Побољшање и повећање ефикасности мембрана дифузора са финим мехурићима у комуналним постројењима за пречишћавање отпадних вода
Систем аерације, кључна компонента процеса пречишћавања отпадних вода са активним муљем, директно утиче на ефикасност третмана и оперативне трошкове. Статистике показују да аерација може чинити 40% до 60% укупне потрошње енергије типичног ППОВ. Мембрана дифузора, кључни медијум за пренос кисеоника, одређује ефикасност преноса кисеоника (ОТЕ) и ниво потрошње енергије. Временом, мембране обично пате од старења, зачепљења и оштећења, што доводи до смањења ОТЕ и значајно повећане употребе енергије.
Кина има преко 4.000 општинских ППОВ са годишњим капацитетом пречишћавања који прелази 60 милијарди м³. Годишња потрошња електричне енергије система за аерацију прелази 100 милијарди кВх. Стога је оптимизација система за аерацију и побољшање ОТЕ кључна за постизање циљева „Дуал Царбон“. Међутим, емпиријске студије о замени мембране дифузора у домаћим општинским ППОВ су ретке, посебно у вези са свеобухватним проценама потрошње енергије и ефикасности третмана.
1. Статус истраживања оптимизације система аерације
Међународно истраживање се фокусира на побољшање материјала мембране и иновацију метода аерације. На пример, немачки Супратец је развио ЕПДМ мембране са ефикасношћу преноса кисеоника од 0,33, а америчке ЕПА студије показују да аерација помоћу микро-мехурића штеди преко 30% енергије у поређењу са традиционалним методама. Домаћи истраживачи попут Ху Пенга открили су да би оптимизација могла смањити потрошњу енергије у постројењу за 15%–25%.
Међутим, постојећа истраживања имају недостатке: превагу лабораторијских студија над стварним-светским случајевима, фокус на краткорочне{1}}ефекте у односу на дугорочну-стабилност и анализу појединачних индикатора над свеобухватним предностима. Ова студија, кроз-дугорочни мониторинг, систематски процењује свеобухватан утицај замене мембране на ефикасност третмана и потрошњу енергије, решавајући празнину у истраживању.
2. Садржај и методологија истраживања
Ова студија је користила компаративну анализу оперативних података пре и после замене мембране (јун 2020 – март 2022) на ППОВ у Донггуану, Гуангдонг. Кључне области истраживања укључивале су: промене у ефикасности уклањања загађивача, карактеристике потрошње енергије система за аерацију, механизме побољшања ОТЕ-а и техно{3}}економску анализу. Методе су укључивале праћење терена и лабораторијске анализе.
2.1 Преглед предмета
Случај ППОВ има пројектовани капацитет од 20.000 м³/д, користи А²/О процес за општинску канализацију, опслужује приближно 150.000 људи и има стварни дневни проток од 18.000-24.000 м³. Оригинални гумени дифузори финих мехурића су радили 8 година, показујући значајно старење.
2.2 Дизајн плана надоградње
2.2.1 Прорачун потребе за кисеоником
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 кг/х. Узимајући у обзир сервисну област, капацитет снабдевања кисеоником и потенцијално зачепљење, израчунато је да је потребан довод ваздуха 2.400–4.800 м³/х (утицај 1.200 м³/х, однос ваздуха{8}}према-воде 2–4). Ово је једнако 480 метара цеви дифузора (довод ваздуха 5–10 м³/х по метру), са услужном површином испод 2,5 м² по метру, што омогућава максимално снабдевање кисеоником преко 380 кг/х.
2.2.2 Избор мембране
На основу поређења учинка (Табела 1), узимајући у обзир ОТЕ, опсег протока ваздуха и цену, одабране су ЕПДМ мембране са финим мехурићима. Кључни параметри: ОТЕ 0,33 (више од оригиналног), проток ваздуха 2–15 м³/х, век трајања 5–8 година и исплатива{6}}јединична цена.
2.2.3 Избор произвођача
Након консултација са домаћим добављачима и узимајући у обзир локално искуство, ЕПДМ дифузори{0}}тип лопатице су изабрани због својих свеобухватних предности у снабдевању кисеоником, структури инсталације и цени. У два биолошка резервоара постављено је укупно 484 мерача. Технички параметри различитих модела су приказани уТабела 2.
2.2.4 Имплементација замене
Замена у јуну 2021. трајала је 7 дана, укључујући 484 метра лопатица{3}}типа дифузора. Постројење је одржавало континуирани рад радећи смањеним капацитетом на једној страни. Нове мембране, дизајниране за 5 м³/х, радиле су на 4-8 м³/х.
