Modernizácia a zvýšenie účinnosti jemných bublinkových difúzorových membrán v komunálnych čistiarňach odpadových vôd
Prevzdušňovací systém, základná súčasť procesu čistenia odpadových vôd s aktivovaným kalom, priamo ovplyvňuje účinnosť čistenia a prevádzkové náklady. Štatistiky ukazujú, že prevzdušňovanie môže predstavovať 40 % až 60 % celkovej spotreby energie typickej ČOV. Membrána difúzora, kľúčové médium pre prenos kyslíka, určuje účinnosť prenosu kyslíka (OTE) a úroveň spotreby energie. V priebehu času membrány bežne trpia starnutím, upchávaním a poškodením, čo vedie k zníženiu OTE a výrazne zvýšenej spotrebe energie.
Čína má viac ako 4 000 komunálnych ČOV s ročnou kapacitou čistenia presahujúcou 60 miliárd m³. Ročná spotreba elektrickej energie prevzdušňovacích systémov presahuje 100 miliárd kWh. Preto je optimalizácia prevzdušňovacích systémov a zlepšenie OTE kľúčové pre dosiahnutie cieľov „Dual Carbon“. Empirické štúdie o výmene membrány difúzora v domácich komunálnych ČOV sú však obmedzené, najmä pokiaľ ide o komplexné hodnotenia spotreby energie a účinnosti čistenia.
1. Stav výskumu optimalizácie prevzdušňovacieho systému
Medzinárodný výskum sa zameriava na zlepšovanie materiálov membrán a inováciu metód prevzdušňovania. Napríklad nemecká spoločnosť Supratec vyvinula membrány EPDM s účinnosťou prenosu kyslíka 0,33 a štúdie US EPA naznačujú, že prevzdušňovanie pomocou mikro-bublín ušetrí viac ako 30 % energie v porovnaní s tradičnými metódami. Domáci výskumníci ako Hu Peng zistili, že optimalizácia môže znížiť spotrebu energie rastlín o 15 až 25 %.
Existujúci výskum však má nedostatky: prevahu laboratórnych štúdií nad skutočnými-prípadmi, zameranie sa na krátkodobé-účinky nad dlhodobú-stabilitu a analýzu jednotlivých ukazovateľov nad komplexnými výhodami. Táto štúdia prostredníctvom-dlhodobého monitorovania systematicky vyhodnocuje komplexný vplyv výmeny membrány na účinnosť liečby a spotrebu energie a rieši medzeru vo výskume.
2. Obsah a metodika výskumu
Táto štúdia použila komparatívnu analýzu prevádzkových údajov pred a po výmene membrány (jún 2020 – marec 2022) na ČOV v Dongguan, Guangdong. Kľúčové oblasti výskumu zahŕňali: zmeny v účinnosti odstraňovania znečisťujúcich látok, charakteristiky spotreby energie prevzdušňovacím systémom, mechanizmy zlepšovania OTE a technicko-ekonomickú analýzu. Metódy zahŕňali monitorovanie v teréne a laboratórnu analýzu.
2.1 Prehľad predmetu
Prípadová ČOV má projektovanú kapacitu 20 000 m³/d, využíva proces A²/O pre komunálne splašky, obsluhuje približne 150 000 ľudí a má skutočný denný prietok 18 000 – 24 000 m³. Pôvodné gumené jemné bublinkové difúzory boli v prevádzke 8 rokov a vykazovali značné starnutie.
2.2 Návrh plánu aktualizácie
2.2.1 Výpočet spotreby kyslíka
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Vzhľadom na obsluhovanú oblasť, kapacitu dodávky kyslíka a potenciálne upchávanie bola požadovaná dodávka vzduchu vypočítaná na 2 400 – 4 800 m³/h (prítok 1 200 m³/h, pomer vzduchu-k-vode 2–4). To sa rovnalo 480 metrom difúzneho potrubia (prívod vzduchu 5–10 m³/h na meter), s obslužnou plochou menšou ako 2,5 m² na meter, čo umožňuje maximálny prívod kyslíka presahujúci 380 kg/h.
2.2.2 Výber membrány
Na základe porovnania výkonu (Tabuľka 1), berúc do úvahy OTE, rozsah prúdenia vzduchu a náklady, boli vybrané jemné bublinkové membrány EPDM. Kľúčové parametre: OTE 0,33 (vyššia ako originál), prietok vzduchu 2–15 m³/h, životnosť 5–8 rokov a nákladovo-efektívna jednotková cena.
2.2.3 Výber výrobcu
Po konzultácii s domácimi dodávateľmi a zvážení miestnych skúseností boli lopatkové -typu EPDM difúzory vybrané pre ich komplexné výhody v zásobovaní kyslíkom, štruktúre inštalácie a cene. Celkovo bolo nainštalovaných 484 metrov cez dve biologické nádrže. Technické parametre rôznych modelov sú uvedené vTabuľka 2.
2.2.4 Implementácia náhrady
Výmena v júni 2021 trvala 7 dní a zahŕňala 484 metrov lopatkových-difúzorov. Závod si udržal nepretržitú prevádzku tým, že na jednej strane bežal na zníženú kapacitu. Nové membrány, navrhnuté pre 5 m³/h, pracovali pri 4–8 m³/h.
