Yfirferð um orkusparnað og kolefnisminnkun loftræstikerfa í skólphreinsistöðvum
Í lok árs 2020 hafði Kína 4.326 skólphreinsistöðvar ({3}}sveitarfélög og yfir skólphreinsistöðvar, sem hreinsa 65,59 milljarða rúmmetra af skólpvatni árlega, með árlegri raforkunotkun upp á 33,77 milljarða kWst, sem svarar til 0,45% af heildar raforkunotkun á landsvísu. Árið 2020 var raforkunotkun eininga á hvern rúmmetra af meðhöndluðu vatni 0,405 kWh/m³ fyrir hreinsunarstöðvar sem innleiða A-staðalinn eða hærri í "Útrennslisstaðli mengunarefna fyrir hreinsistöðvar sveitarfélaga" (GB 18918-2002), og 0,375 kWh/m³ tölur sem eru verulega hærri fyrir þær sem eru lægri fyrir A³. meðaltali í þróuðum löndum. Þrátt fyrir að meðalstyrkur mengunarefna í kínverskum hreinsunarstöðvum sé minna en 50% af því í þróuðum löndum, er raforkunotkun eininga á hvern mengunarefni sem er fjarlægt að minnsta kosti 100% hærri. Þess vegna eru enn miklir möguleikar á orkusparnaði og kolefnisminnkun í hreinsunarstöðvum Kína.
Kolefnislosun frá hreinsunarstöðvum felur í sér bein og óbein losun. Samkvæmt "Tækniforskrift fyrir lág-kolefnisrekstursmat á skólphreinsistöðvum" (T/CAEPI 49-2022), samanstendur bein kolefnislosun fyrst og fremst af CH₄, N₂O og CO₂ frá bruna jarðefnaeldsneytis. Óbein losun nær yfir þá sem tengjast keyptu rafmagni, hita og efnum. Eins og skilgreint er af milliríkjanefnd um loftslagsbreytingar (IPCC), er CO₂ sem losað er frá líffræðilegu niðurbrotsferli í skólphreinsun ekki innifalið í bókhaldi um kolefnislosun. Meðal hinna ýmsu þátta í losun kolefnis í hreinsunarstöðvum er raforkunotkun hæsta hlutfallið. Jiang Fuhai o.fl., byggt á úrtaki af 10 hreinsunarstöðvum, komust að því að vægi raforkunotkunar til kolefnislosunar var á bilinu 31% til 64%. Hu Xiang o.fl., sem greindu 22 hreinsistöðvar í Chaohu Lake vatninu, greindu frá því að kolefnislosun frá raforkunotkun væri 61,55% til 73,56%. Því lægri sem styrkur innstreymis er og því hærra sem frárennslisstaðalinn er, því hærra er hlutfall beinnar kolefnislosunar, einkum vegna raforkunotkunar. Loftræstikerfi eyða yfir 50% af heildarrafmagni hreinsunarstöðvar. Rekstrarvirkni loftræstingarkerfa hefur bein áhrif á brottnám niturs og fosfórs. Óhófleg loftun leiðir til óþarfa neyslu á innrænum kolefnisgjöfum í frárennslisvatninu, dregur úr skilvirkni líffræðilegrar nitur- og fosfóreyðingar og eykur þar með skammta ytri kolefnisgjafa og fosfóreyðandi efna, sem aftur eykur kolefnislosun frá efnaneyslu. Þar af leiðandi er orkusparnaður í loftræstingarkerfum lykillinn að kolefnisminnkun í hreinsunarstöðvum, sem gerir rannsóknir á orkusparandi tækni loftræstingarkerfa mjög mikilvægar.
