Les concentrations anormales d'oxygène dissous (OD) constituent un problème courant et difficile dans les stations d'épuration des eaux usées, affectant non seulement la qualité des effluents, mais déclenchant également potentiellement une réaction en chaîne de gonflement des boues et d'augmentation de la consommation d'énergie. En plus des ajustements d'aération conventionnels et des mesures de prétraitement de l'eau, les éléments suivants fournissent des solutions avancées pour les anomalies d'OD dans trois dimensions : technologies innovantes d'urgence, restructuration et optimisation du système, et intégration technologique interdisciplinaire.
Technologies innovantes d’urgence : surmonter rapidement le dilemme de la concentration d’OD
(I) Technologie d'aération améliorée
Technologie d'aération à nanobulles
Principe et avantages : Les nanobulles, d'un diamètre de seulement 10 à 200 nm, possèdent une grande surface spécifique, une vitesse de montée lente et une efficacité de dissolution élevée. Par rapport aux méthodes d'aération traditionnelles, l'aération par nanobulles peut augmenter l'utilisation de l'oxygène jusqu'à plus de 80 %, soit 2 à 3 fois celle de l'aération microporeuse. Dans les scénarios d’urgence avec une chute soudaine de la concentration d’OD, les nanobulles peuvent augmenter rapidement les niveaux d’oxygène dissous dans l’eau sans avoir d’impact sur la communauté microbienne.
Cas d'application : Une usine de traitement chimique des eaux usées a connu une augmentation soudaine de la concentration de matière organique dans l'influent, entraînant une chute de la concentration d'oxygène dissous (OD) de 2,5 mg/L à 0,8 mg/L. Après l'activation d'urgence du système d'aération à nanobulles, la concentration d'OD a rebondi au-dessus de 2 mg/L en seulement 30 minutes et est revenue à des niveaux normaux après 2 heures, évitant ainsi le risque que les effluents dépassent les normes.
Système d'urgence d'aération à oxygène pur
Scénarios applicables : lorsque les systèmes d'aération conventionnels ne peuvent pas répondre aux demandes d'urgence en oxygène, l'aération à l'oxygène pur peut être utilisée comme supplément d'urgence. L'oxygène à haute -concentration est fourni via des réservoirs de stockage d'oxygène liquide ou des générateurs d'oxygène et directement injecté dans le réservoir de traitement biologique, augmentant considérablement la concentration d'OD en peu de temps. L'efficacité du transfert d'oxygène de l'aération à oxygène pur est 5-10 fois supérieure à celle de l'aération de l'air, ce qui la rend particulièrement adaptée au traitement d'urgence des chocs à forte charge ou des pannes d'équipement d'aération.
Précautions : Un contrôle strict du débit d'injection d'oxygène est nécessaire pour l'aération de l'oxygène pur afin d'éviter des concentrations excessivement élevées d'OD conduisant à un empoisonnement microbien. De plus, l'oxygène pur est relativement cher et ne doit être utilisé que comme mesure d'urgence à court terme, et non pour une utilisation continue à long terme. Pendant les périodes de pointe de rejet des eaux usées de nettoyage des cuves de fermentation, une usine de traitement des eaux usées d'une brasserie a utilisé une aération à l'oxygène pur pour maintenir une concentration stable d'oxygène dissous (OD) d'environ 3 mg/L, garantissant ainsi une décomposition efficace de la matière organique.
(II) Technologie d’assainissement microbien amélioré
Dosage ciblé d'agents microbiens fonctionnels :
Sélection et application des agents : des agents microbiens fonctionnels spécifiques sont sélectionnés pour être améliorés en fonction de différents types d'anomalies DO. Par exemple, lorsque la consommation d’OD est lente en raison d’une activité insuffisante des boues, l’ajout d’agents microbiens dégradants très efficaces (tels que Bacillus et Pseudomonas) peut rapidement améliorer la capacité métabolique microbienne et augmenter la consommation d’oxygène. Lorsque la concentration de DO est trop élevée, des agents microbiens dénitrifiants sont ajoutés pour utiliser les réactions de dénitrification afin de consommer l'excès d'oxygène.
