₂/O dan A/O, tangki aerobik biasanya ditutup sepenuhnya dengan-peresap gelembung halus tanpa pembancuh khusus, bergantung pada pengudaraan yang mencukupi untuk mengelakkan mendap. Di bawah beban rendah, mengurangkan pengudaraan atau melaksanakan pengudaraan berselang-seli untuk mengelakkan lebihan-pengudaraan boleh menyebabkan pengendapan enap cemar dengan mudah, menjejaskan rawatan. Untuk beroperasi dengan lebih cekap pada beban rendah, tangki aerobik A₂/O dan A/O harus mempertimbangkan untuk menambah pengadun yang sesuai.
2. Pendekatan Teknikal untuk Penjimatan Tenaga dan Pengurangan Karbon dalam Sistem Pengudaraan WWTP
2.1 Penggantian dengan-Peralatan Pengudaraan Berkecekapan Tinggi
WWTP yang masih menggunakan-peralatan kecekapan rendah seperti Roots blower, berbilang-peniup emparan rendah-kelajuan rendah, pengudara cakera, atau pengudara berus, atau peralatan yang sudah tua dan tidak cekap, hendaklah menjalankan penilaian kecekapan tenaga daripada penjimatan tenaga{3}}dan karbon-dan perspektif pengurangan masa-yang tinggi{4}dan masa yang tinggi. model. Pada masa ini, peniup-kelajuan tinggi seperti peniup emparan-peringkat tinggi-tunggal, peniup galas magnetik dan peniup galas udara yang digunakan dalam WWTP besar biasanya mempunyai kecekapan antara 80% dan 85%. Walau bagaimanapun, pasaran pada masa ini kekurangan produk peniup empar{13}}berkapasiti tinggi{14}}kecil. WWTP dengan kapasiti di bawah 2,000 m³/d masih bergantung pada peralatan yang kurang cekap seperti Roots blower, dengan kecekapan secara amnya antara 40% dan 65%, menunjukkan potensi besar untuk penambahbaikan. Oleh itu, membangunkan peralatan pengudaraan berskala kecil-yang lebih cekap adalah bermakna untuk penjimatan tenaga dan pengurangan karbon dalam WWTP kecil.
2.2 Penukaran daripada Pengudaraan Permukaan kepada-Pengudaraan Tersebar Gelembung
Memandangkan kedalaman air yang sesuai,-pengudaraan yang meresap gelembung halus adalah lebih cekap tenaga-daripada pengudaraan permukaan. Menukar parit pengoksidaan daripada permukaan kepada-pengudaraan tersebar gelembung halus boleh menghasilkan hasil penjimatan tenaga-yang baik. Daripada projek pengubahsuaian yang dilaksanakan, penukaran sedemikian bukan sahaja mencapai penjimatan tenaga yang ketara tetapi juga meningkatkan kecekapan penyingkiran nutrien biologi. Kajian Chen Chao menyatakan bahawa selepas satu WWTP ditukar, jumlah penggunaan elektrik menurun sebanyak 24.7%, manakala kadar penyingkiran nitrogen ammonia, COD, dan jumlah fosforus masing-masing meningkat sebanyak 30.39%, 5.39% dan 2.09%. Xie Jici et al. melaporkan penjimatan tenaga sebanyak 0.09–0.12 kWj/m³ selepas penukaran yang serupa, dengan peningkatan ketara dalam kecekapan penyingkiran nutrien biologi. Dalam{16}}pengudaraan buih yang halus, kecekapan pemindahan oksigen dikaitkan secara linear secara positif dengan kedalaman air. Di bawah kedalaman kritikal tertentu, kecekapannya boleh lebih rendah daripada pengudaraan permukaan. Secara amnya, kedalaman air lebih daripada 4 m dianggap sebagai keadaan yang sesuai untuk menukar parit pengoksidaan kepada-pengudaraan buih meresap halus.
3. Pendekatan Teknikal untuk Penjimatan Tenaga dan Pengurangan Karbon dalam Sistem Pengudaraan WWTP
3.1 Penggantian dengan-Peralatan Pengudaraan Berkecekapan Tinggi
WWTP yang masih menggunakan-peralatan kecekapan rendah seperti Roots blower, berbilang-peniup emparan rendah-kelajuan rendah, pengudara cakera, atau pengudara berus, atau peralatan yang sudah tua dan tidak cekap, hendaklah menjalankan penilaian kecekapan tenaga daripada penjimatan tenaga{3}}dan karbon-dan perspektif pengurangan masa-yang tinggi{4}dan masa yang tinggi. model. Pada masa ini, peniup-kelajuan tinggi seperti peniup emparan-peringkat tinggi-tunggal, peniup galas magnetik dan peniup galas udara yang digunakan dalam WWTP besar biasanya mempunyai kecekapan antara 80% dan 85%. Walau bagaimanapun, pasaran pada masa ini kekurangan produk peniup empar{13}}berkapasiti tinggi{14}}kecil. WWTP dengan kapasiti di bawah 2,000 m³/d masih bergantung pada peralatan yang kurang cekap seperti Roots blower, dengan kecekapan secara amnya antara 40% dan 65%, menunjukkan potensi besar untuk penambahbaikan. Oleh itu, membangunkan peralatan pengudaraan berskala kecil-yang lebih cekap adalah bermakna untuk penjimatan tenaga dan pengurangan karbon dalam WWTP kecil.
