Modernizacja i wzrost wydajności membran dyfuzorów drobnopęcherzykowych w komunalnych oczyszczalniach ścieków
System napowietrzania, główny element procesu oczyszczania ścieków z osadem czynnym, ma bezpośredni wpływ na skuteczność oczyszczania i koszty operacyjne. Statystyki pokazują, że napowietrzanie może stanowić od 40% do 60% całkowitego zużycia energii w typowej oczyszczalni ścieków. Membrana dyfuzora, kluczowe medium transferu tlenu, określa efektywność transferu tlenu (OTE) i poziom zużycia energii. Z biegiem czasu membrany zwykle ulegają starzeniu, zatykaniu i uszkodzeniom, co prowadzi do zmniejszenia OTE i znacznie zwiększonego zużycia energii.
W Chinach istnieje ponad 4000 komunalnych oczyszczalni ścieków o rocznej wydajności oczyszczania przekraczającej 60 miliardów m3. Roczne zużycie energii elektrycznej przez systemy napowietrzania przekracza 100 miliardów kWh. Dlatego optymalizacja systemów napowietrzania i ulepszanie OTE ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia celów „Dual Carbon”. Jednakże badania empiryczne dotyczące wymiany membran dyfuzorów w krajowych oczyszczalniach ścieków komunalnych są nieliczne, zwłaszcza jeśli chodzi o kompleksowe oceny zużycia energii i efektywności oczyszczania.
1. Stan badań nad optymalizacją systemu napowietrzania
Międzynarodowe badania koncentrują się na udoskonalaniu materiałów membranowych i innowacjach w zakresie metod napowietrzania. Na przykład niemiecka firma Supratec opracowała membrany EPDM o wydajności przenikania tlenu wynoszącej 0,33, a badania amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA) wskazują, że napowietrzanie mikro-pęcherzykami pozwala zaoszczędzić ponad 30% energii w porównaniu z tradycyjnymi metodami. Krajowi badacze, tacy jak Hu Peng, odkryli, że optymalizacja może zmniejszyć zużycie energii przez rośliny o 15–25%.
Istniejące badania mają jednak wady: przewaga badań laboratoryjnych nad-przypadkami ze świata rzeczywistego, skupienie się na-skutkach krótkoterminowych zamiast na długoterminowej-stabilności oraz analiza pojedynczych wskaźników zamiast kompleksowych korzyści. W tym badaniu, poprzez długoterminowe-monitorowanie, systematycznie ocenia się kompleksowy wpływ wymiany membran na skuteczność leczenia i zużycie energii, wypełniając lukę badawczą.
2. Treść i metodologia badań
W badaniu tym wykorzystano analizę porównawczą danych operacyjnych przed i po wymianie membran (czerwiec 2020 r. – marzec 2022 r.) w oczyszczalni ścieków w Dongguan w stanie Guangdong. Kluczowe obszary badawcze obejmowały: zmiany w efektywności usuwania zanieczyszczeń, charakterystykę zużycia energii przez systemy napowietrzania, mechanizmy poprawy OTE oraz analizę techno-ekonomiczną. Metody obejmowały monitorowanie w terenie i analizę laboratoryjną.
2.1 Przegląd tematu
W tym przypadku OŚ ma projektową wydajność 20 000 m³/d, wykorzystuje proces A²/O dla ścieków komunalnych, obsługuje około 150 000 osób, a rzeczywisty dzienny przepływ wynosi 18 000–24 000 m³. Oryginalne dyfuzory drobnopęcherzykowe z gumy działały przez 8 lat i wykazały znaczne starzenie się.
2.2 Projekt planu aktualizacji
2.2.1 Obliczanie zapotrzebowania na tlen
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/godz. Biorąc pod uwagę obszar usług, wydajność dostarczania tlenu i potencjalne zatykanie, obliczono, że wymagany dopływ powietrza wynosi 2400–4800 m³/h (dopływ 1200 m³/h, stosunek powietrza-do-wody 2–4). Odpowiada to 480 metrom rur dyfuzora (dopływ powietrza 5–10 m³/h na metr) o powierzchni roboczej poniżej 2,5 m² na metr, co pozwala na maksymalny dopływ tlenu przekraczający 380 kg/h.
2.2.2 Wybór membrany
Na podstawie porównania wydajności (Tabela 1), biorąc pod uwagę OTE, zakres przepływu powietrza i koszt, wybrano drobnopęcherzykowe membrany EPDM. Kluczowe parametry: OTE 0,33 (wyższy niż oryginał), przepływ powietrza 2–15 m³/h, żywotność 5–8 lat i korzystna-cena jednostkowa.
2.2.3 Wybór producenta
Po konsultacjach z krajowymi dostawcami i rozważeniu lokalnych doświadczeń wybrano-łopatkowe dyfuzory EPDM ze względu na ich wszechstronne zalety w zakresie dostarczania tlenu, struktury instalacji i ceny. W dwóch zbiornikach biologicznych zainstalowano łącznie 484 metry. Parametry techniczne różnych modeli pokazano wTabela 2.
2.2.4 Implementacja zastępcza
Wymiana w czerwcu 2021 r. trwała 7 dni i obejmowała 484 metry dyfuzorów łopatkowych-. Instalacja utrzymywała ciągłą pracę, pracując ze zmniejszoną wydajnością po jednej stronie. Nowe membrany, zaprojektowane na 5 m3/h, pracowały przy 4–8 m3/h.