Développement d'agents microbiens personnalisés : Certaines usines de traitement des eaux usées collaborent avec des instituts de recherche pour développer des agents microbiens composés personnalisés basés sur la qualité de l'eau influente et la structure de la communauté microbienne. Une usine de traitement des eaux usées pharmaceutiques, grâce à l’analyse de la communauté microbienne de ses boues, a découvert une absence de souches dégradant des antibiotiques spécifiques. Après l’application ciblée d’un agent microbien composé, la concentration d’OD a diminué de 5 mg/L à 2,8 mg/L, tandis que le taux d’élimination des antibiotiques a augmenté de 40 %. Technologie de construction rapide de biofilms
Méthode de sélection des supports et de formation de biofilm : Des supports biologiques en suspension (tels qu'une éponge de polyuréthane ou une céramsite) sont ajoutés au réservoir de traitement biologique. Une technologie de formation rapide de biofilm est utilisée pour créer un biofilm sur la surface du support. La communauté microbienne du biofilm a une structure stable, une forte résistance aux chocs et peut maintenir son activité même dans des conditions de fluctuations importantes de la concentration de DO. Grâce à l'aération et au mélange combinés à l'inoculation d'espèces bactériennes dominantes, la formation d'un biofilm peut être achevée en 7 à 10 jours, augmentant ainsi la capacité de traitement du système biologique de 20 à 30 %.
Résultats de l'application : Une station d'épuration des eaux usées municipales a connu une diminution de l'activité des boues et un excès d'azote ammoniacal dans ses effluents en raison de fluctuations à long terme de la concentration en OD. En ajoutant des supports biologiques céramsite et en inoculant des bactéries nitrifiantes, la concentration d'OD s'est stabilisée à 2-3 mg/L après la formation du biofilm et le taux d'élimination de l'azote ammoniacal a augmenté de 60 % à 95 %, améliorant considérablement le taux de conformité de la qualité des effluents.
Restructuration et optimisation du système : éliminer les causes profondes des anomalies de l'OD
(I) Mise à niveau et transformation des itinéraires de processus
Optimisation du processus AO en plusieurs -étapes
Aération segmentée et précise : la mise à niveau du processus AO traditionnel vers un processus AO à plusieurs -étapes, grâce à un contrôle d'aération segmenté et indépendant, permet une régulation précise de la concentration d'OD dans différentes zones. Par exemple, dans la zone anoxique du premier-étage, la concentration d'OD est contrôlée pour<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%.
Ajout d'un bassin de sédimentation intermédiaire : l'ajout d'un bassin de sédimentation intermédiaire au processus AO en plusieurs -étapes permet d'obtenir un contrôle séparé du retour des boues et du retour de la liqueur mélangée. Le bassin de décantation intermédiaire peut éliminer certaines boues, réduisant ainsi la concentration des boues dans la zone aérobie suivante et réduisant la consommation d'oxygène ; dans le même temps, le retour de liqueur mélangée peut transporter davantage de nitrate dans la zone anoxique, améliorant ainsi l'efficacité de la dénitrification. Une usine de traitement des eaux usées située dans un parc industriel a réduit la concentration d'OD dans la zone aérobie de 0,5 mg/L et a diminué la consommation d'énergie d'aération de 15 % en ajoutant un bassin de sédimentation intermédiaire.
Optimisation approfondie du processus MBR : disposition du module membranaire et ajustement de la méthode d'aération : dans un bioréacteur à membrane (MBR), l'optimisation de la disposition du module membranaire et de la méthode d'aération peut contrôler efficacement la distribution de la concentration d'OD. Une combinaison d'aération par le bas et d'aération latérale est utilisée pour répondre à la demande en oxygène des micro-organismes tout en générant une force de cisaillement pour éviter l'encrassement de la membrane. Simultanément, la surveillance en ligne de la concentration d'OD dans le réservoir à membrane permet un ajustement en temps réel du taux d'aération, évitant ainsi une aération excessive qui pourrait conduire à des concentrations élevées d'OD. Après optimisation, la concentration d'OD dans le système MBR d'une usine de traitement des eaux usées d'une usine de transformation alimentaire s'est stabilisée entre 1,5 et 2,5 mg/L, et le cycle de nettoyage des membranes a été prolongé de 30 jours à 60 jours.
MBR couplé à des processus d'oxydation avancés : lorsque la concentration d'OD dans le système MBR est anormale en raison de la matière organique récalcitrante dans l'influent, des processus d'oxydation avancés (tels que l'oxydation de l'ozone et l'oxydation de Fenton) sont couplés pour prétraiter l'influent. Une oxydation avancée peut décomposer la matière organique récalcitrante en substances facilement biodégradables, réduisant ainsi la charge de traitement biochimique et stabilisant la concentration d'OD. Après avoir adopté le procédé couplé MBR-ozone, une usine de traitement des eaux usées de teinture et d'impression a vu sa concentration en DO augmenter de 1,2 mg/L à 2,2 mg/L, et son taux d'élimination de la DCO augmenter de 75 % à 90 %.
