Concentrazioni anomale di ossigeno disciolto (DO) sono un problema comune e impegnativo negli impianti di trattamento delle acque reflue, poiché influiscono non solo sulla qualità degli effluenti, ma potenzialmente innescano anche una reazione a catena di formazione di fanghi e aumento del consumo di energia. Oltre alle regolazioni convenzionali dell'aerazione e alle misure di pretrattamento dell'acqua, quanto segue fornisce soluzioni avanzate per le anomalie DO in tre dimensioni: tecnologie innovative di emergenza, ristrutturazione e ottimizzazione del sistema e integrazione tecnologica inter-disciplinare.
Tecnologie innovative di emergenza: superare rapidamente il dilemma della concentrazione del DO
(I) Tecnologia di aerazione migliorata
Tecnologia di aerazione delle nanobolle
Principio e vantaggi: Le nanobolle, con un diametro di soli 10-200 nm, possiedono un'ampia area superficiale specifica, una velocità di salita lenta e un'elevata efficienza di dissoluzione. Rispetto ai metodi di aerazione tradizionali, l'aerazione con nanobolle può aumentare l'utilizzo dell'ossigeno fino a oltre l'80%, ovvero 2-3 volte rispetto all'aerazione microporosa. In scenari di emergenza con un improvviso calo della concentrazione di DO, le nanobolle possono aumentare rapidamente i livelli di ossigeno disciolto nell’acqua senza incidere sulla comunità microbica.
Caso applicativo: Un impianto di trattamento chimico delle acque reflue ha riscontrato un improvviso aumento della concentrazione di materia organica in ingresso, causando una diminuzione della concentrazione di ossigeno disciolto (DO) da 2,5 mg/l a 0,8 mg/l. Dopo l'attivazione di emergenza del sistema di aerazione delle nanobolle, la concentrazione di DO è tornata sopra i 2 mg/l in soli 30 minuti ed è tornata a livelli normali dopo 2 ore, evitando il rischio che gli effluenti superino gli standard.
Sistema di emergenza per l'aerazione dell'ossigeno puro
Scenari applicabili: quando i sistemi di aerazione convenzionali non sono in grado di soddisfare le richieste di ossigeno di emergenza, l'aerazione con ossigeno puro può essere utilizzata come supplemento di emergenza. L'ossigeno ad alta-concentrazione viene fornito attraverso serbatoi di stoccaggio di ossigeno liquido o generatori di ossigeno e iniettato direttamente nel serbatoio di trattamento biologico, aumentando significativamente la concentrazione di DO in breve tempo. L'efficienza di trasferimento dell'ossigeno dell'aerazione con ossigeno puro è 5-10 volte quella dell'aerazione con aria, il che la rende particolarmente adatta per il trattamento di emergenza di shock a carico elevato o guasti alle apparecchiature di aerazione.
Precauzioni: è necessario un controllo rigoroso della velocità di iniezione dell'ossigeno per l'aerazione con ossigeno puro per evitare concentrazioni di DO eccessivamente elevate che portano ad avvelenamento microbico. Inoltre, l'ossigeno puro è relativamente costoso e dovrebbe essere utilizzato solo come misura di emergenza a breve-termine, non per un uso continuo a lungo-termine. Durante i periodi di punta dello scarico delle acque reflue provenienti dalla pulizia dei serbatoi di fermentazione, un impianto di trattamento delle acque reflue di un birrificio ha utilizzato l'aerazione con ossigeno puro per mantenere una concentrazione stabile di ossigeno disciolto (DO) di circa 3 mg/l, garantendo un'efficiente decomposizione della materia organica.
