Nenormalios ištirpusio deguonies (DO) koncentracijos yra dažna ir sudėtinga problema nuotekų valymo įrenginiuose, daranti įtaką ne tik nuotekų kokybei, bet ir potencialiai galinti sukelti grandininę dumblo kaupimosi ir padidėjusio energijos suvartojimo reakciją. Be įprastų aeracijos koregavimo ir išankstinio vandens apdorojimo priemonių, toliau pateikiami pažangūs DO anomalijų sprendimai iš trijų aspektų: avarinės naujoviškos technologijos, sistemos restruktūrizavimas ir optimizavimas bei tarpdisciplininis technologijų integravimas{1}}.
Neatidėliotinos naujoviškos technologijos: greitas DO koncentracijos dilemos įveikimas
(I) Patobulinta aeracijos technologija
Nanoburbulinė aeracijos technologija
Principas ir privalumai: Nanoburbuliukai, kurių skersmuo yra tik 10-200 nm, turi didelį specifinį paviršiaus plotą, lėtą kilimo greitį ir didelį tirpimo efektyvumą. Palyginti su tradiciniais aeravimo metodais, nanoburbulinė aeracija gali padidinti deguonies panaudojimą iki daugiau nei 80%, tai yra 2–3 kartus daugiau nei mikroporinė aeracija. Avariniais atvejais, kai staigiai sumažėja DO koncentracija, nanoburbuliukai gali greitai padidinti ištirpusio deguonies kiekį vandenyje, nepaveikdami mikrobų bendruomenės.
Taikymo atvejis: cheminių nuotekų valymo įrenginiuose staiga padidėjo įtekančių organinių medžiagų koncentracija, todėl ištirpusio deguonies (DO) koncentracija sumažėjo nuo 2,5 mg/l iki 0,8 mg/l. Avariniu būdu įjungus nanoburbulų aeravimo sistemą, DO koncentracija pakilo iki virš 2 mg/l vos per 30 minučių ir po 2 valandų grįžo į normalų lygį, išvengiant rizikos, kad nuotekos viršys standartus.
Gryno deguonies aeracijos avarinė sistema
Taikomi scenarijai: kai įprastos aeracijos sistemos negali patenkinti avarinio deguonies poreikio, grynas deguonies aeravimas gali būti naudojamas kaip avarinis priedas. Aukštos-koncentracijos deguonis tiekiamas per skysto deguonies kaupimo bakus arba deguonies generatorius ir tiesiogiai įpurškiamas į biologinio apdorojimo baką, per trumpą laiką žymiai padidindamas DO koncentraciją. Gryno deguonies aeracijos deguonies perdavimo efektyvumas yra 5-10 kartų didesnis nei oro aeracijos, todėl jis ypač tinka skubiai gydyti didelės apkrovos smūgius arba aeravimo įrangos gedimus.
Atsargumo priemonės: Griežtai kontroliuoti deguonies įpurškimo greitį būtina norint aeruoti gryną deguonį, kad būtų išvengta per didelės DO koncentracijos, sukeliančios apsinuodijimą mikrobais. Be to, grynas deguonis yra gana brangus ir turėtų būti naudojamas tik kaip trumpalaikė skubi priemonė, o ne ilgalaikiam{2}}nepertraukiamam naudojimui. Didžiausiu fermentacijos rezervuaro valymo nuotekų išleidimo laikotarpiu alaus daryklos nuotekų valymo įrenginiuose buvo naudojama gryno deguonies aeracija, siekiant išlaikyti stabilią ištirpusio deguonies (DO) koncentraciją maždaug 3 mg/l, užtikrinant efektyvų organinių medžiagų skaidymą.
