Îmbunătățirea și câștigurile de eficiență ale membranelor difuzoare cu bule fine în stațiile de epurare a apelor uzate municipale
Sistemul de aerare, o componentă de bază a procesului de tratare a apei uzate cu nămol activ, are un impact direct asupra eficienței epurării și a costurilor operaționale. Statisticile arată că aerarea poate reprezenta 40% până la 60% din consumul total de energie tipic al unei stații de epurare. Membrana difuzorului, mediul cheie pentru transferul de oxigen, determină eficiența transferului de oxigen (OTE) și nivelul consumului de energie. De-a lungul timpului, membranele suferă de obicei de îmbătrânire, înfundare și deteriorare, ceea ce duce la scăderea OTE și la creșterea semnificativă a consumului de energie.
China are peste 4.000 de stații de epurare municipale cu o capacitate anuală de tratare care depășește 60 de miliarde de m³. Consumul anual de energie electrică al sistemelor de aerare depășește 100 miliarde kWh. Prin urmare, optimizarea sistemelor de aerare și îmbunătățirea OTE este crucială pentru atingerea obiectivelor „Dual Carbon”. Cu toate acestea, studiile empirice privind înlocuirea membranei difuzoare în stațiile de epurare municipale domestice sunt rare, în special în ceea ce privește evaluările cuprinzătoare ale consumului de energie și eficienței epurării.
1. Starea cercetării privind optimizarea sistemului de aerare
Cercetarea internațională se concentrează pe îmbunătățirea materialului membranei și pe inovarea metodelor de aerare. De exemplu, Supratec din Germania a dezvoltat membrane EPDM cu o eficiență de transfer de oxigen de 0,33, iar studiile EPA din SUA indică aerarea cu micro-bule economisește energie cu peste 30% în comparație cu metodele tradiționale. Cercetătorii autohtoni precum Hu Peng au descoperit că optimizarea ar putea reduce consumul de energie al plantelor cu 15%-25%.
Cu toate acestea, cercetările existente au deficiențe: predominanța studiilor de laborator asupra cazurilor reale-lumea, concentrarea asupra efectelor pe termen scurt-pentru stabilitatea pe termen lung-și analiza unor indicatori unici față de beneficiile cuprinzătoare. Acest studiu, prin monitorizarea-pe termen lung, evaluează sistematic impactul cuprinzător al înlocuirii membranei asupra eficienței tratamentului și a consumului de energie, abordând o lacună în cercetare.
2. Conținutul și metodologia cercetării
Acest studiu a folosit o analiză comparativă a datelor operaționale înainte și după înlocuirea membranei (iunie 2020 – martie 2022) la o stație de epurare din Dongguan, Guangdong. Domeniile cheie de cercetare au inclus: modificări ale eficienței eliminării poluanților, caracteristicile consumului de energie al sistemului de aerare, mecanisme de îmbunătățire a OTE și analiză tehno-economică. Metodele au implicat monitorizarea terenului și analiza de laborator.
2.1 Prezentare generală a subiectului
Stația de epurare a cazului are o capacitate de proiectare de 20.000 m³/zi, utilizează un proces A²/O pentru canalizarea municipală, deservește aproximativ 150.000 de persoane și are un debit zilnic real de 18.000–24.000 m³. Difuzoarele originale din cauciuc cu bule fine au fost în funcțiune de 8 ani, prezentând o îmbătrânire semnificativă.
2.2 Proiectarea planului de actualizare
2.2.1 Calculul cererii de oxigen
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Luând în considerare zona de serviciu, capacitatea de alimentare cu oxigen și potențiala înfundare, a fost calculată cantitatea necesară de aer de 2.400–4.800 m³/h (influent 1.200 m³/h, raport aer-a-apă 2–4). Aceasta a echivalat cu 480 de metri de tuburi difuzoare (furnizare cu aer 5–10 m³/h pe metru), cu o suprafață de serviciu sub 2,5 m² pe metru, permițând o alimentare maximă cu oxigen care depășește 380 kg/h.
2.2.2 Selectarea membranei
Pe baza comparației performanței (Tabelul 1), având în vedere OTE, intervalul de flux de aer și costul, au fost selectate membrane EPDM cu bule fine. Parametri cheie: OTE 0,33 (mai mare decât originalul), debit de aer 2–15 m³/h, durată de viață 5–8 ani și un preț unitar-eficient.
2.2.3 Selectarea producătorului
După consultarea furnizorilor autohtoni și luând în considerare experiența locală, difuzoarele EPDM de tip palete-au fost alese pentru avantajele lor cuprinzătoare în furnizarea de oxigen, structura de instalare și preț. Un total de 484 de contoare au fost instalate în două rezervoare biologice. Parametrii tehnici ai diferitelor modele sunt afișați înTabelul 2.
2.2.4 Implementarea înlocuirii
Înlocuirea în iunie 2021 a durat 7 zile, implicând 484 de metri de difuzoare de tip padel-. Instalația a menținut funcționarea continuă prin funcționarea la capacitate redusă pe o parte. Noile membrane, proiectate pentru 5 m³/h, au funcționat la 4–8 m³/h.
