Pregled o varčevanju z energijo in zmanjševanju ogljika prezračevalnih sistemov v čistilnih napravah
Do konca leta 2020 je imela Kitajska 4.326 komunalnih čistilnih naprav (ČN) na -ravni in višji ravni, ki so letno očistile 65,59 milijarde kubičnih metrov odpadne vode, z letno porabo električne energije 33,77 milijarde kWh, kar je predstavljalo 0,45 % skupne nacionalne porabe električne energije. Leta 2020 je bila enota porabe električne energije na kubični meter prečiščene vode 0,405 kWh/m³ za naprave za čiščenje čistilnih voda, ki izvajajo standard stopnje A ali višji "Standard izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave" (GB 18918-2002) in 0,375 kWh/m³ za tiste, ki izvajajo standarde pod stopnjo A. Te številke so znatno višje od povprečje v razvitih državah. Čeprav je povprečna koncentracija dotoka onesnaževala v kitajskih ČN manj kot 50 % koncentracije v razvitih državah, je poraba električne energije na enoto odstranjenega onesnaževala vsaj 100 % višja. Zato ostaja velik potencial za varčevanje z energijo in zmanjšanje ogljika v čistilnih napravah na Kitajskem.
Emisije ogljika iz čistilnih naprav vključujejo neposredne in posredne emisije. V skladu s »Tehnično specifikacijo za nizko{1}}oceno delovanja čistilnih naprav z nizkimi emisijami ogljika« (T/CAEPI 49-2022) so neposredne emisije ogljika sestavljene predvsem iz CH₄, N₂O in CO₂ iz izgorevanja fosilnih goriv. Posredne emisije zajemajo tiste, ki so povezane z nakupom električne energije, toplote in kemikalij. Kot je opredelil Medvladni odbor za podnebne spremembe (IPCC), CO₂, izpuščen iz procesa biološke razgradnje pri čiščenju odpadne vode, ni vključen v obračun emisij ogljika. Med različnimi elementi emisij ogljika v čistilnih napravah za odpadne vode največji delež prispeva poraba električne energije. Jiang Fuhai in drugi so na podlagi vzorca 10 čistilnih naprav ugotovili, da je prispevek porabe električne energije k emisijam ogljika med 31 % in 64 %. Hu Xiang et al., ki je analiziral 22 čistilnih naprav v bazenu jezera Chaohu, je poročal, da so emisije ogljika zaradi porabe električne energije predstavljale 61,55 % do 73,56 %. Nižja kot je dotočna koncentracija in višji kot je standard odplak, večji je delež neposrednih emisij ogljika, zlasti tistih iz porabe električne energije. Prezračevalni sistemi porabijo več kot 50 % celotne električne energije čistilnih naprav. Delovna učinkovitost prezračevalnih sistemov neposredno vpliva na odstranjevanje dušika in fosforja. Prekomerno prezračevanje vodi do nepotrebne porabe endogenih virov ogljika v odpadni vodi, zmanjša učinkovitost biološkega odstranjevanja dušika in fosforja, s čimer se poveča doziranje zunanjih virov ogljika in kemikalij za odstranjevanje fosforja, kar posledično poveča emisije ogljika zaradi porabe kemikalij. Posledično je varčevanje z energijo v prezračevalnih sistemih ključnega pomena za zmanjšanje ogljika v čistilnih napravah za odpadno vodo, zaradi česar so raziskave tehnologij za varčevanje z energijo v prezračevalnih sistemih zelo pomembne.
1. Razlogi za visoko porabo energije v prezračevalnih sistemih kitajskih čistilnih naprav
1.1 Dejanska vplivna obremenitev je nižja od načrtovane obremenitve
Nizka vtočna obremenitev vključuje nizek pretok in nizko koncentracijo onesnaževal. To je glavni vzrok za prekomerno prezračevanje. Pre-prezračevanje ne samo poveča porabo električne energije, ampak tudi prekomerno izčrpa endogene vire ogljika v odpadni vodi in zviša koncentracije raztopljenega kisika v anaerobnih in anoksičnih posodah, kar ovira odstranjevanje dušika in fosforja. To zahteva povečane odmerke virov ogljika in kemikalij za odstranjevanje fosforja, kar poveča s tem povezane emisije ogljika.
