Анормалните концентрации на разтворен кислород (DO) са често срещан и предизвикателен проблем в пречиствателните станции за отпадъчни води, който засяга не само качеството на отпадъчните води, но също така потенциално предизвиква верижна реакция на натрупване на утайки и повишена консумация на енергия. В допълнение към конвенционалните настройки на аерацията и мерките за предварителна обработка на водата, следното предоставя усъвършенствани решения за аномалии на DO от три измерения: спешни иновативни технологии, преструктуриране и оптимизиране на системата и между-интегриране на междудисциплинарни технологии.
Спешни иновативни технологии: Бързо преодоляване на дилемата за концентрация на DO
(I) Подобрена технология за аериране
Технология за аериране с наномехурчета
Принцип и предимства: Наномехурчетата с диаметър само 10-200 nm притежават голяма специфична повърхност, бавна скорост на нарастване и висока ефективност на разтваряне. В сравнение с традиционните методи за аериране, аерирането с наномехурчета може да увеличи усвояването на кислорода до над 80%, което е 2-3 пъти повече от микропорестото аериране. При извънредни ситуации с внезапен спад в концентрацията на DO, наномехурчетата могат бързо да повишат нивата на разтворен кислород във водата, без да повлияят на микробната общност.
Случай на приложение: Инсталация за химическо пречистване на отпадъчни води претърпя внезапно повишаване на концентрацията на входящата органична материя, което доведе до спад на концентрацията на разтворен кислород (DO) от 2,5 mg/L до 0,8 mg/L. След аварийното активиране на системата за аериране с наномехурчета, концентрацията на DO се повиши до над 2 mg/L в рамките на само 30 минути и се върна на нормалните нива след 2 часа, избягвайки риска от превишаване на стандартите в отпадъчните води.
Аварийна система за аериране на чист кислород
Приложими сценарии: Когато конвенционалните аерационни системи не могат да отговорят на спешните нужди от кислород, аерацията с чист кислород може да се използва като спешна добавка. Кислородът с висока -концентрация се осигурява чрез резервоари за съхранение на течен кислород или кислородни генератори и се инжектира директно в резервоара за биологично третиране, което значително повишава концентрацията на DO за кратко време. Ефективността на преноса на кислород при аериране с чист кислород е 5-10 пъти по-голяма от тази на аериране с въздух, което го прави особено подходящ за спешно лечение на удари с високо натоварване или повреди на оборудването за аериране.
Предпазни мерки: Необходим е строг контрол на скоростта на инжектиране на кислород за аериране на чист кислород, за да се избегнат прекалено високи концентрации на DO, водещи до микробно отравяне. Освен това чистият кислород е относително скъп и трябва да се използва само като краткосрочна-спешна мярка, а не за дългосрочна-продължителна употреба. По време на пиковите периоди на изпускане на отпадъчните води от почистването на резервоара за ферментация, пречиствателна станция за отпадъчни води на пивоварна използва аерация с чист кислород, за да поддържа стабилна концентрация на разтворен кислород (DO) от приблизително 3 mg/L, осигурявайки ефективно разлагане на органичната материя.
(II) Микробно подобрена технология за възстановяване
Насочено дозиране на функционални микробни агенти:
Избор и приложение на агент: Специфични функционални микробни агенти се избират за подобряване на базата на различни видове аномалии на DO. Например, когато консумацията на DO е бавна поради недостатъчна активност на утайката, добавянето на високоефективни разграждащи микробни агенти (като Bacillus и Pseudomonas) може бързо да подобри метаболитния капацитет на микробите и да увеличи консумацията на кислород. Когато концентрацията на DO е твърде висока, се добавят денитрифициращи микробни агенти, за да се използват реакциите на денитрификация за консумиране на излишния кислород.
