Les concentracions anormals d'oxigen dissolt (DO) són un problema comú i desafiant a les plantes de tractament d'aigües residuals, que afecten no només la qualitat de l'efluent, sinó que també poden provocar una reacció en cadena d'acumulació de fangs i un augment del consum d'energia. A més dels ajustos d'aireació convencionals i les mesures de pretractament de l'aigua, el següent ofereix solucions avançades per a anomalies d'OD des de tres dimensions: tecnologies innovadores d'emergència, reestructuració i optimització del sistema i integració tecnològica transversal-.
Tecnologies innovadores d'emergència: superació ràpida del dilema de la concentració de DO
(I) Tecnologia d'aeració millorada
Tecnologia d'aireació de nanobombolles
Principi i avantatges: les nanobubbles, amb un diàmetre de només 10-200 nm, tenen una gran superfície específica, velocitat d'augment lenta i alta eficiència de dissolució. En comparació amb els mètodes d'aireació tradicionals, l'aeració de nanobombolles pot augmentar la utilització d'oxigen fins a més del 80%, que és 2-3 vegades la de l'aireació microporosa. En escenaris d'emergència amb una caiguda sobtada de la concentració de DO, les nanobombolles poden augmentar ràpidament els nivells d'oxigen dissolt a l'aigua sense afectar la comunitat microbiana.
Cas d'aplicació: una planta de tractament d'aigües residuals química va experimentar un augment sobtat de la concentració de matèria orgànica influent, fent que la concentració d'oxigen dissolt (DO) baixés de 2,5 mg/L a 0,8 mg/L. Després de l'activació d'emergència del sistema d'aireació de nanobombolles, la concentració de DO va remuntar per sobre de 2 mg/L en només 30 minuts i va tornar als nivells normals després de 2 hores, evitant el risc que l'efluent superés els estàndards.
Sistema d'emergència d'aireació d'oxigen pur
Escenaris aplicables: quan els sistemes d'aireació convencionals no poden satisfer les demandes d'oxigen d'emergència, l'aireació d'oxigen pur es pot utilitzar com a suplement d'emergència. L'oxigen d'alta-concentració es proporciona mitjançant tancs d'emmagatzematge d'oxigen líquid o generadors d'oxigen i s'injecta directament al dipòsit de tractament biològic, augmentant significativament la concentració de DO en poc temps. L'eficiència de transferència d'oxigen de l'aeració d'oxigen pur és 5-10 vegades superior a la de l'aireació de l'aire, la qual cosa la fa especialment adequada per al tractament d'emergència de cops d'alta càrrega o fallades de l'equip d'aireació.
Precaucions: és necessari un control estricte de la velocitat d'injecció d'oxigen per a l'aireació d'oxigen pur per evitar concentracions de DO excessivament altes que condueixin a una intoxicació microbiana. A més, l'oxigen pur és relativament car i només s'ha d'utilitzar com a mesura d'emergència-a curt termini, no per a un ús continu-a llarg termini. Durant els períodes màxims de descàrrega de les aigües residuals de neteja del tanc de fermentació, una planta de tractament d'aigües residuals de cerveseria va utilitzar aireació d'oxigen pur per mantenir una concentració estable d'oxigen dissolt (DO) d'aproximadament 3 mg/L, garantint una descomposició eficient de la matèria orgànica.
(II) Tecnologia de reparació millorada microbiana
Dosificació dirigida d'agents microbians funcionals:
Selecció i aplicació d'agents: es seleccionen agents microbians funcionals específics per millorar-los en funció de diferents tipus d'anomalies de DO. Per exemple, quan el consum de DO és lent a causa d'una activitat insuficient dels fangs, l'addició d'agents microbians degradants altament eficients (com Bacillus i Pseudomonas) pot millorar ràpidament la capacitat metabòlica microbiana i augmentar el consum d'oxigen. Quan la concentració de DO és massa alta, s'afegeixen agents microbians desnitrificants per utilitzar reaccions de desnitrificació per consumir l'excés d'oxigen.