1. Ástæður fyrir mikilli orkunotkun í loftræstingarkerfum kínverskra hreinsunarstöðva
1.1 Raunverulegt áhrifaálag er lægra en hönnunarálag
Lágt innstreymisálag felur í sér bæði lágt rennsli og lágan styrk mengunarefna. Það er aðal orsök of mikillar loftræstingar. Of-loftun eykur ekki aðeins rafmagnsnotkun heldur eyðir líka innrænum kolefnisgjöfum í frárennslisvatninu óhóflega og hækkar styrk uppleysts súrefnis í loftfirrtum og súrefnislausum geymum, sem hindrar brottnám niturs og fosfórs. Þetta kallar á aukna skammta af kolefnisgjöfum og efnum til að fjarlægja fosfór, sem eykur tilheyrandi kolefnislosun.
1.1.1 Lágt flæði
Venjulega, fyrstu árin eftir byggingu hreinsunarstöðvar, nær áhrifaflæði oft ekki hönnunargetu vegna tafa í þéttbýlisþróun eða byggingu fráveitukerfis. Ennfremur, á sameinuðu fráveitukerfasvæðum eða svæðum með mikla blöndun regnvatns og skólps, er þurrt-veðurrennsli verulega lægra en blautt-veðurflæði, sem veldur miklum flæðissveiflum. Þetta krefst nákvæmari stjórnunar og eftirlits með loftunarhraða; annars er of-loftun á litlum-flæðistímabilum algeng, sem hefur áhrif á virkni kolefnis, köfnunarefnis og fosfórs og eykur bæði rafmagns- og efnanotkun.Mynd 1sýnir breytileika í magni skólphreinsunar í Changsha-borg milli þurra og blautu árstíða. Rúmmál meðhöndlunar á blautu-tímabilinu er 30%–40% hærra en á þurru tímabili. Árstíðabundnar sveiflur í meðferðarmagni krefjast nákvæmari stjórnunar á loftræstingu.
1.1.2 Lágur áhrifastyrkur
Raunverulegur styrkur mengunarefna í hreinsunarstöðvum sveitarfélaga í Kína er almennt mun lægri en hönnunargildi. Í hreinsunarhönnun eru áhrifamikil gæði venjulega byggð á miðlungs-til-langtíma-áætlunum með fullkomnu fráveitukerfi. Samkvæmt „Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering“ (GB 50014-2021), er fimm-daga lífefnafræðileg súrefnisþörf (BOD₅) fyrir heimilisskólp reiknuð 40–60 g/(mann·d), venjulega 40 g/(mann·d). Með frárennsli á mann á mann upp á 200–350 L/(mann·d) í flestum borgum, er hönnunarstyrkur BOD₅ venjulega á bilinu 110 til 200 mg/L. Tölfræði sýnir að 68% hreinsunarstöðva í Kína hafa raunverulegt árlegt meðaláhrif BOD₅ undir 100 mg/L, þar sem 40% eru með ársmeðaltal undir 50 mg/L. Frá sjónarhóli áhrifastyrks á móti nauðsynlegri loftun, eru flestar kínverskar hreinsunarstöðvar með loftræstingarkerfi sem eru hönnuð með „stórum mótor fyrir litla kerru“-stillt með blásara með mikilli-afköstum á meðan raunveruleg loftþörf er lítil. Þessi uppsetning leiðir auðveldlega til ofloftunar og aukinnar orkunotkunar.