2.3 Colectarea și analiza datelor
Au fost colectate 22 de luni de date operaționale înainte și după înlocuire în patru categorii: calitatea apei (COD influent/efluent, NH₃-N), parametri operaționali (volum total de aer, presiune, DO), consum de energie (electricitate sistemului de aerare, aerare kWh/m³) și eficiență (OTE, raport aer-a{3}a{3}).
3. Modificări ale eficienței de eliminare a poluanților
3.1 Eliminarea COD
După-înlocuire, eliminarea COD s-a îmbunătățit semnificativ. COD efluent a scăzut de la 14,2 mg/L la 12,4 mg/L, iar rata de eliminare a crescut de la 93,5% la 96,0%. Noul sistem a demonstrat, de asemenea, o stabilitate mai bună, în ciuda fluctuațiilor COD influente (117–249 mg/L) (Figura 1).
3.2 Eliminarea NH₃-N
Îmbunătățirea a fost mai pronunțată pentru NH₃-N. Cu niveluri stabile de influent, NH₃-N efluent a scăzut de la o medie de 2,3 mg/L la 0,85 mg/L, iar rata de eliminare a atins 94,1% (Figura 1). Acest lucru este atribuit distribuției mai uniforme a aerării, promovând creșterea și activitatea nitrificatorilor, asigurând o conformitate stabilă cu NH₃-N.
4. Caracteristicile consumului de energie al sistemului de aerare
4.1 Raportul aer-a-apă
Raportul aer-a-apă a scăzut de la 3,4 la sub 2,0, în timp ce OD din rezervorul aerob a rămas stabil la 0,5–1 mg/L (Figura 2), indicând eficiență și stabilitate mai ridicate.
4.2 Energia de aerare per metru cub de apă
Consumul de energie de aerare a scăzut de la 0,073 kWh/m³ la 0,052 kWh/m³, o reducere de 28,3%. Efectul de economisire a energiei a fost stabil pe parcursul lunilor (Figura 3), care arată o fiabilitate consistentă.
4.3 Consumul de energie per unitate de poluant eliminat
Această măsurătoare a scăzut de la 0,32 kWh/kg la 0,24 kWh/kg, o reducere cu 25% (Figura 4). Acest lucru indică că noile membrane nu numai că au redus consumul absolut de energie, dar au și îmbunătățit eficiența utilizării energiei pentru îndepărtarea poluanților.
5. Mecanisme pentru îmbunătățirea eficienței utilizării oxigenului
5.1 Schimbarea eficienței transferului de oxigen
OTE a crescut de la 15,10% la 24,75%, o îmbunătățire de 63,9% (Figura 5). Acest lucru se datorează structurii optimizate de micro-pori și distribuției mai uniforme a bulelor a noilor membrane, îmbunătățind transferul de masă de oxigen. Nanotehnologia avansată a permis pori mai fine, mai uniform distribuiti, crescând difuzia și solubilitatea.
5.2 Optimizarea parametrilor operaționali
După cum se arată înTabelul 3, după-înlocuire, volumul total de aer a scăzut cu 18,4%, menținând OD între 0,5–1 mg/L. Raportul aer-a-apă a scăzut de la 3,4:1 la 2,0:1, OTE a crescut cu 63,9%, iar energia de aerare pe m³ a scăzut cu 28,3%. Aceste optimizări complete au îmbunătățit utilizarea energiei, eficiența operațională și calitatea apei.
6. Analiza tehnico-economică
6.1 Perioada de rambursare a investiției
Investiția totală a fost de 163.900 CNY (membrane, transport, instalare, punere în funcțiune). Pe baza economiilor de energie de 0,021 kWh/m³, a unui preț al energiei electrice de 0,7 CNY/kWh și a unui debit mediu zilnic de 24.000 m³, economiile anuale de energie electrică sunt de 128.800 CNY. Perioada simplă de rambursare este de aproximativ 15 luni, ceea ce indică beneficii economice semnificative.
6.2 Beneficii pentru mediu
Pe baza epurării anuale a 8,76 milioane m³, economiile anuale de energie electrică sunt de 184.000 kWh, echivalent cu reducerea emisiilor de CO₂ cu 184 de tone. Eliminarea îmbunătățită a poluanților sporește beneficiile de mediu și asigură o conformitate mai stabilă a efluenților, reducând riscurile de mediu.
7. Concluzie
Înlocuirea membranelor difuzoare cu bule fine EPDM a crescut semnificativ OTE la 24,75% și a redus consumul de energie de aerare cu 28,3%, demonstrând o performanță tehnico-bună. Noul sistem a crescut ratele de eliminare a COD și NH₃-N la 96,0% și, respectiv, 94,1%, a îmbunătățit rezistența sistemului la fluctuațiile de sarcină și a realizat o perioadă simplă de amortizare de aproximativ 15 luni. Această abordare este potrivită pentru stațiile de epurare municipale cu consum mare de energie-care caută îmbunătățiri ale calității și eficienței, arătând o valoare promoțională semnificativă.