(II) Mikrobų patobulinta ištaisymo technologija
Tikslinis funkcinių mikrobų agentų dozavimas:
Agento parinkimas ir taikymas: Konkrečios funkcinės mikrobinės medžiagos parenkamos patobulinimui, atsižvelgiant į skirtingus DO anomalijų tipus. Pavyzdžiui, kai DO suvartojimas yra lėtas dėl nepakankamo dumblo aktyvumo, pridedant labai veiksmingų ardančių mikrobų agentų (tokių kaip Bacillus ir Pseudomonas), galima greitai padidinti mikrobų medžiagų apykaitos pajėgumus ir padidinti deguonies suvartojimą. Kai DO koncentracija yra per didelė, denitrifikuojantys mikrobiniai agentai denitrifikuojasi, kad sunaudotų deguonies perteklių.
Individualizuoto mikrobų agento kūrimas: kai kurie nuotekų valymo įrenginiai bendradarbiauja su mokslinių tyrimų institucijomis, kad sukurtų pritaikytus sudėtinius mikrobinius agentus, pagrįstus įtekančio vandens kokybe ir mikrobų bendruomenės struktūra. Farmacinis nuotekų valymo įrenginys, išanalizavęs dumblo mikrobų bendruomenę, nustatė, kad trūksta padermių, kurios ardo specifinius antibiotikus. Tikslingai panaudojus sudėtinį mikrobinį agentą, DO koncentracija sumažėjo nuo 5 mg/l iki 2,8 mg/l, o antibiotikų pašalinimo greitis padidėjo 40%. Greitos biofilmų konstrukcijos technologija
Nešiklio parinkimas ir bioplėvelės formavimo būdas: į biologinio apdorojimo baką įpilama suspenduotų biologinių nešklių (tokių kaip poliuretano kempinė arba keramzitas). Norint sukurti bioplėvelę ant nešiklio paviršiaus, naudojama greito bioplėvelės formavimo technologija. Mikrobų bendruomenė bioplėvelėje turi stabilią struktūrą, stiprų atsparumą smūgiams ir gali išlaikyti aktyvumą net esant dideliems DO koncentracijos svyravimams. Naudojant aeraciją ir maišymą kartu su dominuojančių bakterijų rūšių inokuliavimu, bioplėvelės susidarymas gali būti baigtas per 7–10 dienų, todėl biologinės sistemos apdorojimo pajėgumas padidėja 20–30%.
Taikymo rezultatai: dėl ilgalaikių -DO koncentracijos svyravimų komunalinių nuotekų valymo įrenginių dumblo aktyvumas sumažėjo, o nuotekose buvo per daug amoniakinio azoto. Pridėjus keramzito biologinių nešėjų ir pasėjus nitrifikuojančiomis bakterijomis, susidarius bioplėvelei, DO koncentracija stabilizavosi ties 2-3 mg/L, o amoniakinio azoto pašalinimo greitis padidėjo nuo 60% iki 95%, o tai žymiai pagerino nuotekų kokybės atitikties rodiklį.
Sistemos restruktūrizavimas ir optimizavimas: pagrindinių DO anomalijų priežasčių pašalinimas
(I) Proceso maršruto atnaujinimas ir transformavimas
Kelių{0}}pakopų AO proceso optimizavimas
Segmentinis įtekėjimas ir tikslus aeravimas: tradicinį AO procesą patobulinus į kelių{0}}pakopų AO procesą, naudojant segmentuotą įtekėjimo ir nepriklausomą aeracijos valdymą, pasiekiamas tikslus DO koncentracijos reguliavimas įvairiose zonose. Pavyzdžiui, pirmosios-anoksinės stadijos zonoje DO koncentracija kontroliuojama iki<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%.
Tarpinio nusodinimo rezervuaro pridėjimas: pridėjus tarpinį nusodinimo baką į daugiapakopį AO procesą, galima atskirai valdyti dumblo grąžinimą ir mišraus skysčio grąžinimą. Tarpinis sedimentacijos rezervuaras gali pašalinti šiek tiek dumblo, sumažindamas dumblo koncentraciją tolesnėje aerobinėje zonoje ir sumažindamas deguonies suvartojimą; tuo pačiu metu mišraus skysčio grąžinimas gali pernešti daugiau nitratų į anoksinę zoną, pagerindamas denitrifikacijos efektyvumą. Pramoniniame parke įrengtas nuotekų valymo įrenginys sumažino DO koncentraciją aerobinėje zonoje 0,5 mg/l, o aeracijos energijos sąnaudas sumažino 15 %, pridėjus tarpinį nusodinimo rezervuarą.