Разработване на персонализирани микробни агенти: Някои пречиствателни станции за отпадъчни води си сътрудничат с изследователски институции, за да разработят персонализирани съставни микробни агенти въз основа на влияещото качество на водата и структурата на микробната общност. Една фармацевтична пречиствателна станция за отпадъчни води, чрез анализ на своята микробна общност от утайки, откри липса на щамове, които разграждат специфични антибиотици. След целенасоченото приложение на съставен микробен агент, концентрацията на DO намалява от 5 mg/L до 2,8 mg/L, докато скоростта на отстраняване на антибиотика се увеличава с 40%. Технология за бързо изграждане на биофилм
Избор на носител и метод за образуване на биофилм: Суспендирани биологични носители (като полиуретанова гъба или керамзит) се добавят към резервоара за биологично третиране. Използва се технология за бързо образуване на биофилм за създаване на биофилм върху повърхността на носителя. Микробната общност в биофилма има стабилна структура, силна устойчивост на удар и може да поддържа активност дори при условия на големи колебания на концентрацията на DO. Използвайки аерация и смесване, комбинирани с инокулация на доминиращи бактериални видове, образуването на биофилм може да бъде завършено в рамките на 7-10 дни, увеличавайки капацитета за третиране на биологичната система с 20%-30%.
Резултати от приложението: Градска пречиствателна станция за отпадъчни води е имала намалена активност на утайките и прекомерен амонячен азот в отпадъчните води поради дългосрочни-флуктуации на концентрацията на DO. Чрез добавяне на биологични носители от керамзит и инокулиране с нитрифициращи бактерии, концентрацията на DO се стабилизира на 2-3 mg/L след образуване на биофилм, а скоростта на отстраняване на амонячен азот се увеличи от 60% на 95%, което значително подобрява степента на съответствие на качеството на отпадъчните води.
Преструктуриране и оптимизиране на системата: Премахване на основните причини за аномалии на DO
(I) Надстройка и трансформация на маршрута на процеса
Много{0}}етапна оптимизация на AO процес
Сегментирано вливане и прецизна аерация: Надграждането на традиционния процес на АО до много-етапен процес на АО, чрез сегментирано вливане и независим контрол на аерацията, постига прецизно регулиране на концентрацията на DO в различни зони. Например в аноксичната зона на първия-етап концентрацията на DO се контролира до<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%.
Добавяне на междинен утаителен резервоар: Добавянето на междинен утаителен резервоар към много-етапния AO процес постига отделен контрол на връщането на утайката и връщането на смесената течност. Междинният резервоар за утаяване може да отстрани малко утайки, намалявайки концентрацията на утайки в последващата аеробна зона и намалявайки консумацията на кислород; в същото време връщането на смесената течност може да пренесе повече нитрати в аноксичната зона, подобрявайки ефективността на денитрификацията. Пречиствателна станция за отпадъчни води в индустриален парк намали концентрацията на DO в аеробната зона с 0,5 mg/L и намали консумацията на енергия за аериране с 15% чрез добавяне на междинен резервоар за утаяване.
Дълбока оптимизация на MBR процес: Разположение на мембранния модул и настройка на метода на аериране: В мембранен биореактор (MBR) оптимизирането на оформлението на мембранния модул и метода на аериране може ефективно да контролира разпределението на концентрацията на DO. Използва се комбинация от долна аерация и странична аерация, за да се отговори на нуждите от кислород на микроорганизмите, като същевременно се генерира сила на срязване, за да се предотврати замърсяването на мембраната. Едновременно с това онлайн наблюдението на концентрацията на DO в мембранния резервоар позволява-настройка в реално време на скоростта на аериране, предотвратявайки прекомерната аерация, която може да доведе до високи концентрации на DO. След оптимизиране, концентрацията на DO в MBR системата на пречиствателната станция за отпадъчни води на хранително-вкусовия завод се стабилизира на 1,5-2,5 mg/L, а цикълът на почистване на мембраната беше удължен от 30 дни на 60 дни.
MBR, съчетан с усъвършенствани процеси на окисляване: Когато концентрацията на DO в системата MBR е необичайна поради непокорна органична материя във входящия поток, напредналите окислителни процеси (като озоново окисление и окисление на Fenton) се свързват за предварителна обработка на входящия поток. Усъвършенстваното окисление може да разложи непокорната органична материя в лесно биоразградими вещества, намалявайки натоварването на биохимичното третиране и стабилизирайки концентрацията на DO. След приемането на MBR-процеса, свързан с озон, пречиствателната станция за боядисване и печатане на отпадъчни води отбеляза повишаване на концентрацията на DO от 1,2 mg/L на 2,2 mg/L, а степента на отстраняване на COD се увеличи от 75% на 90%.
