Nadogradnja i povećanje učinkovitosti membrana difuzora s finim mjehurićima u komunalnim postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda
Sustav prozračivanja, ključna komponenta procesa obrade otpadnih voda s aktivnim muljem, izravno utječe na učinkovitost obrade i operativne troškove. Statistike pokazuju da prozračivanje može činiti 40% do 60% ukupne potrošnje energije tipičnog uređaja za pročišćavanje otpadnih voda. Membrana difuzora, ključni medij za prijenos kisika, određuje učinkovitost prijenosa kisika (OTE) i razinu potrošnje energije. Tijekom vremena, membrane obično pate od starenja, začepljenja i oštećenja, što dovodi do smanjenog OTE-a i značajno povećane potrošnje energije.
Kina ima više od 4000 komunalnih postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda s godišnjim kapacitetom pročišćavanja većim od 60 milijardi m³. Godišnja potrošnja električne energije sustava za prozračivanje prelazi 100 milijardi kWh. Stoga je optimizacija sustava prozračivanja i poboljšanje OTE-a ključno za postizanje ciljeva "Dual Carbon". Međutim, empirijske studije o zamjeni membrane difuzora u domaćim komunalnim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda su rijetke, posebno u pogledu sveobuhvatnih procjena potrošnje energije i učinkovitosti pročišćavanja.
1. Status istraživanja optimizacije sustava prozračivanja
Međunarodno istraživanje usmjereno je na poboljšanje membranskog materijala i inovaciju metode prozračivanja. Na primjer, njemački Supratec razvio je EPDM membrane s učinkovitošću prijenosa kisika od 0,33, a studije US EPA pokazuju da prozračivanje mikro-mjehurića štedi više od 30% energije u usporedbi s tradicionalnim metodama. Domaći istraživači poput Hu Penga otkrili su da optimizacija može smanjiti potrošnju energije postrojenja za 15%-25%.
Međutim, postojeća istraživanja imaju nedostatke: prevladavanje laboratorijskih studija nad-slučajevima iz stvarnog svijeta, fokus na kratkoročne-učinke u odnosu na dugoročnu-stabilnost i analizu pojedinačnih pokazatelja u odnosu na sveobuhvatne koristi. Ova studija, kroz dugoročno -praćenje, sustavno procjenjuje sveobuhvatan utjecaj zamjene membrane na učinkovitost liječenja i potrošnju energije, rješavajući prazninu u istraživanju.
2. Sadržaj i metodologija istraživanja
Ova studija koristila je komparativnu analizu operativnih podataka prije i nakon zamjene membrane (lipanj 2020. – ožujak 2022.) na UPOV-u u Dongguanu, Guangdong. Ključna područja istraživanja uključivala su: promjene u učinkovitosti uklanjanja onečišćujućih tvari, karakteristike potrošnje energije sustava za prozračivanje, mehanizme poboljšanja OTE-a i tehno-ekonomsku analizu. Metode su uključivale praćenje na terenu i laboratorijsku analizu.
2.1 Pregled predmeta
UPOV u slučaju ima projektirani kapacitet od 20.000 m³/d, koristi A²/O proces za gradsku kanalizaciju, opslužuje približno 150.000 ljudi i ima stvarni dnevni protok od 18.000–24.000 m³. Originalni gumeni difuzori finih mjehurića radili su 8 godina, pokazujući značajno starenje.
2.2 Dizajn plana nadogradnje
2.2.1 Izračun potrebe za kisikom
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Uzimajući u obzir servisno područje, kapacitet dovoda kisika i potencijalno začepljenje, izračunato je da je potreban dovod zraka 2400–4800 m³/h (utjecaj 1200 m³/h, omjer zraka-prema-vodi 2–4). To je jednako 480 metara cijevi difuzora (dovod zraka 5–10 m³/h po metru), s servisnom površinom manjom od 2,5 m² po metru, što omogućuje maksimalnu opskrbu kisikom veću od 380 kg/h.
2.2.2 Odabir membrane
Na temelju usporedbe performansi (Tablica 1), uzimajući u obzir OTE, raspon protoka zraka i cijenu, odabrane su EPDM membrane s finim mjehurićima. Ključni parametri: OTE 0,33 (više od originala), protok zraka 2–15 m³/h, radni vijek 5–8 godina i ekonomična jedinična cijena-.
2.2.3 Odabir proizvođača
Nakon konzultacija s domaćim dobavljačima i razmatranja lokalnog iskustva, EPDM difuzori s lopaticom-tipa odabrani su zbog svojih sveobuhvatnih prednosti u opskrbi kisikom, strukturi ugradnje i cijeni. Na dva biološka spremnika postavljena su ukupno 484 brojila. Tehnički parametri različitih modela prikazani su uTablica 2.
2.2.4 Provedba zamjene
Zamjena u lipnju 2021. trajala je 7 dana, uključujući 484 metra difuzora tipa-lopatice. Postrojenje je održavalo kontinuirani rad radeći smanjenim kapacitetom s jedne strane. Nove membrane, dizajnirane za 5 m³/h, radile su na 4–8 m³/h.