1.2 Óeðlileg uppsetning á magni loftræstingarbúnaðar
Mörg hreinsunarstöðvar hafa óeðlilega stillt fjölda loftræstibúnaðareininga vegna þess að ekki er gert ráð fyrir tíðum rekstrarskilyrðum með -lágu álagi. Til dæmis stilla margar litlar og meðalstórar hreinsunarstöðvar venjulega upp blásara í „2 duty + 1 biðstöðu“ (alls 3) uppsetningu í blásaraherberginu, sem er ákjósanlegt við hönnunarflæði og gæðaaðstæður. Hins vegar, við lágt álagsálag, getur það að nota jafnvel einn blásara á lágmarksafköstum valdið of-loftun og aukinni orkunotkun. Þó að uppsetning breytilegra tíðnidrifa (VFD) eða annarra leiða til að draga úr loftstreymi getur komið í veg fyrir of-loftun, geta þessar ráðstafanir fært blásaravirkni frá há-nýtnisvæðinu, dregið úr skilvirkni og sóun á orku. Með hliðsjón af almennt lágum styrk innflæðis ætti að íhuga aðferðir eins og að fjölga blásurum en draga úr afkastagetu einstakra eininga til að mæta þörfum fyrir eftirlit með loftþörf á meðan á lágu-hleðslutímabili stendur. Sögulega hafa takmarkað kostnaðarhámark og hár kostnaður vegna innfluttra-afkastamikilla blásara leitt til færri-einingastillinga. Með þroska innlendrar-afkastamikillar blásaratækni og minni kostnaði eru aðstæður nú hagstæðar til að fínstilla blásarastillingar til að ná fram orkusparnaði og kolefnisminnkun.
1.3 Lítil skilvirkni loftræstingarbúnaðar
Sum eldri hreinsunarstöðvar, byggðar með tækni síns tíma, nota litla-skilvirkni og-orkunotkun-loftunarbúnað. Samkvæmt núverandi tækni- og orkunýtingarstöðlum eru búnaður eins og Roots blásarar, fjöl-lághraða miðflóttablásarar, skífuloftarar og burstaloftarar taldir lítil-nýtni, venjulega á bilinu 40% til 65% nýtni-15% til 40% lægri háhraða miðflóttablásara en nútíma háhraða{13% skilvirkni. Ennfremur, í hreinsunarstöðvum sem nota fína-dreifða loftbólu í loftfirrtri-anoxískri-oxískri (A₂/O) eða anoxískri-oxískri (A/O) ferlum, dregur öldrun eða stífla dreifara úr skilvirkni súrefnisflutnings og eykur viðnám og eykur þar með orkunotkun blásara.
1.4 Óeðlileg uppsetning blöndunartækja í líffræðilegum kerum
Í oxunarskurðum með yfirborðsloftara þjónar búnaðurinn bæði loftun og blöndun/ýta. Þetta er hæfileg hönnun við hönnunarálagsskilyrði. Hins vegar, við litla-álagsaðstæður, getur verið nauðsynlegt að draga úr eða stöðva loftun, en til að koma í veg fyrir að eðja setjist eða fljótandi-föst fráskilnaður verður að viðhalda nægilegum flæðihraða, sem þvingar áframhaldandi rekstur loftara og veldur of-loftun, lélegri næringarefnafjarlægingu og orkusóun. Fyrir meiri orku-hagkvæmari rekstur við lágt álag ættu oxunarskurðir að vera búnir rétt stilltum dýfanlegum blöndunartækjum.
Í A₂/O og A/O ferlum eru loftháðir tankar venjulega að fullu þaktir fínum-kúludreifurum án sérstakra blöndunartækja, sem treysta á nægilega loftun til að koma í veg fyrir set. Undir lágu álagi getur það að draga úr loftun eða innleiða loftun með hléum til að koma í veg fyrir of-loftun auðveldlega leitt til seyðunnar sem hefur áhrif á meðferðina. Til að starfa skilvirkari við lágt álag ættu A₂/O og A/O loftháðir tankar að íhuga að bæta við viðeigandi blöndunartækjum.