MBR proceso gilus optimizavimas: membranos modulio išdėstymas ir aeracijos metodo reguliavimas: membraniniame bioreaktoriuje (MBR) optimizuojant membranos modulio išdėstymą ir aeracijos metodą galima efektyviai valdyti DO koncentracijos pasiskirstymą. Apačios ir šoninės aeracijos derinys naudojamas mikroorganizmų deguonies poreikiui patenkinti, kartu sukuriant šlyties jėgą, kad būtų išvengta membranos užsiteršimo. Tuo pačiu metu internetinis DO koncentracijos membranos rezervuare stebėjimas leidžia realiu laiku-koreguoti aeracijos greitį, užkertant kelią pernelyg dideliam aeravimui, dėl kurio gali susidaryti didelė DO koncentracija. Po optimizavimo maisto perdirbimo įmonės nuotekų valymo įrenginio MBR sistemoje DO koncentracija stabilizavosi ties 1,5-2,5 mg/L, o membranos valymo ciklas pailgėjo nuo 30 dienų iki 60 dienų.
MBR susietas su pažangiais oksidacijos procesais: kai DO koncentracija MBR sistemoje yra nenormali dėl įtekamoje patekoje esančios nepalankios organinės medžiagos, pažangūs oksidacijos procesai (tokie kaip ozono oksidacija ir fentono oksidacija) yra sujungiami, kad įtaka būtų apdorojama. Pažangi oksidacija gali suskaidyti nepalankias organines medžiagas į lengvai biologiškai skaidomas medžiagas, sumažindama biocheminio apdorojimo apkrovą ir stabilizuodama DO koncentraciją. Pritaikius MBR-ozonu susietą procesą, dažymo ir spausdinimo nuotekų valymo įrenginiuose DO koncentracija padidėjo nuo 1,2 mg/l iki 2,2 mg/l, o COD pašalinimo greitis padidėjo nuo 75 % iki 90 %.
(II) Energijos atgavimas ir perdirbimas
Anaerobinis dumblo skaidymas elektros gamybai ir aeracijai
Proceso principas: perteklinis dumblas paduodamas į anaerobinį pūdytuvą. Sukurtos biodujos naudojamos elektrai gaminti per kuro elementus, tiekiant energiją aeracijos įrangai. Tuo pačiu metu virškinimo likute po anaerobinio skaidymo yra daug maistinių medžiagų, tokių kaip azotas ir fosforas, kurios gali būti grąžinamos į biocheminį rezervuarą, kad būtų papildytos mikrobų maistinėmis medžiagomis, skatinama mikrobų apykaita ir stabilizuojama DO koncentracija. Nuotekų valymo įrenginys, naudojant dumblo anaerobinį skaidymą energijai gaminti, patenkino 30% aeracijos sistemos elektros poreikio, kasmet sutaupydamas maždaug 800 000 juanių elektros energijos sąnaudų, tuo pačiu pagerindamas DO koncentracijos stabilumą 25%.
Virškinimo trakto grąžinimo kontrolė: Griežtai kontroliuokite virškinimo skysčio grįžtamojo srauto greitį, kad išvengtumėte per didelio mikrobų augimo dėl per didelio maistinių medžiagų kiekio, dėl kurio padidėtų deguonies suvartojimas. Stebint azoto ir fosforo koncentracijas biologinio valymo rezervuare, sureguliuojama biodujų srutų recirkuliacijos dalis, paprastai kontroliuojama 5–10 % įtekančio srauto.
