Nadgradnja in povečanje učinkovitosti difuzorskih membran s finimi mehurčki v komunalnih čistilnih napravah
Prezračevalni sistem, osrednja komponenta procesa čiščenja odpadne vode z aktivnim blatom, neposredno vpliva na učinkovitost čiščenja in operativne stroške. Statistični podatki kažejo, da lahko prezračevanje predstavlja 40 % do 60 % skupne porabe energije tipične čistilne naprave. Membrana difuzorja, ključni medij za prenos kisika, določa učinkovitost prenosa kisika (OTE) in raven porabe energije. Sčasoma se membrane običajno starajo, zamašijo in poškodujejo, kar vodi do zmanjšanja OTE in znatno povečane porabe energije.
Kitajska ima več kot 4000 komunalnih čistilnih naprav z letno zmogljivostjo čiščenja, ki presega 60 milijard m³. Letna poraba električne energije prezračevalnih sistemov presega 100 milijard kWh. Zato je optimizacija prezračevalnih sistemov in izboljšanje OTE ključnega pomena za doseganje ciljev "Dual Carbon". Vendar pa so empirične študije o zamenjavi difuzorskih membran v domačih komunalnih čistilnih napravah redke, zlasti kar zadeva celovite ocene porabe energije in učinkovitosti čiščenja.
1. Raziskovalni status optimizacije prezračevalnega sistema
Mednarodne raziskave se osredotočajo na izboljšanje membranskega materiala in inovacije metod prezračevanja. Nemški Supratec je na primer razvil membrane EPDM z učinkovitostjo prenosa kisika 0,33, študije US EPA pa kažejo, da prezračevanje z mikro-mehurčki prihrani več kot 30 % energije v primerjavi s tradicionalnimi metodami. Domači raziskovalci, kot je Hu Peng, so ugotovili, da bi optimizacija lahko zmanjšala porabo energije rastlin za 15–25 %.
Vendar imajo obstoječe raziskave pomanjkljivosti: prevladujejo laboratorijske študije nad-primeri iz resničnega sveta, osredotočenost na kratkoročne-učinke nad dolgoročno-stabilnostjo in analizo posameznih kazalnikov nad celovitimi koristmi. Ta študija na podlagi dolgoročnega-spremljanja sistematično ocenjuje celovit vpliv zamenjave membrane na učinkovitost zdravljenja in porabo energije ter obravnava vrzel v raziskavah.
2. Vsebina in metodologija raziskave
Ta študija je uporabila primerjalno analizo operativnih podatkov pred in po zamenjavi membrane (junij 2020 – marec 2022) na ČN v Dongguanu, Guangdong. Ključna raziskovalna področja so vključevala: spremembe v učinkovitosti odstranjevanja onesnaževal, značilnosti porabe energije prezračevalnega sistema, mehanizme za izboljšanje OTE in tehno-ekonomsko analizo. Metode so vključevale terensko spremljanje in laboratorijsko analizo.
2.1 Pregled predmeta
ČN v primeru ima projektirano zmogljivost 20.000 m³/d, uporablja postopek A²/O za komunalne odplake, služi približno 150.000 ljudem in ima dejanski dnevni pretok 18.000–24.000 m³. Originalni gumijasti difuzorji s finimi mehurčki so delovali 8 let in so pokazali znatno staranje.
2.2 Oblikovanje načrta nadgradnje
2.2.1 Izračun potrebe po kisiku
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Glede na servisno območje, zmogljivost oskrbe s kisikom in morebitno zamašitev je bila zahtevana oskrba z zrakom izračunana na 2400–4800 m³/h (dotok 1200 m³/h, razmerje med zrakom- in -vodo 2–4). To je ustrezalo 480 metrom cevi difuzorja (dovod zraka 5–10 m³/h na meter), s servisno površino pod 2,5 m² na meter, kar omogoča največjo oskrbo s kisikom, ki presega 380 kg/h.
2.2.2 Izbira membrane
Na podlagi primerjave delovanja (Tabela 1), glede na OTE, obseg pretoka zraka in stroške so bile izbrane membrane s finimi mehurčki EPDM. Ključni parametri: OTE 0,33 (višji od originala), pretok zraka 2–15 m³/h, življenjska doba 5–8 let in stroškovno-učinkovita cena na enoto.
2.2.3 Izbira proizvajalca
Po posvetovanju z domačimi dobavitelji in upoštevanju lokalnih izkušenj so bili difuzorji tipa EPDM z lopaticami izbrani zaradi njihovih celovitih prednosti pri oskrbi s kisikom, strukturi namestitve in ceni. V dveh bioloških rezervoarjih je bilo nameščenih skupno 484 merilnikov. Tehnični parametri različnih modelov so prikazani vTabela 2.
2.2.4 Izvedba zamenjave
Zamenjava junija 2021 je trajala 7 dni in je vključevala 484 metrov difuzorjev z lopaticami-. Obrat je vzdrževal neprekinjeno delovanje tako, da je na eni strani deloval z zmanjšano zmogljivostjo. Nove membrane, zasnovane za 5 m³/h, so delovale pri 4–8 m³/h.
