Finom buborékos diffúzor membránok korszerűsítése és hatékonyságnövekedése a települési szennyvíztisztító telepeken
A levegőztető rendszer, amely az eleveniszap szennyvízkezelési folyamatának központi eleme, közvetlenül befolyásolja a tisztítás hatékonyságát és az üzemeltetési költségeket. A statisztikák azt mutatják, hogy a levegőztetés egy tipikus szennyvíztisztító telep teljes energiafogyasztásának 40-60%-át teheti ki. A diffúzor membrán, az oxigénszállítás kulcsfontosságú közege, meghatározza az oxigénszállítás hatékonyságát (OTE) és az energiafogyasztás szintjét. Az idő múlásával a membránok gyakran öregednek, eltömődnek és károsodnak, ami az OTE csökkenéséhez és jelentősen megnövekedett energiafelhasználáshoz vezet.
Kínában több mint 4000 települési szennyvíztisztító telep van, amelyek éves tisztítási kapacitása meghaladja a 60 milliárd m³-t. A levegőztető rendszerek éves villamosenergia-fogyasztása meghaladja a 100 milliárd kWh-t. Ezért a levegőztető rendszerek optimalizálása és az OTE javítása kulcsfontosságú a „kettős széndioxid” célok eléréséhez. A hazai települési szennyvíztisztító telepeken a diffúzormembrán cseréjével kapcsolatos empirikus tanulmányok azonban kevések, különösen az energiafogyasztás és a kezelés hatékonyságának átfogó értékelése tekintetében.
1. A levegőztető rendszer optimalizálásának kutatási állapota
A nemzetközi kutatások középpontjában a membránanyagok javítása és a levegőztetési módszerek innovációja áll. Például a német Supratec EPDM membránokat fejlesztett ki 0,33-as oxigénátviteli hatékonysággal, és az US EPA tanulmányai szerint a mikro{2}}buborékos levegőztetés több mint 30%-os energiamegtakarítást eredményez a hagyományos módszerekhez képest. A hazai kutatók, például Hu Peng azt találták, hogy az optimalizálás 15–25%-kal csökkentheti a növények energiafelhasználását.
A jelenlegi kutatásnak azonban vannak hiányosságai: a laboratóriumi vizsgálatok túlsúlyban vannak a valós{0}} esetekkel szemben, a rövid távú-hatásokra koncentrálnak a hosszú távú Ez a tanulmány a hosszú távú-monitorozás révén szisztematikusan értékeli a membráncsere átfogó hatását a kezelés hatékonyságára és az energiafogyasztásra, megszüntetve a kutatási hiányosságokat.
2. A kutatás tartalma és módszertana
Ez a tanulmány a membráncsere előtti és utáni (2020. június – 2022. március) üzemi adatok összehasonlító elemzését használta a guangdongi dongguani szennyvíztisztító telepen. A legfontosabb kutatási területek a következők voltak: a szennyezőanyag-eltávolítási hatékonyság változásai, a levegőztetőrendszer energiafogyasztási jellemzői, az OTE javítási mechanizmusai és a műszaki-gazdasági elemzés. A módszerek terepi monitorozást és laboratóriumi elemzést tartalmaztak.
2.1 A tárgy áttekintése
A ház szennyvíztisztító telep tervezési kapacitása 20 000 m³/d, A²/O eljárást használ a kommunális szennyvíz tisztítására, körülbelül 150 000 embert szolgál ki, és tényleges napi vízhozama 18 000-24 000 m³. Az eredeti gumibuborékos diffúzorok 8 éve működtek, jelentős öregedést mutatva.
2.2 Frissítési terv tervezése
2.2.1 Oxigénigény számítása
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Figyelembe véve a szolgáltatási területet, az oxigénellátási kapacitást és az esetleges eltömődést, a szükséges levegőellátást 2400–4800 m³/h-ra számoltuk (befolyó 1200 m³/h, levegő-/-víz arány 2-4). Ez 480 méter diffúzorcsőnek felelt meg (légellátás 5–10 m³/h méterenként), méterenként 2,5 m² alatti kiszolgálási területtel, ami 380 kg/h feletti maximális oxigénellátást tesz lehetővé.
2.2.2 Membrán kiválasztása
Teljesítmény-összehasonlítás alapján (1. táblázat), figyelembe véve az OTE-t, a légáramlási tartományt és a költségeket, az EPDM finombuborékos membránokat választottuk. Főbb paraméterek: OTE 0,33 (magasabb, mint az eredeti), légáramlás 2–15 m³/h, élettartam 5–8 év és költséghatékony egységár.
2.2.3 A gyártó kiválasztása
A hazai beszállítókkal folytatott konzultációt követően és a helyi tapasztalatok figyelembevételével a lapátos{0}} típusú EPDM diffúzorokat választottuk az oxigénellátás, a beépítési szerkezet és az ár terén nyújtott átfogó előnyeik miatt. Két biológiai tartályba összesen 484 mérőt szereltek fel. A különböző modellek műszaki paraméterei az alábbiakban láthatók2. táblázat.
2.2.4 Csere megvalósítás
A 2021. júniusi csere 7 napot vett igénybe, és 484 méter lapátos{3}}diffúzort érintett. Az üzem az egyik oldalon csökkentett kapacitással üzemelt folyamatos üzemben. Az új, 5 m³/h-ra tervezett membránok 4-8 m³/h-val működtek.
