Gjennomgang av energisparing og karbonreduksjon av luftesystemer i avløpsrenseanlegg
Ved utgangen av 2020 hadde Kina 4 326 kommunale-avløpsvannbehandlingsanlegg (WWTPs) som behandler 65,59 milliarder kubikkmeter avløpsvann årlig, med et årlig elektrisitetsforbruk på 33,77 milliarder kWh, som utgjør 0,45 % av det nasjonale totale elektrisitetsforbruket. I 2020 var enhetselektrisitetsforbruket per kubikkmeter behandlet vann 0,405 kWh/m³ for renseanlegg som implementerte Grade A-standarden eller høyere av "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002), og 0,375 kWh/m³ er betydelig høyere enn de som implementerer A³-standardene for de som implementerer A³. gjennomsnitt i utviklede land. Selv om den gjennomsnittlige konsentrasjonen av forurensende stoffer i kinesiske avløpsanlegg er mindre enn 50 % av konsentrasjonen i utviklede land, er enhetselektrisitetsforbruket per fjernet forurensning minst 100 % høyere. Derfor er det fortsatt et betydelig potensial for energisparing og karbonreduksjon i Kinas renseanlegg.
CO2-utslippene fra renseanlegg inkluderer direkte og indirekte utslipp. I henhold til "Technical Specification for Low-Carbon Operation Evaluation of Wastewater Treatment Plants" (T/CAEPI 49-2022), består direkte karbonutslipp hovedsakelig av CH₄, N₂O og CO₂ fra forbrenning av fossilt brensel. Indirekte utslipp omfatter utslipp knyttet til innkjøpt elektrisitet, varme og kjemikalier. Som definert av Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), er CO₂ som slippes ut fra den biologiske nedbrytningsprosessen i avløpsvannbehandling ikke inkludert i karbonutslippsregnskapet. Blant de ulike karbonutslippselementene i renseanlegg er det elektrisitetsforbruk som bidrar med den høyeste andelen. Jiang Fuhai et al., basert på et utvalg av 10 renseanlegg, fant at bidragsvekten av elektrisitetsforbruk til karbonutslipp varierte fra 31 % til 64 %. Hu Xiang et al., som analyserte 22 renseanlegg i Chaohu Lake-bassenget, rapporterte at karbonutslipp fra elektrisitetsforbruk utgjorde 61,55 % til 73,56 %. Jo lavere innflytelseskonsentrasjon og høyere avløpsstandard, desto høyere andel direkte karbonutslipp, spesielt fra elektrisitetsforbruk. Luftesystemer bruker over 50 % av et renseanleggs totale elektrisitet. Den operative effektiviteten til luftesystemer påvirker direkte fjerning av nitrogen og fosfor. Overdreven lufting fører til unødvendig forbruk av endogene karbonkilder i avløpsvannet, reduserer effektiviteten av biologisk nitrogen- og fosforfjerning, og øker dermed doseringen av eksterne karbonkilder og fosforfjerningskjemikalier, som igjen øker karbonutslippene fra kjemisk forbruk. Følgelig er energisparing i luftesystemer nøkkelen til karbonreduksjon i renseanlegg, noe som gjør forskning på energisparende teknologier for luftingssystem svært viktig.
1. Årsaker til høyt energiforbruk i luftesystemer til kinesiske renseanlegg
1.1 Faktisk innflytelsesbelastning er lavere enn designbelastning
Lav innflytende belastning inkluderer både lav strømningshastighet og lav forurensningskonsentrasjon. Det er en primær årsak til overdreven lufting. Over-lufting øker ikke bare strømforbruket, men tømmer også endogene karbonkilder i avløpsvannet og øker konsentrasjonen av oppløst oksygen i anaerobe og anoksiske tanker, noe som svekker nitrogen- og fosforfjerning. Dette nødvendiggjør økte doser av karbonkilder og kjemikalier for fjerning av fosfor, noe som øker tilhørende karbonutslipp.
