Модернізація та підвищення ефективності дрібнопухирчастих дифузорних мембран на муніципальних очисних спорудах
Система аерації, основний компонент процесу очищення стічних вод з активним мулом, безпосередньо впливає на ефективність очищення та експлуатаційні витрати. Статистика показує, що на аерацію може припадати від 40% до 60% загального споживання енергії типовою очисною станцією. Мембрана дифузора, який є ключовим середовищем для перенесення кисню, визначає ефективність перенесення кисню (OTE) і рівень споживання енергії. З часом мембрани зазвичай старіють, забиваються та пошкоджуються, що призводить до зниження OTE та значного збільшення споживання енергії.
У Китаї є понад 4000 муніципальних очисних споруд з річною потужністю очищення понад 60 мільярдів м³. Річне споживання електроенергії системами аерації перевищує 100 млрд. кВт/год. Тому оптимізація систем аерації та покращення OTE є вирішальними для досягнення цілей «подвійного вуглецю». Однак емпіричні дослідження щодо заміни дифузорної мембрани в домашніх комунальних очисних спорудах обмежені, особливо щодо комплексної оцінки споживання енергії та ефективності очищення.
1. Стан досліджень оптимізації системи аерації
Міжнародні дослідження зосереджені на вдосконаленні мембранних матеріалів та інноваційних методах аерації. Наприклад, німецька Supratec розробила мембрани EPDM з ефективністю передачі кисню 0,33, а дослідження EPA США показують, що аерація мікро-бульбашками економить понад 30% енергії порівняно з традиційними методами. Вітчизняні дослідники, такі як Ху Пен, виявили, що оптимізація може зменшити споживання енергії заводом на 15–25%.
Однак існуючі дослідження мають недоліки: переважання лабораторних досліджень над реальними-випадками, зосередженість на короткострокових-ефектах над довгостроковою-стабільністю та аналіз окремих показників над комплексними перевагами. Це дослідження шляхом довгострокового -моніторингу систематично оцінює комплексний вплив заміни мембран на ефективність лікування та споживання енергії, усуваючи прогалину в дослідженнях.
2. Зміст і методологія дослідження
У цьому дослідженні використовувався порівняльний аналіз робочих даних до та після заміни мембрани (червень 2020 р. – березень 2022 р.) на очисних спорудах у місті Дунгуань, провінція Гуандун. Ключові напрямки досліджень включали: зміни ефективності видалення забруднюючих речовин, характеристики енергоспоживання системи аерації, механізми вдосконалення ОТЕ та техніко-економічний аналіз. Методи включали польовий моніторинг і лабораторний аналіз.
2.1 Огляд теми
Конструкція очисної станції має проектну потужність 20 000 м³/добу, використовує процес A²/O для муніципальних стічних вод, обслуговує приблизно 150 000 людей і має фактичний щоденний потік 18 000–24 000 м³. Оригінальні гумові дрібнопузирчасті дифузори експлуатувалися протягом 8 років, демонструючи значне старіння.
2.2 Розробка плану оновлення
2.2.1 Розрахунок споживання кисню
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 кг/год. Враховуючи зону обслуговування, потужність подачі кисню та потенційне засмічення, необхідна подача повітря становила 2400–4800 м³/год (вплив 1200 м³/год, співвідношення повітря-до-води 2–4). Це дорівнює 480 метрам дифузорної трубки (подача повітря 5–10 м³/год на метр), з площею обслуговування менше 2,5 м² на метр, що забезпечує максимальну подачу кисню понад 380 кг/год.
2.2.2 Вибір мембрани
На основі порівняння продуктивності (Таблиця 1), враховуючи OTE, діапазон повітряного потоку та вартість, було обрано дрібнопухирчасті мембрани EPDM. Основні параметри: OTE 0,33 (вищий за вихідний), потік повітря 2–15 м³/год, термін служби 5–8 років і економічно-ціна за одиницю.
2.2.3 Вибір виробника
Після консультацій із вітчизняними постачальниками та врахування місцевого досвіду було обрано дифузори лопастного-типу EPDM через їхні повні переваги в подачі кисню, монтажній конструкції та ціні. Всього на двох біологічних резервуарах встановлено 484 лічильники. Технічні параметри різних моделей наведені вТаблиця 2.
2.2.4 Реалізація заміни
Заміна в червні 2021 року тривала 7 днів і включала 484 метри лопатевих дифузорів-типу. Завод підтримував безперервну роботу, працюючи на зниженій потужності з одного боку. Нові мембрани, розраховані на 5 м³/год, працювали на 4–8 м³/год.
