都市下水処理施設におけるファインバブル曝気システムの改修と性能調査{0}}

都市下水処理施設におけるファインバブル曝気システムの改修と性能調査{0}}

導入

現在、中国で使用されている主な廃水処理プロセスには、オキシデーションディッチ、SBR、活性汚泥などが含まれます。オキシデーションディッチプロセスは、特に生物部門でのエネルギー消費が高く、総エネルギー消費量の65%～80%を占めるという問題があります。オキシデーションディッチプロセスで使用される一般的な曝気装置には、曝気ブラシ、曝気ディスク、垂直シャフト曝気装置、ファインバブル曝気装置などがあります。-たとえば、ある都市の都市下水処理場が従来の表層機械曝気から底面微細気泡曝気に切り替えたところ、エネルギー消費量が 20.11% 減少し、処理水の水質はより安定しました。さらに、ファインバブルエアレーションにはゾーン酸素供給の特徴があり、酸化溝のさまざまな領域の酸素需要に応じて正確な酸素供給を行うことができ、窒素とリンの除去効率がさらに向上します。

ある都市下水処理場の表面曝気装置は、稼働から10年以上経過しており、設備の老朽化や運用上の困難が深刻でした。最新の排出基準を満たすことが難しく、技術革新が急務となっていた。このプロジェクトでは、システムをファインバブル エアレーション システムにアップグレードしました。これにより、エネルギー消費量が大幅に削減され、運用が最適化され、機器の寿命が延長され、メンテナンス コストが削減され、国の省エネおよび排出削減政策に沿ったものになります。{2}この改修プロジェクトでは、機器の解体と設置の際に、古い機器の分別リサイクル、プレハブ設置の採用、低騒音・低排出機械の使用などのグリーン建設実践を実施しました。これにより、「プロセス建設」-の二次元のエネルギー節約が達成され、廃水処理プラントの持続可能な開発がサポートされました。-

1 プロジェクト概要

1.1 現状

ある都市の都市下水処理施設は、3 段階に分けて建設され、総処理能力は 50,000 トン/日です。第一期ではオキシデーションディッチ法を採用し、第二期と高度処理プロジェクトでもオキシデーションディッチ法を採用し、その後、凝集沈殿＋布濾過＋紫外線殺菌法による高度処理を行った。フェーズ III では改良型 A²O プロセスが採用されました。現在、排水は DB32/1072-2018 規格を満たしています。

1.2 既存の問題

1.2.1 外部パイプネットワークの影響

この工場のパイプ網の収集範囲内の廃水には、多くの産業企業からの寄付が含まれています。日常の操業中に、企業からの異常廃水の影響を受ける可能性があり、生物タンク内の DO 値が非常に低くなり、0 mg/L に達することもあり、生産要件を満たせなくなります。一方、外部条件の変化により、管内に排水を排出する企業が管内に増加しており、当工場への流入水質は今後さらに厳しいものとなることが予想されます。流入水が変動すると生物槽内の溶存酸素が大幅に減少し、回転ディスクによる曝気量の調整範囲が制限されてしまいます。時期によっては、好気性タンク内のDOが0mg/Lに達し、それに応じてプラントの処理能力の低下を余儀なくされ、生物タンクの好気性環境と処理能力に大きな影響を与えます。

1.2.2 曝気槽内の低 DO

回転ディスクの故障により曝気装置の低酸素化効率が低下するため、実際の生産運転中、過去の運転データによると、曝気タンクの中央および出口にある機器からの平均 DO 値は 1 mg/L を超えず、最低値は 0 mg/L に達し、生化学反応の有効性に深刻な影響を与えています。

1.2.3 高いエネルギー消費

この工場の第 1 期および第 2 期生物タンクはオキシデーションディッチ形式です。フェーズ I の酸化溝では、出力 18.5 kW の回転ディスク エアレーター 8 台を使用し、表面エアレーターの総出力は 148 kW です。フェーズ II 酸化溝は 4 チャンネルのカルーセル溝タイプで、11 kW を 2 セット、18.5 kW を 2 セット、15 kW を 9 セット含む、13 台の日立製自吸式曝気装置を使用しており、総表面曝気装置出力は 194 kW です。通常の運転では、既存の酸素供給装置の酸素化効率が低いため、十分な水量を確保するには、すべてのエアレーターを完全にオンにする必要があります。