1.1.1 Lav strømningshastighet
Vanligvis, i de første årene etter konstruksjonen av et renseanlegg, klarer ikke innflytende flyt ofte å nå designkapasiteten på grunn av etterslepende byutvikling eller konstruksjon av kloakknettverk. Videre, i områder med kombinert kloakksystem eller regioner med alvorlig overvanns- og kloakkblanding, er tørr-værstrøm betydelig lavere enn våt-værstrøm, noe som resulterer i store strømningssvingninger. Dette krever mer presis regulering og kontroll av luftehastigheter; Ellers er overlufting i perioder med lav-strøm vanlig, noe som påvirker effektiviteten til fjerning av karbon, nitrogen og fosfor og øker både strøm- og kjemisk forbruk.Figur 1viser variasjonen i avløpsvannbehandlingsvolum i Changsha City mellom tørre og våte sesonger. Behandlingsvolumet for våt-sesong er 30–40 % høyere enn i den tørre årstiden. Sesongmessige svingninger i behandlingsvolum krever mer presis kontroll av luftesystemet.
1.1.2 Lav innflytelseskonsentrasjon
De faktiske konsentrasjonene av forurensende stoffer i Kinas kommunale renseanlegg er generelt mye lavere enn designverdiene. Ved design av renseanlegg er innflytelseskvalitet vanligvis basert på middels-til-langsiktige-prognoser med komplette kloakknettverk. I henhold til "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021), er det fem-dagers biokjemiske oksygenbehovet (BOD₅) for husholdningsavløpsvann beregnet til 40–60 g/(person·d), vanligvis 40 g/(person·d). Med et per capita avløpsvannutslipp på 200–350 L/(person·d) i de fleste byer, varierer design BOD₅-konsentrasjonen typisk fra 110 til 200 mg/L. Statistikk viser at 68 % av renseanleggene i Kina har en faktisk årlig gjennomsnittlig innflytende BOD₅ under 100 mg/L, mens 40 % har et årlig gjennomsnitt under 50 mg/L. Fra perspektivet av innflytende konsentrasjon versus nødvendig lufting, har de fleste kinesiske renseanlegg luftesystemer designet med en "overdimensjonert motor for en liten vogn"-situasjon-konfigurert med høy-kapasitetsblåsere mens det faktiske luftbehovet er lavt. Denne konfigurasjonen fører lett til overlufting og økt energiforbruk.
1.2 Urimelig konfigurasjon av mengde lufteutstyr
Mange renseanlegg har urimelig konfigurert antall lufteutstyrsenheter på grunn av at de ikke tar hensyn til hyppige driftsforhold med-lav belastning. For eksempel konfigurerer mange små og mellomstore -rensevannsanlegg vanligvis blåsere i et "2 duty + 1 standby" (totalt 3) oppsett i blåseromsdesignet, som er optimalt under designflyt og kvalitetsforhold. Under forhold med lav innflytende belastning kan det imidlertid føre til overlufting og økt strømforbruk å bruke selv én vifte med minimumseffekt. Selv om installasjon av frekvensomformere (VFD) eller andre midler for å redusere lufttilførselen kan unngå overlufting, kan disse tiltakene flytte viftedriften bort fra høyeffektivitetssonen, redusere effektiviteten og sløse med energi. Gitt de generelt lave innflytende konsentrasjonene, bør strategier som å øke antall blåsere og samtidig redusere kapasiteten på individuelle enheter vurderes for å møte behov for regulering av luftbehov i perioder med lav belastning. Historisk har begrensede budsjetter og høye kostnader for importerte høyytelsesblåsere ført til færre-enhetskonfigurasjoner. Med modning av innenlandsk høyytelses-vifteteknologi og reduserte kostnader, er forholdene nå gunstige for å optimalisere viftekonfigurasjoner for å oppnå energisparing og karbonreduksjon.
1.3 Lav effektivitet av lufteutstyr
Noen eldre renseanlegg, bygget med sin tids teknologi, bruker lufteutstyr med lav-effektivitet og høyt-energiforbruk-. I henhold til gjeldende teknologiske og energieffektivitetsstandarder anses utstyr som Roots-blåsere, flertrinns lav-sentrifugalblåsere, skiveluftere og børsteluftere som lav-effektivitet, typisk fra 40 % til 65 % effektivitet-15 % til 40 % lavere enn moderne høyhastighetssentrifugalluftere. Videre, i renseanlegg som bruker fin-boblediffundert lufting i Anaerob-Anoxic-Oxic (A₂/O) eller Anoxic-Oxic (A/O) prosesser, reduserer aldring eller tilstopping av diffusorer oksygenoverføringseffektiviteten og øker motstanden, og dermed øker viftens energiforbruk.