(II) Енергийно възстановяване и рециклиране
Анаеробно разграждане на утайки за производство на енергия и аерация
Принцип на процеса: Излишната утайка се подава в анаеробния биореактор. Генерираният биогаз се използва за генериране на електричество чрез горивни клетки, осигуряващи захранване на оборудването за аериране. Едновременно с това остатъкът след анаеробно смилане е богат на хранителни вещества като азот и фосфор, които могат да бъдат върнати в биохимичния резервоар за попълване на микробните хранителни вещества, насърчаване на микробния метаболизъм и стабилизиране на концентрацията на DO. Пречиствателна станция за отпадъчни води, чрез анаеробно разграждане на утайки за производство на електроенергия, посрещна 30% от търсенето на електроенергия на системата за аериране, спестявайки приблизително 800 000 юана разходи за електроенергия годишно, като същевременно подобрява стабилността на концентрацията на DO с 25%.
Контрол на връщането на дигестата: Строго контролирайте скоростта на връщане на дигестата, за да избегнете прекомерен микробен растеж поради прекомерни хранителни вещества, което би увеличило консумацията на кислород. Чрез наблюдение на концентрациите на азот и фосфор в резервоара за биологично третиране, пропорцията на рециркулацията на суспензията от биогаз се регулира, обикновено контролирана на 5%-10% от скоростта на входящия поток.
Възстановяване на отпадна топлина и контрол на температурата на водата
Системата за оползотворяване на отпадна топлина събира отпадъчната топлина, генерирана по време на пречистването на отпадъчните води (като разсейване на топлината от оборудването за аериране и генериране на топлина от анаеробно разграждане), преобразувайки я в гореща вода чрез термопомпена система за регулиране на температурата на водата в резервоара за биологично третиране. Температурата на водата е решаващ фактор, влияещ върху разтворимостта на кислород и микробната активност. Поддържането на температура на водата 20-30 градуса спомага за стабилизиране на разтворимостта на кислород и оптимизира микробната активност. Пречиствателна станция за отпадъчни води в северен Китай, чрез своята система за оползотворяване на отпадна топлина, повиши температурата на водата в своя резервоар за биологично третиране от 12 градуса на 22 градуса през зимата, увеличи концентрацията на разтворен кислород (DO) с 0,8 mg/L и подобри ефективността на пречистване с 20%.
Температура на водата и CO-контрол: Установен е модел за ко-контрол между температурата на водата и концентрацията на DO. Когато температурата на водата се повиши, скоростта на аериране се увеличава по подходящ начин, за да се компенсира намаляването на разтворимостта на кислород; когато температурата на водата спадне, скоростта на аериране се намалява, за да се предотвратят прекалено високи концентрации на DO. Този динамичен контрол гарантира, че концентрацията на DO остава стабилна в рамките на подходящ диапазон.
Между{0}}индустриална технологична интеграция: иновативни решения за DO аномалии
(I) Приложение на IoT и технологии за големи данни
Интелигентна система за прогнозиране и ранно предупреждение за концентрация на DO
Анализ на сливане на данни от множество-източници: Интегрирайки информация от множество-източници, като качество на вливащата се вода, количество на водата, работни параметри на оборудването за аериране и метеорологични данни, се установява модел за прогнозиране на концентрацията на DO чрез анализ на големи данни. Този модел може да предвиди тенденциите в концентрацията на DO 24 часа предварително. Когато предвидената концентрация на DO надхвърли нормалния диапазон, тя автоматично задейства ранно предупреждение и изпраща предложения за оптимизация. Интелигентната система за ранно предупреждение в пречиствателна станция за отпадъчни води постигна степен на точност от 95%, намалявайки времето за реакция за справяне с аномалии в концентрацията на DO от 2 часа до 30 минути.