フェーズ I およびフェーズ II エアレーターの水 1 トンあたりの消費電力は、(18.5 kW*7+194)*24*0.75/25、000=0.2392 RMB/トンです。近隣のいくつかの都市生活下水処理施設における生物系の電力消費量の調査に基づくと、底部微細気泡曝気システムを使用する 25,000 トン/日の都市生活下水処理場のエネルギー消費量は、通常 0.09～0.1 RMB/トンです。-回転ディスクエアレーターのエネルギー消費量は底部ファインバブルエアレーションシステムの 2.4 ～ 2.7 倍であり、比較的高いエネルギー消費量を示しています。

1.2.4 高い機器故障率

回転ディスクエアレーターが古くなると、機器の故障率が徐々に増加します。このプラントで 11 年間稼働した後、回転ディスク曝気システムにディスクの変形が発生し、高い装置負荷と重大な振動が発生しました。長期間使用すると底部が緩み、両端の位置ずれやその他の問題が発生し、ベアリングの摩耗が増加し、故障率が高くなります。-メインシャフト、インペラ、カップリング、ベースギアは複数回の修理または交換が行われ、実質的に交換時期に達しています。自吸式エアレーターのベアリングとエアレーター ヘッド ブレードがひどく磨耗していました。-最近の統計によると、この工場では回転ディスク エアレーターと自吸式エアレーターの修理が年間 30 件近く発生しています。-

2 レトロフィット技術ソリューションの設計

全体的な改修アプローチは次のとおりです。元の回転ディスク エアレーターを取り外し、底部微細気泡エアレーションに置き換え、それに対応してブロワーを追加します。{0}}生物タンクの排水堰を嵩上げして、生物タンクの有効水深を増加させる。独自のチャンネル構造を使用して好気セクションにミキサーを追加し、局所的なスラッジの蓄積を防ぎます。

2.1 エアレーターの選択とレイアウト

2.1.1 エアレーターディスクのパラメータ

図に示すように、EPDM 膜エアレーター ディスク モデル DD330 が選択されました。図1に示す特定のパラメータを使用して、表1.

2.1.2 エアレーターディスクのレイアウト

エアレーターディスクの数: フェーズ I タンク底部ネット面積 864 m²、フェーズ II タンク底部ネット面積 1,412 m²、平均サービスエリア 0.8 m²/ディスク、安全率 1.05 ～ 1.10。最終的に決定されたエアレーター ディスクの合計数は、フェーズ I 1,150 ディスク、フェーズ II 1,900 ディスクです。

レイアウトの原則: 規則的な三角形のグリッド パターンで均等に配置されます。タンク壁からの距離 デッドゾーンを避けるために 0.3 m 以上。チャンネル隔壁とのクリアランス メンテナンスを容易にするために 0.4 m 以上。水の流れ方向に沿って仕切られ、ゾーンごとに電動エアコントロールバルブを1つ配置し、DOゾーン制御を実現します。スラッジ ポンプの吸引ポート、サンプリング トラフ、およびケーブル トレイを避け、ディスクあたりのサービス エリアを 0.8 平方メートル以下に維持しながら、間隔を 1.5 m に局所的に調整します。

設置の高さとパイプのグレード: メンブレンディスクの上面はタンク底部から 0.25 m の位置にあり、ファンのサージを防ぐために最低水位で 5.0 m 以上の浸水を保証します。分岐パイプには穴あき空気分配を備えた ABS DN50 が使用されています。メインパイプはループ状に配置され、風速は 10 ～ 12 m.s⁻¹ に制御されます。材質は SS304 です。ディスク 10 枚ごとに 1 対のフランジ クイック コネクト フィッティングが提供されており、タンクを空にすることなくメンテナンスのために全体を持ち上げることができます。-