2. Tæknilegar aðferðir til orkusparnaðar og kolefnisminnkunar í loftræstingarkerfum
2.1 Skipt um há-loftunarbúnað
Rennslisstöðvar sem enn nota lítinn-hagkvæman búnað eins og Roots-blásara, fjöl-lághraða-miðflóttablásara, diskaloftara eða burstaloftara, eða þeir sem eru með mjög gamaldags og óhagkvæman búnað, ættu að framkvæma orkunýtnimat út frá orku-sparandi sjónarhorni og skipta þeim út fyrir nýjan kolefnissparnað,{{4} tímasparandi{{4}. hár-hagkvæm módel. Eins og er eru háhraða blásarar eins og eins-háhraða miðflóttablásarar, segulmagnaðir blásarar og loftblásarar sem notaðir eru í stórum hreinsunarstöðvum yfirleitt með skilvirkni á bilinu 80% til 85%. Hins vegar skortir markaðinn eins og er lítil-afkastagetu háhraða-miðflóttablásara. Rennslisstöðvar með afköst undir 2.000 m³/d treysta enn á óhagkvæmari búnað eins og Roots blásara, með skilvirkni almennt á milli 40% og 65%, sem gefur til kynna verulega möguleika á umbótum. Þess vegna er þýðingarmikið fyrir orkusparnað og kolefnisminnkun í litlum hreinsunarstöðvum að þróa skilvirkari -lítil loftræstingarbúnað.
2.2 Umbreyting frá yfirborðsloftun í fína-dreifða loftbólu
Miðað við viðeigandi vatnsdýpt er fín-dreifð loftbóla orkunýtnari-en yfirborðsloftun. Með því að breyta oxunarskurðum úr yfirborði í fína-dreifða loftbólu getur það skilað góðum-orkusparandi árangri. Frá útfærðum endurbótaverkefnum ná slíkar umbreytingar ekki aðeins umtalsverðum orkusparnaði heldur einnig bæta líffræðilega næringarefnanýtingu. Rannsókn Chen Chao benti á að eftir að einni hreinsunarstöð var breytt minnkaði heildarrafmagnsnotkun um 24,7%, en brottflutningshlutfall fyrir ammoníak köfnunarefni, COD og heildarfosfór jókst um 30,39%, 5,39% og 2,09%, í sömu röð. Xie Jici o.fl. greint frá orkusparnaði upp á 0,09–0,12 kWst/m³ eftir svipaða umbreytingu, með verulegum framförum í líffræðilegri næringarefnanotkun. Í fínni-loftbólu er súrefnisflutningsskilvirkni línulega jákvæð fylgni við vatnsdýpt. Undir ákveðnu mikilvægu dýpi getur skilvirkni þess verið lægri en yfirborðsloftun. Almennt er vatnsdýpt meira en 4 m talið heppilegt skilyrði til að breyta oxunarskurðum í fína-dreifða loftbólu.
3. Tæknilegar aðferðir við orkusparnað og kolefnisminnkun í loftræstingarkerfum
3.1 Skipt um há-loftunarbúnað
Rennslisstöðvar sem enn nota lítinn-hagkvæman búnað eins og Roots-blásara, fjöl-lághraða-miðflóttablásara, diskaloftara eða burstaloftara, eða þeir sem eru með mjög gamaldags og óhagkvæman búnað, ættu að framkvæma orkunýtnimat út frá orku-sparandi sjónarhorni og skipta þeim út fyrir nýjan kolefnissparnað,{{4} tímasparandi{{4}. hár-hagkvæm módel. Eins og er eru háhraða blásarar eins og eins-háhraða miðflóttablásarar, segulmagnaðir blásarar og loftblásarar sem notaðir eru í stórum hreinsunarstöðvum yfirleitt með skilvirkni á bilinu 80% til 85%. Hins vegar skortir markaðinn eins og er lítil-afkastagetu háhraða-miðflóttablásara. Rennslisstöðvar með afköst undir 2.000 m³/d treysta enn á óhagkvæmari búnað eins og Roots blásara, með skilvirkni almennt á milli 40% og 65%, sem gefur til kynna verulega möguleika á umbótum. Þess vegna er þýðingarmikið fyrir orkusparnað og kolefnisminnkun í litlum hreinsunarstöðvum að þróa skilvirkari -lítil loftræstingarbúnað.
