Модернизиране и повишаване на ефективността на мембрани за дифузьор с фини мехурчета в общински пречиствателни станции за отпадъчни води
Системата за аериране, основен компонент на процеса на пречистване на отпадъчни води с активна утайка, влияе пряко върху ефикасността на пречистването и оперативните разходи. Статистиката показва, че аерацията може да представлява 40% до 60% от общата консумация на енергия на една типична ПСОВ. Дифузорната мембрана, ключова среда за пренос на кислород, определя ефективността на преноса на кислород (OTE) и нивото на консумация на енергия. С течение на времето мембраните обикновено страдат от стареене, запушване и увреждане, което води до намалено OTE и значително увеличено потребление на енергия.
Китай има над 4000 общински ПСОВ с годишен капацитет за пречистване над 60 милиарда m³. Годишното потребление на електроенергия от аерационни системи надхвърля 100 милиарда kWh. Следователно оптимизирането на системите за аериране и подобряването на OTE е от решаващо значение за постигане на целите на „двойния въглерод“. Въпреки това, емпиричните проучвания за подмяната на мембраната на дифузора в местните общински ПСОВ са оскъдни, особено по отношение на цялостни оценки на потреблението на енергия и ефективността на пречистване.
1. Състояние на изследването на оптимизацията на аерационната система
Международните изследвания се фокусират върху подобряването на мембранния материал и иновациите в метода на аериране. Например германската Supratec разработи EPDM мембрани с ефективност на пренос на кислород от 0,33, а проучванията на EPA на САЩ показват, че аерирането с микро-мехурчета спестява над 30% енергия в сравнение с традиционните методи. Местни изследователи като Ху Пен откриха, че оптимизацията може да намали потреблението на енергия от растенията с 15%–25%.
Съществуващите изследвания обаче имат недостатъци: преобладаване на лабораторни изследвания над-реални случаи, съсредоточаване върху краткосрочни-ефекти върху дългосрочна-стабилност и анализ на единични показатели над цялостни ползи. Това проучване, чрез дългосрочно -мониторинг, систематично оценява всеобхватното въздействие на подмяната на мембраната върху ефективността на лечението и потреблението на енергия, адресирайки пропуски в изследванията.
2. Съдържание и методология на изследването
Това проучване използва сравнителен анализ на оперативни данни преди и след смяна на мембраната (юни 2020 г. – март 2022 г.) в ПСОВ в Dongguan, Guangdong. Ключовите изследователски области включват: промени в ефективността на отстраняване на замърсителите, характеристики на потреблението на енергия в системата за аериране, механизми за подобряване на OTE и техно-икономически анализ. Методите включват наблюдение на място и лабораторен анализ.
2.1 Общ преглед на предмета
ПСОВ в случая има проектен капацитет от 20 000 m³/ден, използва A²/O процес за общинска канализация, обслужва приблизително 150 000 души и има действителен дневен дебит от 18 000–24 000 m³. Оригиналните гумени дифузори с фини мехурчета са били в експлоатация от 8 години, показвайки значително стареене.
2.2 Проектиране на план за надграждане
2.2.1 Изчисляване на потреблението на кислород
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 кг/ч. Като се има предвид зоната на обслужване, капацитетът за подаване на кислород и потенциалното запушване, необходимото подаване на въздух беше изчислено на 2400–4800 m³/h (влияние 1200 m³/h, съотношение въздух-към-вода 2–4). Това се равнява на 480 метра дифузьорна тръба (подаване на въздух 5–10 m³/h на метър), със сервизна площ под 2,5 m² на метър, което позволява максимално подаване на кислород над 380 kg/h.
2.2.2 Избор на мембрана
Въз основа на сравнение на ефективността (Таблица 1), като се има предвид OTE, обхват на въздушния поток и цена, бяха избрани EPDM мембрани с фини мехурчета. Ключови параметри: OTE 0,33 (по-висок от оригиналния), въздушен поток 2–15 m³/h, експлоатационен живот 5–8 години и разход-ефективна единична цена.
2.2.3 Избор на производител
След консултация с местни доставчици и вземане под внимание на местния опит бяха избрани дифузори от лопатков-тип EPDM заради всеобхватните им предимства в подаването на кислород, инсталационната структура и цената. В два биологични резервоара са монтирани общо 484 метра. Техническите параметри на различните модели са показани вТаблица 2.
2.2.4 Внедряване на замяна
Подмяната през юни 2021 г. отне 7 дни, като включваше 484 метра дифузори тип-лопатки. Инсталацията поддържаше непрекъсната работа, като работеше с намален капацитет от едната страна. Новите мембрани, проектирани за 5 m³/h, работеха при 4–8 m³/h.
