Poboljšanje i povećanje efikasnosti membrana difuzora finih mjehurića u komunalnim postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda
Sistem aeracije, ključna komponenta procesa prečišćavanja otpadnih voda sa aktivnim muljem, direktno utiče na efikasnost tretmana i operativne troškove. Statistike pokazuju da aeracija može činiti 40% do 60% ukupne potrošnje energije tipičnog PPOV. Membrana difuzora, ključni medij za prijenos kisika, određuje efikasnost prijenosa kisika (OTE) i nivo potrošnje energije. Vremenom, membrane obično pate od starenja, začepljenja i oštećenja, što dovodi do smanjenog OTE-a i značajno povećane potrošnje energije.
Kina ima preko 4.000 opštinskih PPOV sa godišnjim kapacitetom prečišćavanja koji prelazi 60 milijardi m³. Godišnja potrošnja električne energije sistema za aeraciju prelazi 100 milijardi kWh. Stoga je optimizacija sistema aeracije i poboljšanje OTE ključna za postizanje ciljeva „Dual Carbon“. Međutim, empirijske studije o zamjeni membrane difuzora u domaćim općinskim PPOV su rijetke, posebno u pogledu sveobuhvatne procjene potrošnje energije i efikasnosti tretmana.
1. Status istraživanja optimizacije sistema aeracije
Međunarodno istraživanje se fokusira na poboljšanje materijala membrane i inovaciju metoda aeracije. Na primjer, njemački Supratec je razvio EPDM membrane sa efikasnošću prijenosa kisika od 0,33, a američke EPA studije pokazuju da aeracija mikro-mjehurića štedi preko 30% energije u poređenju sa tradicionalnim metodama. Domaći istraživači poput Hu Penga otkrili su da bi optimizacija mogla smanjiti potrošnju energije postrojenja za 15%-25%.
Međutim, postojeća istraživanja imaju nedostatke: prevlast laboratorijskih studija nad stvarnim-svjetskim slučajevima, fokus na kratkoročne{1}}efekte u odnosu na dugoročnu-stabilnost i analizu pojedinačnih indikatora nad sveobuhvatnim prednostima. Ova studija, kroz-dugoročni monitoring, sistematski procjenjuje sveobuhvatan uticaj zamjene membrane na efikasnost tretmana 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 (juni 2020. – mart 2022.) na PPOV u Dongguanu, Guangdong. Ključne oblasti istraživanja uključivale su: promjene u efikasnosti uklanjanja zagađivača, karakteristike potrošnje energije sistema za aeraciju, mehanizme poboljšanja OTE-a i tehno{3}}ekonomsku analizu. Metode su uključivale praćenje terena i laboratorijske analize.
2.1 Pregled predmeta
Slučaj PPOV ima projektovani kapacitet od 20.000 m³/d, koristi A²/O proces za komunalnu 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 Proračun potrebe za kisikom
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Uzimajući u obzir područje servisa, kapacitet snabdijevanja kiseonikom i potencijalno začepljenje, izračunato je da je potreban dovod zraka 2.400–4.800 m³/h (ulazni 1.200 m³/h, zrak{8}}prema-odnos vode 2–4). Ovo je jednako 480 metara cijevi difuzora (dovod zraka 5-10 m³/h po metru), sa uslužnom površinom ispod 2,5 m² po metru, što omogućava maksimalnu opskrbu kisikom preko 380 kg/h.
2.2.2 Izbor membrane
Na osnovu poređenja performansi (Tabela 1), s obzirom na OTE, raspon protoka zraka i cijenu, odabrane su EPDM membrane s finim mjehurićima. Ključni parametri: OTE 0,33 (više od originalnog), protok zraka 2–15 m³/h, vijek trajanja 5–8 godina i isplativa jedinična cijena-.
2.2.3 Odabir proizvođača
Nakon konsultacija sa domaćim dobavljačima i uzimajući u obzir lokalno iskustvo, EPDM difuzori tipa lopatica- su odabrani zbog svojih sveobuhvatnih prednosti u opskrbi kisikom, strukturi instalacije i cijeni. U dva biološka rezervoara postavljeno je ukupno 484 brojila. Prikazani su tehnički parametri različitih modelaTabela 2.
2.2.4 Implementacija zamjene
Zamjena u junu 2021. trajala je 7 dana, uključujući 484 metra lopatica{3}}tipa difuzora. Postrojenje je održavalo kontinuirani rad radeći smanjenim kapacitetom na jednoj strani. Nove membrane, dizajnirane za 5 m³/h, rade na 4-8 m³/h.