3.2 Umbreyting frá yfirborðsloftun í fína-bubbludreifða loftun
Miðað við viðeigandi vatnsdýpt er fín-dreifð loftbóla orkunýtnari-en yfirborðsloftun. Með því að breyta oxunarskurðum úr yfirborði í fína-dreifða loftbólu getur það skilað góðum-orkusparandi árangri. Frá útfærðum endurbótaverkefnum ná slíkar umbreytingar ekki aðeins umtalsverðum orkusparnaði heldur einnig bæta líffræðilega næringarefnanýtingu. Rannsókn Chen Chao benti á að eftir að einni hreinsunarstöð var breytt minnkaði heildarrafmagnsnotkun um 24,7%, en brottflutningshlutfall fyrir ammoníak köfnunarefni, COD og heildarfosfór jókst um 30,39%, 5,39% og 2,09%, í sömu röð. Xie Jici o.fl. greint frá orkusparnaði upp á 0,09–0,12 kWst/m³ eftir svipaða umbreytingu, með verulegum framförum í líffræðilegri næringarefnanotkun. Í fínni-loftbólu er súrefnisflutningsskilvirkni línulega jákvæð fylgni við vatnsdýpt. Undir ákveðnu mikilvægu dýpi getur skilvirkni þess verið lægri en yfirborðsloftun. Almennt er vatnsdýpt meira en 4 m talið heppilegt skilyrði til að breyta oxunarskurðum í fína-dreifða loftbólu.
3.3 Stöðug loftunartækni
Fyrir hreinsunarstöðvar með lágan styrkleika innstreymis tekur stöðug-flæðisloftun með hléum á áhrifaríkan hátt á vandamálum um lélega fjarlægingu næringarefna og mikla orkunotkun af völdum of-loftunar. Það felur í sér stöðugt innflæðis- og frárennslisflæði á meðan loftræstingarkerfið starfar í lotum þar sem loftun er kveikt/slökkt. Í kjölfar rannsókna ARAKI o.fl. árið 1986 á hléum loftun til að fjarlægja nitur í oxunarskurðum, hafa margir fræðimenn framkvæmt tilraunarannsóknir. Hou Hongxun o.fl. gerði fulla-prófun á 100.000 m³/d hreinsunarstöð með stöðugri-flæðisloftun í oxunarskurði, sem náði 20% aukningu á heildarfjarlægingu köfnunarefnis, 49% aukningu á heildarfjarlægingu fosfórs og 21% minnkun á heildarorkunotkun álversins. He Quan o.fl., í 40.000 m³/d skurðarprófun með oxunarhreinsunarkerfi með 2-klukkutíma á/2-klukkutíma, komust að því að samanborið við samfellda loftun sparaði tímabundin loftun 42% í loftunarorku, jók heildarköfnunarefnisfjarlægingu um 9.6% og fjarlægingu um 9.6% af köfnunarefni. 6,9% við lágt-vetrarhitastig. Zheng Wanlin o.fl., í 40.000 m³/d afrennsli A₂/O ferliprófun með 3-klukkutíma kveikt/3 klst slökkt hringrás, héldu stöðugum frárennslisgæði í samræmi við staðla en sparaði 18,3% í raforkunotkun. Eins og er er notkun á stöðugu flæðisloftun í fullri stærð enn takmörkuð, með nokkrar tæknilegar áskoranir eftir.
Fyrir A₂/O ferla sem nota fína-kúluloftun, takmarka tveir þættir víðtæka beitingu hléaloftunar. Í fyrsta lagi mynda há-hraða miðflóttablásarar háan-desibel, skarpan hávaða við gangsetningu; tíðar hjólreiðar fyrir notkun með hléum skapar hávaðamengun. Í öðru lagi valda tíðar ræsingar-stöðvunarlotur fyrir segulmagnaðir/loftlagerblásarar að snertilausu legurnar snerta húsið endurtekið, sem leiðir auðveldlega til legaskemmda, aukinnar bilunartíðni og styttri líftíma.