1.4 Urimelig konfigurasjon av blandere i biologiske tanker
I oksidasjonsgrøfter med overflateluftere tjener utstyret både lufte- og blande-/skyvefunksjoner. Dette er en rimelig design under designbelastningsforhold. Under lav-belastningsforhold kan det imidlertid være nødvendig å redusere eller stoppe lufting, men for å hindre slamavsetning eller separasjon av væske-faststoff må tilstrekkelig strømningshastighet opprettholdes, noe som tvinger til fortsatt drift av luftere og forårsaker overlufting, dårlig fjerning av næringsstoffer og energisløsing. For mer energi-effektiv drift ved lav belastning, bør oksidasjonsgrøfter utstyres med riktig konfigurerte nedsenkbare blandere.
I A₂/O- og A/O-prosesser er aerobe tanker vanligvis fullstendig dekket med fine-boblediffusorer uten dedikerte blandere, og er avhengig av tilstrekkelig lufting for å forhindre setning. Under lav belastning kan reduksjon av lufting eller implementering av intermitterende lufting for å unngå over-lufting lett føre til slamavsetninger, noe som påvirker behandlingen. For å operere mer effektivt ved lav belastning, bør A₂/O og A/O aerobe tanker vurdere å legge til passende blandere.
2. Tekniske tilnærminger for energisparing og karbonreduksjon i renseanleggsluftesystemer
2.1 Erstatning med høy-lufteutstyr
Rensevannsanlegg som fortsatt bruker lav-effektivt utstyr som Roots-blåsere, fler-lavhastighets-sentrifugalblåsere, skiveluftere eller børsteluftere, eller de med sterkt eldet og ineffektivt utstyr, bør gjennomføre energieffektivitetsevalueringer fra et energi-tidsbesparende-perspektiv og erstatte dem med ny karbonreduksjon,{4} høy-effektive modeller. For øyeblikket har høyhastighetsblåsere som enkelt-høyhastighets-sentrifugalblåsere, blåsere med magnetlag og luftlagre som brukes i store renseanlegg, typisk effektivitet mellom 80 % og 85 %. Imidlertid mangler markedet for øyeblikket små-høyhastighets-sentrifugalblåserprodukter. Rensevannsanlegg med kapasitet under 2000 m³/d er fortsatt avhengig av mindre effektivt utstyr som Roots-blåsere, med effektivitet generelt mellom 40 % og 65 %, noe som indikerer et betydelig forbedringspotensial. Derfor er det meningsfullt å utvikle mer effektivt små{21}}lufteutstyr for energisparing og karbonreduksjon i små renseanlegg.
2.2 Konvertering fra overflatelufting til fin-boblediffusert lufting
Gitt passende vanndybde er fin-boblediffunderet lufting mer energieffektiv- enn overflatelufting. Konvertering av oksidasjonsgrøfter fra overflate til fin-boblediffunderet lufting kan gi gode energibesparende-resultater. Fra implementerte ettermonteringsprosjekter oppnår slike konverteringer ikke bare betydelige energibesparelser, men forbedrer også effektiviteten til fjerning av biologiske næringsstoffer. Chen Chaos studie bemerket at etter en ombygd renseanlegg, sank det totale strømforbruket med 24,7 %, mens fjerningsgraden for ammoniakknitrogen, COD og totalt fosfor økte med henholdsvis 30,39 %, 5,39 % og 2,09 %. Xie Jici et al. rapporterte energibesparelser på 0,09–0,12 kWh/m³ etter en lignende konvertering, med betydelig forbedring i effektiviteten til fjerning av biologiske næringsstoffer. Ved fin{16}}boblelufting er oksygenoverføringseffektiviteten lineært positivt korrelert med vanndybden. Under en viss kritisk dybde kan effektiviteten være lavere enn overflatelufting. Vanligvis anses en vanndybde større enn 4 m som en passende betingelse for å konvertere oksidasjonsgrøfter til fin{20}}boblediffunderet lufting.