1.1.1 Nizek pretok
Značilno je, da v prvih letih po izgradnji čistilne naprave vtočni pretok pogosto ne doseže projektirane zmogljivosti zaradi zaostajanja urbanega razvoja ali izgradnje kanalizacijskega omrežja. Poleg tega je na območjih kombiniranega kanalizacijskega sistema ali v regijah z močnim mešanjem padavinske vode in odplak pretok v suhem-vremenu znatno nižji od pretoka v-mokrem vremenu, kar povzroča velika nihanja pretoka. To zahteva natančnejšo regulacijo in nadzor stopenj prezračevanja; drugače je prekomerno{4}}prezračevanje v obdobjih nizkega-pretoka običajno, kar vpliva na učinkovitost odstranjevanja ogljika, dušika in fosforja ter povečuje porabo električne energije in kemikalij.Slika 1prikazuje razlike v količini čiščenja odpadne vode v mestu Changsha med suhimi in mokrimi sezonami. Količina obdelave v mokri-dobni sezoni je za 30 %–40 % večja kot v sušni sezoni. Sezonska nihanja količine tretiranja zahtevajo natančnejši nadzor prezračevalnega sistema.
1.1.2 Koncentracija nizkega vpliva
Dejanske koncentracije dotoka onesnaževal v kitajskih komunalnih čistilnih napravah so na splošno veliko nižje od projektiranih vrednosti. Pri zasnovi ČN vplivna kakovost običajno temelji na srednje{1}}do-dolgoročnih-projekcijah s popolnimi kanalizacijskimi omrežji. V skladu s "Standardom za načrtovanje zunanjega inženiringa odpadne vode" (GB 50014-2021) je pet-dnevna biokemična potreba po kisiku (BPK₅) za gospodinjsko odpadno vodo izračunana na 40–60 g/(osebo·d), običajno 40 g/(osebo·d). Z izpustom odpadne vode na prebivalca 200–350 L/(osebo·d) v večini mest se projektna koncentracija BPK5 običajno giblje od 110 do 200 mg/L. Statistični podatki kažejo, da ima 68 % čistilnih naprav na Kitajskem dejansko letno povprečno BPK5 pod 100 mg/L, 40 % pa ima letno povprečje pod 50 mg/L. Z vidika vplivne koncentracije v primerjavi z zahtevanim prezračevanjem ima večina kitajskih čistilnih naprav za prezračevanje sisteme, zasnovane s "prevelikim motorjem za majhen voziček"-konfiguriranim z visoko{24}}zmogljivimi puhalniki, medtem ko je dejanska potreba po zraku majhna. Ta konfiguracija zlahka povzroči prekomerno prezračevanje in povečano porabo energije.
1.2 Nerazumna konfiguracija količine prezračevalne opreme
Veliko čistilnih naprav je nerazumno konfiguriralo število enot prezračevalne opreme, ker niso upoštevale pogostih delovnih pogojev-nizke obremenitve. Številne male in srednje-ČISTlne naprave na primer običajno konfigurirajo puhala v "2 delovni + 1 pripravljenosti" (skupaj 3) v zasnovi razpihovalnice, kar je optimalno glede na načrtovani pretok in pogoje kakovosti. Vendar pa lahko v pogojih nizke dotočne obremenitve delovanje celo enega puhala z najmanjšo močjo povzroči prekomerno-zračenje in povečano porabo energije. Medtem ko se lahko z namestitvijo pogonov s spremenljivo frekvenco (VFD) ali drugih načinov za zmanjšanje dovoda zraka izognete prekomernemu-prezračevanju, lahko ti ukrepi premaknejo delovanje puhala stran od njegovega visoko{10}}območja učinkovitosti, kar zmanjša učinkovitost in zapravlja energijo. Glede na splošno nizke dotočne koncentracije je treba razmisliti o strategijah, kot je povečanje števila puhal ob hkratnem zmanjšanju zmogljivosti posamezne enote, da bi zadostili potrebam po regulaciji povpraševanja po zraku v obdobjih nizke-obremenitve. V preteklosti so omejeni proračuni in visoki stroški uvoženih visoko{14}}zmogljivih puhalnikov privedli do manj-konfiguracij enot. Z dozorevanjem domače visokozmogljive-tehnologije puhal in nižjimi stroški so zdaj ugodni pogoji za optimizacijo konfiguracij puhal za doseganje varčevanja z energijo in zmanjšanja ogljika.