2.3 Zber a analýza údajov
Pred a po výmene sa zhromaždili prevádzkové údaje za 22 mesiacov v štyroch kategóriách: kvalita vody (prítok/odtok CHSK, NH₃-N), prevádzkové parametre (celkový objem vzduchu, tlak, DO), spotreba energie (elektrina prevzdušňovacieho systému, prevzdušňovanie kWh/m³) a účinnosť (OTE, pomer vzduchu-k-vode).
3. Zmeny v účinnosti odstraňovania znečisťujúcich látok
3.1 Odstránenie COD
Po{0}}výmene sa výrazne zlepšilo odstraňovanie COD. CHSK odpadových vôd sa znížila z 14,2 mg/l na 12,4 mg/l a rýchlosť odstraňovania sa zvýšila z 93,5 % na 96,0 %. Nový systém tiež preukázal lepšiu stabilitu napriek kolísaniu prítoku CHSK (117–249 mg/l) (Obrázok 1).
3.2 Odstránenie NH₃-N
Zlepšenie bolo výraznejšie pre NH₃-N. So stabilnými hladinami prítoku sa odpadový NH3-N znížil z priemerných 2,3 mg/l na 0,85 mg/l a miera odstraňovania dosiahla 94,1 % (Obrázok 1). Pripisuje sa to rovnomernejšej distribúcii prevzdušňovania, podpore rastu a aktivity nitrifikátora, čím sa zabezpečuje stabilná zhoda s NH₃-N.
4. Prevzdušňovací systém Charakteristika spotreby energie
4.1 Pomer-k{2}}vode
Pomer vzduchu-k-vode klesol z 3,4 na menej ako 2,0, zatiaľ čo aeróbna DO zostala stabilná na úrovni 0,5 – 1 mg/l (Obrázok 2), čo naznačuje vyššiu účinnosť a stabilitu.
4.2 Energia prevzdušňovania na meter kubický vody
Spotreba energie pri prevzdušňovaní klesla z 0,073 kWh/m³ na 0,052 kWh/m³, čo predstavuje zníženie o 28,3 %. Účinok úspory energie bol počas mesiacov stabilný (Obrázok 3), ktoré vykazujú stálu spoľahlivosť.
4.3 Spotreba energie na jednotku odstránenej znečisťujúcej látky
Táto metrika sa znížila z 0,32 kWh/kg na 0,24 kWh/kg, čo predstavuje zníženie o 25 % (Obrázok 4). To naznačuje, že nové membrány nielen znížili absolútnu spotrebu energie, ale zlepšili aj efektívnosť využitia energie na odstraňovanie znečisťujúcich látok.
5. Mechanizmy na zlepšenie účinnosti využitia kyslíka
5.1 Zmena účinnosti prenosu kyslíka
OTE vzrástol z 15,10 % na 24,75 %, čo predstavuje zlepšenie o 63,9 % (Obrázok 5). Je to vďaka optimalizovanej mikro-štruktúre pórov a rovnomernejšej distribúcii bublín nových membrán, čím sa zlepšuje prenos kyslíkovej hmoty. Pokročilá nanotechnológia umožnila jemnejšie, rovnomernejšie rozložené póry, čím sa zvýšila difúzia a rozpustnosť.
5.2 Optimalizácia prevádzkových parametrov
Ako je uvedené vTabuľka 3, po-výmene sa celkový objem vzduchu znížil o 18,4 % pri zachovaní DO medzi 0,5 – 1 mg/l. Pomer vzduchu-k-vode sa znížil z 3,4:1 na 2,0:1, OTE sa zvýšil o 63,9 % a energia prevzdušňovania na m³ sa znížila o 28,3 %. Tieto komplexné optimalizácie zlepšili spotrebu energie, prevádzkovú efektivitu a kvalitu vody.
6. Techno-ekonomická analýza
6.1 Doba návratnosti investície
Celková investícia bola 163 900 CNY (membrány, doprava, inštalácia, uvedenie do prevádzky). Na základe úspor energie 0,021 kWh/m³, ceny elektriny 0,7 CNY/kWh a priemerného denného prietoku 24 000 m³ sú ročné úspory elektrickej energie 128 800 CNY. Jednoduchá doba návratnosti je približne 15 mesiacov, čo naznačuje značné ekonomické výhody.
6.2 Prínosy pre životné prostredie
Na základe ročného spracovania 8,76 milióna m³ predstavuje ročná úspora elektrickej energie 184 000 kWh, čo zodpovedá zníženiu emisií CO₂ o 184 ton. Vylepšené odstraňovanie znečisťujúcich látok zvyšuje prínosy pre životné prostredie a zabezpečuje stabilnejšie dodržiavanie odpadových vôd, čím sa znižujú environmentálne riziká.
7. Záver
Výmena membránami difúzora s jemnými bublinami z EPDM výrazne zvýšila OTE na 24,75 % a znížila spotrebu energie pri prevzdušňovaní o 28,3 %, čo dokazuje dobrý technický-ekonomický výkon. Nový systém zvýšil mieru odstraňovania CHSK a NH3-N na 96,0 %, respektíve 94,1 %, zvýšil odolnosť systému voči výkyvom zaťaženia a dosiahol jednoduchú dobu návratnosti približne 15 mesiacov. Tento prístup je vhodný pre energeticky-náročné komunálne ČOV, ktoré hľadajú zlepšenie kvality a efektívnosti a vykazujú významnú propagačnú hodnotu.