도시 폐수 처리장의 미세{0}}기포 통기 시스템 개조 및 성능 연구

도시 폐수 처리장의 미세{0}}기포 통기 시스템 개조 및 성능 연구

소개

현재 중국에서 사용되는 주요 폐수처리 공정에는 산화도랑, SBR, 활성슬러지 등이 포함된다. 산화 배수로 공정은 특히 전체 에너지 소비의 65~80%를 차지하는 생물학적 부문에서 높은 에너지 소비 문제를 안고 있습니다. 산화 도랑 공정에 사용되는 일반적인 폭기 장비에는 폭기 브러시, 폭기 디스크, 수직 샤프트 폭기 장치 및 미세-기포 폭기 장치가 포함됩니다. 예를 들어, 특정 도시의 도시 폐수 처리장은 전통적인 표면 기계 폭기 방식에서 바닥 미세{6}}기포 폭기 방식으로 전환한 후 에너지 소비가 20.11% 감소한 반면 처리 수질은 더욱 안정적으로 개선되었습니다. 또한 미세-기포 폭기는 구역화된 산소 공급의 특성을 갖고 있어 산화 도랑의 다양한 영역에서 산소 요구량에 따라 정밀한 산소 공급을 제공하여 질소 및 인 제거 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

특정 도시 폐수 처리장의 표면 폭기 시스템은 10년 넘게 운영되어 심각한 장비 노후화와 운영상의 어려움을 겪고 있었습니다. 최신 배출기준을 충족하기 어려워 기술 혁신이 시급했다. 본 프로젝트에서는 시스템을 미세{2}}거품 폭기 시스템으로 업그레이드하여 국가 에너지 절약 및 배출 감소 정책에 맞춰 에너지 소비를 크게 줄이고, 운영을 최적화하고, 장비 수명을 연장하고, 유지 관리 비용을 절감할 수 있습니다. 이 개조 프로젝트는 장비 해체 및 설치 과정에서 친환경 건설 관행을 구현했습니다. 즉, 오래된 장비의 분류된 재활용, 조립식 설치 채택, 저-소음, 저-배출 기계 사용, "공정-건설" 이중-차원적 에너지 절약 달성, 폐수 처리장의 지속 가능한 개발 지원 등이 포함됩니다.

1 프로젝트 개요

1.1 현재 상황

어느 도시의 한 도시 폐수 처리장은 3단계로 건설되어 총 처리량이 50,000톤/일에 달합니다. 1단계에서는 산화 도랑 공정을 채택했고, 2단계 및 고급 처리 프로젝트에서도 산화 도랑 공정을 채택했으며, 이어서 응집 침전 + 천 매체 여과 + 자외선 소독 공정을 사용하는 고급 처리를 채택했습니다. 3단계에서는 수정된 A²O 공정을 채택했습니다. 현재 유출수는 DB32/1072-2018 표준을 충족합니다.

1.2 기존 문제

1.2.1 외부 관망 영향

이 공장의 파이프 네트워크 수집 범위 내의 폐수에는 많은 산업 기업의 기여가 포함됩니다. 일상적인 작동 중에 산업 기업의 비정상적인 폐수로 인해 영향을 받을 수 있으며, 이로 인해 생물학적 탱크의 DO 값이 매우 낮아져 0mg/L에 도달하여 생산 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다. 한편, 외부여건 변화로 인해 서비스 지역 내 산업체들이 폐수를 관로로 배출하는 경우가 많아짐에 따라 본 공장은 향후 유입수 수질이 더욱 심각해질 것으로 예상됩니다. 유입수가 변동하면 생물학적 탱크의 용존 산소가 크게 감소하고 회전 디스크의 폭기량 조정 범위가 제한됩니다. 어떤 기간에는 호기조의 DO가 0mg/L에 도달하여 공장의 처리 용량이 이에 대응하여 감소하고 생물학적 탱크의 호기성 환경과 처리 용량에 심각한 영향을 미칩니다.

1.2.2 포기조 내 낮은 DO

회전 디스크 오작동으로 인해 폭기장치의 산소화 효율이 낮아지기 때문에 실제 생산 작업 중 과거 운영 데이터에 따르면 폭기조 중앙 및 출구에 있는 기기의 평균 DO 값이 1mg/L를 초과하지 않고 가장 낮은 값이 0mg/L에 도달하여 생화학 반응 효율성에 심각한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

1.2.3 높은 에너지 소비

이 식물의 1단계 및 2단계 생물학적 탱크는 산화 배수로 형태입니다. 1단계 산화 배수로는 18.5kW 출력의 8개의 회전 디스크 통풍기를 사용하며 총 표면 통풍기 출력은 148kW입니다. 2단계 산화 도랑은 11kW 2세트, 18.5kW 2세트, 15kW 9세트를 포함하여 13개의 Hitachi 자흡식 폭기 장치를 사용하는 4-채널 회전식 도랑 유형이며 총 표면 폭기 장치 전력은 194kW입니다. 정상적인 작동 시, 기존 산소 공급 장치의 낮은 산소화 효율로 인해 충분한 수량을 확보하려면 모든 통풍 장치를 완전히 켜야 합니다.

