Aeration System Design for Energy Savings

Авторы: Matthew Gray, Steve Kestel, Tilo Stahl (BioChem Technology, Inc., США)
Простое руководство по проектированию энергоэффективных аэрационных систем.

Энергозатраты на аэрацию составляют 50–70% от общего энергопотребления станций очистки сточных вод (WWTP).
Биологическое удаление питательных веществ (BNR) требует точного контроля растворённого кислорода (DO) для предотвращения:

• Перерасхода энергии.
• Подачи кислорода в аноксидные зоны (снижение денитрификации).

Цель: Оптимизация проектирования аэрационных систем для экономии 25–40% энергии при сохранении качества очистки.

Методология проектирования включает в себя 3-ключевых компонента системы:

1. Генерация воздуха: Выбор воздуходувок (турбинные, поршневые, с VFD-управлением).
2. Распределение воздуха: Трубопроводы, клапаны, диффузоры (Мелкопузырчатые vs Крупнопузырчатые).
3. Система управления: Датчики DO, алгоритмы расчёта расхода воздуха.

1.Расчёт потребности в кислороде (OTR):
Использование динамических моделей (GPS-X, BioWin) для учёта суточных колебаний нагрузки:

2.Расчёт расхода воздуха:
Учёт эффективности переноса кислорода (SOTE, OTE) по формуле:

,где:

• F – фактор загрязнения,
• α – отношение массопереноса в сточной/чистой воде,
• β – коэффициент насыщения кислородом.
• SOTE:

Как рассчитать потребность в кислороде?Упрощенная формула:
Кислород (кг/сутки) = (БПК на входе - БПК на выходе) × Расход стоков × 0.001
+ 4.6 × (Аммоний на входе - Аммоний на выходе) × Расход стоков × 0.001
+ 0.05 × Объем аэротенка × Концентрация ила

Пример для станции на 10 000 м³/сут:

• БПК: 200 → 15 мг/л
• Аммоний: 30 → 1 мг/л
• Ил: 3 г/л
• Объем: 3 000 м³

Расчет:
= (200-15)×10 000×0.001 + 4.6×(30-1)×10 000×0.001 + 0.05×3 000×3
= 1 850 + 1 334 + 450 = 3 634 кг O₂/сут

3.Гидравлический расчёт трубопроводов. Посчитать потери давления (по формуле Дарси-Вейсбаха)
Рекомендуемые скорости воздуха (Tchobanoglous, 2003):
Диаметр трубы (мм), Скорость (м/с)
50–100 / 5–10
100–300 / 10–15
>300 / 15–20
Оптимальные скорости воздуха:

• Магистрали: 10–15 м/с.
• Ответвления: 5–10 м/с.

Стандартная скорость воздушного потока в пределах диаметров труб:

4.Выбор воздуходувок:

• Анализ гистограммы расхода воздуха (Рис. ниже) для определения диапазона работы.
• Турбина с VFD vs многоступенчатые центробежные насосы.

Гистограмма воздушного потока (Рис. выше)

Гистограмма расхода воздуха с диапазоном подачи воздуха воздуходувкой (Рис. выше)

Мощность подбираем по формуле:
Мощность (кВт) = (Расход воздуха (м³/ч) × Давление (кПа)) / (270 × КПД), Где КПД = 0.7-0.85

5.Система управления аэрацией
Компоненты:

• Клапаны: Диапазон работы 30–70% открытия для точного контроля.
• Расходомеры: Установка по рекомендациям производителя (минимум 10 диаметров трубы до/после).
• Датчики DO: Оптические сенсоры с размещением на 50–67% длины аэротенка.

Алгоритмы управления:
-Детерминированный метод: Модель на основе OUR (Oxygen Uptake Rate) и данных аммония (NH₄⁺).

-PI-регулирование:Менее эффективно из-за нелинейности процессов.

ВЫВОДЫ и Чек-лист для проектировщика: Как сэкономить энергию?
Оптимальный подбор диффузоров (мелкопузырчатые + глубина >4.5 м) повышает SOTE до 30–40%.
Турбина с VFD снижает энергопотребление на 25% по сравнению с постоянной скоростью.

-Автоматическое управление: Датчики кислорода в 3 точках аэротенка + Автоматическая регулировка подачи воздуха.
-Практические настройки: Поддерживать 1.5-2 мг O₂/л (не больше!) + Давление в системе: минимальное + 10%
-Обслуживание: Чистка диффузоров 1 раз в год + Проверка датчиков каждые 3 месяца