2.3 Збір та аналіз даних
До та після заміни було зібрано робочі дані за 22 місяці за чотирма категоріями: якість води (ХПК у притоці/стічній рідині, NH₃-N), робочі параметри (загальний об’єм повітря, тиск, DO), енергоспоживання (електроенергія системи аерації, аерація кВт-год/м³) та ефективність (OTE, співвідношення повітря-до-води).
3. Зміни в ефективності видалення забруднюючих речовин
3.1 Видалення COD
Після-заміни видалення COD значно покращилося. ХПК у стоках знизився з 14,2 мг/л до 12,4 мг/л, а швидкість видалення зросла з 93,5% до 96,0%. Нова система також продемонструвала кращу стабільність, незважаючи на коливання вхідного ХПК (117–249 мг/л) (малюнок 1).
3.2 Видалення NH₃-N
Покращення було більш вираженим для NH₃-N. За стабільних рівнів потоку NH3-N у стічних водах зменшився з середнього 2,3 мг/л до 0,85 мг/л, а швидкість видалення досягла 94,1% (малюнок 1). Це пов’язано з більш рівномірним розподілом аерації, що сприяє росту та активності нітрифікатора, забезпечуючи стабільну відповідність NH₃-N.
4. Характеристики енергоспоживання системи аерації
4.1 Співвідношення повітря-до-води
Співвідношення повітря{0}}до-води зменшилося з 3,4 до нижче 2,0, тоді як DO в аеробному резервуарі залишався стабільним на рівні 0,5–1 мг/л (малюнок 2), що вказує на вищу ефективність і стабільність.
4.2 Енергія аерації на кубічний метр води
Споживання енергії на аерацію зменшилося з 0,073 кВт-год/м³ до 0,052 кВт-год/м³, тобто на 28,3%. Ефект енергозбереження був стабільним протягом місяців (малюнок 3), демонструючи постійну надійність.
4.3 Споживання енергії на одиницю вилученого забруднювача
Цей показник зменшився з 0,32 кВт-год/кг до 0,24 кВт-год/кг, тобто на 25% (малюнок 4). Це вказує на те, що нові мембрани не тільки зменшили абсолютне споживання енергії, але й покращили ефективність використання енергії для видалення забруднюючих речовин.
5. Механізми підвищення ефективності використання кисню
5.1 Зміна ефективності переносу кисню
OTE збільшився з 15,10% до 24,75%, покращення на 63,9% (малюнок 5). Це відбувається завдяки оптимізованій мікро-структурі пор і більш рівномірному розподілу бульбашок нових мембран, що покращує масообмін кисню. Передова нанотехнологія дозволила створити дрібніші та рівномірніше розподілені пори, збільшивши дифузію та розчинність.
5.2 Оптимізація робочих параметрів
Як показано вТаблиця 3, після -заміни загальний об’єм повітря зменшився на 18,4% при підтримці DO між 0,5–1 мг/л. Співвідношення повітря-до-води зменшилося з 3,4:1 до 2,0:1, OTE збільшився на 63,9%, а енергія аерації на м³ зменшилася на 28,3%. Ця комплексна оптимізація покращила використання енергії, ефективність роботи та якість води.
6. Техніко-економічний аналіз
6.1 Термін окупності інвестицій
Загальна сума інвестицій склала 163 900 CNY (мембрани, транспорт, монтаж, введення в експлуатацію). Виходячи з енергозбереження 0,021 кВт-год/м³, ціни на електроенергію 0,7 юанів/кВт-год і середньодобової витрати 24 000 м³ річна економія електроенергії становить 128 800 юанів. Простий термін окупності становить приблизно 15 місяців, що свідчить про значні економічні вигоди.
6.2 Екологічні переваги
Виходячи з річної обробки 8,76 млн м³, річна економія електроенергії становить 184 000 кВт-год, що еквівалентно скороченню викидів CO₂ на 184 тонни. Покращене видалення забруднюючих речовин збільшує переваги для навколишнього середовища та забезпечує більш стабільну відповідність стокам, зменшуючи екологічні ризики.
7. Висновок
Заміна дрібнопухирчастих дифузорних мембран EPDM значно підвищила OTE до 24,75% і зменшила споживання енергії на аерацію на 28,3%, продемонструвавши гарні техн-економічні показники. Завдяки новій системі коефіцієнти видалення COD і NH3-N досягли 96,0% і 94,1% відповідно, підвищила стійкість системи до коливань навантаження та досягла простого періоду окупності приблизно 15 місяців. Цей підхід підходить для-енергоємних муніципальних очисних споруд, які шукають покращення якості та ефективності, демонструючи значну рекламну цінність.