Desenvolupament d'agents microbians personalitzats: algunes plantes de tractament d'aigües residuals col·laboren amb institucions de recerca per desenvolupar agents microbians composts personalitzats basats en la qualitat de l'aigua influent i l'estructura de la comunitat microbiana. Una planta de tractament d'aigües residuals farmacèutiques, mitjançant l'anàlisi de la seva comunitat microbiana de fangs, va descobrir una manca de soques que degraden antibiòtics específics. Després de l'aplicació específica d'un agent microbià compost, la concentració de DO va disminuir de 5 mg/L a 2,8 mg/L, mentre que la taxa d'eliminació d'antibiòtics va augmentar un 40%. Tecnologia de construcció ràpida de biofilm
Selecció del transportista i mètode de formació de biofilm: s'afegeixen portadors biològics en suspensió (com l'esponja de poliuretà o la ceramsita) al dipòsit de tractament biològic. S'utilitza una tecnologia de formació ràpida de biofilm per crear un biofilm a la superfície del portador. La comunitat microbiana del biofilm té una estructura estable, una forta resistència als cops i pot mantenir l'activitat fins i tot en condicions de grans fluctuacions de concentració de DO. Mitjançant l'aireació i la barreja combinades amb la inoculació d'espècies bacterianes dominants, la formació de biofilm es pot completar en 7-10 dies, augmentant la capacitat de tractament del sistema biològic en un 20%-30%.
Resultats de l'aplicació: una planta de tractament d'aigües residuals municipals va experimentar una disminució de l'activitat dels fangs i un excés de nitrogen amoníac en el seu efluent a causa de les fluctuacions de la concentració de DO a-a llarg termini. Mitjançant l'addició de portadors biològics de ceramsite i la inoculació de bacteris nitrificants, la concentració de DO es va estabilitzar a 2-3 mg/L després de la formació del biofilm, i la taxa d'eliminació de nitrogen d'amoníac va augmentar del 60% al 95%, millorant significativament la taxa de compliment de la qualitat de l'efluent.
Reestructuració i optimització del sistema: eliminació de les causes fonamentals de les anomalies de l'OD
(I) Procés d'actualització i transformació de la ruta
Optimització de processos d'AO multi-etapa
Influent segmentat i aireació precisa: l'actualització del procés d'AO tradicional a un procés d'AO multi-etapa, mitjançant un control d'aeració independent i d'influent segmentat, aconsegueix una regulació precisa de la concentració de DO en diferents zones. Per exemple, a la zona anòxica de la primera-etapa, es controla la concentració de DO<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%.
Addició d'un dipòsit de sedimentació intermedi: l'addició d'un dipòsit de sedimentació intermedi al procés d'AO de diverses etapes -aconsegueix un control separat del retorn de fangs i el retorn del licor barrejat. El dipòsit de sedimentació intermedi pot eliminar alguns fangs, reduint la concentració de fangs a la zona aeròbica posterior i reduint el consum d'oxigen; al mateix temps, el retorn del licor mixt pot portar més nitrat a la zona anòxica, millorant l'eficiència de la desnitrificació. Una depuradora d'aigües residuals en un parc industrial va reduir la concentració de DO a la zona aeròbica en 0,5 mg/L i va reduir el consum d'energia d'aireació un 15% afegint un dipòsit de sedimentació intermedi.
Optimització profunda del procés MBR: disseny del mòdul de membrana i ajust del mètode d'aireació: en un bioreactor de membrana (MBR), l'optimització del disseny del mòdul de membrana i el mètode d'aireació pot controlar eficaçment la distribució de la concentració de DO. S'utilitza una combinació d'aireació inferior i lateral per satisfer la demanda d'oxigen dels microorganismes alhora que genera força de cisalla per evitar l'encrassement de la membrana. Simultàniament, la supervisió en línia de la concentració de DO al dipòsit de membrana permet l'ajust-en temps real de la velocitat d'aireació, evitant una aireació excessiva que podria provocar concentracions elevades de DO. Després de l'optimització, la concentració de DO al sistema MBR de la planta de tractament d'aigües residuals d'una planta de processament d'aliments es va estabilitzar a 1,5-2,5 mg/L i el cicle de neteja de la membrana es va ampliar de 30 dies a 60 dies.
MBR acoblat amb processos d'oxidació avançats: quan la concentració de DO al sistema MBR és anormal a causa de la matèria orgànica recalcitrant de l'afluent, s'acoblen processos d'oxidació avançats (com l'oxidació de l'ozó i l'oxidació de Fenton) per pretractar l'afluent. L'oxidació avançada pot descompondre la matèria orgànica recalcitrant en substàncies fàcilment biodegradables, reduint la càrrega de tractament bioquímic i estabilitzant la concentració de DO. Després d'adoptar el procés d'acoblament d'ozó MBR-, una planta de tractament d'aigües residuals de tintura i impressió va veure augmentar la seva concentració de DO d'1,2 mg/L a 2,2 mg/L i la seva taxa d'eliminació de DQO augmentar del 75% al 90%.