2.3 Събиране и анализ на данни
Бяха събрани 22 месеца оперативни данни преди и след подмяната в четири категории: качество на водата (входяща/източна вода COD, NH₃-N), оперативни параметри (общ въздушен обем, налягане, DO), консумация на енергия (електроенергия от аерационната система, аериране kWh/m³) и ефективност (OTE, съотношение въздух-към-вода).
3. Промени в ефективността на отстраняване на замърсителите
3.1 Премахване на COD
След-подмяната премахването на COD се подобри значително. ХПК в отпадъчните води намалява от 14,2 mg/L на 12,4 mg/L, а степента на отстраняване се увеличава от 93,5% на 96,0%. Новата система също демонстрира по-добра стабилност въпреки променливите влиятелни ХПК (117–249 mg/L) (Фигура 1).
3.2 Отстраняване на NH3-N
Подобрението е по-изразено за NH3-N. При стабилни входящи нива, изтичащият NH3-N намалява от средно 2,3 mg/L до 0,85 mg/L, а степента на отстраняване достига 94,1% (Фигура 1). Това се дължи на по-равномерното разпределение на аерацията, насърчаване на растежа и активността на нитрификатора, осигурявайки стабилно съответствие на NH3-N.
4. Характеристики на потреблението на енергия на аерационната система
4.1 Съотношение въздух-към-вода
Съотношението -към-вода намаля от 3,4 до под 2,0, докато DO в аеробния резервоар остана стабилен на 0,5–1 mg/L (Фигура 2), което показва по-висока ефективност и стабилност.
4.2 Аерационна енергия на кубичен метър вода
Консумацията на енергия за аериране намалява от 0,073 kWh/m³ на 0,052 kWh/m³, намаление от 28,3%. Ефектът на спестяване на енергия е стабилен през месеците (Фигура 3), показващи постоянна надеждност.
4.3 Консумация на енергия за единица отстранен замърсител
Този показател намаля от 0,32 kWh/kg на 0,24 kWh/kg, намаление с 25% (Фигура 4). Това показва, че новите мембрани не само намаляват абсолютното използване на енергия, но също така подобряват ефективността на използването на енергия за отстраняване на замърсители.
5. Механизми за подобряване на ефективността на използване на кислорода
5.1 Промяна в ефективността на преноса на кислород
OTE се увеличи от 15,10% на 24,75%, подобрение с 63,9% (Фигура 5). Това се дължи на оптимизираната структура на микро-порите и по-равномерното разпределение на мехурчетата на новите мембрани, подобрявайки преноса на кислородна маса. Усъвършенстваната нанотехнология позволява по-фини, по-равномерно разпределени пори, увеличавайки дифузията и разтворимостта.
5.2 Оптимизиране на оперативните параметри
Както е показано вТаблица 3, след-замяната, общият въздушен обем е намалял с 18,4% при поддържане на DO между 0,5–1 mg/L. Съотношението въздух-към-вода намалява от 3,4:1 на 2,0:1, OTE се увеличава с 63,9%, а аерационната енергия на m³ намалява с 28,3%. Тези цялостни оптимизации подобриха използването на енергия, оперативната ефективност и качеството на водата.
6. Техно-икономически анализ
6.1 Период на изплащане на инвестицията
Общата инвестиция беше 163 900 CNY (мембрани, транспорт, монтаж, въвеждане в експлоатация). Въз основа на икономия на енергия от 0,021 kWh/m³, цена на електроенергията от 0,7 CNY/kWh и среден дневен поток от 24 000 m³, годишните икономии на електроенергия са 128 800 CNY. Простият период на изплащане е приблизително 15 месеца, което показва значителни икономически ползи.
6.2 Ползи за околната среда
Въз основа на годишно третиране от 8,76 милиона m³, годишните икономии на електроенергия са 184 000 kWh, еквивалентни на намаляване на емисиите на CO₂ със 184 тона. Подобреното отстраняване на замърсителите увеличава ползите за околната среда и гарантира по-стабилно съответствие на отпадните води, намалявайки рисковете за околната среда.
7. Заключение
Замяната с EPDM мембрани за дифузьор с фини мехурчета значително повиши OTE до 24,75% и намали потреблението на енергия за аериране с 28,3%, демонстрирайки добри техн-икономически показатели. Новата система увеличи нивата на отстраняване на COD и NH3-N съответно до 96,0% и 94,1%, подобри устойчивостта на системата към колебания в натоварването и постигна прост период на изплащане от около 15 месеца. Този подход е подходящ за енергоемки-градски ПСОВ, които търсят подобрения на качеството и ефективността, като показват значителна промоционална стойност.