(II) Tecnologia di bonifica avanzata microbica
Dosaggio mirato di agenti microbici funzionali:
Selezione e applicazione dell'agente: agenti microbici funzionali specifici vengono selezionati per il miglioramento in base a diversi tipi di anomalie DO. Ad esempio, quando il consumo di DO è lento a causa di un’attività insufficiente dei fanghi, l’aggiunta di agenti microbici degradanti altamente efficienti (come Bacillus e Pseudomonas) può migliorare rapidamente la capacità metabolica microbica e aumentare il consumo di ossigeno. Quando la concentrazione di DO è troppo elevata, vengono aggiunti agenti microbici denitrificanti per utilizzare le reazioni di denitrificazione per consumare l'ossigeno in eccesso.
Sviluppo di agenti microbici personalizzati: alcuni impianti di trattamento delle acque reflue collaborano con istituti di ricerca per sviluppare agenti microbici composti personalizzati basati sulla qualità dell'acqua influente e sulla struttura della comunità microbica. Un impianto di trattamento delle acque reflue farmaceutiche, attraverso l’analisi della comunità microbica dei suoi fanghi, ha scoperto l’assenza di ceppi che degradano antibiotici specifici. Dopo l’applicazione mirata di un agente microbico composto, la concentrazione di DO è diminuita da 5 mg/L a 2,8 mg/L, mentre il tasso di rimozione dell’antibiotico è aumentato del 40%. Tecnologia di costruzione rapida del biofilm
Metodo di selezione del trasportatore e formazione del biofilm: i trasportatori biologici sospesi (come spugna di poliuretano o ceramsite) vengono aggiunti al serbatoio di trattamento biologico. Una tecnologia di formazione rapida del biofilm viene utilizzata per creare un biofilm sulla superficie del supporto. La comunità microbica nel biofilm ha una struttura stabile, una forte resistenza agli urti e può mantenere l’attività anche in condizioni di ampie fluttuazioni della concentrazione di DO. Utilizzando l'aerazione e la miscelazione combinate con l'inoculazione delle specie batteriche dominanti, la formazione del biofilm può essere completata entro 7-10 giorni, aumentando la capacità di trattamento del sistema biologico del 20%-30%.
Risultati dell'applicazione: un impianto di trattamento delle acque reflue municipali ha riscontrato una diminuzione dell'attività dei fanghi e un eccessivo azoto ammoniacale negli effluenti a causa delle fluttuazioni della concentrazione di DO a lungo termine. Aggiungendo vettori biologici ceramsite e inoculando batteri nitrificanti, la concentrazione di DO si è stabilizzata a 2-3 mg/L dopo la formazione del biofilm e il tasso di rimozione dell'azoto ammoniacale è aumentato dal 60% al 95%, migliorando significativamente il tasso di conformità della qualità dell'effluente.
Ristrutturazione e ottimizzazione del sistema: eliminazione delle cause profonde delle anomalie DO
(I) Aggiornamento e trasformazione del percorso del processo
Ottimizzazione del processo AO in più-fasi
Affluente segmentato e aerazione precisa: l'aggiornamento del tradizionale processo AO a un processo AO multi-stadio, attraverso l'afflusso segmentato e il controllo dell'aerazione indipendente, consente di ottenere una regolazione precisa della concentrazione di DO in diverse zone. Ad esempio, nella zona anossica del primo-stadio, la concentrazione di DO è controllata<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%.
Aggiunta di un serbatoio di sedimentazione intermedio: l'aggiunta di un serbatoio di sedimentazione intermedio al processo AO multi-fase consente di ottenere un controllo separato del ritorno dei fanghi e del ritorno del liquore misto. La vasca di sedimentazione intermedia può rimuovere parte dei fanghi, riducendone la concentrazione nella successiva zona aerobica e riducendo il consumo di ossigeno; allo stesso tempo, il ritorno del liquore misto può trasportare più nitrati nella zona anossica, migliorando l'efficienza della denitrificazione. Un impianto di trattamento delle acque reflue in un parco industriale ha ridotto la concentrazione di DO nella zona aerobica di 0,5 mg/l e ha ridotto il consumo energetico di aerazione del 15% aggiungendo un serbatoio di sedimentazione intermedio.