2.3 Zbiranje in analiza podatkov
Pred in po zamenjavi so bili zbrani 22-mesečni podatki o delovanju v štirih kategorijah: kakovost vode (dotočna/iztočna KPK, NH₃-N), operativni parametri (skupna prostornina zraka, tlak, DO), poraba energije (elektrika prezračevalnega sistema, prezračevanje kWh/m³) in učinkovitost (OTE, razmerje med zrakom-to-vodo).
3. Spremembe v učinkovitosti odstranjevanja onesnaževal
3.1 Odstranitev COD
Po-zamenjavi se je odstranitev COD znatno izboljšala. KPK v iztoku se je zmanjšala s 14,2 mg/L na 12,4 mg/L, stopnja odstranitve pa se je povečala s 93,5 % na 96,0 %. Novi sistem je pokazal tudi boljšo stabilnost kljub nihanju vtočne KPK (117–249 mg/L) (Slika 1).
3.2 Odstranitev NH3-N
Izboljšanje je bilo bolj izrazito za NH3-N. Pri stabilnih dotočnih ravneh se je iztočni NH3-N zmanjšal s povprečnih 2,3 mg/L na 0,85 mg/L, stopnja odstranitve pa je dosegla 94,1 % (Slika 1). To se pripisuje enakomernejši porazdelitvi prezračevanja, spodbujanju rasti in aktivnosti nitrifikatorja, kar zagotavlja stabilno skladnost NH₃-N.
4. Značilnosti porabe energije prezračevalnega sistema
4.1 Razmerje-z-voda
Razmerje med -z-vodo se je zmanjšalo s 3,4 na manj kot 2,0, medtem ko je DO v aerobnem rezervoarju ostal stabilen pri 0,5–1 mg/L (Slika 2), kar kaže na večjo učinkovitost in stabilnost.
4.2 Energija prezračevanja na kubični meter vode
Poraba energije za prezračevanje se je zmanjšala z 0,073 kWh/m³ na 0,052 kWh/m³, kar je zmanjšanje za 28,3 %. Učinek varčevanja z energijo je bil skozi mesece stabilen (Slika 3), kar kaže na dosledno zanesljivost.
4.3 Poraba energije na enoto odstranjenega onesnaževala
Ta metrika se je zmanjšala z 0,32 kWh/kg na 0,24 kWh/kg, kar je 25-odstotno zmanjšanje (Slika 4). To kaže, da nove membrane niso le zmanjšale absolutne porabe energije, temveč tudi izboljšale učinkovitost porabe energije za odstranjevanje onesnaževal.
5. Mehanizmi za izboljšano učinkovitost izrabe kisika
5.1 Sprememba učinkovitosti prenosa kisika
OTE se je povečal s 15,10 % na 24,75 %, kar je 63,9 % izboljšanje (Slika 5). To je posledica optimizirane strukture mikro-por in bolj enakomerne porazdelitve mehurčkov novih membran, kar izboljša prenos kisika. Napredna nanotehnologija je omogočila drobnejše, bolj enakomerno porazdeljene pore, povečala difuzijo in topnost.
5.2 Optimizacija operativnih parametrov
Kot je prikazano vTabela 3, po-zamenjavi se je skupna prostornina zraka zmanjšala za 18,4 % ob ohranjanju DO med 0,5–1 mg/L. Razmerje med -z-vodo se je zmanjšalo s 3,4:1 na 2,0:1, OTE se je povečal za 63,9 %, energija prezračevanja na m³ pa se je zmanjšala za 28,3 %. Te celovite optimizacije so izboljšale porabo energije, učinkovitost delovanja in kakovost vode.
6. Tehn-ekonomska analiza
6.1 Obdobje vračila naložbe
Celotna naložba je bila 163.900 CNY (membrane, transport, namestitev, zagon). Na podlagi prihranka energije 0,021 kWh/m³, cene električne energije 0,7 CNY/kWh in povprečnega dnevnega pretoka 24.000 m³ znaša letni prihranek električne energije 128.800 CNY. Preprosta vračilna doba je približno 15 mesecev, kar kaže na pomembne gospodarske koristi.
6.2 Okoljske koristi
Na podlagi letne obdelave 8,76 milijona m³ je letni prihranek električne energije 184.000 kWh, kar ustreza zmanjšanju emisij CO₂ za 184 ton. Izboljšano odstranjevanje onesnaževal povečuje okoljske koristi in zagotavlja stabilnejšo skladnost odplak, kar zmanjšuje okoljska tveganja.
7. Zaključek
Zamenjava z EPDM difuzorskimi membranami s finimi mehurčki je občutno povečala OTE na 24,75 % in zmanjšala porabo energije prezračevanja za 28,3 %, kar je pokazalo dobro tehno-ekonomsko učinkovitost. Novi sistem je povečal stopnjo odstranitve COD in NH3-N na 96,0 % oziroma 94,1 %, izboljšal odpornost sistema na nihanja obremenitve in dosegel enostavno vračilno dobo približno 15 mesecev. Ta pristop je primeren za energetsko-komunalne čistilne naprave, ki iščejo izboljšave kakovosti in učinkovitosti, ter izkazuje pomembno promocijsko vrednost.