Application de la technologie de nettoyage chimique en ligne pour les aérateurs à fines bulles dans les usines de traitement des eaux usées
Les aérateurs à fines bulles sont largement utilisés comme équipement d'aération dans les usines de traitement des eaux usées en raison de leur structure simple, de leur efficacité élevée d'utilisation de l'oxygène, de leurs performances fiables, de leurs pores résistants au colmatage-, de la prévention du reflux des eaux usées, de la répartition uniforme des contraintes circonférentielles, de leur longue durée de vie, de leur installation et de leur maintenance faciles et de leur faible coût du système. En tant qu'élément clé de l'approvisionnement en oxygène dans le traitement des eaux usées, les systèmes d'aération à fines bulles sont sujets au colmatage par l'encrassement et le biofilm lors d'un fonctionnement à long-, ce qui pose des défis importants pour maintenir leurs performances. La technologie de nettoyage chimique en ligne offre une solution efficace à ce problème.
1. Formation et risques de colmatage de l’aérateur à fines bulles
Après un fonctionnement prolongé, les aérateurs à fines bulles sont susceptibles de se boucher, généralement classés en « colmatage interne » et « colmatage externe » en fonction de la forme de blocage des polluants. Le « colmatage interne » fait référence au dépôt de fines particules telles que des particules colloïdales et des macromolécules de soluté provenant de la liqueur mélangée dans les pores, conduisant au blocage des pores. Le « colmatage externe » fait référence au dépôt de substances calcaires sur la surface de la membrane tournée vers l'eau. Ce type de blocage tend à augmenter continuellement la résistance à l'évacuation de l'air de la membrane, conduisant à une pression accrue sur la membrane et à un élargissement progressif de la taille des pores. Au fil du temps, cela peut facilement provoquer une déchirure de la membrane. Une fois la membrane déchirée, l'impact s'étend de la destruction de l'efficacité de l'aération aux dommages structurels du système, nécessitant potentiellement un arrêt pour maintenance ou remplacement de l'aérateur.
Les problèmes de colmatage dans les aérateurs à fines bulles entraînent des risques opérationnels accrus :
- Du point de vue du coût de la consommation d’électricité : à mesure que les aérateurs se bouchent, la pression du pipeline augmente, obligeant les soufflantes à fonctionner dans des conditions de-charge et de-consommation d'énergie-élevées. Cela augmente la consommation d’énergie et affecte également la durée de vie du ventilateur.
- Du point de vue des risques environnementaux: Une aération inégale réduit les taux de transfert d'oxygène, limite la flexibilité du contrôle du processus et peut gravement affecter la qualité des effluents dans les cas graves.
- Du point de vue du coût économique: Le coût du nettoyage manuel après vidange des cuves est élevé.
- Du point de vue de la sécurité: Le nettoyage manuel après vidange nécessite l'entrée dans les cuves pour l'évacuation des boues, impliquant une entrée dans un espace confiné et des travaux électriques temporaires, augmentant ainsi les risques de dangers électriques et personnels.Figure 1montre le phénomène d’accumulation de boues provenant du colmatage de l’aérateur.
Par conséquent, un entretien et un nettoyage réguliers des aérateurs à fines bulles sont cruciaux pour garantir leurs performances opérationnelles. Les méthodes traditionnelles d’entretien et de nettoyage des aérateurs nécessitent une vidange complète des cuves de réaction biologique. L'entretien et le nettoyage à grande échelle des installations de traitement des eaux usées peuvent affecter le traitement et le rejet normaux des eaux usées, ou nécessiter l'approbation des services gouvernementaux concernés s'ils sont effectués dans des endroits spécifiques (tels que les zones couvertes par les réseaux de drainage urbains ou les zones de protection des sources d'eau potable). Ce processus implique de multiples opérations dangereuses (par exemple, entrée dans un espace confiné) avec de nombreux risques et inconvénients, imposant des charges économiques importantes et des coûts potentiels (par exemple, coordination avec les relations gouvernementales, capacité de traitement réduite pendant la maintenance, ajustement de la qualité de l'eau, risques pour la sécurité) sur les usines de traitement des eaux usées. La pression et les défis posés par la vidange pour l’entretien rendent relativement faible la faisabilité d’une vidange régulière pour le nettoyage de l’aérateur.