Þegar beitt er hléum loftun á oxunarskurði eða A₂/O ferla verður að tryggja nægjanlegan blöndunarhraða á ó-loftunartímabilum, sem gæti þurft viðbótarblöndunartæki til að koma í veg fyrir að seyru sest. Styrkur ammoníaksköfnunarefnis getur hækkað hratt meðan ekki-að er loftað, þannig að hætta sé á að það fari strax yfir. Þess vegna er þörf á frekari rannsóknum til að vísindalega stilla og stilla loftræstingarlotur, bæta orkusparnað og fjarlægja mengunarefni betur en forðast tafarlausa ammoníak köfnunarefnismagn.
Áhyggjur ræstingarstöðva af hugsanlegu tafarlausu magni yfir ammoníak köfnunarefnismagn eru mikil hindrun fyrir víðtækri notkun á hléum loftun. Í janúar 2022 gaf vistfræði- og umhverfisráðuneytið út samráð um drög að breytingu á GB 18918-2002, þar sem fyrst og fremst var lagt til að bætt verði við leyfilegum hámarksmörkum fyrir stakar mælingar. Þessi fyrirhuguðu mörk fyrir staka mælingu eru umtalsvert hærri en upphafleg dagmeðaltalsmörk, en dagmeðaltöl haldast óbreytt. Til dæmis, fyrir stig A staðal, væri ein mæling undir 10 mg/L (15 mg/L undir 12 gráður) ásættanleg ef daglegt meðaltal helst undir 5 mg/L (8 mg/L undir 12 gráðum). Ef hún kemur til framkvæmda gæti þessi breyting hjálpað til við að takast á við reglugerðaráhyggjur varðandi tafarlausa umfram loftun með hléum og auðvelda beitingu hennar í oxunarskurðarferlum.
3.4 Nákvæm loftunartækni
Rennsli hreinsunarstöðvar og styrkur innflæðis sveiflast verulega, jafnvel yfir daginn, sem veldur breytilegri loftþörf. Að treysta eingöngu á handvirka reynslu-aðlögun gerir nákvæma stjórn erfiða og getur dregið úr stöðugleika frárennslisgæða. Með framförum í stórum gögnum og gervigreind hefur hugmyndin um nákvæma loftun komið fram. Nákvæm loftunartækni hefur verið beitt í sumum hreinsunarstöðvum, sem venjulega hefur náð 10%–20% orkusparnaði í loftræstikerfi. Með því að sameina nákvæma loftun með öðrum ferlibreytingum getur það skilað betri árangri. Zhu Jie o.fl. innleitt nákvæma endurnýjun á loftun í fjölþrepa A/O ferli hreinsunarstöðvar, sem náði 49,8% orkusparnaði í loftunarkerfinu. Nákvæm og skynsamleg loftun táknar mikilvægar framtíðarstefnur fyrir orkusparnað og kolefnisminnkun. Núverandi takmarkanir eru fyrir hendi í rauntíma-getu og nákvæmni gagnaöflunar og greiningar fyrir þessi kerfi. Það er þörf á fleiri tæknibyltingum í rauntíma-nákvæmri stjórn á blásurum og ventlum og nákvæmri loftdreifingu.
4. Niðurstaða
Orkusparnaður í loftræstikerfum er lykillinn að kolefnisminnkun í hreinsunarstöðvum. Aðalástæðan fyrir mikilli orkunotkun í kínverskum hreinsunarkerfi loftræstingarkerfum er lágt álag, sem leiðir auðveldlega til of-loftunar, sóun á rafmagni og aukinni kolefnislosun bæði frá orku og efnum. Aðrar ástæður eru meðal annars öldrun/lítil-nýtni búnaður og óeðlileg uppsetning á loftræstingu og blöndunarbúnaði. Árangursríkar leiðir til að ná fram orkusparnaði og kolefnisminnkun fela í sér að skipta út lítilli-nýtni fyrir há-skilvirkni loftræstingarbúnaði, breyta yfirborði í fína-dreifða loftbólu og beita tækni eins og stöðugri-flæðisloftun og nákvæmri loftun.