1단계 및 2단계 폭기장치의 물 1톤당 전력 소비량은 (18.5kW*7+194)*24*0.75/25,000=0.2392 RMB/톤입니다. 주변 여러 도시 가정 폐수 처리장에서 생물학적 시스템 전력 소비를 조사한 결과, 바닥 미세-기포 폭기 시스템을 사용하는 25,000톤/일 도시 가정 폐수 처리장의 에너지 소비량은 일반적으로 0.09~0.1RMB/톤입니다. 회전식 디스크 폭기 장치의 에너지 소비량은 하단 미세-기포 폭기 시스템의 에너지 소비량에 비해 2.4~2.7배로 상대적으로 높은 에너지 소비량을 나타냅니다.

1.2.4 높은 장비 고장률

회전식 디스크 통풍장치가 노후화됨에 따라 장비 고장률이 점차 증가합니다. 이 공장에서 11년 동안 운영된 후 회전식 디스크 폭기 시스템은 디스크 변형을 발생시켜 높은 장비 부하와 상당한 진동을 발생시켰습니다. 장기간-사용하면 바닥이 헐거워져 양쪽 끝의 정렬 불량 및 기타 문제가 발생하여 베어링 마모가 증가하고 고장률이 높아집니다. 메인 샤프트, 임펠러, 커플링, 베이스 기어 등은 여러 차례 수리 또는 교체를 거쳐 본질적으로 교체 시점에 이르렀습니다. 자체 프라이밍 통풍장치의 베어링과 통풍장치 헤드 블레이드가 심하게 마모되었습니다. 최근 통계에 따르면 이 공장에서는 회전식 디스크 통풍장치 및 자체 프라이밍 통풍장치에 대해 매년 약 30건의 수리를 수행했습니다.

2 개조 기술 솔루션 설계

전반적인 개조 접근 방식은 다음과 같습니다. 원래의 회전 디스크 통풍 장치를 제거하고 그에 상응하는 송풍기를 추가하여 바닥 미세{0}}거품 통풍 장치로 교체합니다. 생물학적 탱크의 유효 수심을 증가시키기 위해 생물학적 탱크의 유출 둑을 높이십시오. 국지적인 슬러지 축적을 방지하기 위해 원래의 채널 구조를 사용하여 호기성 섹션에 믹서를 추가합니다.

2.1 통풍기 선택 및 레이아웃

2.1.1 에어레이터 디스크 매개변수

그림과 같이 EPDM 멤브레인 에어레이터 디스크 모델 DD330이 선택되었습니다.그림 1, 특정 매개변수가 표시됨표 1.

2.1.2 에어레이터 디스크 레이아웃

에어레이터 디스크 수: 1단계 탱크 바닥 순 면적 864m², 2단계 탱크 바닥 순 면적 1,412m², 평균 서비스 면적 0.8m²/디스크, 안전 계수 1.05-1.10. 결정된 최종 총 에어레이터 디스크 수: Phase I 1,150개 디스크, Phase II 1,900개 디스크.

레이아웃 원칙: 규칙적인 삼각형 그리드 패턴으로 고르게 분포됩니다. 데드존을 피하기 위해 탱크 벽으로부터의 간격이 0.3m 이상이어야 합니다. 유지 관리를 용이하게 하기 위해 채널 칸막이벽으로부터의 간격이 0.4m 이상입니다. DO 구역 제어를 달성하기 위해 구역당 하나의 전기 공기 제어 밸브를 사용하여 물 흐름 방향을 따라 분할합니다. 슬러지 펌프 흡입 포트, 샘플링 홈통 및 케이블 트레이를 피하고 디스크당 서비스 영역을 0.8m² 이하로 유지하면서 간격을 1.5m로 국부적으로 조정합니다.

설치 높이 및 파이프 등급: 멤브레인 디스크의 상단 표면은 탱크 바닥에서 0.25m이며, 팬 서지를 방지하기 위해 최소 수위에서 5.0m 이상의 침수를 보장합니다. 분기 파이프는 천공된 공기 분배 기능이 있는 ABS DN50을 사용합니다. 메인 파이프는 루프로 배열되어 있으며, 풍속은 10–12 m·s⁻²로 제어되며 재질은 SS304입니다. 디스크 10개마다 한 쌍의 플랜지 빠른 연결 피팅이 제공되어 탱크를 배수하지 않고도 유지 관리를 위해 전체 리프팅이 가능합니다.