Compte tenu des nombreux inconvénients du nettoyage manuel traditionnel après vidange-coût élevé, risque opérationnel élevé et efficacité de nettoyage sous-optimale-la recherche sur le nettoyage en ligne des aérateurs à fines bulles à l'aide de dispositifs de dosage de produits chimiques en ligne dans des conditions d'aération normales est particulièrement importante.
Cette étude a sélectionné un projet d'usine comme site d'essai sur le terrain pour la technologie de nettoyage chimique en ligne. L'usine a une capacité totale de traitement des eaux usées de 600 000 tonnes par jour, construite en quatre phases. Le projet de troisième-phase a une capacité de traitement de 100 000 tonnes par jour, en utilisant un procédé AAO ; le projet de quatrième-phase a une capacité de traitement de 200 000 tonnes par jour, en utilisant un procédé MBR. La qualité des effluents répond à la norme de catégorie A du GB 18918-2002 « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales ». Un nettoyage en ligne a été effectué sur des aérateurs à fines bulles dans les bassins aérobies des troisième et quatrième phases, en service depuis 6 à 7 ans.
2. Principe de la technologie de nettoyage chimique en ligne
La technologie de nettoyage chimique en ligne consiste à ajouter des agents chimiques spécifiques au système d’aération pour dissoudre ou disperser les substances obstruantes par action chimique. Ces agents peuvent être acides, alcalins, oxydants ou chélatants. Par exemple, certains agents acides peuvent dissoudre les précipités alcalins comme le carbonate de calcium, tandis que les agents oxydants peuvent décomposer les blocages organiques produits par les micro-organismes.
2.1 Analyse des polluants courants
Les polluants adhérant aux surfaces des aérateurs sont divers et leur composition est étroitement liée aux caractéristiques des eaux usées, aux processus de traitement et aux conditions opérationnelles. Les polluants courants sont analysés comme suit :
- Polluants inorganiques: Inclut les composés de calcium et de magnésium, les sulfures, les oxydes et hydroxydes métalliques, provenant principalement de précipitations chimiques et de sursaturation ionique. Leurs principaux impacts sur les aérateurs comprennent le colmatage des pores, une efficacité d’aération réduite, une consommation d’énergie accrue du système, une résistance à l’aération accrue et une diminution de l’efficacité du transfert d’oxygène.
- Polluants organiques: Inclut le biofilm microbien, les particules organiques en suspension, les graisses/huiles et les colloïdes organiques. Le biofilm microbien se forme principalement en raison de la colonisation microbienne et de l’adhésion de substances polymères extracellulaires (EPS). Ses dangers incluent la création de microenvironnements anaérobies et la libération de gaz toxiques (par exemple, H₂S). Les colloïdes organiques se forment en raison d'interactions hydrophobes et d'adsorption électrostatique, créant des couches hydrophobes qui entravent la libération de gaz et affectent l'uniformité de l'aération.
- Polluants composites (inorganiques-organiques à échelle mixte) : Inclut la fixation de particules biologiques-chimiques et de particules de boues, principalement formées par piégeage physique et liaison chimique. Leurs effets incluent le recouvrement de la surface de l'aérateur, la réduction de la surface d'aération efficace, l'accélération du vieillissement des équipements et le raccourcissement des cycles de maintenance.
