Aplicación de tecnología de limpieza química en línea para aireadores de burbuja fina en plantas de tratamiento de aguas residuales
Los aireadores de burbuja fina se utilizan ampliamente como equipos de aireación en plantas de tratamiento de aguas residuales debido a su estructura simple, alta eficiencia de utilización de oxígeno, rendimiento confiable, poros resistentes a la obstrucción-, prevención del reflujo de aguas residuales, distribución uniforme de la tensión circunferencial, larga vida útil, fácil instalación y mantenimiento y bajo costo del sistema. Como componente clave para el suministro de oxígeno en el tratamiento de aguas residuales, los sistemas de aireación de burbujas finas son propensos a obstruirse por incrustaciones y biopelículas durante el funcionamiento-a largo plazo, lo que plantea importantes desafíos para mantener su rendimiento. La tecnología de limpieza química en línea proporciona una solución eficaz a este problema.
1. Formación y peligros de obstrucción del aireador de burbujas finas
Después de un funcionamiento prolongado, los aireadores de burbujas finas son susceptibles a obstruirse, normalmente clasificados como "obstrucción interna" y "obstrucción externa" según la forma de obstrucción del contaminante. "Obstrucción interna" se refiere a la deposición de partículas finas tales como partículas coloidales y macromoléculas de soluto del licor mezclado dentro de los poros, lo que conduce al bloqueo de los poros. "Obstrucción externa" se refiere a la deposición de sustancias incrustantes en la superficie de la membrana que mira hacia el lado del agua. Este tipo de bloqueo tiende a aumentar continuamente la resistencia a la descarga de aire de la membrana, lo que provoca un aumento de la presión sobre la membrana y un aumento gradual del tamaño de los poros. Con el tiempo, esto puede provocar fácilmente el desgarro de la membrana. Una vez que la membrana se rompe, el impacto se extiende desde la destrucción de la eficiencia de la aireación hasta el daño estructural del sistema, lo que puede requerir un apagado para mantenimiento o reemplazo del aireador.
Los problemas de obstrucción en los aireadores de burbuja fina conllevan mayores riesgos operativos:
- Desde la perspectiva del coste del consumo de electricidad: A medida que los aireadores se obstruyen, la presión de la tubería aumenta, lo que obliga a los sopladores a funcionar en condiciones de alta-carga y alto-energía-consumo. Esto aumenta el consumo de energía y también afecta la vida útil del soplador.
- Desde una perspectiva de riesgo ambiental: La aireación desigual reduce las tasas de transferencia de oxígeno, limita la flexibilidad del control del proceso y puede afectar gravemente la calidad del efluente en casos graves.
- Desde una perspectiva de costes económicos: El coste de la limpieza manual después de vaciar los tanques es elevado.
- Desde una perspectiva de seguridad: La limpieza manual después del vaciado requiere ingresar a los tanques para la eliminación de lodos, lo que implica la entrada a espacios confinados y trabajo eléctrico temporal, lo que aumenta los riesgos de riesgos eléctricos y de seguridad personal.Figura 1Muestra el fenómeno de acumulación de lodos por obstrucción del aireador.
Por lo tanto, el mantenimiento y la limpieza regulares de los aireadores de burbuja fina son cruciales para garantizar su rendimiento operativo. Los métodos tradicionales de mantenimiento y limpieza de aireadores requieren el vaciado completo de los tanques de reacción biológica. El mantenimiento-y la limpieza a gran escala de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales pueden afectar el tratamiento y la descarga normal de aguas residuales, o requerir la aprobación de los departamentos gubernamentales pertinentes si se realizan en ubicaciones específicas (como áreas cubiertas por redes de drenaje urbano o zonas de protección de fuentes de agua potable). Este proceso implica múltiples operaciones peligrosas (por ejemplo, entrada a espacios confinados) con numerosos riesgos y desventajas, lo que impone cargas económicas significativas y costos potenciales (por ejemplo, coordinación con las relaciones gubernamentales, capacidad de tratamiento reducida durante el mantenimiento, ajuste de la calidad del agua, riesgos de seguridad) en las plantas de tratamiento de aguas residuales. La presión y los desafíos que plantea el vaciado para el mantenimiento hacen que la viabilidad del vaciado regular para la limpieza del aireador sea relativamente débil.
Dados los numerosos inconvenientes de la limpieza manual tradicional después del vaciado-alto costo, alto riesgo operativo y efectividad de limpieza subóptima-la investigación sobre la limpieza en línea de aireadores de burbujas finas utilizando dispositivos de dosificación de químicos en línea en condiciones normales de aireación es particularmente importante.