1.3 Nizka učinkovitost prezračevalne opreme
Nekatere starejše čistilne naprave, zgrajene s tehnologijo svojega časa, uporabljajo opremo za prezračevanje z nizko-učinkovitostjo in visoko-porabo-energije. Po trenutnih tehnoloških standardih in standardih energetske učinkovitosti se oprema, kot so puhala Roots, več{4}}stopenjska nizko{5}}centrifugalna puhala, diskasti aeratorji in krtačni aeratorji, štejejo za nizko-učinkovitost, običajno v razponu od 40 % do 65 % učinkovitosti-15 % do 40 % nižja od sodobnih visoko{13}}hitrostnih centrifugalnih puhal. Poleg tega v čistilnih napravah, ki uporabljajo prezračevanje z razpršenimi finimi-mehurčki v anaerobnih-anoksičnih-oksičnih (A₂/O) ali anoksično-oksičnih (A/O) postopkih, staranje ali zamašitev difuzorjev zmanjša učinkovitost prenosa kisika in poveča upor ter s tem poveča porabo energije puhala.
1.4 Nerazumna konfiguracija mešalnikov v bioloških rezervoarjih
V oksidacijskih jarkih s površinskimi aeratorji oprema služi tako funkciji prezračevanja kot mešanja/potiskanja. To je razumna zasnova v pogojih projektirane obremenitve. Vendar pa je v pogojih nizke-obremenitve morda potrebno zmanjšanje ali ustavitev prezračevanja, vendar je treba za preprečitev usedanja blata ali ločevanja tekočih-trdnih snovi vzdrževati zadostno hitrost pretoka, kar prisili neprekinjeno delovanje aeratorjev in povzroči prekomerno-prezračevanje, slabo odstranjevanje hranil in potrato energije. Za energetsko-učinkovitejše delovanje pri nizkih obremenitvah morajo biti oksidacijski jarki opremljeni s pravilno konfiguriranimi potopnimi mešalniki.
Pri postopkih A₂/O in A/O so aerobne posode običajno v celoti pokrite z difuzorji s finimi-mehurčki brez namenskih mešalnikov, ki se zanašajo na zadostno prezračevanje, da se prepreči usedanje. Pri nizkih obremenitvah lahko zmanjšanje prezračevanja ali izvajanje občasnega prezračevanja, da bi se izognili prekomernemu-prezračevanju, zlahka povzroči usedanje blata, kar vpliva na obdelavo. Za učinkovitejše delovanje pri nizkih obremenitvah bi morali A₂/O in A/O aerobni rezervoarji razmisliti o dodajanju ustreznih mešalnikov.
2. Tehnični pristopi za varčevanje z energijo in zmanjšanje ogljika v prezračevalnih sistemih čistilnih naprav
2.1 Zamenjava z visoko{1}}učinkovito prezračevalno opremo
Čistilne naprave, ki še vedno uporabljajo nizko{0}}učinkovito opremo, kot so puhala Roots, več-stopenjske nizko{2}}hitrostne centrifugalne puhalnike, diskaste ali krtačne aeratorje, ali tiste z zelo zastarelo in neučinkovito opremo, bi morale izvajati ocene energetske učinkovitosti z vidika-varčevanja z energijo in-zmanjševanja ogljika ter jih pravočasno zamenjati z novimi, modeli z visoko-učinkovitostjo. Trenutno se visokohitrostni puhalnik-, kot so eno-stopenjski visoko{9}}hitrostni centrifugalni puhalnik, puhala z magnetnim ležajem in puhala z zračnim ležajem, ki se uporabljajo v velikih čistilnih napravah, običajno ponašajo z učinkovitostjo med 80 % in 85 %. Vendar trgu trenutno primanjkuje centrifugalnih puhal z majhno{13}}zmogljivostjo-hitrostjo. Čistilne naprave z zmogljivostjo pod 2000 m³/d se še vedno zanašajo na manj učinkovito opremo, kot so puhala Roots, z učinkovitostjo na splošno med 40 % in 65 %, kar kaže na velik potencial za izboljšave. Zato je razvoj učinkovitejše-prezračevalne opreme v majhnem obsegu pomemben za varčevanje z energijo in zmanjšanje emisij ogljika v majhnih čistilnih napravah.