2.3 Прикупљање и анализа података
Сакупљени су оперативни подаци за 22 месеца пре и после замене у четири категорије: квалитет воде (утицај/ефлуент ЦОД, НХ₃-Н), оперативни параметри (укупна запремина ваздуха, притисак, ДО), потрошња енергије (електрична енергија система за аерацију, аерација кВх/м³) и ефикасност (ОТЕ, Аир{2}}Ва{3}).
3. Промене у ефикасности уклањања загађивача
3.1 Уклањање ЦОД-а
Након{0}}замене, уклањање ЦОД-а је значајно побољшано. ЦОД ефлуента је смањен са 14,2 мг/Л на 12,4 мг/Л, а стопа уклањања се повећала са 93,5% на 96,0%. Нови систем је такође показао бољу стабилност упркос флуктуирајућем утицају ЦОД (117–249 мг/Л) (Слика 1).
3.2 Уклањање НХ₃-Н
Побољшање је било израженије за НХ₃-Н. Са стабилним нивоима дотока, ефлуент НХ₃-Н се смањио са просечних 2,3 мг/Л на 0,85 мг/Л, а стопа уклањања достигла је 94,1% (Слика 1). Ово се приписује равномернијој расподели аерације, промовишући раст и активност нитрификатора, обезбеђујући стабилну усклађеност са НХ₃-Н.
4. Карактеристике потрошње енергије система за аерацију
4.1 Однос ваздуха-на-воде
Однос ваздуха{0}}/{1}}воде се смањио са 3,4 на испод 2,0, док је ДО у аеробном резервоару остао стабилан на 0,5–1 мг/Л (Слика 2), што указује на већу ефикасност и стабилност.
4.2 Енергија аерације по кубном метру воде
Потрошња енергије за аерацију је смањена са 0,073 кВх/м³ на 0,052 кВх/м³, смањење од 28,3%. Ефекат уштеде енергије био је стабилан током месеци (Слика 3), показујући доследну поузданост.
4.3 Потрошња енергије по јединици уклоњеног загађивача
Ова метрика је смањена са 0,32 кВх/кг на 0,24 кВх/кг, смањење од 25% (Слика 4). Ово указује да су нове мембране не само смањиле апсолутну потрошњу енергије, већ су и побољшале ефикасност коришћења енергије за уклањање загађивача.
5. Механизми за побољшану ефикасност коришћења кисеоника
5.1 Промена ефикасности преноса кисеоника
ОТЕ је порастао са 15,10% на 24,75%, што представља побољшање од 63,9% (Слика 5). Ово је због оптимизоване структуре микро-пора и уједначеније дистрибуције мехурића нових мембрана, чиме се побољшава пренос масе кисеоника. Напредна нанотехнологија је омогућила финије, равномерније распоређене поре, повећавајући дифузију и растворљивост.
5.2 Оптимизација оперативних параметара
Као што је приказано уТабела 3, након-замене, укупна запремина ваздуха је смањена за 18,4% уз одржавање ДО између 0,5–1 мг/Л. Однос ваздуха{5}}према-воде смањен је са 3,4:1 на 2,0:1, ОТЕ је повећан за 63,9%, а енергија аерације по м³ смањена је за 28,3%. Ове свеобухватне оптимизације побољшале су коришћење енергије, оперативну ефикасност и квалитет воде.
6. Техно{1}}економска анализа
6.1 Период поврата инвестиције
Укупна инвестиција је била 163.900 ЦНИ (мембране, транспорт, монтажа, пуштање у рад). На основу уштеде енергије од 0,021 кВх/м³, цене електричне енергије од 0,7 ЦНИ/кВх и просечног дневног протока од 24.000 м³, годишња уштеда електричне енергије износи 128.800 ЦНИ. Једноставан период отплате је отприлике 15 месеци, што указује на значајне економске користи.
6.2 Предности за животну средину
На основу годишњег третмана од 8,76 милиона м³, годишња уштеда електричне енергије износи 184.000 кВх, што је еквивалентно смањењу емисије ЦО₂ за 184 тоне. Побољшано уклањање загађивача повећава користи за животну средину и обезбеђује стабилнију усклађеност ефлуента, смањујући ризике по животну средину.
7. Закључак
Замена ЕПДМ мембранама дифузора са финим мехурићима значајно је повећала ОТЕ на 24,75% и смањила потрошњу енергије за аерацију за 28,3%, показујући добре техно{2}}економске перформансе. Нови систем је повећао стопе уклањања ЦОД-а и НХ₃-Н на 96,0% и 94,1%, респективно, побољшао је отпорност система на флуктуације оптерећења и постигао једноставан период отплате од око 15 месеци. Овај приступ је погодан за енергетски{9}}интензивна општинска ППОВ која траже побољшања квалитета и ефикасности, показујући значајну промотивну вредност.