Este estudio seleccionó un proyecto de planta como sitio de prueba de campo para la tecnología de limpieza química en línea. La planta tiene una capacidad total de tratamiento de aguas residuales de 600.000 toneladas por día, construida en cuatro fases. El proyecto de la tercera-fase tiene una capacidad de tratamiento de 100.000 toneladas por día, mediante un proceso AAO; el proyecto de la cuarta-fase tiene una capacidad de tratamiento de 200.000 toneladas por día, mediante un proceso MBR. La calidad del efluente cumple con el estándar Grado A GB 18918-2002 "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales". La limpieza en línea se realizó en aireadores de burbuja fina en los tanques aeróbicos de la tercera y cuarta fase, que habían estado en funcionamiento durante 6-7 años.
2. Principio de la tecnología de limpieza química en línea
La tecnología de limpieza química en línea implica agregar agentes químicos específicos al sistema de aireación para disolver o dispersar sustancias obstructoras mediante la acción química. Estos agentes pueden ser ácidos, alcalinos, oxidantes o quelantes. Por ejemplo, algunos agentes ácidos pueden disolver precipitados alcalinos como el carbonato de calcio, mientras que los agentes oxidantes pueden descomponer bloqueos orgánicos producidos por microorganismos.
2.1 Análisis de contaminantes comunes
Los contaminantes que se adhieren a las superficies de los aireadores son diversos y su composición está estrechamente relacionada con las características de las aguas residuales, los procesos de tratamiento y las condiciones operativas. Los contaminantes comunes se analizan de la siguiente manera:
- Contaminantes inorgánicos: Incluyen compuestos de calcio y magnesio, sulfuros, óxidos e hidróxidos metálicos, originados principalmente por precipitación química y sobresaturación de iones. Sus principales impactos en los aireadores incluyen la obstrucción de los poros, la reducción de la eficiencia de la aireación, el aumento del consumo de energía del sistema, el aumento de la resistencia a la aireación y la disminución de la eficiencia de la transferencia de oxígeno.
- Contaminantes Orgánicos: Incluyen biopelículas microbianas, partículas orgánicas suspendidas, grasas/aceites y coloides orgánicos. La biopelícula microbiana se forma principalmente debido a la colonización microbiana y la adhesión de sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Sus peligros incluyen la creación de microambientes anaeróbicos y la liberación de gases tóxicos (p. ej., H₂S). Los coloides orgánicos se forman debido a interacciones hidrofóbicas y adsorción electrostática, creando capas hidrofóbicas que dificultan la liberación de gas y afectan la uniformidad de la aireación.
- Contaminantes compuestos (escala mixta inorgánica-orgánica): Incluyen incrustaciones biológicas-químicas mixtas y adhesión de partículas de lodo, formadas principalmente mediante atrapamiento físico y enlaces químicos. Sus efectos incluyen cubrir la superficie del aireador, reducir el área de aireación efectiva, acelerar el envejecimiento del equipo y acortar los ciclos de mantenimiento.
A través de inspecciones de mantenimiento del sistema de aireación de la planta, se identificaron los siguientes problemas: ① El funcionamiento prolongado bajo el agua de los aireadores, junto con el aumento de la vida útil, provocó un envejecimiento significativo de las juntas tóricas en los puntos de conexión, lo que provocó fugas de gas; ② Durante la operación, la deposición continua de lodos y los ajustes en el control del proceso de producción dieron como resultado mayores concentraciones de lodos en ciertas áreas, causando indirectamente incrustaciones severas en las superficies de la membrana del aireador, como se muestra enFigura 2; ③ Cuando la concentración de lodos en los tanques de reacción biológica es demasiado alta, la edad de los lodos se prolonga, lo que aumenta el oxígeno disuelto necesario para la actividad microbiana normal y aumenta las demandas sobre el sistema de suministro de oxígeno; ④ Una mayor densidad del licor mezclado en los tanques de aireación aumenta la resistencia, lo que genera un mayor consumo de energía para la aireación mecánica o por soplador; ⑤ Algunas incrustaciones habían penetrado en los poros de aireación, afectando la aireación del sistema, como se muestra enFigura 3. Con base en las causas de la formación de contaminantes, se determinó que las incrustaciones en las superficies del aireador contenían contaminantes inorgánicos, materia orgánica, proteínas, etc.