2.2 송풍기 시스템 최적화

2.2.1 송풍기 추가

수입 에어 서스펜션 블로워를 주요 유닛으로 구매하였고, 스테인레스 스틸 에어 덕트를 추가하여 새로운 블로워 룸을 구축하였습니다.

2.2.2 송풍기 선택

발전소의 실제 운전 조건과 향후 수질 변화를 고려하면 개조 계획의 유입수 COD 농도는 평균 농도가 약 320mg/L로 설계값과 크게 다르지 않습니다. BOD 농도는 3단계 설계값인 150mg/L를 기준으로 계산하였고, 기타 유입수 지표는 3단계 설계 유입수 농도를 기준으로 계산하였습니다. 공장의 1단계 및 2단계에 필요한 작동 공기량은 103.7m3/min(6,225.1m3/h, 2개의 듀티 장치와 1개의 대기, 단일 장치 공기량 50m3/min)입니다.

다양한 요소를 종합적으로 고려하여 1단계와 2단계의 주요 장치로 수입 에어 서스펜션 블로워 NX75-C060 2대를 구입했습니다. 원래 슬러지 탈수 작업장의 남쪽에 잠정적으로 위치할 새로운 송풍실을 건설해야 했으며, 산화 도랑에 스테인레스 스틸 공기 덕트를 추가해야 했습니다. 송풍기 매개변수: 공기 압력 0.049MPa, 공기량 50m³/min, 이러한 작동 조건에서 최대 출력 전력 64.3kW.

2.2.3 폭기 시스템 개조

에어레이션 방식이 바닥 에어레이션으로 변경되었습니다. 1단계 및 2단계 생물학적 탱크는 해당 수의 디스크 폭기 장치와 UPVC 폭기 파이프를 사용합니다. 구체적인 개조 접근 방식: 1단계 생물학적 탱크는 780세트의 DD330 디스크 폭기 장치 및 UPVC 폭기 파이프를 사용할 것으로 예상되며, 2단계 생물학적 탱크는 1,276세트의 DD330 디스크 폭기 장치 및 UPVC 폭기 파이프를 사용할 것으로 예상되며 단일 폭기 장치 작동 공기량은 3.45m³/h입니다. 통풍기 헤드 레이아웃은 다음과 같습니다.그림 2와 3.

2.3 프로세스 매개변수 최적화

2.3.1 산화 배수구 구역화 및 DO 제어 전략

산화 배수로의 물 흐름 방향을 따라 폭기 구역은 4개 구역으로 나누어집니다. 영역 1: DO 0.3~0.5mg/L, 영역 2: DO 0.2~0.3mg/L, 영역 3: DO 1.5~2.0mg/L, 영역 4: DO 1.0~1.5mg/L. Zone 2와 Zone 3 사이의 질산화 반응 속도가 가장 높은 지점에 암모니아성 질소 공정 장치를 설치하여 최종적으로 유출수 NH₃-N을 1.5 mg/L 이하로 제어합니다.

2.3.2 폭기 기간 최적화

기존 SCADA 시스템에 "간헐적 통기" 모듈이 추가되어 DO 온라인 기기 + 시간 이중 폐쇄 루프를 형성하여 호기성 섹션 중간의 DO가 0.2mg/L로 유지되도록 보장합니다. 만약 한다면<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 개조효과 분석

전체 공정 운영에 대한 이러한 엔지니어링 개조의 영향은 개조 전과 후의 배출 오염물질 변화를 비교하여 조사되었습니다.

3.1 개조 전·후 방류수 수질 비교

그림과 같이 개조 전후의 방류수 수질은 안정적인 경향을 보였습니다.그림 4. 개조 전후 평균 유출수 COD는 30 mg/L 미만으로 유지되었고, TP는 기본적으로 0.3 mg/L 이하로 유지되었으며, NH₃-N은 1.5 mg/L 이하로 유지되었으며, TN은 10 mg/L 내외에서 변동했습니다. 전반적인 수질은 준-클래스 IV 지표수 기준에 도달했으며 이는 해당 공장에 요구되는 배출 기준을 훨씬 초과했습니다.

개조가 수질에 미칠 수 있는 영향을 보다 직관적으로 분석하기 위해 개조 전과 후의 1년-방수 수질 추세를 비교하여 다음과 같은 결과를 얻었습니다.그림 5. 그림에서 볼 수 있듯이, 유입수 농도 변화의 영향을 고려하지 않은 경우, 개조 후 COD 및 TP 유출수 농도의 변동은 개조 전보다 더 안정적이었습니다. 질소 지표의 평균값은 개조 전보다 증가했지만 전반적인 추세는 상대적으로 안정적이어서 전체 공장 에너지 소비 및 화학물질 절감이 감소했습니다.