Ottimizzazione profonda del processo MBR: layout del modulo a membrana e regolazione del metodo di aerazione: in un bioreattore a membrana (MBR), l'ottimizzazione del layout del modulo a membrana e del metodo di aerazione può controllare efficacemente la distribuzione della concentrazione di DO. Una combinazione di aerazione del fondo e aerazione laterale viene utilizzata per soddisfare la richiesta di ossigeno dei microrganismi generando al contempo una forza di taglio per prevenire l'intasamento della membrana. Allo stesso tempo, il monitoraggio online della concentrazione di DO nel serbatoio a membrana consente la regolazione in tempo reale-della velocità di aerazione, prevenendo un'aerazione eccessiva che potrebbe portare a concentrazioni elevate di DO. Dopo l'ottimizzazione, la concentrazione di DO nel sistema MBR dell'impianto di trattamento delle acque reflue di un impianto di lavorazione alimentare si è stabilizzata a 1,5-2,5 mg/L e il ciclo di pulizia della membrana è stato esteso da 30 giorni a 60 giorni.
MBR abbinato a processi di ossidazione avanzata: quando la concentrazione di DO nel sistema MBR è anormale a causa della materia organica recalcitrante nell'affluente, vengono accoppiati processi di ossidazione avanzata (come l'ossidazione dell'ozono e l'ossidazione di Fenton) per pretrattare l'affluente. L'ossidazione avanzata può decomporre la materia organica recalcitrante in sostanze facilmente biodegradabili, riducendo il carico di trattamento biochimico e stabilizzando la concentrazione di DO. Dopo aver adottato il processo MBR-accoppiato all'ozono, un impianto di trattamento delle acque reflue di tintura e stampa ha visto aumentare la concentrazione di DO da 1,2 mg/l a 2,2 mg/l e il tasso di rimozione del COD aumentare dal 75% al 90%.
(II) Recupero e riciclo energetico
Digestione anaerobica dei fanghi per la produzione di energia e l'aerazione
Principio del processo: i fanghi in eccesso vengono immessi nel digestore anaerobico. Il biogas generato viene utilizzato per generare elettricità attraverso celle a combustibile, fornendo energia alle apparecchiature di aerazione. Allo stesso tempo, il digestato dopo la digestione anaerobica è ricco di nutrienti come azoto e fosforo, che possono essere restituiti al serbatoio biochimico per ricostituire i nutrienti microbici, promuovere il metabolismo microbico e stabilizzare la concentrazione di DO. Un impianto di trattamento delle acque reflue, attraverso la digestione anaerobica dei fanghi per la produzione di energia, ha soddisfatto il 30% della domanda di elettricità del sistema di aerazione, risparmiando circa 800.000 yuan in costi di elettricità all'anno, migliorando contemporaneamente la stabilità della concentrazione di DO del 25%.
Controllo del ritorno del digestato: controllare rigorosamente la portata del flusso di ritorno del digestato per evitare un'eccessiva crescita microbica dovuta a un eccesso di nutrienti, che aumenterebbe il consumo di ossigeno. Monitorando le concentrazioni di azoto e fosforo nel serbatoio di trattamento biologico, viene regolata la percentuale di ricircolo dei liquami di biogas, generalmente controllata al 5%-10% della portata influente.
Recupero del calore di scarto e controllo della temperatura dell'acqua
Il sistema di recupero del calore di scarto raccoglie il calore di scarto generato durante il trattamento delle acque reflue (come la dissipazione del calore dalle apparecchiature di aerazione e la generazione di calore dalla digestione anaerobica), convertendolo in acqua calda tramite un sistema di pompe di calore per regolare la temperatura dell'acqua nel serbatoio di trattamento biologico. La temperatura dell’acqua è un fattore cruciale che influenza la solubilità dell’ossigeno e l’attività microbica. Mantenere la temperatura dell'acqua a 20-30 gradi aiuta a stabilizzare la solubilità dell'ossigeno e ottimizza l'attività microbica. Un impianto di trattamento delle acque reflue nel nord della Cina, attraverso il suo sistema di recupero del calore di scarto, ha aumentato la temperatura dell’acqua nel serbatoio di trattamento biologico da 12 gradi a 22 gradi in inverno, ha aumentato la concentrazione di ossigeno disciolto (DO) di 0,8 mg/l e ha migliorato l’efficienza del trattamento del 20%.