Grâce aux inspections de maintenance du système d'aération de l'usine, les problèmes suivants ont été identifiés : ① Le fonctionnement sous-marin prolongé des aérateurs, associé à une durée de vie croissante, a conduit à un vieillissement important des joints toriques aux points de connexion, entraînant des fuites de gaz ; ② Pendant le fonctionnement, le dépôt continu de boues et les ajustements du contrôle du processus de production ont entraîné des concentrations de boues plus élevées dans certaines zones, provoquant indirectement une grave incrustation sur les surfaces des membranes de l'aérateur, comme le montre la figure 3.Figure 2; ③ Lorsque la concentration des boues dans les cuves de réaction biologique est trop élevée, l'âge des boues s'allonge, augmentant l'oxygène dissous requis pour l'activité microbienne normale et augmentant les demandes sur le système d'alimentation en oxygène ; ④ L'augmentation de la densité de la liqueur mélangée dans les réservoirs d'aération augmente la résistance, entraînant une consommation d'énergie plus élevée pour l'aération mécanique ou par soufflante ; ⑤ Des salissures ont pénétré dans les pores d'aération, affectant l'aération du système, comme le montre la figureFigure 3. Sur la base des causes de la formation de polluants, il a été déterminé que le tartre sur les surfaces de l'aérateur contenait des polluants inorganiques, des matières organiques, des protéines, etc.
2.2 Sélection des agents de nettoyage
Pour les types de pollution des membranes, des produits de nettoyage chimiques adaptés doivent être sélectionnés. Ces agents peuvent pénétrer à travers les pores d'aération de la paroi du tuyau jusqu'à l'espace entre la membrane et la paroi du tuyau, permettant ainsi de nettoyer la surface de la membrane et ses pores. Le choix du type d'agent de nettoyage doit être basé sur les propriétés physico-chimiques réelles de la membrane, les types de polluants et le degré d'encrassement. L'agent de nettoyage doit être biodégradable et non-toxique pour les organismes, capable d'éliminer efficacement le tartre inorganique des parois des conduites d'air et à l'intérieur des diffuseurs. Il doit avoir une bonne efficacité de nettoyage contre les blocages (également appelés « colmatage de la phase gazeuse ») causés par des contaminants, des particules ou de la poussière dans l'air d'entrée des systèmes d'aération des soufflantes, des fuites d'huile des soufflantes et de la rouille de la tuyauterie d'air interne.
Les agents de nettoyage alcalins comprennent l'hydroxyde de sodium, le carbonate de sodium, le phosphate de sodium, le silicate de sodium, l'hydroxyde de potassium, etc. L'hydroxyde de sodium est un agent chimique courant dans les processus de traitement des eaux usées pour augmenter le pH des eaux usées, il peut donc être sélectionné comme agent de nettoyage alcalin.
Les agents de nettoyage acides comprennent l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l'acide citrique, l'acide oxalique, l'acide phosphorique, etc. Étant donné que le citrate a une forte capacité de chélation pour les ions tels que le manganèse et le fer, et en pratique, comparé aux acides minéraux, l'acide citrique est relativement faible, moins corrosif pour l'équipement, plus sûr et facilement biodégradable par les micro-organismes, l'acide citrique a été sélectionné comme agent de nettoyage acide.
Tableau 1montre les catégories et les performances des agents de nettoyage couramment utilisés pour l’encrassement des membranes.
2.3 Conception du dispositif de nettoyage en ligne
Compte tenu de la pression exercée lors du fonctionnement des systèmes d'aération à fines bulles et des nombreux tuyaux de dérivation, il est particulièrement important de concevoir un dispositif de dosage en ligne adapté aux aérateurs à fines bulles. Le dispositif de nettoyage-dosage conçu dans cette étude comprend une unité de dissolution/dilution et une unité de dosage, comme illustré dansFigure 4.
L'unité de dissolution/dilution se compose principalement d'un réservoir de préparation, d'un agitateur et d'une jauge de niveau, utilisés pour dissoudre et diluer les agents. En injectant une certaine quantité d'eau dans le réservoir de préparation, en ajoutant l'agent et en démarrant l'agitateur, un agent de concentration spécifique peut être préparé pour être utilisé par l'unité de dosage.