3.2 개조 전·후 오염물질 제거량 비교

폭기시스템 개선으로 공장 전체 전력사용량은 기존 대비 1.7% 감소한 반면, 처리용량은 8.33% 증가했으며, 그에 따른 오염물질 저감량도 증가하였습니다.그림 6. 계산 결과, COD 감소량은 948.5톤, TP는 7.0톤, NH₃-N은 100.4톤, TN은 125.9톤 증가했습니다.

실제 오염물질 제거율도 이에 따라 변경되었습니다.표 2. 개조 후 NH₃-N 제거율 감소를 제외하고 다른 모든 지표의 제거율은 증가했습니다.

3.3 개조 전·후 에너지 소비량 비교

이 개조 프로젝트의 에너지 소비는 다음과 같습니다.표 3. 개조 후 1단계 생물탱크 폭기 시스템의 물 1톤당 전력 소비량은 67.3%, 2단계의 경우 80.9% 감소했습니다. 물 1톤당 전체 공장 평균 전력 소비량이 55.3% 감소하여 상당한 에너지-절감 효과를 보여주었습니다. 전체 플랜트의 물 1톤당 전력 소비량은 전국 유사한 산화 도랑 공정의 에너지 소비량 범위(0.292±0.192)kW·h/m3 내에서 0.21kW·h/m3로 감소했습니다. 전체 플랜트에 대한 개조 전후의 오염물질 단위 중량당 전력 소비량은 다음과 같습니다.표 4. 전체 공장 폭기 시스템을 개조한 후 처리된 COD 1kg당 전력 소비는 26.2% 감소하고, TP 처리 1kg당 15.7%, NH₃-N 처리 1kg당 29.3%, TN 처리 1kg당 36.1% 감소하여 우수한 에너지{10}}절약 효과를 나타냈습니다.

3.4 개조 전후의 화학적 비교

개조 전에는 폭기 시스템의 빈번한 고장으로 인해 생물학적 시스템의 DO를 제어하기 어려웠고, 질소 표시기 표준을 충족하려면 제거 효과를 보장하기 위해 외부 탄소원을 추가해야 했습니다. 개조 후에는 기본적으로 외부 탄소원 추가가 더 이상 필요하지 않았습니다. 개조 후 생물학적 인 제거 및 탈질 효율이 크게 향상되었으며, 그에 따라 인 제거 약품 PAC 및 슬러지 탈수 약품 PAM도 감소했습니다. 연간 화학물질 비용은 이전에 비해 약 167,000 RMB 감소했습니다. 구체적인 변경 사항은 다음과 같습니다.표 5.

3.5 Retrofit 전후 투자비교

개조 전 표면 폭기 장치의 연간 비용은 162만 8100만 위안이었고, 연간 장비 수리 비용은 25만 위안 이상이었습니다. 개조 후 송풍기와 혼합기의 연간 비용은 714,600위안이었습니다. 이 계산에 따르면 연간 전기 비용 절감액은 913,500RMB, 연간 수리 비용 절감액 250,000RMB, 총 연간 절감액은 116억 3500만 위안입니다. 총 투자액 370.4백만 위안을 기준으로 투자 회수 기간은 3.18년입니다.

3.6 공정 안정성

개조 전, 오작동 기간 동안 생물학적 탱크의 용존 산소는 대부분 1.0 mg/L 미만으로 유지되었습니다. 개조 후 생물학적 탱크의 용존 산소는 평균 1.5~2.0mg/L였습니다. 유입수 농도 및 공정 요구 사항에 따라 용존 산소 조정 범위는 1.0~2.5mg/L일 수 있습니다. 유입수 농도가 높을 경우 송풍기 출력을 조정하여 생물학적 탱크의 용존 산소 수준을 정상적인 수준으로 유지할 수도 있습니다. 따라서 개조 후 안정적인 배출수 준수 조건을 만족하게 된다.

4 결론

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 >0.23 kW·h, 자주 DO<1 mg/L, and annual repair cost increases >15%는 이러한 기술적 혁신을 재현할 수 있습니다. 55.3%의 전기 절약, 3.18-년의 투자 회수 기간, 오염 물질 감소율의 3%-5% 증가라는 한계 이익을 기반으로 혁신 투자는 안전 마진이 높으며 즉시 탄소 감소 잠재력을 발휘하여 오래된 산화 배수로의 친환경 및 저탄소 업그레이드를 위한 복제 가능하고 충분한 조건을 제공할 수 있습니다.