2.2 Pretvorba s površinskega prezračevanja na fino-mehurčasto razpršeno prezračevanje
Glede na primerno globino vode je prezračevanje s finimi-mehurčki bolj energetsko-učinkovito kot površinsko prezračevanje. Pretvorba oksidacijskih jarkov iz površinske v fino-prezračevanje z mehurčki lahko prinese dobre-rezultate varčevanja z energijo. Iz izvedenih projektov naknadnega opremljanja takšne pretvorbe ne le dosežejo znatne prihranke energije, ampak tudi izboljšajo učinkovitost biološkega odstranjevanja hranil. Študija Chen Chao je ugotovila, da se je po pretvorbi ene čistilne naprave skupna poraba električne energije zmanjšala za 24,7 %, medtem ko so se stopnje odstranjevanja dušika iz amoniaka, KPK in skupnega fosforja povečale za 30,39 %, 5,39 % oziroma 2,09 %. Xie Jici idr. so poročali o prihrankih energije 0,09–0,12 kWh/m³ po podobni pretvorbi s pomembnim izboljšanjem učinkovitosti biološkega odstranjevanja hranil. Pri prezračevanju s finimi-mehurčki je učinkovitost prenosa kisika v linearni pozitivni korelaciji z globino vode. Pod določeno kritično globino je lahko njegova učinkovitost nižja od površinske aeracije. Na splošno se globina vode, večja od 4 m, šteje za ustrezen pogoj za pretvorbo oksidacijskih jarkov v fino{20}}prezračevanje z mehurčki.
3. Tehnični pristopi za varčevanje z energijo in zmanjšanje ogljika v prezračevalnih sistemih ČN
3.1 Zamenjava z visoko{1}}učinkovito prezračevalno opremo
Čistilne naprave, ki še vedno uporabljajo nizko{0}}učinkovito opremo, kot so puhala Roots, več-stopenjske nizko{2}}hitrostne centrifugalne puhalnike, diskaste ali krtačne aeratorje, ali tiste z zelo zastarelo in neučinkovito opremo, bi morale izvajati ocene energetske učinkovitosti z vidika-varčevanja z energijo in-zmanjševanja ogljika ter jih pravočasno zamenjati z novimi, modeli z visoko-učinkovitostjo. Trenutno se visokohitrostni puhalnik-, kot so eno-stopenjski visoko{9}}hitrostni centrifugalni puhalnik, puhala z magnetnim ležajem in puhala z zračnim ležajem, ki se uporabljajo v velikih čistilnih napravah, običajno ponašajo z učinkovitostjo med 80 % in 85 %. Vendar trgu trenutno primanjkuje centrifugalnih puhal z majhno{13}}zmogljivostjo-hitrostjo. Čistilne naprave z zmogljivostjo pod 2000 m³/d se še vedno zanašajo na manj učinkovito opremo, kot so puhala Roots, z učinkovitostjo na splošno med 40 % in 65 %, kar kaže na velik potencial za izboljšave. Zato je razvoj učinkovitejše-prezračevalne opreme v majhnem obsegu pomemben za varčevanje z energijo in zmanjšanje emisij ogljika v majhnih čistilnih napravah.