3. Tekniske tilnærminger for energisparing og karbonreduksjon i renseanleggsluftesystemer
3.1 Erstatning med høy-lufteutstyr
Rensevannsanlegg som fortsatt bruker lav-effektivt utstyr som Roots-blåsere, fler-lavhastighets-sentrifugalblåsere, skiveluftere eller børsteluftere, eller de med sterkt eldet og ineffektivt utstyr, bør gjennomføre energieffektivitetsevalueringer fra et energi-tidsbesparende-perspektiv og erstatte dem med ny karbonreduksjon,{4} høy-effektive modeller. For øyeblikket har høyhastighetsblåsere som enkelt-høyhastighets-sentrifugalblåsere, blåsere med magnetlag og luftlagre som brukes i store renseanlegg, typisk effektivitet mellom 80 % og 85 %. Imidlertid mangler markedet for øyeblikket små-høyhastighets-sentrifugalblåserprodukter. Rensevannsanlegg med kapasitet under 2000 m³/d er fortsatt avhengig av mindre effektivt utstyr som Roots-blåsere, med effektivitet generelt mellom 40 % og 65 %, noe som indikerer et betydelig forbedringspotensial. Derfor er det meningsfullt å utvikle mer effektivt små{21}}lufteutstyr for energisparing og karbonreduksjon i små renseanlegg.
3.2 Konvertering fra overflatelufting til fin-boblediffusert lufting
Gitt passende vanndybde er fin-boblediffunderet lufting mer energieffektiv- enn overflatelufting. Konvertering av oksidasjonsgrøfter fra overflate til fin-boblediffunderet lufting kan gi gode energibesparende-resultater. Fra implementerte ettermonteringsprosjekter oppnår slike konverteringer ikke bare betydelige energibesparelser, men forbedrer også effektiviteten til fjerning av biologiske næringsstoffer. Chen Chaos studie bemerket at etter en ombygd renseanlegg, sank det totale strømforbruket med 24,7 %, mens fjerningsgraden for ammoniakknitrogen, COD og totalt fosfor økte med henholdsvis 30,39 %, 5,39 % og 2,09 %. Xie Jici et al. rapporterte energibesparelser på 0,09–0,12 kWh/m³ etter en lignende konvertering, med betydelig forbedring i effektiviteten til fjerning av biologiske næringsstoffer. Ved fin{16}}boblelufting er oksygenoverføringseffektiviteten lineært positivt korrelert med vanndybden. Under en viss kritisk dybde kan effektiviteten være lavere enn overflatelufting. Vanligvis anses en vanndybde større enn 4 m som en passende betingelse for å konvertere oksidasjonsgrøfter til fin{20}}boblediffunderet lufting.
3.3 Intermitterende lufteteknologi
For renseanlegg med lave innflytende konsentrasjoner, løser kontinuerlig -intermitterende lufting effektivt problemer med dårlig fjerning av næringsstoffer og høyt energiforbruk forårsaket av over{1}}lufting. Det involverer kontinuerlig innflytende og avløpsstrøm mens luftesystemet opererer i sykluser med lufting på/av. Etter ARAKI et al.s forskning fra 1986 på intermitterende lufting for nitrogenfjerning i oksidasjonsgrøfter, har mange forskere utført eksperimentelle studier. Hou Hongxun et al. gjennomførte en full-forsøk i et 100 000 m³/d renseanlegg ved bruk av kontinuerlig-strømningsintermitterende lufting i en oksidasjonsgrøft, og oppnådde en 20 % økning i total nitrogenfjerning, en 49 % økning i total fosforfjerning, og en reduksjon på totalt anleggsenergiforbruk. He Quan et al., i en 40 000 m³/d WWTP-oksidasjonsgrøfteforsøk med en 2-timers on/2-timer av-syklus, fant at sammenlignet med kontinuerlig lufting, sparte intermitterende lufting 42 % i luftingsenergi, økte total nitrogenfjerning med 9,6 % og 9,6 % fjerning av totalt nitrogen. 6,9 % under vinterlave-temperaturforhold. Zheng Wanlin et al., i en 40 000 m³/d WWTP A₂/O prosessforsøk med en 3-timers på/3-timers av-syklus, opprettholdt stabil standardkompatibel avløpskvalitet samtidig som de sparte 18,3 % i strømforbruk. Foreløpig er fullskalaapplikasjoner av intermitterende lufting med kontinuerlig flyt fortsatt begrenset, med flere tekniske utfordringer som gjenstår.