Atliekos šilumos atgavimas ir vandens temperatūros kontrolė
Atliekinės šilumos atgavimo sistema surenka atliekinę šilumą, susidariusią nuotekų valymo metu (pvz., šilumos išsklaidymą iš aeracijos įrenginių ir šilumos generavimą anaerobinio pūdymo metu), paverčiant ją karštu vandeniu per šilumos siurblio sistemą, kad būtų galima reguliuoti vandens temperatūrą biologinio valymo rezervuare. Vandens temperatūra yra esminis veiksnys, turintis įtakos deguonies tirpumui ir mikrobų aktyvumui. 20-30 laipsnių vandens temperatūros palaikymas padeda stabilizuoti deguonies tirpumą ir optimizuoja mikrobų aktyvumą. Šiaurės Kinijoje esantis nuotekų valymo įrenginys, naudodamas atliekų šilumos atgavimo sistemą, padidino vandens temperatūrą biologinio valymo rezervuare nuo 12 laipsnių iki 22 laipsnių žiemą, padidino ištirpusio deguonies (DO) koncentraciją 0,8 mg/l, o valymo efektyvumą pagerino 20%.
Vandens temperatūros ir DO Co{0}}kontrolė: nustatomas bendras{1}} vandens temperatūros ir DO koncentracijos valdymo modelis. Kai vandens temperatūra pakyla, aeracijos greitis atitinkamai padidinamas, kad būtų kompensuotas deguonies tirpumo sumažėjimas; nukritus vandens temperatūrai, aeracijos greitis sumažinamas, kad būtų išvengta pernelyg didelių DO koncentracijų. Šis dinaminis valdymas užtikrina, kad DO koncentracija išliks stabili tinkamame diapazone.
Kryžminis-pramonės technologijų integravimas: novatoriški sprendimai DO anomalijoms spręsti
(I) IoT ir didelių duomenų technologijų taikymas
DO koncentracijos išmanioji numatymo ir ankstyvojo įspėjimo sistema
Kelių{0}}šaltinių duomenų susiliejimo analizė: integruojant kelių{1} šaltinių informaciją, pvz., įtekančio vandens kokybę, vandens kiekį, aeracijos įrangos veikimo parametrus ir meteorologinius duomenis, DO koncentracijos prognozavimo modelis sukuriamas atliekant didelių duomenų analizę. Šis modelis gali numatyti DO koncentracijos tendencijas prieš 24 valandas. Kai numatoma DO koncentracija viršys įprastą diapazoną, automatiškai įjungiamas išankstinis įspėjimas ir pateikiami optimizavimo pasiūlymai. Išmanioji išankstinio perspėjimo sistema nuotekų valymo įrenginiuose pasiekė 95 % tikslumą ir sumažino atsako laiką sprendžiant DO koncentracijos anomalijas nuo 2 valandų iki 30 minučių.
Nuotolinis valdymas ir nepilotuojamas veikimas: remiantis IoT technologija, pasiekiamas nuotolinis aeracijos įrangos valdymas ir nepilotuojamas biologinio valymo rezervuarų valdymas. Operatoriai gali stebėti DO koncentraciją ir įrangos veikimo būseną realiu laiku naudodamiesi mobiliąja programėle arba kompiuteriu ir nuotoliniu būdu reguliuoti tokius parametrus kaip aeracijos greitis ir dumblo grąžinimo santykis. Pritaikius nepilotuojamą eksploatavimo sistemą, kalnuotoje vietovėje esančio nuotekų valymo įrenginio DO koncentracijos stabilumas padidėjo iki 98%, o darbo sąnaudos sumažėjo 60%. Skaitmeninės dvynių sistemos modeliavimas ir optimizavimas
Virtualaus biocheminio rezervuaro konstrukcija: virtualus biocheminio rezervuaro modelis sukonstruotas naudojant skaitmeninę dvynių technologiją, kad būtų galima imituoti DO koncentracijos pasiskirstymą ir mikrobų medžiagų apykaitos procesus esant skirtingoms įtakos sąlygoms ir veikimo parametrams. Atliekant virtualius eksperimentus optimizuojami tokie parametrai kaip aeracijos strategijos ir dumblo grąžinimo santykis, o optimalus sprendimas pritaikomas faktinei gamybai. Nuotekų valymo įrenginys, atlikęs skaitmeninės dvigubos sistemos modeliavimą, nustatė, kad pakoregavus aeracijos galvučių atstumą nuo 1,2 metro iki 1 metro, DO koncentracijos tolygumas pagerėjo 20%, o tikrasis poveikis po modifikavimo atitiko modeliavimo rezultatus.
