راه حل های جامع برای ناهنجاری های DO

غلظت غیرعادی اکسیژن محلول (DO) یک مشکل رایج و چالش برانگیز در تصفیه خانه های فاضلاب است که نه تنها کیفیت پساب را تحت تاثیر قرار می دهد، بلکه به طور بالقوه باعث ایجاد یک واکنش زنجیره ای حجیم شدن لجن و افزایش مصرف انرژی می شود. علاوه بر تنظیمات معمولی هوادهی و اقدامات پیش تصفیه آب، موارد زیر راه حل های پیشرفته ای را برای ناهنجاری های DO از سه بعد ارائه می دهد: فناوری های نوآورانه اضطراری، بازسازی و بهینه سازی سیستم، و ادغام فناوری متقابل-.

(I) فناوری هوادهی پیشرفته
فناوری هوادهی نانوحباب
اصل و مزایا: نانوحباب ها با قطر تنها 10-200 نانومتر، دارای سطح ویژه بزرگ، سرعت بالا آمدن آهسته و راندمان انحلال بالا هستند. در مقایسه با روش‌های هوادهی سنتی، هوادهی با نانوحباب می‌تواند مصرف اکسیژن را تا بیش از ۸۰ درصد افزایش دهد که ۲ تا ۳ برابر هوادهی ریز متخلخل است. در سناریوهای اضطراری با کاهش ناگهانی غلظت DO، نانوحباب‌ها می‌توانند به سرعت سطح اکسیژن محلول را در آب افزایش دهند بدون اینکه بر جامعه میکروبی تأثیر بگذارند.

مورد کاربرد: یک تصفیه خانه فاضلاب شیمیایی افزایش ناگهانی غلظت ماده آلی ورودی را تجربه کرد که باعث شد غلظت اکسیژن محلول (DO) از 2.5 میلی گرم در لیتر به 0.8 میلی گرم در لیتر کاهش یابد. پس از فعال‌سازی اضطراری سیستم هوادهی نانوحباب، غلظت DO در عرض 30 دقیقه به بالای 2 میلی‌گرم در لیتر بازگشت و پس از 2 ساعت به سطح عادی بازگشت و از خطر فراتر رفتن پساب خروجی از استانداردها جلوگیری کرد.

سیستم اضطراری هوادهی اکسیژن خالص

سناریوهای قابل اجرا: زمانی که سیستم های هوادهی معمولی نمی توانند نیازهای اکسیژن اضطراری را برآورده کنند، هوادهی با اکسیژن خالص می تواند به عنوان یک مکمل اضطراری مورد استفاده قرار گیرد. اکسیژن با غلظت بالا از طریق مخازن ذخیره اکسیژن مایع یا ژنراتورهای اکسیژن تامین می شود و مستقیماً به مخزن تصفیه بیولوژیکی تزریق می شود و غلظت DO را در مدت زمان کوتاهی به طور قابل توجهی افزایش می دهد. راندمان انتقال اکسیژن هوادهی با اکسیژن خالص 5-10 برابر هوادهی هوا است، که آن را به ویژه برای درمان اضطراری ضربه‌های بار بالا یا خرابی تجهیزات هوادهی مناسب می‌کند.

اقدامات احتیاطی: کنترل دقیق سرعت تزریق اکسیژن برای هوادهی اکسیژن خالص برای جلوگیری از غلظت بیش از حد DO که منجر به مسمومیت میکروبی می شود ضروری است. علاوه بر این، اکسیژن خالص نسبتاً گران است و فقط باید به عنوان یک اقدام اضطراری کوتاه مدت استفاده شود، نه برای استفاده مداوم طولانی مدت. در طول دوره‌های اوج تخلیه پساب تمیز کردن مخزن تخمیر، یک کارخانه تصفیه فاضلاب آبجوسازی از هوادهی اکسیژن خالص برای حفظ غلظت اکسیژن محلول (DO) پایدار تقریباً 3 میلی‌گرم در لیتر استفاده می‌کرد که تجزیه کارآمد مواد آلی را تضمین می‌کرد.