Temperatura dell'acqua e co-controllo del DO: viene stabilito un modello di co-controllo tra la temperatura dell'acqua e la concentrazione del DO. Quando la temperatura dell'acqua aumenta, la velocità di aerazione viene opportunamente aumentata per compensare la diminuzione della solubilità dell'ossigeno; quando la temperatura dell'acqua scende, il tasso di aerazione viene ridotto per evitare concentrazioni di DO eccessivamente elevate. Questo controllo dinamico garantisce che la concentrazione di DO rimanga stabile entro un intervallo adeguato.
Integrazione tecnologica intersettoriale: soluzioni innovative per le anomalie DO
(I) Applicazione delle tecnologie IoT e Big Data
DO Sistema di previsione intelligente e allarme rapido sulla concentrazione
Analisi di fusione dei dati da più-fonti: integrando informazioni da più-fonti come la qualità dell'acqua affluente, la quantità dell'acqua, i parametri operativi delle apparecchiature di aerazione e i dati meteorologici, viene stabilito un modello di previsione della concentrazione di DO attraverso l'analisi dei big data. Questo modello può prevedere le tendenze della concentrazione di DO con 24 ore di anticipo. Quando la concentrazione di DO prevista supera l'intervallo normale, attiva automaticamente un avviso tempestivo e invia suggerimenti di ottimizzazione. Il sistema di allarme rapido intelligente presso un impianto di trattamento delle acque reflue ha raggiunto un tasso di precisione del 95%, riducendo il tempo di risposta per la gestione delle anomalie di concentrazione di DO da 2 ore a 30 minuti.
Controllo remoto e funzionamento senza pilota: sulla base della tecnologia IoT, si ottengono il controllo remoto delle apparecchiature di aerazione e la gestione senza pilota dei serbatoi di trattamento biologico. Gli operatori possono monitorare la concentrazione di DO e lo stato operativo delle apparecchiature in tempo reale tramite APP mobile o computer e regolare da remoto parametri quali il tasso di aerazione e il rapporto di ritorno dei fanghi. Dopo aver adottato il sistema operativo senza equipaggio, un impianto di trattamento delle acque reflue in un'area montuosa ha visto il tasso di stabilità della concentrazione di DO aumentare al 98% e i costi di manodopera ridotti del 60%. Simulazione e ottimizzazione del sistema Digital Twin
Costruzione di serbatoio biochimico virtuale: un modello virtuale del serbatoio biochimico viene costruito utilizzando la tecnologia del gemello digitale per simulare la distribuzione della concentrazione di DO e i processi metabolici microbici in diverse condizioni di afflusso e parametri operativi. Attraverso esperimenti virtuali, parametri come le strategie di aerazione e i rapporti di ritorno dei fanghi vengono ottimizzati e la soluzione ottimale viene quindi applicata alla produzione reale. Un impianto di trattamento delle acque reflue, attraverso la simulazione del sistema Digital Twin, ha scoperto che la regolazione della spaziatura della testa di aerazione da 1,2 metri a 1 metro ha migliorato l'uniformità della concentrazione di DO del 20% e l'effetto reale dopo la modifica era coerente con i risultati della simulazione.