2.3 Prikupljanje i analiza podataka
22 mjeseca operativnih podataka prikupljeno je prije i nakon zamjene u četiri kategorije: kvaliteta vode (ulazni/otpadni COD, NH₃-N), radni parametri (ukupni volumen zraka, tlak, DO), potrošnja energije (električna energija sustava prozračivanja, prozračivanje kWh/m³) i učinkovitost (OTE, omjer zraka-na-vode).
3. Promjene u učinkovitosti uklanjanja zagađivača
3.1 Uklanjanje COD-a
Nakon-zamjene, COD uklanjanje se značajno poboljšalo. KPK u efluentu smanjio se s 14,2 mg/L na 12,4 mg/L, a stopa uklanjanja povećala se s 93,5% na 96,0%. Novi sustav također je pokazao bolju stabilnost unatoč fluktuirajućem utjecaju COD (117-249 mg/L) (Slika 1).
3.2 Uklanjanje NH3-N
Poboljšanje je bilo izraženije za NH3-N. Uz stabilne razine dotoka, otpadni NH3-N smanjio se s prosječnih 2,3 mg/L na 0,85 mg/L, a stopa uklanjanja dosegla je 94,1% (Slika 1). To se pripisuje ravnomjernijoj raspodjeli prozračivanja, promicanju rasta i aktivnosti nitrifikatora, osiguravanju stabilne usklađenosti NH₃-N.
4. Karakteristike potrošnje energije sustava za prozračivanje
4.1 Omjer zraka-i-vode
Omjer zraka-i-vode smanjio se s 3,4 na ispod 2,0, dok je DO u aerobnom spremniku ostao stabilan na 0,5–1 mg/L (Slika 2), što ukazuje na veću učinkovitost i stabilnost.
4.2 Energija prozračivanja po kubnom metru vode
Potrošnja energije prozračivanja smanjena je s 0,073 kWh/m³ na 0,052 kWh/m³, smanjenje od 28,3%. Učinak uštede energije bio je stabilan tijekom mjeseci (Slika 3), pokazujući dosljednu pouzdanost.
4.3 Potrošnja energije po jedinici uklonjenog onečišćivača
Ovaj se pokazatelj smanjio s 0,32 kWh/kg na 0,24 kWh/kg, što je smanjenje od 25% (Slika 4). To ukazuje da nove membrane ne samo da su smanjile apsolutnu potrošnju energije, već su također poboljšale učinkovitost upotrebe energije za uklanjanje onečišćujućih tvari.
5. Mehanizmi za poboljšanu učinkovitost iskorištavanja kisika
5.1 Promjena u učinkovitosti prijenosa kisika
OTE se povećao s 15,10% na 24,75%, što je poboljšanje od 63,9% (Slika 5). To je zbog optimizirane strukture mikro-pora i ravnomjernije raspodjele mjehurića novih membrana, čime se poboljšava prijenos mase kisika. Napredna nanotehnologija omogućila je finije, ravnomjernije raspoređene pore, povećavši difuziju i topljivost.
5.2 Optimizacija radnih parametara
Kao što je prikazano uTablica 3, nakon -zamjene, ukupni volumen zraka smanjio se za 18,4% uz održavanje DO između 0,5–1 mg/L. Omjer zraka-i-vode smanjen je s 3,4:1 na 2,0:1, OTE se povećao za 63,9%, a energija prozračivanja po m³ smanjila se za 28,3%. Ove sveobuhvatne optimizacije poboljšale su korištenje energije, radnu učinkovitost i kvalitetu vode.
6. Tehno-ekonomska analiza
6.1 Razdoblje povrata ulaganja
Ukupna investicija iznosila je 163.900 CNY (membrane, transport, instalacija, puštanje u rad). Na temelju uštede energije od 0,021 kWh/m³, cijene električne energije od 0,7 CNY/kWh i prosječnog dnevnog protoka od 24.000 m³, godišnja ušteda električne energije iznosi 128.800 CNY. Jednostavno razdoblje povrata je otprilike 15 mjeseci, što ukazuje na značajne ekonomske koristi.
6.2 Prednosti za okoliš
Na temelju godišnjeg tretmana od 8,76 milijuna m³, godišnja ušteda električne energije iznosi 184.000 kWh, što je ekvivalentno smanjenju emisije CO₂ za 184 tone. Poboljšano uklanjanje zagađivača povećava dobrobiti za okoliš i osigurava stabilniju usklađenost otpadnih voda, smanjujući rizike za okoliš.
7. Zaključak
Zamjena s EPDM difuzorskim membranama s finim mjehurićima značajno je povećala OTE na 24,75% i smanjila potrošnju energije prozračivanja za 28,3%, pokazujući dobru tehno-ekonomsku izvedbu. Novi sustav povećao je stope uklanjanja COD i NH3-N na 96,0% odnosno 94,1%, poboljšao otpornost sustava na fluktuacije opterećenja i postigao jednostavan period povrata od oko 15 mjeseci. Ovaj je pristup prikladan za energetski-gradska postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda koja traže poboljšanja kvalitete i učinkovitosti, pokazujući značajnu promotivnu vrijednost.