3.2 Pretvorba s površinskega prezračevanja na fino-mehurčasto razpršeno prezračevanje
Glede na primerno globino vode je prezračevanje s finimi-mehurčki bolj energetsko-učinkovito kot površinsko prezračevanje. Pretvorba oksidacijskih jarkov iz površinske v fino-prezračevanje z mehurčki lahko prinese dobre-rezultate varčevanja z energijo. Iz izvedenih projektov naknadnega opremljanja takšne pretvorbe ne le dosežejo znatne prihranke energije, ampak tudi izboljšajo učinkovitost biološkega odstranjevanja hranil. Študija Chen Chao je ugotovila, da se je po pretvorbi ene čistilne naprave skupna poraba električne energije zmanjšala za 24,7 %, medtem ko so se stopnje odstranjevanja dušika iz amoniaka, KPK in skupnega fosforja povečale za 30,39 %, 5,39 % oziroma 2,09 %. Xie Jici idr. so poročali o prihrankih energije 0,09–0,12 kWh/m³ po podobni pretvorbi s pomembnim izboljšanjem učinkovitosti biološkega odstranjevanja hranil. Pri prezračevanju s finimi-mehurčki je učinkovitost prenosa kisika v linearni pozitivni korelaciji z globino vode. Pod določeno kritično globino je lahko njegova učinkovitost nižja od površinske aeracije. Na splošno se globina vode, večja od 4 m, šteje za ustrezen pogoj za pretvorbo oksidacijskih jarkov v fino{20}}prezračevanje z mehurčki.
3.3 Tehnologija intermitentnega prezračevanja
Pri čistilnih napravah z nizkimi dotočnimi koncentracijami prezračevanje z neprekinjenim-tokom učinkovito rešuje težave slabega odstranjevanja hranil in visoke porabe energije, ki sta posledica pre-prezračevanja. Vključuje neprekinjen dovodni in odpadni tok, medtem ko prezračevalni sistem deluje v ciklih vklopa/izklopa prezračevanja. Po raziskavi ARAKI-ja in drugih iz leta 1986 o intermitentnem prezračevanju za odstranjevanje dušika v oksidacijskih jarkih so številni znanstveniki izvedli eksperimentalne študije. Hou Hongxun et al. je izvedel-preskus v polnem obsegu v čistilni napravi s 100.000 m³/d z uporabo neprekinjenega-prekinjenega prezračevanja v oksidacijskem jarku, s čimer je dosegel 20-odstotno povečanje celotne odstranitve dušika, 49-odstotno povečanje skupne odstranitve fosforja in 21-odstotno zmanjšanje skupne porabe energije v obratu. He Quan in drugi so v poskusu 40.000 m³/d oksidacijskega jarka ČN z uporabo cikla 2-urni vklop/2-urni izklop ugotovili, da je v primerjavi z neprekinjenim prezračevanjem občasno prezračevanje prihranilo 42 % energije prezračevanja, povečalo skupno odstranitev dušika za 9,6 % in skupno odstranitev fosforja za 6,9 % pozimi nizki-temperaturni pogoji. Zheng Wanlin et al. so v poskusnem procesu A₂/O čistilne naprave za odpadno vodo s 40.000 m³/d z uporabo 3-urnega vklopa/3-urnega cikla izklopa ohranili stabilno kakovost odplak, skladno s standardi, medtem ko so prihranili 18,3 % pri porabi električne energije. Trenutno je uporaba občasnega prezračevanja z neprekinjenim tokom v polnem obsegu še vedno omejena, ostaja pa še nekaj tehničnih izzivov.
Za A₂/O postopke, ki uporabljajo prezračevanje s finimi-mehurčki, dva dejavnika omejujeta široko uporabo intermitentnega prezračevanja. Prvič, centrifugalna puhala z visoko-hitrostjo ustvarjajo visok{3}}decibel, oster hrup ob zagonu; pogosto cikliranje za občasno delovanje povzroča onesnaženje s hrupom. Drugič, pogosti zagon-zaustavitveni cikli za puhala z magnetnimi/zračnimi ležaji povzročijo, da se brez{6}}kontaktni ležaji vedno znova dotaknejo ohišja, kar lahko povzroči poškodbe ležajev, večjo stopnjo napak in krajšo življenjsko dobo.