Simulazione di guasti ed esercitazioni di emergenza: scenari di concentrazione anomala di DO (come guasti alle apparecchiature di aerazione e shock del carico influente) vengono simulati nel sistema gemello digitale e vengono condotte esercitazioni di emergenza virtuali per migliorare le capacità di risposta degli operatori. Attraverso esercitazioni ripetute, gli operatori hanno acquisito maggiore familiarità con le procedure di gestione delle anomalie DO e il tempo effettivo di risposta all'emergenza è stato ridotto del 40%.
(II) Sviluppo di nuovi materiali e apparecchiature avanzate
Materiali della membrana di aerazione intelligente
Caratteristiche e vantaggi del materiale: il nuovo materiale della membrana di aerazione intelligente presenta elevata porosità, elevata efficienza di trasferimento dell'ossigeno e forte capacità antivegetativa. Il rivestimento intelligente sulla superficie della membrana regola automaticamente la dimensione dei pori in base alla concentrazione di DO. Quando la concentrazione di DO è troppo elevata, i pori si restringono, riducendo il trasferimento di ossigeno; quando la concentrazione di DO è troppo bassa, i pori si espandono, aumentando il trasferimento di ossigeno. L'efficienza di trasferimento dell'ossigeno della membrana di aerazione intelligente è superiore di oltre il 50% rispetto a quella delle tradizionali teste di aerazione, riducendo al contempo il consumo energetico del 30%.
Prospettive applicative: il materiale della membrana di aerazione intelligente è attualmente in fase pilota-su scala e si prevede che raggiunga un'applicazione su larga-scala nei prossimi 3-5 anni. I risultati su scala pilota di un istituto di ricerca mostrano che l’intervallo di fluttuazione della concentrazione di DO nel serbatoio di trattamento biologico utilizzando la membrana di aerazione intelligente è di soli ±0,2 mg/l e l’effetto del trattamento è significativamente migliore rispetto a quello dei sistemi di aerazione tradizionali.
Robot per il monitoraggio in tempo reale-della concentrazione subacquea di DO
Caratteristiche: il robot subacqueo è dotato di un sensore DO ad alta-precisione, di un analizzatore della qualità dell'acqua e di una fotocamera. Può navigare autonomamente all'interno della vasca di trattamento biologico, monitorando in tempo reale la concentrazione di DO e i parametri di qualità dell'acqua in diverse aree. Il robot trasmette i dati alla sala di controllo centrale tramite comunicazione wireless, consentendo agli operatori di cogliere in modo intuitivo la distribuzione della concentrazione di DO e identificare tempestivamente le aree con livelli di DO anomali.
Applicazione innovativa: dopo aver introdotto un robot subacqueo per il monitoraggio del DO, un grande impianto di trattamento delle acque reflue ha scoperto una zona morta con una bassa concentrazione di DO nell'angolo del serbatoio di trattamento biologico. Regolando la disposizione della testa di aerazione, è stata eliminata la distribuzione irregolare della concentrazione di DO, migliorando l'efficienza complessiva del trattamento del 10%.
Conclusione: per risolvere le concentrazioni anomale di DO è necessario superare il pensiero tradizionale e combinare tecnologie innovative di emergenza, ricostruzione e ottimizzazione del sistema e integrazione tecnologica inter-disciplinare per creare soluzioni diversificate e multi-livello. Dalle misure di emergenza a breve-termine come l'aerazione delle nanobolle e l'aggiunta di agenti batterici funzionali, all'ottimizzazione del sistema a lungo-termine attraverso aggiornamenti dei processi e recupero di energia e oltre a tecnologie all'avanguardia-come applicazioni IoT e sviluppo di nuovi materiali, ciascuna tecnologia fornisce nuove idee per risolvere concentrazioni anomale di DO. In futuro, con il continuo progresso tecnologico e innovazione, il controllo della concentrazione di DO diventerà più preciso ed efficiente, fornendo una solida garanzia per il funzionamento stabile degli impianti di trattamento delle acque reflue e il raggiungimento degli standard di qualità dell'acqua.