(II) فناوری اصلاح میکروبی پیشرفته
دوز هدفمند عوامل میکروبی عملکردی:
انتخاب عامل و کاربرد: عوامل میکروبی عملکردی خاص بر اساس انواع مختلف ناهنجاری های DO برای تقویت انتخاب می شوند. به عنوان مثال، زمانی که مصرف DO به دلیل فعالیت ناکافی لجن کند است، افزودن عوامل میکروبی تخریب کننده بسیار کارآمد (مانند باسیلوس و سودوموناس) می تواند به سرعت ظرفیت متابولیک میکروبی را افزایش داده و مصرف اکسیژن را افزایش دهد. وقتی غلظت DO خیلی زیاد است، عوامل میکروبی نیترات زدایی برای استفاده از واکنش‌های نیترات زدایی برای مصرف اکسیژن اضافی اضافه می‌شوند.

توسعه عامل میکروبی سفارشی: برخی از تصفیه خانه های فاضلاب با موسسات تحقیقاتی برای توسعه عوامل میکروبی ترکیبی سفارشی بر اساس کیفیت آب ورودی و ساختار جامعه میکروبی همکاری می کنند. یک کارخانه تصفیه فاضلاب دارویی، از طریق تجزیه و تحلیل جامعه میکروبی لجن خود، کمبود سویه هایی را کشف کرد که آنتی بیوتیک های خاص را تخریب می کند. پس از کاربرد هدفمند یک عامل میکروبی ترکیبی، غلظت DO از 5 میلی گرم در لیتر به 2.8 میلی گرم در لیتر کاهش یافت، در حالی که میزان حذف آنتی بیوتیک 40 درصد افزایش یافت. فناوری ساخت سریع بیوفیلم

انتخاب حامل و روش تشکیل بیوفیلم: حامل های بیولوژیکی معلق (مانند اسفنج پلی اورتان یا سرامیت) به مخزن تصفیه بیولوژیکی اضافه می شوند. یک فناوری تشکیل سریع بیوفیلم برای ایجاد یک بیوفیلم بر روی سطح حامل استفاده می شود. جامعه میکروبی موجود در بیوفیلم دارای ساختار پایدار، مقاومت در برابر شوک قوی است و می تواند فعالیت خود را حتی در شرایط نوسانات غلظت DO حفظ کند. با استفاده از هوادهی و اختلاط همراه با تلقیح گونه های باکتریایی غالب، تشکیل بیوفیلم را می توان در عرض 7-10 روز کامل کرد و ظرفیت تصفیه سیستم بیولوژیکی را 20٪ -30٪ افزایش داد.

نتایج کاربرد: یک تصفیه خانه فاضلاب شهری کاهش فعالیت لجن و نیتروژن آمونیاک بیش از حد در پساب خود را به دلیل نوسانات طولانی مدت غلظت DO تجربه کرد. با افزودن حامل‌های بیولوژیکی سرامسیت و تلقیح با باکتری‌های نیتریف کننده، غلظت DO پس از تشکیل بیوفیلم در 2-3 میلی‌گرم در لیتر تثبیت شد و نرخ حذف نیتروژن آمونیاکی از 60 درصد به 95 درصد افزایش یافت که به طور قابل‌توجهی نرخ انطباق کیفیت پساب را بهبود بخشید.

(I) ارتقا و تحول مسیر فرآیند

بهینه سازی فرآیند AO چند مرحله ای

جریان ورودی و هوادهی دقیق: ارتقاء فرآیند سنتی AO به یک فرآیند AO چند مرحله‌ای، از طریق کنترل هوادهی ورودی و مستقل، تنظیم دقیق غلظت DO را در مناطق مختلف به دست می‌آورد. به عنوان مثال، در اولین مرحله{2}}منطقه بدون اکسیژن، غلظت DO کنترل می شود<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%.

افزودن مخزن ته نشینی میانی: افزودن یک مخزن ته نشینی میانی به فرآیند چند مرحله ای AO، کنترل جداگانه بازگشت لجن و بازگشت مشروب مخلوط را به دست می آورد. مخزن ته نشینی میانی می تواند مقداری لجن را حذف کند، غلظت لجن را در منطقه هوازی بعدی کاهش دهد و مصرف اکسیژن را کاهش دهد. در همان زمان، بازگشت مشروب مخلوط می‌تواند نیترات بیشتری را به منطقه بدون اکسیژن حمل کند و کارایی نیترات زدایی را بهبود بخشد. یک تصفیه خانه فاضلاب در یک پارک صنعتی غلظت DO در منطقه هوازی را 0.5 میلی گرم در لیتر کاهش داد و با افزودن یک مخزن ته نشینی میانی، مصرف انرژی هوادهی را تا 15 درصد کاهش داد.

بهینه سازی عمیق فرآیند MBR: چیدمان ماژول غشایی و تنظیم روش هوادهی: در بیوراکتور غشایی (MBR)، بهینه سازی طرح ماژول غشایی و روش هوادهی می تواند به طور موثر توزیع غلظت DO را کنترل کند. ترکیبی از هوادهی پایین و هوادهی جانبی برای تامین نیاز اکسیژن میکروارگانیسم‌ها و در عین حال ایجاد نیروی برشی برای جلوگیری از رسوب غشاء استفاده می‌شود. به طور همزمان، نظارت آنلاین غلظت DO در مخزن غشایی امکان تنظیم زمان واقعی سرعت هوادهی را فراهم می‌کند و از هوادهی بیش از حد که می‌تواند منجر به غلظت‌های DO بالا شود، جلوگیری می‌کند. پس از بهینه سازی، غلظت DO در سیستم MBR تصفیه خانه فاضلاب یک کارخانه فرآوری مواد غذایی در 1.5-2.5 میلی گرم در لیتر تثبیت شد و چرخه تمیز کردن غشا از 30 روز به 60 روز افزایش یافت.

MBR همراه با فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته: زمانی که غلظت DO در سیستم MBR به دلیل مواد آلی مقاوم در ورودی غیرعادی باشد، فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (مانند اکسیداسیون ازن و اکسیداسیون فنتون) برای پیش تصفیه پس‌رونده جفت می‌شوند. اکسیداسیون پیشرفته می تواند مواد آلی مقاوم را به مواد زیست تخریب پذیر تجزیه کند و بار تصفیه بیوشیمیایی را کاهش دهد و غلظت DO را تثبیت کند. پس از اتخاذ فرآیند جفت شده ازن MBR، یک تصفیه خانه فاضلاب رنگرزی و چاپی شاهد افزایش غلظت DO از 1.2 میلی گرم در لیتر به 2.2 میلی گرم در لیتر و نرخ حذف COD از 75 درصد به 90 درصد افزایش یافت.

(II) بازیابی و بازیافت انرژی
هضم بی هوازی لجن برای تولید نیرو و هوادهی
اصل فرآیند: لجن اضافی وارد هاضم بی هوازی می شود. بیوگاز تولید شده برای تولید الکتریسیته از طریق پیل های سوختی استفاده می شود و نیرو را برای تجهیزات هوادهی تامین می کند. به طور همزمان، هضم پس از هضم بی هوازی سرشار از مواد مغذی مانند نیتروژن و فسفر است که می تواند به مخزن بیوشیمیایی بازگردانده شود تا مواد مغذی میکروبی را دوباره پر کند، متابولیسم میکروبی را تقویت کند و غلظت DO را تثبیت کند. یک تصفیه خانه فاضلاب، از طریق هضم بی هوازی لجن برای تولید برق، 30 درصد از نیاز برق سیستم هوادهی را برآورده کرد و سالانه تقریباً 800000 یوان در هزینه های برق صرفه جویی کرد، در حالی که به طور همزمان ثبات غلظت DO را تا 25 درصد بهبود بخشید.

کنترل برگشت مواد غذایی: برای جلوگیری از رشد بیش از حد میکروبی به دلیل وجود مواد مغذی بیش از حد، که مصرف اکسیژن را افزایش می دهد، سرعت جریان برگشتی هضم را به شدت کنترل کنید. با نظارت بر غلظت نیتروژن و فسفر در مخزن تصفیه بیولوژیکی، نسبت گردش مجدد دوغاب بیوگاز تنظیم می شود که به طور کلی در 5٪ -10٪ نرخ جریان ورودی کنترل می شود.

بازیابی حرارت زباله و کنترل دمای آب

سیستم بازیابی گرمای زباله، گرمای زباله تولید شده در طول تصفیه فاضلاب را جمع آوری می کند (مانند اتلاف گرما از تجهیزات هوادهی و تولید گرما از هضم بی هوازی)، آن را از طریق یک سیستم پمپ حرارتی به آب گرم تبدیل می کند تا دمای آب را در مخزن تصفیه بیولوژیکی تنظیم کند. دمای آب یک عامل حیاتی است که بر حلالیت اکسیژن و فعالیت میکروبی تأثیر می گذارد. حفظ دمای آب در 20-30 درجه به تثبیت حلالیت اکسیژن و بهینه سازی فعالیت میکروبی کمک می کند. یک تصفیه خانه فاضلاب در شمال چین، از طریق سیستم بازیابی گرمای زباله، دمای آب در مخزن تصفیه بیولوژیکی خود را از 12 درجه به 22 درجه در زمستان افزایش داد، غلظت اکسیژن محلول (DO) را 0.8 میلی گرم در لیتر افزایش داد و راندمان تصفیه را 20٪ بهبود بخشید.

کنترل دمای آب و DO Co{0}: یک مدل هم-کنترلی بین دمای آب و غلظت DO ایجاد شده است. هنگامی که دمای آب افزایش می یابد، سرعت هوادهی به طور مناسب برای جبران کاهش حلالیت اکسیژن افزایش می یابد. هنگامی که دمای آب کاهش می یابد، سرعت هوادهی کاهش می یابد تا از غلظت بیش از حد DO جلوگیری شود. این کنترل پویا تضمین می کند که غلظت DO در یک محدوده مناسب ثابت می ماند.

(I) کاربرد اینترنت اشیا و فناوری‌های کلان داده

سیستم پیش‌بینی هوشمند و هشدار اولیه تمرکز DO

تجزیه و تحلیل ترکیبی داده‌های چند منبع: با ادغام اطلاعات چند منبع مانند کیفیت آب ورودی، کمیت آب، پارامترهای عملیاتی تجهیزات هوادهی، و داده‌های هواشناسی، یک مدل پیش‌بینی غلظت DO از طریق تجزیه و تحلیل کلان داده ایجاد می‌شود. این مدل می تواند روند غلظت DO را 24 ساعت قبل پیش بینی کند. زمانی که غلظت DO پیش‌بینی‌شده از محدوده نرمال فراتر رود، به‌طور خودکار یک هشدار اولیه ایجاد می‌کند و پیشنهادات بهینه‌سازی را ارائه می‌دهد. سیستم هشدار زودهنگام هوشمند در یک تصفیه خانه فاضلاب به میزان دقت 95 درصد دست یافت و زمان پاسخ برای رسیدگی به ناهنجاری های غلظت DO را از 2 ساعت به 30 دقیقه کاهش داد.

کنترل از راه دور و عملیات بدون سرنشین: بر اساس فناوری اینترنت اشیا، کنترل از راه دور تجهیزات هوادهی و مدیریت بدون سرنشین مخازن تصفیه بیولوژیکی حاصل می شود. اپراتورها می توانند غلظت DO و وضعیت عملکرد تجهیزات را در زمان واقعی از طریق برنامه تلفن همراه یا رایانه نظارت کنند و از راه دور پارامترهایی مانند میزان هوادهی و نسبت بازگشت لجن را تنظیم کنند. پس از اتخاذ سیستم عملیات بدون سرنشین، یک تصفیه خانه فاضلاب در یک منطقه کوهستانی، نرخ پایداری غلظت DO آن به 98٪ افزایش یافت و هزینه های نیروی کار 60٪ کاهش یافت. شبیه سازی و بهینه سازی سیستم دوقلو دیجیتال

ساخت مخزن بیوشیمیایی مجازی: یک مدل مجازی از مخزن بیوشیمیایی با استفاده از فناوری دوقلو دیجیتال برای شبیه‌سازی توزیع غلظت DO و فرآیندهای متابولیک میکروبی تحت شرایط نفوذی و پارامترهای عملیاتی مختلف ساخته شده است. از طریق آزمایش‌های مجازی، پارامترهایی مانند استراتژی‌های هوادهی و نسبت‌های برگشت لجن بهینه می‌شوند و سپس راه‌حل بهینه برای تولید واقعی اعمال می‌شود. یک تصفیه خانه فاضلاب، از طریق شبیه سازی سیستم دیجیتال دوقلو، دریافت که تنظیم فاصله سر هوادهی از 1.2 متر به 1 متر، یکنواختی غلظت DO را 20٪ بهبود می بخشد و اثر واقعی پس از اصلاح با نتایج شبیه سازی مطابقت دارد.

شبیه‌سازی خطا و تمرین‌های اضطراری: سناریوهای غلظت غیرعادی DO (مانند خرابی تجهیزات هوادهی و شوک‌های بار ورودی) در سیستم دیجیتال دوقلوی شبیه‌سازی شده‌اند و تمرین‌های اضطراری مجازی برای بهبود قابلیت‌های واکنش اپراتورها انجام می‌شوند. از طریق تمرین‌های مکرر، اپراتورها با روش‌های رسیدگی به ناهنجاری‌های DO بیشتر آشنا شدند و زمان واقعی پاسخ اضطراری تا 40٪ کوتاه شد.

(II) توسعه مواد جدید و تجهیزات پیشرفته

مواد غشایی هوادهی هوشمند

ویژگی ها و مزایا مواد: مواد غشای هوادهی هوشمند جدید دارای تخلخل بالا، راندمان انتقال اکسیژن بالا، و قابلیت ضد رسوب قوی است. پوشش هوشمند روی سطح غشاء به طور خودکار اندازه منافذ را با توجه به غلظت DO تنظیم می کند. هنگامی که غلظت DO خیلی زیاد است، منافذ کوچک می شوند و انتقال اکسیژن را کاهش می دهند. هنگامی که غلظت DO خیلی کم است، منافذ منبسط می شوند و انتقال اکسیژن افزایش می یابد. راندمان انتقال اکسیژن غشای هوادهی هوشمند بیش از 50٪ بیشتر از هدهای هوادهی سنتی است، در حالی که مصرف انرژی را 30٪ کاهش می دهد.

چشم انداز کاربرد: مواد غشای هوادهی هوشمند در حال حاضر در مرحله آزمایشی-مقیاس است و انتظار می‌رود که در 3-5 سال آینده کاربرد وسیعی داشته باشد. نتایج در مقیاس آزمایشی از یک موسسه تحقیقاتی نشان می‌دهد که محدوده نوسان غلظت DO در مخزن تصفیه بیولوژیکی با استفاده از غشای هوادهی هوشمند تنها 0.2± میلی‌گرم در لیتر است و اثر تصفیه به طور قابل‌توجهی بهتر از سیستم‌های هوادهی سنتی است.

ربات نظارت بر زمان واقعی-در زیر آب

ویژگی ها: ربات زیر آب به حسگر DO با دقت بالا-، تحلیلگر کیفیت آب و دوربین مجهز است. این می تواند به طور مستقل در مخزن تصفیه بیولوژیکی حرکت کند و غلظت DO و پارامترهای کیفیت آب را در مناطق مختلف در زمان واقعی نظارت کند. ربات داده‌ها را از طریق ارتباط بی‌سیم به اتاق کنترل مرکزی منتقل می‌کند و به اپراتورها این امکان را می‌دهد تا به طور مستقیم توزیع غلظت DO را درک کرده و به سرعت مناطقی با سطوح DO غیرعادی را شناسایی کنند.

کاربرد نوآورانه: پس از معرفی یک ربات نظارت بر DO در زیر آب، یک تصفیه خانه بزرگ فاضلاب منطقه مرده با غلظت DO کم را در گوشه مخزن تصفیه بیولوژیکی کشف کرد. با تنظیم طرح هد هوادهی، توزیع ناهموار غلظت DO حذف شد و راندمان کلی تصفیه را 10٪ بهبود بخشید.

نتیجه‌گیری: حل غلظت‌های غیرعادی DO مستلزم شکستن تفکر سنتی و ترکیب فناوری‌های نوآورانه اضطراری، بازسازی و بهینه‌سازی سیستم، و ادغام فناوری متقابل{0}}برای ایجاد راه‌حل‌های متنوع و چند سطحی{1}} است. از اقدامات اضطراری کوتاه‌مدت مانند هوادهی نانوحباب و افزودن عامل باکتریایی عملکردی، بهینه‌سازی سیستم درازمدت از طریق ارتقاء فرآیند و بازیابی انرژی، و همچنین فناوری‌های پیشرفته مانند برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا و توسعه مواد جدید، هر فناوری ایده‌های جدیدی را برای حل غلظت‌های غیرعادی DO ارائه می‌دهد. در آینده، با پیشرفت و نوآوری مداوم تکنولوژیکی، کنترل غلظت DO دقیق تر و کارآمدتر خواهد شد و تضمین محکمی برای عملکرد پایدار تصفیه خانه های فاضلاب و دستیابی به استانداردهای کیفیت آب ارائه می کند.