2.2 Selección de agentes de limpieza
Para los tipos de contaminación de las membranas es necesario seleccionar agentes de limpieza químicos adecuados. Estos agentes pueden penetrar a través de los poros de aireación de la pared de la tubería hasta el espacio entre la membrana y la pared de la tubería, logrando la limpieza de la superficie de la membrana y sus poros. La selección del tipo de agente de limpieza debe basarse en las propiedades fisicoquímicas reales de la membrana, los tipos de contaminantes y el grado de suciedad. El agente de limpieza debe ser biodegradable y no-tóxico para los organismos, capaz de eliminar eficazmente las incrustaciones inorgánicas de las paredes de las tuberías de aire y del interior de los difusores. Debe tener una buena eficacia de limpieza contra obstrucciones (también conocidas como "obstrucción de fase-gas") causadas por contaminantes, partículas o polvo en el aire de entrada de los sistemas de aireación de los sopladores, fugas de aceite de los sopladores y óxido de las tuberías de aire internas.
Los agentes de limpieza alcalinos incluyen hidróxido de sodio, carbonato de sodio, fosfato de sodio, silicato de sodio, hidróxido de potasio, etc. El hidróxido de sodio es un agente químico común en los procesos de tratamiento de aguas residuales para elevar el pH de las aguas residuales, por lo que puede seleccionarse como agente de limpieza alcalino.
Los agentes de limpieza ácidos incluyen ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico, ácido cítrico, ácido oxálico, ácido fosfórico, etc. Dado que el citrato tiene una fuerte capacidad quelante para iones como el manganeso y el hierro y, en la práctica, en comparación con los ácidos minerales, el ácido cítrico es relativamente débil, menos corrosivo para los equipos, más seguro y fácilmente biodegradable por los microorganismos, se seleccionó el ácido cítrico como agente de limpieza ácido.
Tabla 1muestra las categorías y el rendimiento de los agentes de limpieza comúnmente utilizados para la suciedad de las membranas.
2.3 Diseño de dispositivo de limpieza en línea
Dada la presión en el funcionamiento de los sistemas de aireación de burbujas finas y los numerosos ramales, es especialmente importante diseñar un dispositivo de dosificación en línea adecuado para aireadores de burbujas finas. El dispositivo de limpieza dosificador diseñado en este estudio incluye una unidad de disolución/dilución y una unidad de dosificación, como se muestra enFigura 4.
La unidad de disolución/dilución consta principalmente de un tanque de preparación, un agitador y un indicador de nivel, que se utilizan para disolver y diluir los agentes. Al inyectar una cierta cantidad de agua en el tanque de preparación, agregar el agente y poner en marcha el agitador, se puede preparar un agente de concentración específica para su uso en la unidad de dosificación.
La unidad de dosificación consta principalmente de un tanque dosificador, una válvula de escape, una válvula dosificadora, una válvula de equilibrio, una válvula de alimentación y algunos sistemas de tuberías. El fondo del tanque de dosificación está conectado a un tubo de dosificación, que además se ramifica en múltiples sub-tubos de dosificación. Todos los sub-tubos de dosificación están conectados uno-a-uno con múltiples ramales de aireación, que a su vez están conectados a varios aireadores de burbuja fina, logrando así el propósito de limpiar los aireadores de burbuja fina.
Durante la implementación, se perforó un orificio de Φ15 mm en cada ramal de aireación de los tanques de reacción biológica como puerto de dosificación, a través del cual se instaló un tubo dosificador de nailon para entregar el agente a los aireadores de burbujas finas, reduciendo la pérdida de agente. Al mismo tiempo se perforó un orificio adicional en el ramal de aireación como tubo de gas de equilibrio para igualar la presión entre el tanque dosificador y el ramal de aireación. Los orificios perforados en los ramales de aireación se sellan con tapones durante el funcionamiento normal y se instalan terminales de conexión rápida-durante la dosificación para permitir una instalación y extracción rápidas.
3. Aplicación del Dispositivo de Limpieza Dosificador en Línea
En este experimento de limpieza con dosificación en línea, los aireadores de burbujas finas se colocaron en los tanques biológicos. Se inyectó una solución de limpieza específica en las membranas del aireador de burbujas finas a través de los ramales de aireación, lo que le permitió fluir hacia el lado de alimentación para descomponer la materia orgánica adherida a la superficie de la membrana, restaurando así la diferencia de presión transmembrana y logrando el efecto de limpieza. El diseño experimental se basó en tres variables: tipo de agente, concentración de agente y tiempo de limpieza. El esquema de prueba se muestra enTabla 2.
3.1 Análisis del efecto de limpieza de dosificación en línea
Después de la limpieza, la observación sensorial de la superficie de aireación en el sitio mostró tamaños de burbujas más pequeños que escapaban de la superficie del tanque de aireación y una aireación más uniforme.Figura 5muestra la apariencia sensorial de la aireación antes y después de la limpieza.