2.2 ブロワーシステムの最適化

2.2.1 ブロワーの追加

輸入エアサスペンションブロワーをメインユニットとして購入し、ステンレス製のエアダクトを追加してブロワールームを新設しました。

2.2.2 ブロワの選定

プラントの実際の運転条件に基づき、将来の水質変化を考慮すると、改修計画における流入水 COD 濃度は設計値と大きな差異はなく、平均濃度は約 320 mg/L です。 BOD 濃度はフェーズ III の設計値 150 mg/L に基づいて計算され、その他の流入指標はフェーズ III の設計流入濃度に基づいて計算されました。プラントのフェーズ I および II に必要な動作空気量は 103.7 m3/min (6,225.1 m3/h、2 つのデューティ ユニットと 1 つのスタンバイ ユニット、単一ユニットの空気量 50 m3/min) です。

様々な要素を総合的に考慮し、第 1 期と第 2 期のメインユニットとして輸入エアサスペンションブロワー NX75-C060 を 2 台購入しました。新しい送風機室を建設する必要があり、暫定的に元の汚泥脱水作業場の南側に位置し、酸化溝にステンレス鋼の空気ダクトを追加しました。ブロワーパラメータ: 空気圧 0.049 MPa、空気量 50 m3/min、これらの動作条件下での最大出力電力 64.3 kW。

2.2.3 エアレーションシステムの改造

曝気方法を底面曝気に変更した。フェーズ I および II の生物タンクでは、対応する数のディスク エアレーターと UPVC エアレーション パイプが使用されます。具体的な改修アプローチ: フェーズ I 生物タンクでは 780 セットの DD330 ディスク エアレーターと UPVC エアレーション パイプを使用することが予想され、フェーズ II 生物タンクでは 1,276 セットの DD330 ディスク エアレーターと UPVC エアレーション パイプを使用することが予想され、単一エアレーターの作動空気量は 3.45 m3/h です。エアレーターヘッドのレイアウトを以下に示します。図2と3.

2.3 プロセスパラメータの最適化

2.3.1 オキシデーションディッチのゾーニングとDO制御戦略

オキシデーションディッチの水流方向に沿って、曝気セクションは4つのゾーンに分かれています。ゾーン 1: DO 0.3 ～ 0.5 mg/L、ゾーン 2: DO 0.2 ～ 0.3 mg/L、ゾーン 3: DO 1.5 ～ 2.0 mg/L、ゾーン 4: DO 1.0 ～ 1.5 mg/L。アンモニア態窒素処理装置はゾーン 2 とゾーン 3 の間の最も高い硝化反応速度のポイントに設置され、最終的に流出液 NH3-N を 1.5 mg/L 以下に制御します。

2.3.2 曝気時間の最適化

「断続的曝気」モジュールが既存の SCADA システムに追加され、DO オンライン機器 + 時間デュアル閉ループを形成し、有酸素セクションの中央の DO が 0.2 mg/L に維持されるようにしました。やるなら<0.2 mg/L at the end of the air-off period, an additional 5 minutes of micro-aeration is automatically added (to protect mixers). After the cycle count reaches 12 times (6×24/120=12), the blower is forced to rest for 30 minutes (to prevent overheating from frequent start-stop cycles).

3 改修効果分析

この工学的改修がプロセス全体の運用に及ぼす影響は、改修前後の流出汚染物質の変化を比較することによって調べられました。

3.1 改修前後の排水水質の比較

改修前後の排水水質は、図に示すように安定する傾向にありました。図4。改修前後では、平均排水 COD は 30 mg/L 未満を維持し、TP は基本的に 0.3 mg/L 以下、NH₃-N は 1.5 mg/L 以下を維持しましたが、TN は 10 mg/L 付近で変動しました。全体的な水質は準クラス IV 地表水基準に達しており、プラントに要求される排水基準をはるかに上回っています。{7}}

改修が水質に及ぼす影響をより直観的に分析するために、改修前後の 1 年間の排水水質傾向を比較し、以下の結果を導き出しました。{0}}図5。この図から、流入水濃度変化の影響を考慮しない場合、改修後の COD および TP 排水濃度の変動は改修前よりも安定していることがわかります。窒素インジケーターの平均値は改修前と比較して増加しましたが、全体的な傾向は比較的安定しており、その結果、プラント全体のエネルギー消費量が減少し、化学薬品の節約につながりました。