L'unité de dosage se compose principalement d'un réservoir de dosage, d'une soupape d'échappement, d'une soupape de dosage, d'une soupape d'équilibrage, d'une soupape d'alimentation et de certains systèmes de tuyauterie. Le fond du réservoir de dosage est relié à un tuyau de dosage, qui se divise en plusieurs sous--tuyaux de dosage. Tous les sous--tuyaux de dosage sont connectés un-un à-un avec plusieurs tuyaux de dérivation d'aération, qui à leur tour sont connectés à plusieurs aérateurs à fines bulles, atteignant ainsi l'objectif de nettoyer les aérateurs à fines bulles.
Lors de la mise en œuvre, un trou de Φ15 mm a été percé dans chaque tuyau de dérivation d'aération des réservoirs de réaction biologique comme port de dosage, à travers lequel un tuyau de dosage en nylon a été installé pour acheminer l'agent vers les aérateurs à fines bulles, réduisant ainsi la perte d'agent. Simultanément, un trou supplémentaire a été percé dans le tuyau de dérivation d'aération comme tuyau de gaz d'équilibrage pour égaliser la pression entre le réservoir de dosage et le tuyau de dérivation d'aération. Les trous percés dans les tuyaux de dérivation d'aération sont scellés avec des bouchons pendant le fonctionnement normal, et des raccords de bornes à connexion rapide -sont installés pendant le dosage pour permettre une installation et un retrait rapides.
3. Application du dispositif de nettoyage de dosage en ligne
Dans cette expérience de nettoyage par dosage en ligne, les aérateurs à fines bulles ont été placés dans les réservoirs biologiques. Une solution de nettoyage spécifique a été injectée dans les membranes de l'aérateur à fines bulles à travers les tuyaux de dérivation d'aération, lui permettant de s'écouler vers le côté alimentation pour décomposer la matière organique adhérant à la surface de la membrane, rétablissant ainsi la différence de pression transmembranaire et obtenant l'effet de nettoyage. La conception expérimentale était basée sur trois variables : le type d’agent, la concentration de l’agent et le temps de nettoyage. Le schéma de test est présenté dansTableau 2.
3.1 Analyse de l’effet de nettoyage du dosage en ligne
Après le nettoyage, l'observation sensorielle de la surface d'aération sur le site a montré des bulles de plus petite taille s'échappant de la surface du réservoir d'aération et une aération plus uniforme.Figure 5montre l'aspect sensoriel de l'aération avant et après le nettoyage.
Après un nettoyage avec différents types et concentrations d'agents, les aérateurs ont systématiquement montré une augmentation du débit et une diminution de la pression de la canalisation, les débits étant rétablis. L'efficacité de l'aération a été restaurée à des degrés divers après un traitement avec différentes méthodes de nettoyage. Les données combinées sur l'augmentation du débit d'air et la diminution de la pression du pipeline indiquent que différents types d'agents, concentrations et temps de nettoyage ont des effets variables sur la restauration de l'aérateur.Chiffres 6 et 7montrer les changements de débit et de pression avant et après le nettoyage, respectivement.
L'efficacité de restauration des aérateurs après nettoyage à l'hydroxyde de sodium était légèrement inférieure à celle après nettoyage à l'acide citrique. La haute solubilité de l’hydroxyde de sodium dans l’eau entraîne un dégagement de chaleur important lors de sa dissolution. Associées à sa forte hygroscopique, alcalinité et corrosivité, ces propriétés nécessitent de prendre des précautions supplémentaires lors des opérations pratiques. Du point de vue de la sécurité des opérations de nettoyage, l’hydroxyde de sodium n’est pas l’agent de nettoyage préféré. Par conséquent, lors de la sélection des agents de nettoyage, leur sécurité et leur commodité d'utilisation doivent être soigneusement évaluées pour garantir la sécurité de l'opérateur et une efficacité de nettoyage optimale.