(II) Valorització i reciclatge d'energia
Digestió anaeròbica de fangs per a la generació d'energia i aireig
Principi del procés: l'excés de fang s'introdueix al digestor anaeròbic. El biogàs generat s'utilitza per generar electricitat mitjançant piles de combustible, proporcionant energia als equips d'aireació. Simultàniament, el digestat després de la digestió anaeròbica és ric en nutrients com nitrogen i fòsfor, que es poden retornar al dipòsit bioquímic per reposar nutrients microbians, promoure el metabolisme microbià i estabilitzar la concentració de DO. Una planta de tractament d'aigües residuals, mitjançant la digestió anaeròbica de fangs per a la generació d'energia, va satisfer el 30% de la demanda d'electricitat del sistema d'aireació, estalviant aproximadament 800.000 iuans en costos d'electricitat anualment, alhora que millorava l'estabilitat de la concentració de DO en un 25%.
Control de retorn del digestat: controleu estrictament el cabal de retorn del digestat per evitar un creixement microbià excessiu a causa de l'excés de nutrients, que augmentaria el consum d'oxigen. Mitjançant el seguiment de les concentracions de nitrogen i fòsfor al dipòsit de tractament biològic, s'ajusta la proporció de recirculació de purins de biogàs, generalment controlada al 5%-10% del cabal d'afluent.
Recuperació de calor residual i control de temperatura de l'aigua
El sistema de recuperació de calor residual recull la calor residual generada durant el tractament d'aigües residuals (com ara la dissipació de calor dels equips d'aireació i la generació de calor a partir de la digestió anaeròbica), convertint-la en aigua calenta mitjançant un sistema de bomba de calor per regular la temperatura de l'aigua al dipòsit de tractament biològic. La temperatura de l'aigua és un factor crucial que afecta la solubilitat de l'oxigen i l'activitat microbiana. Mantenir la temperatura de l'aigua a 20-30 graus ajuda a estabilitzar la solubilitat de l'oxigen i optimitza l'activitat microbiana. Una planta de tractament d'aigües residuals al nord de la Xina, mitjançant el seu sistema de recuperació de calor residual, va augmentar la temperatura de l'aigua al seu dipòsit de tractament biològic de 12 graus a 22 graus a l'hivern, va augmentar la concentració d'oxigen dissolt (DO) en 0,8 mg/L i va millorar l'eficiència del tractament en un 20%.
Temperatura de l'aigua i control de CO-DO: s'estableix un model de control de co-entre la temperatura de l'aigua i la concentració de DO. Quan la temperatura de l'aigua augmenta, la velocitat d'aireació s'incrementa adequadament per compensar la disminució de la solubilitat de l'oxigen; quan la temperatura de l'aigua baixa, la velocitat d'aireació es redueix per evitar concentracions de DO excessivament altes. Aquest control dinàmic garanteix que la concentració de DO es mantingui estable dins d'un rang adequat.
Integració de-tecnologia entre sectors: solucions innovadores per a anomalies de DO
(I) Aplicació de tecnologies IoT i Big Data
Sistema intel·ligent de predicció i alerta primerenca de concentració de DO
Anàlisi de fusió de dades multi-font: integrant informació de diverses fonts-com ara la qualitat de l'aigua afluent, la quantitat d'aigua, els paràmetres de funcionament dels equips d'aireació i les dades meteorològiques, s'estableix un model de predicció de concentració de DO mitjançant l'anàlisi de grans dades. Aquest model pot predir les tendències de concentració de DO amb 24 hores d'antelació. Quan la concentració prevista de DO supera l'interval normal, activa automàticament un avís precoç i impulsa suggeriments d'optimització. El sistema intel·ligent d'alerta primerenca d'una planta de tractament d'aigües residuals va aconseguir una precisió del 95%, reduint el temps de resposta per a la gestió d'anomalies de concentració de DO de 2 hores a 30 minuts.