2.3 Gromadzenie i analiza danych
Zebrano dane operacyjne z 22 miesięcy przed i po wymianie w czterech kategoriach: jakość wody (ChZT na dopływie/wypływie, NH₃-N), parametry operacyjne (całkowita objętość powietrza, ciśnienie, DO), zużycie energii (prąd systemu napowietrzania, kWh/m3 napowietrzania) i wydajność (OTE, stosunek powietrza-do-wody.
3. Zmiany efektywności usuwania zanieczyszczeń
3.1 Usuwanie COD
Po-wymianie znacznie poprawiło się usuwanie COD. ChZT w ściekach spadł z 14,2 mg/l do 12,4 mg/l, a stopień usuwania wzrósł z 93,5% do 96,0%. Nowy system wykazał także lepszą stabilność pomimo wahań wpływającego ChZT (117–249 mg/l) (Rysunek 1).
3,2 Usunięcie NH₃-N
Poprawa była bardziej wyraźna w przypadku NH₃-N. Przy stabilnych poziomach dopływu, wypływający NH₃-N spadł ze średnio 2,3 mg/l do 0,85 mg/l, a stopień usuwania osiągnął 94,1% (Rysunek 1). Przypisuje się to bardziej równomiernemu rozkładowi napowietrzania, sprzyjającemu wzrostowi i aktywności nitryfikatora, zapewniając stabilną zgodność z NH₃-N.
4. Charakterystyka zużycia energii przez system napowietrzający
4.1 Stosunek powietrza-do-wody
Stosunek powietrza-do-wody spadł z 3,4 do poniżej 2,0, podczas gdy tlen DO w zbiorniku tlenowym pozostał stabilny na poziomie 0,5–1 mg/l (Rysunek 2), co wskazuje na wyższą wydajność i stabilność.
4.2 Energia napowietrzania na metr sześcienny wody
Zużycie energii na napowietrzaniu spadło z 0,073 kWh/m3 do 0,052 kWh/m3, co oznacza redukcję o 28,3%. Efekt oszczędności energii utrzymywał się na stałym poziomie przez miesiące (Rysunek 3), wykazując stałą niezawodność.
4.3 Zużycie energii na jednostkę usuniętej substancji zanieczyszczającej
Wskaźnik ten spadł z 0,32 kWh/kg do 0,24 kWh/kg, co stanowi redukcję o 25% (Rysunek 4). Oznacza to, że nowe membrany nie tylko zmniejszyły bezwzględne zużycie energii, ale także poprawiły efektywność wykorzystania energii do usuwania zanieczyszczeń.
5. Mechanizmy poprawy efektywności wykorzystania tlenu
5.1 Zmiana wydajności przenoszenia tlenu
OTE wzrosło z 15,10% do 24,75%, co oznacza poprawę o 63,9% (Rysunek 5). Dzieje się tak dzięki zoptymalizowanej strukturze-porów i bardziej równomiernemu rozmieszczeniu pęcherzyków w nowych membranach, co zwiększa transfer masy tlenu. Zaawansowana nanotechnologia umożliwiła utworzenie drobniejszych, bardziej równomiernie rozmieszczonych porów, zwiększając dyfuzję i rozpuszczalność.
5.2 Optymalizacja parametrów eksploatacyjnych
Jak pokazano wTabela 3po- wymianie całkowita objętość powietrza zmniejszyła się o 18,4%, utrzymując DO na poziomie 0,5–1 mg/l. Stosunek powietrza-do-wody zmniejszył się z 3,4:1 do 2,0:1, OTE wzrósł o 63,9%, a energia napowietrzania na m3 spadła o 28,3%. Te kompleksowe optymalizacje poprawiły zużycie energii, wydajność operacyjną i jakość wody.
6. Analiza-techno-ekonomiczna
6.1 Okres zwrotu inwestycji
Całkowita wartość inwestycji wyniosła 163 900 CNY (membrany, transport, montaż, uruchomienie). W oparciu o oszczędność energii wynoszącą 0,021 kWh/m3, cenę energii elektrycznej wynoszącą 0,7 CNY/kWh i średni dzienny przepływ wynoszący 24 000 m3, roczne oszczędności energii elektrycznej wynoszą 128 800 CNY. Prosty okres zwrotu inwestycji wynosi około 15 miesięcy, co wskazuje na znaczne korzyści ekonomiczne.
6.2 Korzyści dla środowiska
Przy rocznym oczyszczaniu 8,76 mln m3, roczne oszczędności energii elektrycznej wynoszą 184 000 kWh, co odpowiada redukcji emisji CO₂ o 184 ton. Lepsze usuwanie zanieczyszczeń zwiększa korzyści dla środowiska i zapewnia bardziej stabilną zgodność z przepisami dotyczącymi ścieków, zmniejszając ryzyko dla środowiska.
7. Wniosek
Zastąpienie membran dyfuzora drobnopęcherzykowego EPDM znacznie zwiększyło OTE do 24,75% i zmniejszyło zużycie energii na napowietrzanie o 28,3%, co świadczy o dobrych-technicznych wynikach ekonomicznych. Nowy system zwiększył współczynnik usuwania ChZT i NH₃-N odpowiednio do 96,0% i 94,1%, zwiększył odporność systemu na wahania obciążenia i zapewnił prosty okres zwrotu inwestycji wynoszący około 15 miesięcy. To podejście jest odpowiednie w przypadku energochłonnych-miejskich oczyszczalni ścieków, które poszukują poprawy jakości i wydajności, a przy tym wykazują znaczną wartość promocyjną.