Pri uporabi občasnega prezračevanja oksidacijskih jarkov ali postopkov A₂/O je treba zagotoviti zadostno hitrost mešanja v obdobjih brez{0}}prezračevanja, kar lahko zahteva dodatne mešalnike za preprečitev usedanja blata. Koncentracije dušika v amoniaku lahko med ne-prezračevanjem hitro narastejo, kar tvega takojšnjo prekoračitev. Zato so potrebne nadaljnje raziskave za znanstveno določitev in prilagoditev ciklov prezračevanja, boljše izboljšanje prihrankov energije in odstranjevanje onesnaževal, hkrati pa se izognemo trenutni prekoračitvi dušika v amoniaku.
Zaskrbljenost čistilnih naprav glede morebitne trenutne prekoračitve dušika v amoniaku je glavna ovira za široko uporabo občasnega prezračevanja. Januarja 2022 je Ministrstvo za ekologijo in okolje objavilo posvetovanje o osnutku spremembe GB 18918-2002, v katerem je predvsem predlagalo dodajanje najvišjih dovoljenih meja za posamezne meritve. Te predlagane mejne vrednosti posameznih meritev so znatno višje od prvotnih mejnih vrednosti dnevnega povprečja, medtem ko dnevna povprečja ostajajo nespremenjena. Na primer, za standard stopnje A bi bila sprejemljiva ena sama meritev pod 10 mg/L (15 mg/L pod 12 stopinjami), če dnevno povprečje ostane pod 5 mg/L (8 mg/L pod 12 stopinjami). Če bo izvedena, bi ta sprememba lahko pomagala odpraviti regulativne pomisleke glede trenutne prekoračitve zaradi občasnega prezračevanja, kar bi olajšalo njeno uporabo v procesih oksidacijskega jarka.
3.4 Natančna tehnologija prezračevanja
Stopnje pretoka čistilnih naprav in koncentracije dotoka močno nihajo, celo čez dan, kar povzroča spremenljivo povpraševanje po zraku. Če se zanašate zgolj na ročne{1}}prilagoditve na podlagi izkušenj, je natančen nadzor težaven in lahko ogrozi stabilnost kakovosti odplak. Z napredkom na področju velikih podatkov in umetne inteligence se je pojavil koncept natančnega prezračevanja. Natančna tehnologija prezračevanja je bila uporabljena v nekaterih čistilnih napravah za odpadno vodo in običajno dosega 10–20 % prihranek energije v prezračevalnih sistemih. Kombinacija natančnega prezračevanja z drugimi spremembami postopka lahko prinese boljše rezultate. Zhu Jie et al. izvedel natančno nadgradnjo prezračevanja v več-stopenjskem A/O procesu ČN, s čimer je dosegel 49,8 % prihranka energije v sistemu prezračevanja. Natančno in inteligentno prezračevanje predstavlja pomembne prihodnje usmeritve za varčevanje z energijo in zmanjšanje ogljika. Trenutne omejitve obstajajo glede-zmožnosti in natančnosti pridobivanja podatkov in analize v realnem času za te sisteme. Potreben je več tehnoloških prebojev v-natančnem nadzoru puhal in ventilov v realnem času ter natančni porazdelitvi zraka.
4. Sklep
Varčevanje z energijo v prezračevalnih sistemih je ključno za zmanjšanje ogljika v čistilnih napravah. Glavni razlog za visoko porabo energije v kitajskih prezračevalnih sistemih čistilnih naprav za čiščenje odpadnih voda je nizka vplivna obremenitev, ki zlahka vodi do prekomernega-prezračevanja, trate električne energije in povečanja emisij ogljika zaradi energije in kemikalij. Drugi razlogi vključujejo staranje/nizko-učinkovito opremo in nerazumno konfiguracijo opreme za prezračevanje in mešanje. Učinkovita sredstva za doseganje varčevanja z energijo in zmanjšanja ogljika vključujejo zamenjavo nizke-učinkovitosti z visoko-učinkovito prezračevalno opremo, pretvorbo površine v fino-mehurčasto razpršeno prezračevanje in uporabo tehnologij, kot sta neprekinjeno-prekinjeno prezračevanje in natančno prezračevanje.