3.2 Penukaran daripada Pengudaraan Permukaan kepada-Pengudaraan Tersebar Gelembung
Memandangkan kedalaman air yang sesuai,-pengudaraan yang meresap gelembung halus adalah lebih cekap tenaga-daripada pengudaraan permukaan. Menukar parit pengoksidaan daripada permukaan kepada-pengudaraan tersebar gelembung halus boleh menghasilkan hasil penjimatan tenaga-yang baik. Daripada projek pengubahsuaian yang dilaksanakan, penukaran sedemikian bukan sahaja mencapai penjimatan tenaga yang ketara tetapi juga meningkatkan kecekapan penyingkiran nutrien biologi. Kajian Chen Chao menyatakan bahawa selepas satu WWTP ditukar, jumlah penggunaan elektrik menurun sebanyak 24.7%, manakala kadar penyingkiran nitrogen ammonia, COD, dan jumlah fosforus masing-masing meningkat sebanyak 30.39%, 5.39% dan 2.09%. Xie Jici et al. melaporkan penjimatan tenaga sebanyak 0.09–0.12 kWj/m³ selepas penukaran yang serupa, dengan peningkatan ketara dalam kecekapan penyingkiran nutrien biologi. Dalam{16}}pengudaraan buih yang halus, kecekapan pemindahan oksigen dikaitkan secara linear secara positif dengan kedalaman air. Di bawah kedalaman kritikal tertentu, kecekapannya boleh lebih rendah daripada pengudaraan permukaan. Secara amnya, kedalaman air lebih daripada 4 m dianggap sebagai keadaan yang sesuai untuk menukar parit pengoksidaan kepada-pengudaraan buih meresap halus.
3.3 Teknologi Pengudaraan Selang-seli
Untuk WWTP dengan kepekatan influen rendah, pengudaraan berselang-seli aliran-berterusan menangani isu penyingkiran nutrien yang lemah dan penggunaan tenaga yang tinggi yang disebabkan oleh pengudaraan-berlebihan. Ia melibatkan aliran influen dan efluen berterusan manakala sistem pengudaraan beroperasi dalam kitaran hidup/mati pengudaraan. Berikutan penyelidikan ARAKI et al. pada tahun 1986 tentang pengudaraan sekejap untuk penyingkiran nitrogen dalam parit pengoksidaan, ramai sarjana telah menjalankan kajian eksperimen. Hou Hongxun et al. menjalankan-percubaan berskala penuh dalam WWTP 100,000 m³/d menggunakan pengudaraan-aliran berterusan dalam parit pengoksidaan, mencapai peningkatan 20% dalam jumlah penyingkiran nitrogen, peningkatan 49% dalam jumlah penyingkiran fosforus dan pengurangan 21% dalam jumlah penggunaan tenaga tumbuhan. He Quan et al., dalam percubaan parit pengoksidaan WWTP 40,000 m³/d menggunakan kitaran 2-jam pada/2-jam, mendapati bahawa berbanding dengan pengudaraan berterusan, pengudaraan berselang-seli menjimatkan 42% dalam tenaga pengudaraan, meningkatkan jumlah penyingkiran nitrogen musim sejuk sebanyak 9.6%, dan jumlah penyingkiran nitrogen musim sejuk sebanyak 9.6% dan jumlah penyingkiran fosforus pada musim sejuk. keadaan suhu-rendah. Zheng Wanlin et al., dalam percubaan proses WWTP A₂/O 40,000 m³/d menggunakan kitaran 3-jam on/3 jam off, mengekalkan kualiti efluen patuh standard yang stabil sambil menjimatkan 18.3% penggunaan elektrik. Pada masa ini, aplikasi skala penuh pengudaraan selang aliran berterusan masih terhad, dengan beberapa cabaran teknikal yang tinggal.