Después de la limpieza con diferentes tipos de agentes y concentraciones, los aireadores mostraron consistentemente un mayor caudal y una disminución de la presión de la tubería, restableciéndose los caudales. La eficiencia de la aireación se restableció en diversos grados después del tratamiento con diferentes métodos de limpieza. Los datos combinados sobre el aumento del flujo de aire y la disminución de la presión de la tubería indican que los diferentes tipos de agentes, concentraciones y tiempos de limpieza tienen efectos variables en la restauración del aireador.Figuras 6 y 7muestran los cambios en el caudal y la presión antes y después de la limpieza, respectivamente.
La eficiencia de restauración de los aireadores después de la limpieza con hidróxido de sodio fue ligeramente menor que después de la limpieza con ácido cítrico. La alta solubilidad del hidróxido de sodio en agua conduce a una importante liberación de calor tras la disolución. Junto con su fuerte higroscopicidad, alcalinidad y corrosividad, estas propiedades requieren tomar precauciones adicionales en las operaciones prácticas. Desde la perspectiva de la seguridad de las operaciones de limpieza, el hidróxido de sodio no es el agente de limpieza preferido. Por lo tanto, al seleccionar agentes de limpieza, se debe evaluar cuidadosamente su seguridad y conveniencia operativa para garantizar la seguridad del operador y una eficacia de limpieza óptima.
Los resultados de las pruebas mostraron que después de la limpieza por dosificación en línea, la aireación en los tanques biológicos se volvió más uniforme, el caudal de los aireadores de burbuja fina aumentó, la presión de la tubería disminuyó significativamente y el efecto de limpieza fue notable.
3.2 Ventajas técnicas
- Reduce el tiempo de inactividad: En comparación con la limpieza tradicional por desmontaje, la limpieza dosificadora en línea no requiere detener el sistema de aireación, evitando interrupciones en el proceso de tratamiento de aguas residuales y reducción de la eficiencia del tratamiento provocadas por paradas.
- Mejora la eficiencia de limpieza: Los agentes pueden penetrar profundamente en los poros, limpiando eficazmente las áreas obstruidas de difícil acceso. Después de su aplicación en algunas plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas, la uniformidad de la aireación mejoró notablemente y la eficiencia de la transferencia de oxígeno aumentó significativamente.
- Reduce la intensidad laboral y los costos: Elimina la necesidad de desmontar y volver a montar manualmente los aireadores, lo que reduce la mano de obra y el riesgo de daños al equipo por el desmontaje frecuente, ahorrando así costes de mantenimiento. El costo de la limpieza química en línea para aireadores de burbuja fina es de 0,47 RMB/tonelada, mientras que el costo de la limpieza manual tradicional para aireadores viejos es de 13,3 RMB/tonelada. Se estima que el ahorro anual en costes de limpieza del aireador de burbuja fina asciende a 515.000 RMB. En comparación con la limpieza manual tradicional de aireadores antiguos, la limpieza química en línea ofrece importantes ventajas económicas.
- Extiende la vida útil del equipo de aireación: A través de la limpieza química en línea, el efecto de aireación de los aireadores de burbuja fina mejora efectivamente, mejorando el rendimiento del aireador y, hasta cierto punto, extendiendo la vida útil del equipo de aireación, reduciendo efectivamente la carga del ventilador.
- Proporciona más opciones para la programación de producción y los planes de mantenimiento: A través de la limpieza química en línea, la distribución de las burbujas se vuelve más uniforme, la presión de la tubería de aire se reduce efectivamente, el caudal aumenta significativamente, lo que mejora en gran medida las tasas de transferencia de oxígeno y proporciona una sólida garantía para la regulación de la calidad del agua.
4. Conclusión
La tecnología de limpieza química en línea para aireadores de burbuja fina tiene un valor de aplicación significativo en plantas de tratamiento de aguas residuales. A través de su aplicación racional, se pueden resolver eficazmente los problemas de obstrucción en los aireadores de burbuja fina, mejorar el rendimiento del sistema de aireación, reducir el tiempo de inactividad y los costos operativos, y garantizar un funcionamiento estable y eficiente de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Las limitaciones de la limpieza manual tradicional impulsarán a la industria hacia la limpieza en línea. La aparición de nuevos equipos y sistemas de control inteligentes reduce significativamente la dificultad operativa de la limpieza en línea. Junto con políticas y regulaciones ambientales que enfatizan la neutralidad de carbono y el reciclaje de recursos hídricos, lo que promoverá indirectamente la aplicación de tecnología de limpieza en línea. En el futuro, se podrán optimizar las formulaciones de agentes y se podrán investigar tecnologías de limpieza sinérgicas de múltiples-agentes. Además, se pueden llevar a cabo estrategias de control de dosificación e investigación sobre inteligencia de equipos para adaptarse mejor a las necesidades de las diferentes plantas de tratamiento de aguas residuales.