For A₂/O-prosesser som bruker fin-boblelufting, begrenser to faktorer den brede bruken av intermitterende lufting. For det første genererer høyhastighets sentrifugalvifte høy-desibel, skarp støy ved oppstart; hyppig sykling for periodisk drift skaper støyforurensning. For det andre, hyppige start-stoppsykluser for magnetiske/luftlagerblåsere fører til at de ikke-kontaktlagre gjentatte ganger kommer i kontakt med huset, noe som lett fører til lagerskader, økt feilfrekvens og redusert levetid.
Når det påføres intermitterende lufting på oksidasjonsgrøfter eller A₂/O-prosesser, må det sikres tilstrekkelig blandingshastighet under ikke--luftingsperioder, noe som potensielt krever ekstra blandere for å hindre slamavsetning. Ammoniakknitrogenkonsentrasjoner kan stige raskt under ikke-lufting, og risikerer øyeblikkelig overskridelse. Derfor er det nødvendig med ytterligere forskning for å vitenskapelig sette og justere luftingssykluser, bedre energisparing og fjerning av forurensende stoffer samtidig som man unngår øyeblikkelig overskridelse av ammoniakknitrogen.
Rensevannsanleggs bekymring for potensiell umiddelbar overskridelse av ammoniakknitrogen er en stor barriere for bred anvendelse av intermitterende lufting. I januar 2022 avga Økologi- og miljødepartementet en høring om et utkast til endring av GB 18918-2002, der det primært ble foreslått å legge til maksimalt tillatte grenser for enkeltmålinger. Disse foreslåtte enkeltmålegrensene er betydelig høyere enn de opprinnelige daglige gjennomsnittsgrensene, mens daglige gjennomsnitt forblir uendret. For eksempel, for Grad A-standard, vil en enkelt måling under 10 mg/L (15 mg/L under 12 grader) være akseptabelt hvis det daglige gjennomsnittet forblir under 5 mg/L (8 mg/L under 12 grader). Hvis den implementeres, kan denne endringen bidra til å løse regulatoriske bekymringer angående øyeblikkelig overskridelse fra intermitterende lufting, og lette anvendelsen i oksidasjonsgrøfteprosesser.
3.4 Nøyaktig lufteteknologi
Rensevannsstrømningshastigheter og innflytende konsentrasjoner svinger betydelig, selv gjennom dagen, noe som forårsaker varierende luftbehov. Å stole utelukkende på manuell erfaring-basert justering gjør presis kontroll vanskelig og kan kompromittere stabiliteten i avløpskvaliteten. Med fremskritt innen big data og kunstig intelligens har konseptet med presis lufting dukket opp. Nøyaktig lufteteknologi har blitt brukt i noen renseanlegg, som vanligvis oppnår 10–20 % energibesparelser i luftesystemer. Å kombinere presis lufting med andre prosessmodifikasjoner kan gi bedre resultater. Zhu Jie et al. implementert presis ettermontering av lufting i en flertrinns A/O prosess WWTP, og oppnådde 49,8 % energibesparelser i luftesystemet. Nøyaktig og intelligent lufting representerer viktige fremtidige retninger for energisparing og karbonreduksjon. Det finnes nåværende begrensninger i sanntidskapasiteten og nøyaktigheten til datainnsamling og analyse for disse systemene. Flere teknologiske gjennombrudd er nødvendig i sanntid-nøyaktig kontroll av vifter og ventiler og nøyaktig luftfordeling.
4. Konklusjon
Energisparing i luftesystemer er nøkkelen til karbonreduksjon i renseanlegg. Den primære årsaken til høyt energiforbruk i kinesiske renseanleggsluftesystemer er lav innflytende belastning, som lett fører til over-lufting, sløsing med elektrisitet og økende karbonutslipp fra både kraft og kjemikalier. Andre årsaker inkluderer aldring/lav-effektivt utstyr og urimelig konfigurasjon av lufte- og blandeutstyr. Effektive midler for å oppnå energisparing og karbonreduksjon inkluderer å erstatte lav-effektivitet med høy-effektiv lufteutstyr, konvertere overflaten til fin-boblediffunderet lufting, og bruk av teknologier som kontinuerlig-intermitterende lufting og presis lufting.