Les résultats des tests ont montré qu'après le nettoyage par dosage en ligne, l'aération dans les réservoirs biologiques est devenue plus uniforme, le débit des aérateurs à fines bulles a augmenté, la pression du pipeline a diminué de manière significative et l'effet de nettoyage était remarquable.
3.2 Avantages techniques
- Réduit les temps d'arrêt: Par rapport au nettoyage par démontage traditionnel, le nettoyage par dosage en ligne ne nécessite pas l'arrêt du système d'aération, évitant ainsi les interruptions du processus de traitement des eaux usées et la réduction de l'efficacité du traitement causée par les arrêts.
- Améliore l'efficacité du nettoyage : Les agents peuvent pénétrer profondément dans les pores, nettoyant efficacement les zones obstruées-difficiles à atteindre-. Après application dans certaines usines de traitement des eaux usées domestiques, l’uniformité de l’aération s’est sensiblement améliorée et l’efficacité du transfert d’oxygène a considérablement augmenté.
- Réduit l’intensité et les coûts du travail: Élimine le besoin de démontage et de remontage manuels des aérateurs, réduisant ainsi le travail manuel et le risque de dommages à l'équipement dus à des démontages fréquents, économisant ainsi les coûts de maintenance. Le coût du nettoyage chimique en ligne pour les aérateurs à fines bulles est de 0,47 RMB/tonne, alors que le coût du nettoyage manuel traditionnel pour les anciens aérateurs est de 13,3 RMB/tonne. On estime que les économies annuelles sur les coûts de nettoyage des aérateurs à fines bulles s'élèvent à 515 000 RMB. Par rapport au nettoyage manuel traditionnel des anciens aérateurs, le nettoyage chimique en ligne offre des avantages économiques importants.
- Prolonge la durée de vie de l'équipement d'aération: Grâce au nettoyage chimique en ligne, l'effet d'aération des aérateurs à fines bulles est efficacement amélioré, améliorant les performances de l'aérateur et, dans une certaine mesure, prolongeant la durée de vie de l'équipement d'aération, réduisant efficacement la charge du ventilateur.
- Fournit plus d'options pour la planification de la production et les plans de maintenance: Grâce au nettoyage chimique en ligne, la répartition des bulles devient plus uniforme, la pression des conduites d'air est efficacement réduite, le débit augmente considérablement, améliorant considérablement les taux de transfert d'oxygène et offrant une solide garantie pour la régulation de la qualité de l'eau.
4. Conclusion
La technologie de nettoyage chimique en ligne pour les aérateurs à fines bulles présente une valeur d'application significative dans les stations d'épuration des eaux usées. Grâce à son application rationnelle, les problèmes de colmatage dans les aérateurs à fines bulles peuvent être résolus efficacement, les performances du système d'aération améliorées, les temps d'arrêt et les coûts d'exploitation réduits et un fonctionnement stable et efficace des usines de traitement des eaux usées assuré. Les limites du nettoyage manuel traditionnel pousseront l’industrie vers le nettoyage en ligne. L'émergence de nouveaux équipements et de systèmes de contrôle intelligents réduit considérablement la difficulté opérationnelle du nettoyage en ligne. Couplé à des réglementations politiques et environnementales mettant l’accent sur la neutralité carbone et le recyclage des ressources en eau, cela favorisera indirectement l’application de la technologie de nettoyage en ligne. À l'avenir, les formulations d'agents pourront être optimisées et des technologies de nettoyage synergiques multi-agents pourront être recherchées. De plus, les stratégies de contrôle du dosage et la recherche sur l’intelligence des équipements peuvent être poursuivies pour mieux s’adapter aux besoins des différentes stations d’épuration des eaux usées.