Untuk proses A₂/O menggunakan-pengudaraan buih halus, dua faktor mengehadkan penggunaan meluas pengudaraan sekejap-sekejap. Pertama,-peniup emparan berkelajuan tinggi menjana desibel-tinggi, bunyi tajam semasa dimulakan; berbasikal yang kerap untuk operasi terputus-putus mewujudkan pencemaran bunyi. Kedua, kitaran permulaan-yang kerap untuk peniup bermagnet/bearing udara menyebabkan galas bukan-sentuh berulang kali menghubungi perumah, dengan mudah membawa kepada kerosakan galas, peningkatan kadar kegagalan dan jangka hayat yang dikurangkan.
Apabila menggunakan pengudaraan terputus-putus pada parit pengoksidaan atau proses A₂/O, halaju pencampuran yang mencukupi semasa-tempoh bukan pengudaraan mesti dipastikan, yang berkemungkinan memerlukan pengadun tambahan untuk mengelakkan pengendapan enap cemar. Kepekatan nitrogen ammonia boleh meningkat dengan cepat semasa-tidak pengudaraan, yang berisiko melebihi serta-merta. Oleh itu, kajian lanjut diperlukan untuk menetapkan dan melaraskan kitaran pengudaraan secara saintifik, meningkatkan penjimatan tenaga dan penyingkiran bahan pencemar dengan lebih baik sambil mengelakkan lebihan nitrogen ammonia serta-merta.
Kebimbangan WWTP tentang potensi melebihi nitrogen ammonia serta-merta merupakan penghalang utama kepada penggunaan meluas pengudaraan sekejap-sekejap. Pada Januari 2022, Kementerian Ekologi dan Alam Sekitar mengeluarkan perundingan mengenai draf pindaan kepada GB 18918-2002, terutamanya mencadangkan untuk menambah had maksimum yang dibenarkan untuk pengukuran tunggal. Had pengukuran tunggal yang dicadangkan ini jauh lebih tinggi daripada had purata harian asal, manakala purata harian kekal tidak berubah. Sebagai contoh, untuk standard Gred A, satu ukuran di bawah 10 mg/L (15 mg/L di bawah 12 darjah ) boleh diterima jika purata harian kekal di bawah 5 mg/L (8 mg/L di bawah 12 darjah ). Jika dilaksanakan, pindaan ini boleh membantu menangani kebimbangan pengawalseliaan mengenai kelebihan serta-merta daripada pengudaraan sekejap-sekejap, memudahkan penggunaannya dalam proses parit pengoksidaan.
3.4 Teknologi Pengudaraan Tepat
Kadar aliran WWTP dan kepekatan influen turun naik dengan ketara, walaupun sepanjang hari, menyebabkan permintaan udara berubah-ubah. Bergantung sepenuhnya pada pelarasan berasaskan pengalaman manual-menyukarkan kawalan yang tepat dan boleh menjejaskan kestabilan kualiti efluen. Dengan kemajuan dalam data besar dan kecerdasan buatan, konsep pengudaraan yang tepat telah muncul. Teknologi pengudaraan yang tepat telah digunakan dalam beberapa WWTP, biasanya mencapai 10%–20% penjimatan tenaga dalam sistem pengudaraan. Menggabungkan pengudaraan yang tepat dengan pengubahsuaian proses lain boleh menghasilkan hasil yang lebih baik. Zhu Jie et al. melaksanakan pengubahsuaian pengudaraan yang tepat dalam proses WWTP berbilang-peringkat A/O, mencapai 49.8% penjimatan tenaga dalam sistem pengudaraan. Pengudaraan yang tepat dan pintar mewakili arah masa depan yang penting untuk penjimatan tenaga dan pengurangan karbon. Had semasa wujud dalam{13}}keupayaan masa sebenar dan ketepatan pemerolehan dan analisis data untuk sistem ini. Lebih banyak penemuan teknologi diperlukan dalam masa nyata{15}}kawalan tepat peniup dan injap serta pengedaran udara yang tepat.
4. Kesimpulan
Penjimatan tenaga dalam sistem pengudaraan adalah kunci kepada pengurangan karbon dalam WWTP. Sebab utama penggunaan tenaga yang tinggi dalam sistem pengudaraan WWTP China ialah beban pengaruh yang rendah, yang dengan mudah membawa kepada-pengudaraan berlebihan, pembaziran elektrik dan peningkatan pelepasan karbon daripada kedua-dua kuasa dan bahan kimia. Sebab lain termasuk peralatan kecekapan-penuaan/rendah dan konfigurasi peralatan pengudaraan dan pencampuran yang tidak munasabah. Cara yang berkesan untuk mencapai penjimatan tenaga dan pengurangan karbon termasuk menggantikan-kecekapan rendah dengan peralatan pengudaraan-kecekapan tinggi, menukar permukaan kepada-pengudaraan buih halus dan menggunakan teknologi seperti-aliran berterusan pengudaraan berselang-seli dan pengudaraan tepat.