3.2 改修前後の汚染物質除去量の比較

曝気システムの改善により、図に示すように、工場全体の電力消費量は以前と比べて 1.7% 減少しましたが、処理能力は 8.33% 増加し、それに対応して汚染物質の削減も増加しました。図6。計算の結果、COD削減量は948.5トン増加、TPは7.0トン増加、NH₃-Nは100.4トン増加、TNは125.9トン増加した。

に示すように、実際の汚染物質除去量もそれに応じて変化しました。表2。改修後は、NH₃-N 除去率の低下を除き、他のすべての指標の除去率が増加しました。

3.3 改修前後のエネルギー消費量の比較

この改修プロジェクトのエネルギー消費量は次のとおりです。表3。改修後、フェーズ I 生物タンク曝気システムの水 1 トン当たりの電力消費量は 67.3% 減少し、フェーズ II では 80.9% 減少しました。プラント全体の水 1 トン当たりの平均消費電力は 55.3% 減少し、大幅な省エネ効果が実証されました。-水 1 トン当たりのプラント全体の電力消費量は 0.21 kW・h/m3 に減少しました。これは、全国の同様のオキシデーションディッチプロセスのエネルギー消費値の範囲内 (0.292±0.192) kW・h/m3 です。プラント全体の改修前後の汚染物質の単位重量あたりの消費電力量を以下に示します。表4。プラント全体の曝気システムの改修後、COD 処理 1 kg あたりの消費電力量は 26.2% 減少、TP 処理 1 kg あたり 15.7% 減少、NH3-N 処理 1 kg あたり 29.3% 減少、TN 処理 1 kg あたり 36.1% 減少し、良好な省エネ効果が示されました。-。

3.4 改修前後の化学物質の比較

改修前は、曝気システムの故障が頻繁に発生したため、生物系の DO の制御が困難であり、窒素指標基準を満たすためには、除去効果を確保するために外部から炭素源を追加する必要がありました。改修後は、外部からの炭素源の追加は基本的に必要なくなりました。改修後は、生物学的リン除去・脱窒効率が大幅に向上し、それに伴い付随するリン除去薬品PACや汚泥脱水薬品PAMも減少しました。年間化学薬品コストは以前と比較して約 167,000 人民元削減されました。具体的な変更点を以下に示します。表5.

3.5 改修前後の投資額の比較

改修前の表面曝気装置の年間コストは 162 万 8,100 人民元で、年間の設備修理費は 25 万人民元以上でした。改修後の送風機とミキサーの年間コストは 714,600 人民元でした。この計算に基づくと、年間の電気代の節約は 913,500 人民元、さらに年間の修理費の節約は 250,000 人民元となり、合計で年間 116 万 3500 人民元の節約となります。総投資額 370.4 万人民元に基づくと、回収期間は 3.18 年です。

3.6 プロセスの安定性

改修前、故障期間中、生物タンク内の溶存酸素はほとんど 1.0 mg/L 未満に維持されていました。改修後、生物タンク内の溶存酸素は平均 1.5 ～ 2.0 mg/L でした。流入濃度とプロセス要件に応じて、溶存酸素の調整範囲は 1.0 ～ 2.5 mg/L になります。流入濃度が高い場合には、ブロワー出力を調整することで生物タンク内の溶存酸素レベルを正常に維持することもできます。したがって、改修後も安定した排水適合条件が満たされます。

4 結論

Before technical renovation, this plant faced common problems with the oxidation ditch process: aging rotating discs → attenuation of oxygenation efficiency → insufficient DO, along with skyrocketing energy consumption and failure rates. Replacing them with a bottom fine-bubble aeration-mixer-blower system can reversely amplify the oxygen mass transfer coefficient, increase HRT in section A, and improve zonal oxygen supply precision, simultaneously enhancing denitrification without adding carbon sources. For similar plants: any oxidation ditch that has been in operation for ≥10 years, with aeration power consumption per ton of water >0.23kW・h、頻繁にDO<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%、この技術革新を再現できます。この例から得られる 55.3% の電力節約、3.18- 年の投資回収期間、および汚染物質削減率の 3% ～ 5% 増加という限界利益に基づくと、改修投資には高い安全余裕があり、炭素削減の可能性を即座に解き放つことができ、古い酸化溝のグリーンで低炭素なアップグレードに再現可能で十分な条件が提供されます。