Gedimų modeliavimas ir avarinės pratybos: Nenormalios DO koncentracijos scenarijai (pvz., aeracijos įrangos gedimas ir įtakingos apkrovos smūgiai) yra imituojami skaitmeninėje dviguboje sistemoje, o siekiant pagerinti operatorių reagavimo galimybes, atliekamos virtualios avarinės pratybos. Per pakartotinius pratimus operatoriai geriau susipažino su DO anomalijų tvarkymo procedūromis, o faktinis reagavimo į avariją laikas sutrumpėjo 40%.
(II) Naujų medžiagų ir pažangios įrangos kūrimas
Išmaniosios aeracinės membranos medžiagos
Medžiagos charakteristikos ir pranašumai: naujoji išmanioji aeracinė membraninė medžiaga pasižymi dideliu poringumu, dideliu deguonies perdavimo efektyvumu ir stipriu anti-užteršimu. Išmani membranos paviršiaus danga automatiškai reguliuoja porų dydį pagal DO koncentraciją. Kai DO koncentracija per didelė, poros susitraukia, todėl sumažėja deguonies perdavimas; kai DO koncentracija per maža, poros plečiasi, todėl padidėja deguonies perdavimas. Išmaniosios aeracijos membranos deguonies perdavimo efektyvumas yra daugiau nei 50% didesnis nei tradicinių aeravimo galvučių, tuo pačiu sumažinant energijos sąnaudas 30%.
Taikymo perspektyvos: šiuo metu išmaniosios aeracinės membranos medžiaga yra bandomajame{0}}masto etape ir tikimasi, kad per ateinančius 3-5 metus ji bus plačiai pritaikyta{1}}. Tyrimų institucijos bandomojo masto rezultatai rodo, kad DO koncentracijos svyravimų diapazonas biologinio valymo rezervuare naudojant išmaniąją aeravimo membraną yra tik ±0,2 mg/l, o apdorojimo efektas yra žymiai geresnis nei tradicinių aeravimo sistemų.
Povandeninis DO koncentracijos{0}}realaus laiko stebėjimo robotas
Savybės: povandeniniame robote yra didelio{0}}tikslumo DO jutiklis, vandens kokybės analizatorius ir kamera. Jis gali savarankiškai naršyti biologinio valymo rezervuare, realiuoju laiku stebėti DO koncentraciją ir vandens kokybės parametrus įvairiose srityse. Robotas perduoda duomenis į centrinę valdymo patalpą belaidžiu ryšiu, todėl operatoriai gali intuityviai suvokti DO koncentracijos pasiskirstymą ir greitai nustatyti sritis su nenormaliais DO lygiais.
Inovatyvus pritaikymas: pristačius povandeninį DO stebėjimo robotą, didelis nuotekų valymo įrenginys biologinio valymo rezervuaro kampe aptiko negyvą zoną su maža DO koncentracija. Pakoregavus aeracijos galvutės išdėstymą, buvo pašalintas netolygus DO koncentracijos pasiskirstymas, todėl bendras gydymo efektyvumas pagerėjo 10%.
Išvada: norint išspręsti neįprastas DO koncentracijas, reikia peržengti tradicinį mąstymą ir derinti avarines naujoviškas technologijas, sistemos atkūrimą ir optimizavimą bei tarpdisciplininį technologijų integravimą, kad būtų sukurti įvairūs ir kelių lygių sprendimai. Nuo trumpalaikių avarinių priemonių, pvz., nanoburbulų aeravimo ir funkcinių bakterijų agento pridėjimo, iki ilgalaikio Ateityje, nuolat tobulėjant technologinei pažangai ir naujovėms, DO koncentracijos kontrolė taps tikslesnė ir efektyvesnė, suteikdama solidžią garantiją stabiliam nuotekų valymo įrenginių darbui ir vandens kokybės standartų pasiekimui.