2.3 Adatgyűjtés és -elemzés
22 hónapos üzemi adatokat gyűjtöttünk a csere előtt és után négy kategóriában: vízminőség (befolyó/elfolyó KOI, NH₃-N), működési paraméterek (teljes levegőmennyiség, nyomás, DO), energiafogyasztás (levegőztető rendszer elektromossága, levegőztetés kWh/m³) és hatásfok (OTE, levegő{2}}Wa{ter Ratio).
3. Változások a szennyezőanyag-eltávolítási hatékonyságban
3.1 COD eltávolítása
A csere-utáni COD eltávolítás jelentősen javult. A szennyvíz KOI 14,2 mg/l-ről 12,4 mg/L-re csökkent, az eltávolítási sebesség pedig 93,5%-ról 96,0%-ra nőtt. Az új rendszer az ingadozó befolyó KOI (117–249 mg/L) ellenére is jobb stabilitást mutatott (1. ábra).
3.2 NH₃-N Eltávolítás
A javulás kifejezettebb volt az NH₃-N esetében. Stabil befolyási szint mellett a kifolyó NH₃-N átlagosan 2,3 mg/L-ről 0,85 mg/L-re csökkent, és az eltávolítási arány elérte a 94,1%-ot (1. ábra). Ez a levegőztetés egyenletesebb eloszlásának tulajdonítható, elősegítve a nitrifikátorok növekedését és aktivitását, biztosítva a stabil NH₃-N megfelelőséget.
4. A levegőztető rendszer energiafogyasztási jellemzői
4.1 Levegő-víz arány
A levegő{0}}víz arány 3,4-ről 2,0 alá csökkent, míg az aerob tartály DO stabil maradt, 0,5–1 mg/l (2. ábra), ami nagyobb hatékonyságot és stabilitást jelez.
4.2 Levegőztetési energia köbméter vízre
A levegőztetési energiafogyasztás 0,073 kWh/m³-ról 0,052 kWh/m³-re csökkent, ami 28,3%-os csökkenést jelent. Az energiamegtakarítási hatás hónapokon keresztül stabil volt (3. ábra), következetes megbízhatóságot mutat.
4.3 Energiafogyasztás eltávolított szennyezőanyag egységenként
Ez a mutató 0,32 kWh/kg-ról 0,24 kWh/kg-ra csökkent, ami 25%-os csökkenést jelent (4. ábra). Ez azt jelzi, hogy az új membránok nemcsak az abszolút energiafelhasználást csökkentették, hanem javították a szennyezőanyag-eltávolítás energiafelhasználásának hatékonyságát is.
5. Mechanizmusok az oxigénfelhasználás hatékonyságának javítására
5.1 Az oxigénszállítás hatékonyságának változása
Az OTE 15,10%-ról 24,75%-ra nőtt, ami 63,9%-os javulás (5. ábra). Ez az optimalizált mikro-pórusszerkezetnek és az új membránok egyenletesebb buborékeloszlásának köszönhető, javítva az oxigén tömegátadását. A fejlett nanotechnológia finomabb, egyenletesebb eloszlású pórusokat tett lehetővé, növelve a diffúziót és az oldhatóságot.
5.2 A működési paraméterek optimalizálása
Ahogy az ábrán látható3. táblázat, -csere után a teljes levegőmennyiség 18,4%-kal csökkent, miközben a DO 0,5–1 mg/L között maradt. A levegő{5}}víz arány 3,4:1-ről 2,0:1-re csökkent, az OTE 63,9%-kal nőtt, a levegőztetési energia per m³ 28,3%-kal csökkent. Ezek az átfogó optimalizálás javította az energiafelhasználást, a működési hatékonyságot és a vízminőséget.
6. Techno-Gazdasági elemzés
6.1 A befektetés megtérülési időszaka
A teljes beruházás 163 900 CNY volt (membránok, szállítás, telepítés, üzembe helyezés). 0,021 kWh/m³ energiamegtakarítás, 0,7 CNY/kWh áramár és 24 000 m³ átlagos napi áramlás alapján az éves villamosenergia-megtakarítás 128 800 CNY. Az egyszerű megtérülési idő körülbelül 15 hónap, ami jelentős gazdasági hasznot jelez.
6.2 Környezeti előnyök
8,76 millió m³ éves kezelésével az éves villamosenergia-megtakarítás 184 000 kWh, ami a CO₂-kibocsátás 184 tonnával történő csökkentésének felel meg. A jobb szennyezőanyag-eltávolítás növeli a környezeti előnyöket, és stabilabb szennyvíz-megfelelőséget biztosít, csökkentve a környezeti kockázatokat.
7. Következtetés
Az EPDM finombuborékos diffúzor membránokra való cseréje jelentősen, 24,75%-ra növelte az OTE-t, és 28,3%-kal csökkentette a levegőztetési energiafogyasztást, ami jó műszaki -gazdasági teljesítményt mutat. Az új rendszer 96,0%-ra, illetve 94,1%-ra növelte a KOI és NH₃-N eltávolítási arányt, javította a rendszer terhelésingadozásokkal szembeni ellenálló képességét, és körülbelül 15 hónapos egyszerű megtérülési időt ért el. Ez a megközelítés alkalmas az energiaigényes települési szennyvíztisztító telepekre, amelyek minőségi és hatékonysági javításokat keresnek, és jelentős promóciós értéket mutatnak.