Smalko burbuļu difuzoru membrānu modernizācija un efektivitātes pieaugums sadzīves notekūdeņu attīrīšanas iekārtās
Aerācijas sistēma, kas ir aktīvo dūņu notekūdeņu attīrīšanas procesa galvenā sastāvdaļa, tieši ietekmē attīrīšanas efektivitāti un ekspluatācijas izmaksas. Statistika liecina, ka aerācija var radīt 40% līdz 60% no tipiskas NAI kopējā enerģijas patēriņa. Izkliedētāja membrāna, galvenais skābekļa pārnešanas līdzeklis, nosaka skābekļa pārneses efektivitāti (OTE) un enerģijas patēriņa līmeni. Laika gaitā membrānas parasti cieš no novecošanas, aizsērēšanas un bojājumiem, kā rezultātā samazinās OTE un ievērojami palielinās enerģijas patēriņš.
Ķīnā ir vairāk nekā 4000 pašvaldību NAI, kuru ikgadējā attīrīšanas jauda pārsniedz 60 miljardus m³. Aerācijas sistēmu elektroenerģijas patēriņš gadā pārsniedz 100 miljardus kWh. Tāpēc aerācijas sistēmu optimizācija un OTE uzlabošana ir ļoti svarīga, lai sasniegtu "Dual Carbon" mērķus. Tomēr empīriski pētījumi par difuzora membrānas nomaiņu vietējo pašvaldību NAI ir maz, jo īpaši attiecībā uz visaptverošiem enerģijas patēriņa un attīrīšanas efektivitātes novērtējumiem.
1. Aerācijas sistēmas optimizācijas izpētes statuss
Starptautiskie pētījumi ir vērsti uz membrānas materiālu uzlabošanu un aerācijas metožu jauninājumiem. Piemēram, Vācijas uzņēmums Supratec izstrādāja EPDM membrānas ar skābekļa pārneses efektivitāti 0,33, un ASV EPA pētījumi liecina, ka mikro-burbuļu aerācija ietaupa vairāk nekā 30% enerģijas, salīdzinot ar tradicionālajām metodēm. Vietējie pētnieki, piemēram, Hu Peng, atklāja, ka optimizācija varētu samazināt augu enerģijas patēriņu par 15–25%.
Tomēr esošajiem pētījumiem ir trūkumi: laboratorijas pētījumu pārsvars pār{0}}reāliem gadījumiem, uzmanība tiek pievērsta īstermiņa-efektiem, nevis ilgtermiņa stabilitātei, un atsevišķu rādītāju analīze, nevis visaptveroši ieguvumi. Šajā pētījumā, izmantojot ilgtermiņa uzraudzību, sistemātiski tiek novērtēta membrānas nomaiņas visaptverošā ietekme uz ārstēšanas efektivitāti un enerģijas patēriņu, novēršot pētniecības trūkumu.
2. