Куда уходит электроэнергия очистных: аэрация и способы сократить её долю

На станции биологической очистки больше всего электроэнергии потребляют не насосы и не обезвоживание осадка, а воздуходувки аэротенка. Обычно на аэрацию приходится от половины до трёх четвертей всего счёта станции. Разберём, из чего складывается эта доля, где воздух тратится впустую и какие меры дают экономию без ущерба для качества очистки.

Зачем аэротенку столько воздуха

Активный ил — сообщество микроорганизмов, которое окисляет загрязнения сточной воды кислородом. Кислород нужен на два процесса. Первый — окисление органики: сколько её приходит со стоком, столько кислорода и потребуется. Второй — нитрификация, превращение аммонийного азота в нитраты. Она особенно требовательна: на окисление одного грамма аммонийного азота уходит около 4,6 грамма кислорода.

Кислород приходится растворять в воде, а растворяется он плохо. Воздуходувка подаёт воздух на дно аэротенка, пузырьки поднимаются, и за время подъёма часть кислорода переходит в воду. Остальное уходит в атмосферу. Доля перешедшего кислорода — эффективность переноса — и определяет, сколько воздуха, а значит и электроэнергии, нужно на каждый килограмм кислорода, который потребит ил.

Воздух в аэротенке выполняет и вторую работу — перемешивание. Он держит хлопья ила во взвеси и не даёт им осесть на дно. Этим двум задачам нужно разное количество воздуха, и на этом различии построена значительная часть способов экономии.

Почему мелкий пузырь выгоднее крупного

Эффективность переноса кислорода зависит от площади контакта воздуха с водой и от времени контакта. Мелкий пузырь даёт большую поверхность на единицу объёма и поднимается медленнее. Поэтому мелкопузырчатая аэрация через мембранные диспергаторы переносит на тот же кубометр воздуха в два-три раза больше кислорода, чем крупнопузырчатая через перфорированные трубы. Второй фактор — глубина: чем глубже установлены аэраторы, тем дольше пузырь в воде и тем выше перенос, но и давление, которое должна развивать воздуходувка.

У мелкого пузыря есть оговорки. Его эффективность в реальной сточной воде заметно ниже, чем в чистой: поверхностно-активные вещества в стоке мешают переносу, и в расчётах это учитывают поправочным коэффициентом, который для мелкопузырчатых систем часто лежит в пределах 0,4–0,7. Кроме того, мембраны диспергаторов со временем обрастают и теряют эластичность. Перенос падает, а давление в воздуховоде растёт — станция платит больше за тот же результат, и снаружи этого не видно.

Отдельное направление — беспузырьковая аэрация, при которой кислород проходит к биоплёнке сквозь стенку газопроницаемой мембраны и почти не теряется в атмосферу. Такой подход лежит, например, в основе разработки SOLVIA CryoMABR.

Где воздух тратится впустую

Перерасход воздуха на действующих станциях почти всегда складывается из одних и тех же причин:

✓Воздуходувка работает с постоянной подачей круглые сутки, хотя нагрузка ночью в разы ниже дневной.
✓Уставка растворённого кислорода выбрана с большим запасом «на всякий случай».
✓Подачу регулируют прикрытием задвижек, а не частотой вращения: воздуходувка тратит энергию на преодоление сопротивления собственной арматуры.
✓Аэраторы загрязнены или частично разрушены: давление растёт, перенос падает.
✓Воздух распределён по коридорам аэротенка неравномерно: в начале недостаток кислорода, в конце — избыток.
✓Подача рассчитана по кислороду, а перемешивание обеспечивается «с запасом», или наоборот.

Уставка кислорода: небольшая цифра с большой ценой

Концентрацию растворённого кислорода в аэротенке обычно поддерживают в пределах 1,5–2 мг/л. Держать её выше кажется надёжнее, но это дорого, и причина в физике переноса. Кислород переходит в воду тем быстрее, чем больше разница между концентрацией насыщения и фактической концентрацией. При насыщении около 9 мг/л повышение уставки с 2 до 3 мг/л сокращает эту разницу с 7 до 6 мг/л, и, чтобы перенести то же количество кислорода, воздуха потребуется примерно на 15–20 % больше. Качество очистки при этом не улучшается: ил получает кислород в избытке.

Обратная ошибка тоже встречается. Слишком низкая уставка на входе в аэротенк, где нагрузка максимальна, замедляет нитрификацию и может вызвать рост нитчатых бактерий, которые ухудшают оседание ила во вторичном отстойнике.

Меры, которые дают экономию

Управление по растворённому кислороду. Датчики кислорода в аэротенке и регулятор, который меняет подачу воздуха под фактическую потребность. Это базовая мера, без неё остальные не работают.

Частотное регулирование воздуходувок. Подача меняется частотой вращения, а не задвижкой. Хорошо дополняется логикой «наиболее открытой задвижки»: система держит давление в коллекторе минимальным, при котором самая нагруженная ветка ещё получает свой воздух.

Управление по аммонию. Датчик аммонийного азота на выходе аэротенка задаёт уставку кислорода: если аммоний уже окислен, кислородную уставку снижают. Мера особенно полезна при переменной нагрузке — в отелях, на курортах, на производствах со сменным графиком.

Разделение кислорода и перемешивания. Когда подачу снижают до потребности ила, ночью воздуха может не хватить для перемешивания, и ил начнёт оседать. Решение — отдельный контур перемешивания, который включается только тогда, когда кислородного воздуха для этого мало. На этом принципе построена система управления SmartAeration.

Денитрификация. Если в схеме есть бескислородная зона, бактерии в ней используют кислород нитратов для окисления органики. Около 2,9 грамма кислорода на каждый грамм восстановленного нитратного азота возвращается процессу, и соответствующую часть органики уже не нужно окислять воздухом.

Обслуживание аэраторов. Регулярный контроль давления в воздуховоде и плановая промывка или замена мембран диспергаторов. Рост давления при той же подаче — самый ранний признак обрастания.

Что дальше

Если вы отвечаете за биологическую станцию и хотите понять, сколько она переплачивает за воздух, соберите данные для энергетического обследования: суточный график притока и нагрузки по органике и азоту, потребление электроэнергии воздуходувками, расход воздуха и давление в коллекторе, показания датчиков растворённого кислорода по коридорам аэротенка, если они есть, тип и возраст аэраторов. Отдельно отметьте, как регулируется подача сейчас — задвижкой, по таймеру или никак.

Эти данные показывают, чего не хватает станции: управления, распределения воздуха или самого переноса кислорода. Для управления подачей и разделения контуров предназначена разработка SmartAeration, для сокращения потерь кислорода — мембранная беспузырьковая аэрация. Оборудование для остальных ступеней — от флотации до обезвоживания осадка — собрано в разделе промышленной очистки стоков.