(II) Récupération d’énergie et recyclage
Digestion anaérobie des boues pour la production d’électricité et l’aération
Principe du processus : Les boues excédentaires sont introduites dans le digesteur anaérobie. Le biogaz généré est utilisé pour produire de l’électricité grâce à des piles à combustible, alimentant ainsi l’équipement d’aération. Simultanément, le digestat après digestion anaérobie est riche en nutriments tels que l'azote et le phosphore, qui peuvent être renvoyés dans le réservoir biochimique pour reconstituer les nutriments microbiens, favoriser le métabolisme microbien et stabiliser la concentration d'OD. Une usine de traitement des eaux usées, grâce à la digestion anaérobie des boues pour la production d'électricité, a satisfait 30 % de la demande en électricité du système d'aération, économisant environ 800 000 yuans en coûts d'électricité par an, tout en améliorant simultanément la stabilité de la concentration d'OD de 25 %.
Contrôle du retour du digestat : contrôlez strictement le débit de retour du digestat pour éviter une croissance microbienne excessive due à un excès de nutriments, ce qui augmenterait la consommation d'oxygène. En surveillant les concentrations d'azote et de phosphore dans le bassin de traitement biologique, la proportion de recirculation des boues de biogaz est ajustée, généralement contrôlée à 5 % à 10 % du débit d'entrée.
Récupération de chaleur perdue et contrôle de la température de l’eau
Le système de récupération de chaleur résiduelle collecte la chaleur résiduelle générée lors du traitement des eaux usées (telle que la dissipation thermique des équipements d'aération et la production de chaleur issue de la digestion anaérobie), la convertissant en eau chaude via un système de pompe à chaleur pour réguler la température de l'eau dans le réservoir de traitement biologique. La température de l’eau est un facteur crucial affectant la solubilité de l’oxygène et l’activité microbienne. Maintenir la température de l'eau entre 20 et 30 degrés aide à stabiliser la solubilité de l'oxygène et à optimiser l'activité microbienne. Une usine de traitement des eaux usées du nord de la Chine, grâce à son système de récupération de chaleur résiduelle, a augmenté la température de l'eau dans son réservoir de traitement biologique de 12 degrés à 22 degrés en hiver, a augmenté la concentration d'oxygène dissous (OD) de 0,8 mg/L et a amélioré l'efficacité du traitement de 20 %.
Température de l'eau et contrôle du Co-OD : un modèle de co-contrôle est établi entre la température de l'eau et la concentration d'OD. Lorsque la température de l'eau augmente, le taux d'aération est augmenté de manière appropriée pour compenser la diminution de la solubilité de l'oxygène ; lorsque la température de l’eau baisse, le taux d’aération est réduit pour éviter des concentrations trop élevées d’OD. Ce contrôle dynamique garantit que la concentration en DO reste stable dans une plage appropriée.
Intégration technologique intersectorielle : solutions innovantes pour éliminer les anomalies
(I) Application des technologies IoT et Big Data
Système intelligent de prévision et d'alerte précoce de la concentration DO
Analyse de fusion de données multi-source : en intégrant des informations multi-sources telles que la qualité de l'eau influente, la quantité d'eau, les paramètres de fonctionnement de l'équipement d'aération et les données météorologiques, un modèle de prévision de la concentration d'OD est établi grâce à l'analyse du Big Data. Ce modèle peut prédire les tendances des concentrations d’OD 24 heures à l’avance. Lorsque la concentration prévue d'OD dépasse la plage normale, elle déclenche automatiquement une alerte précoce et propose des suggestions d'optimisation. Le système d'alerte précoce intelligent d'une station d'épuration des eaux usées a atteint un taux de précision de 95 %, réduisant le temps de réponse pour gérer les anomalies de concentration d'OD de 2 heures à 30 minutes.
Contrôle à distance et fonctionnement sans pilote : basé sur la technologie IoT, le contrôle à distance des équipements d'aération et la gestion sans pilote des réservoirs de traitement biologique sont obtenus. Les opérateurs peuvent surveiller la concentration d'OD et l'état de fonctionnement de l'équipement en temps réel via une application mobile ou un ordinateur, et ajuster à distance des paramètres tels que le taux d'aération et le taux de retour des boues. Après avoir adopté le système d'exploitation sans pilote, une station d'épuration des eaux usées située dans une zone montagneuse a vu son taux de stabilité de la concentration d'OD augmenter à 98 % et ses coûts de main-d'œuvre réduits de 60 %. Simulation et optimisation de systèmes de jumeaux numériques
Construction du réservoir biochimique virtuel : Un modèle virtuel du réservoir biochimique est construit à l'aide de la technologie du jumeau numérique pour simuler la distribution de la concentration d'OD et les processus métaboliques microbiens dans différentes conditions d'influent et paramètres de fonctionnement. Grâce à des expériences virtuelles, des paramètres tels que les stratégies d'aération et les taux de retour des boues sont optimisés, et la solution optimale est ensuite appliquée à la production réelle. Une usine de traitement des eaux usées, grâce à la simulation d'un système jumeau numérique, a constaté que l'ajustement de l'espacement des têtes d'aération de 1,2 mètre à 1 mètre améliorait l'uniformité de la concentration d'OD de 20 %, et que l'effet réel après modification était cohérent avec les résultats de la simulation.