2.3 Prikupljanje i analiza podataka
22 mjeseca operativni podaci prikupljeni su prije i nakon zamjene u četiri kategorije: kvalitet vode (ulazni/efluentni COD, NH₃-N), operativni parametri (ukupni volumen zraka, pritisak, DO), potrošnja energije (električna energija sistema za aeraciju, aeracija kWh/m³) i efikasnost (OTE, Air-Wa{3}).
3. Promjene u efikasnosti uklanjanja zagađivača
3.1 Uklanjanje COD-a
Nakon-zamjene, uklanjanje COD-a se značajno poboljšalo. COD efluenta se smanjio sa 14,2 mg/L na 12,4 mg/L, a stopa uklanjanja se povećala sa 93,5% na 96,0%. Novi sistem je takođe pokazao bolju stabilnost uprkos fluktuirajućim uticajima COD (117–249 mg/L) (Slika 1).
3.2 NH₃-N Uklanjanje
Poboljšanje je bilo izraženije za NH₃-N. Sa stabilnim nivoom dotoka, efluent NH₃-N se smanjio sa prosječnih 2,3 mg/L na 0,85 mg/L, a brzina uklanjanja dostigla je 94,1% (Slika 1). Ovo se pripisuje ravnomjernijoj raspodjeli aeracije, promovišući rast i aktivnost nitrifikatora, osiguravajući stabilnu usklađenost s NH₃-N.
4. Karakteristike potrošnje energije sistema za aeraciju
4.1 Odnos zraka{1}}prema{2}}vodi
Odnos zraka{0}}/{1}}vode se smanjio sa 3,4 na ispod 2,0, dok je DO u aerobnom rezervoaru ostao stabilan na 0,5-1 mg/L (Slika 2), što ukazuje na veću efikasnost i stabilnost.
4.2 Energija aeracije po kubnom metru vode
Potrošnja energije za aeraciju smanjena je sa 0,073 kWh/m³ na 0,052 kWh/m³, smanjenje od 28,3%. Efekat uštede energije bio je stabilan tokom mjeseci (Slika 3), pokazujući dosljednu pouzdanost.
4.3 Potrošnja energije po jedinici uklonjenog zagađivača
Ova metrika je smanjena sa 0,32 kWh/kg na 0,24 kWh/kg, smanjenje od 25% (Slika 4). Ovo ukazuje da su nove membrane ne samo smanjile apsolutnu potrošnju energije, već i poboljšale efikasnost upotrebe energije za uklanjanje zagađivača.
5. Mehanizmi za poboljšanu efikasnost korišćenja kiseonika
5.1 Promjena efikasnosti prijenosa kisika
OTE je porastao sa 15,10% na 24,75%, što predstavlja 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, povećavajući difuziju i topljivost.
5.2 Optimizacija operativnih parametara
Kao što je prikazano uTabela 3, nakon-zamjene, ukupni volumen zraka je smanjen za 18,4% uz održavanje DO između 0,5-1 mg/L. Odnos zraka{5}}prema-vode smanjen je sa 3,4:1 na 2,0:1, OTE je povećan za 63,9%, a energija aeracije po m³ smanjena je za 28,3%. Ove sveobuhvatne optimizacije poboljšale su korištenje energije, operativnu efikasnost i kvalitet vode.
6. Tehno{1}}ekonomska analiza
6.1 Period povrata investicije
Ukupna investicija iznosila je 163.900 CNY (membrane, transport, instalacija, puštanje u rad). Na osnovu 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. Jednostavan period otplate je otprilike 15 mjeseci, što ukazuje na značajne ekonomske koristi.
6.2 Prednosti za životnu sredinu
Na osnovu godišnjeg tretmana od 8,76 miliona m³, godišnja ušteda električne energije iznosi 184.000 kWh, što je ekvivalentno smanjenju emisije CO₂ za 184 tone. Poboljšano uklanjanje zagađivača povećava koristi za okoliš i osigurava stabilniju usklađenost otpadnih voda, smanjujući rizike po okoliš.
7. Zaključak
Zamjena EPDM membranama difuzora s finim mjehurićima značajno je povećala OTE na 24,75% i smanjila potrošnju energije za aeraciju za 28,3%, pokazujući dobre tehno{2}}ekonomske performanse. Novi sistem je povećao stope uklanjanja COD-a i NH₃-N na 96,0% i 94,1%, respektivno, poboljšao je otpornost sistema na fluktuacije opterećenja i postigao jednostavan period otplate od oko 15 mjeseci. Ovaj pristup je pogodan za energetski{9}}intenzivne opštinske PPOV koji traže poboljšanje kvaliteta i efikasnosti, pokazujući značajnu promotivnu vrijednost.