Дистанционно управление и безпилотна работа: Въз основа на технологията IoT се постига дистанционно управление на оборудването за аериране и безпилотно управление на резервоари за биологично третиране. Операторите могат да наблюдават концентрацията на DO и работното състояние на оборудването в реално време чрез мобилно ПРИЛОЖЕНИЕ или компютър и дистанционно да регулират параметри като скорост на аериране и коефициент на връщане на утайката. След приемането на безпилотната операционна система, пречиствателна станция за отпадъчни води в планински район отбеляза, че степента на стабилност на концентрацията на DO се увеличава до 98%, а разходите за труд намаляват с 60%. Симулация и оптимизация на цифрова двойна система
Конструкция на виртуален биохимичен резервоар: Виртуален модел на биохимичен резервоар е конструиран с помощта на цифрова двойна технология за симулиране на разпределението на концентрацията на DO и микробните метаболитни процеси при различни въздействащи условия и работни параметри. Чрез виртуални експерименти параметри като стратегии за аериране и коефициенти на връщане на утайката се оптимизират и след това оптималното решение се прилага към действителното производство. Пречиствателна станция за отпадни води, чрез симулация на дигитална двойна система, установи, че регулирането на разстоянието на аериращата глава от 1,2 метра на 1 метър подобрява еднородността на концентрацията на DO с 20%, а действителният ефект след модификацията е в съответствие с резултатите от симулацията.
Симулация на неизправности и аварийни тренировки: Сценарии за необичайна концентрация на DO (като повреда на оборудването за аериране и влиятелни удари на натоварване) се симулират в цифровата двойна система и се провеждат виртуални аварийни тренировки, за да се подобрят способностите за реагиране на операторите. Чрез многократни тренировки операторите се запознаха по-добре с процедурите за работа при аномалии на DO и действителното време за реагиране при спешни случаи беше съкратено с 40%.
(II) Разработка на нови материали и усъвършенствано оборудване
Материали за интелигентна аерационна мембрана
Характеристики и предимства на материала: Новият материал за интелигентна аерираща мембрана се отличава с висока порьозност, висока ефективност на пренос на кислород и силна способност против{0}}замърсяване. Интелигентното покритие на повърхността на мембраната автоматично регулира размера на порите според концентрацията на DO. Когато концентрацията на DO е твърде висока, порите се свиват, намалявайки преноса на кислород; когато концентрацията на DO е твърде ниска, порите се разширяват, увеличавайки преноса на кислород. Ефективността на преноса на кислород на интелигентната аерираща мембрана е с повече от 50% по-висока от тази на традиционните аериращи глави, като същевременно намалява консумацията на енергия с 30%.
Перспективи за приложение: Материалът за интелигентна аерационна мембрана понастоящем е в пилотен-етап и се очаква да постигне широко{1}}прилагане през следващите 3-5 години. Резултати от пилотен мащаб от изследователска институция показват, че диапазонът на колебание на концентрацията на DO в резервоара за биологично третиране, използващ интелигентната аерираща мембрана, е само ±0,2 mg/L, а ефектът на третиране е значително по-добър от този на традиционните системи за аериране.
Робот за наблюдение в реално-време на подводна DO концентрация
Характеристики: Подводният робот е оборудван с високо{0}}прецизен DO сензор, анализатор на качеството на водата и камера. Той може автономно да навигира в резервоара за биологично третиране, като наблюдава концентрацията на DO и параметрите на качеството на водата в различни зони в реално време. Роботът предава данни към централната контролна зала чрез безжична комуникация, което позволява на операторите интуитивно да разберат разпределението на концентрацията на DO и незабавно да идентифицират области с необичайни нива на DO.
Иновативно приложение: След въвеждането на подводен робот за мониторинг на DO, голяма пречиствателна станция за отпадъчни води откри мъртва зона с ниска концентрация на DO в ъгъла на резервоара за биологично третиране. Чрез регулиране на разположението на главата за аериране, неравномерното разпределение на концентрацията на DO беше елиминирано, подобрявайки общата ефективност на обработката с 10%.
Заключение: Разрешаването на необичайни концентрации на DO изисква прекъсване на традиционното мислене и комбиниране на спешни иновативни технологии, реконструкция и оптимизация на системата и между-интегриране на междудисциплинарни технологии за изграждане на разнообразни и много{1}}решения. От краткосрочни-спешни мерки, като аериране на наномехурчета и добавяне на функционален бактериален агент, до дългосрочна-оптимизация на системата чрез надграждане на процесите и възстановяване на енергията, и след това до авангардни-технологии като IoT приложения и разработване на нови материали, всяка технология предоставя нови идеи за решаване на необичайни концентрации на DO. В бъдеще, с непрекъснат технологичен прогрес и иновации, контролът на концентрацията на DO ще стане по-прецизен и ефективен, осигурявайки солидна гаранция за стабилната работа на пречиствателните станции за отпадъчни води и постигането на стандартите за качество на водата.