Simulation de pannes et exercices d'urgence : des scénarios de concentration anormale d'OD (tels qu'une panne d'équipement d'aération et des chocs de charge influents) sont simulés dans le système de jumeau numérique, et des exercices d'urgence virtuels sont menés pour améliorer les capacités de réponse des opérateurs. Grâce à des exercices répétés, les opérateurs se sont familiarisés avec les procédures de traitement des anomalies DO et le délai réel d'intervention d'urgence a été réduit de 40 %.
(II) Développement de nouveaux matériaux et d’équipements avancés
Matériaux de membrane d'aération intelligente
Caractéristiques et avantages du matériau : le nouveau matériau de la membrane d'aération intelligente présente une porosité élevée, une efficacité de transfert d'oxygène élevée et une forte capacité antisalissure-. Le revêtement intelligent sur la surface de la membrane ajuste automatiquement la taille des pores en fonction de la concentration en DO. Lorsque la concentration en DO est trop élevée, les pores se rétrécissent, réduisant ainsi le transfert d'oxygène ; lorsque la concentration en DO est trop faible, les pores se dilatent, augmentant ainsi le transfert d'oxygène. L'efficacité du transfert d'oxygène de la membrane d'aération intelligente est plus de 50 % supérieure à celle des têtes d'aération traditionnelles, tout en réduisant la consommation d'énergie de 30 %.
Perspectives d'application : le matériau de la membrane d'aération intelligente est actuellement au stade pilote-à l'échelle pilote et devrait atteindre une application à grande échelle-au cours des 3-5 prochaines années. Les résultats à l'échelle pilote d'un institut de recherche montrent que la plage de fluctuation de la concentration d'OD dans le réservoir de traitement biologique utilisant la membrane d'aération intelligente n'est que de ±0,2 mg/L et que l'effet du traitement est nettement meilleur que celui des systèmes d'aération traditionnels.
Robot de surveillance en temps réel de la concentration d'OD sous-marine-
Caractéristiques : le robot sous-marin est équipé d'un capteur d'OD de haute-précision, d'un analyseur de qualité de l'eau et d'une caméra. Il peut naviguer de manière autonome dans le bassin de traitement biologique, en surveillant en temps réel la concentration d’OD et les paramètres de qualité de l’eau dans différentes zones. Le robot transmet les données à la salle de contrôle centrale via une communication sans fil, permettant aux opérateurs de saisir intuitivement la distribution de concentration d'OD et d'identifier rapidement les zones présentant des niveaux d'OD anormaux.
Application innovante : après l'introduction d'un robot sous-marin de surveillance de l'OD, une grande station d'épuration des eaux usées a découvert une zone morte à faible concentration d'OD dans le coin du réservoir de traitement biologique. En ajustant la disposition de la tête d'aération, la répartition inégale de la concentration d'OD a été éliminée, améliorant ainsi l'efficacité globale du traitement de 10 %.
Conclusion : La résolution des concentrations anormales d'OD nécessite de rompre avec la pensée traditionnelle et de combiner des technologies innovantes d'urgence, la reconstruction et l'optimisation du système, ainsi que l'intégration technologique inter-disciplinaire pour créer des solutions diversifiées et-niveaux. Des mesures d'urgence à court-terme telles que l'aération des nanobulles et l'ajout d'agents bactériens fonctionnels à l'optimisation du système à long-par le biais de mises à niveau de processus et de récupération d'énergie, en passant par des technologies de pointe-telles que les applications IoT et le développement de nouveaux matériaux, chaque technologie fournit de nouvelles idées pour résoudre les concentrations anormales d'OD. À l'avenir, grâce aux progrès technologiques et à l'innovation continus, le contrôle de la concentration d'OD deviendra plus précis et efficace, offrant une garantie solide pour le fonctionnement stable des stations d'épuration des eaux usées et le respect des normes de qualité de l'eau.