Control remot i funcionament no tripulat: basat en la tecnologia IoT, s'aconsegueix el control remot dels equips d'aireació i la gestió no tripulada dels tancs de tractament biològic. Els operadors poden controlar la concentració de DO i l'estat de funcionament dels equips en temps real mitjançant una aplicació mòbil o un ordinador, i ajustar de forma remota paràmetres com ara la taxa d'aireació i la relació de retorn de fangs. Després d'adoptar el sistema d'operació no tripulada, una planta de tractament d'aigües residuals en una zona muntanyosa va veure augmentar la seva taxa d'estabilitat de concentració de DO fins al 98% i els costos laborals es van reduir en un 60%. Simulació i optimització de sistemes bessons digitals
Construcció de tancs bioquímics virtuals: es construeix un model virtual de tancs bioquímics mitjançant tecnologia digital bessona per simular la distribució de la concentració de DO i els processos metabòlics microbians en diferents condicions d'influència i paràmetres de funcionament. Mitjançant experiments virtuals, s'optimitzen paràmetres com les estratègies d'aeració i les relacions de retorn dels fangs, i després s'aplica la solució òptima a la producció real. Una planta de tractament d'aigües residuals, mitjançant la simulació del sistema digital doble, va trobar que ajustar l'espai del capçal d'aireació d'1,2 metres a 1 metre millorava la uniformitat de la concentració de DO en un 20% i l'efecte real després de la modificació era coherent amb els resultats de la simulació.
Simulació de fallades i simulacres d'emergència: es simulen escenaris anormals de concentració de DO (com ara fallades d'equips d'aireació i xocs de càrrega d'influent) al sistema digital bessons i es realitzen simulacres d'emergència virtuals per millorar les capacitats de resposta dels operadors. Mitjançant simulacres repetits, els operadors es van familiaritzar més amb els procediments de maneig de les anomalies de DO i el temps real de resposta d'emergència es va reduir en un 40%.
(II) Desenvolupament de nous materials i equipaments avançats
Materials de membrana d'aireació intel·ligent
Característiques i avantatges del material: el nou material de membrana d'aireació intel·ligent presenta una alta porositat, una alta eficiència de transferència d'oxigen i una forta capacitat anti-incrustació. El recobriment intel·ligent a la superfície de la membrana ajusta automàticament la mida dels porus segons la concentració de DO. Quan la concentració de DO és massa alta, els porus es redueixen, reduint la transferència d'oxigen; quan la concentració de DO és massa baixa, els porus s'expandeixen, augmentant la transferència d'oxigen. L'eficiència de transferència d'oxigen de la membrana d'aireació intel·ligent és més d'un 50% superior a la dels capçals d'aireació tradicionals, alhora que redueix el consum d'energia en un 30%.
Perspectives d'aplicació: el material de membrana d'aireació intel·ligent es troba actualment en fase pilot-escala i s'espera que assoleixi una aplicació a gran-escala en els propers 3-5 anys. Els resultats a escala pilot d'una institució de recerca mostren que el rang de fluctuació de la concentració de DO al tanc de tractament biològic que utilitza la membrana d'aireació intel·ligent és només de ± 0,2 mg/L i l'efecte del tractament és significativament millor que el dels sistemes d'aireació tradicionals.
Robot de control de la concentració de DO subaquàtic-en temps real
Característiques: el robot submarí està equipat amb un sensor de DO d'alta-precisió, un analitzador de qualitat de l'aigua i una càmera. Pot navegar de manera autònoma dins del dipòsit de tractament biològic, supervisant la concentració de DO i els paràmetres de qualitat de l'aigua en diferents zones en temps real. El robot transmet dades a la sala de control central mitjançant la comunicació sense fil, permetent als operadors comprendre de manera intuïtiva la distribució de la concentració de DO i identificar ràpidament àrees amb nivells anormals de DO.
Aplicació innovadora: després d'introduir un robot de control de DO subaquàtic, una gran planta de tractament d'aigües residuals va descobrir una zona morta amb una concentració baixa de DO a la cantonada del dipòsit de tractament biològic. En ajustar la disposició del capçal d'aireació, es va eliminar la distribució desigual de la concentració de DO, millorant l'eficiència global del tractament en un 10%.
Conclusió: la solució de concentracions anormals de DO requereix trencar el pensament tradicional i combinar tecnologies innovadores d'emergència, reconstrucció i optimització del sistema i integració tecnològica trans-disciplinària per crear solucions diversificades i multi-nivell. Des de mesures d'emergència a curt-terme, com ara l'aireació de nanobombolles i l'addició d'agents bacterians funcionals, fins a l'optimització del sistema-a llarg termini mitjançant actualitzacions de processos i recuperació d'energia, i a més de tecnologies d'avantguarda- com ara aplicacions IoT i desenvolupament de nous materials, cada tecnologia ofereix noves idees per resoldre concentracions anormals de DO. En el futur, amb el progrés i la innovació tecnològics continus, el control de la concentració de DO serà més precís i eficient, proporcionant una sòlida garantia per al funcionament estable de les plantes de tractament d'aigües residuals i l'assoliment dels estàndards de qualitat de l'aigua.
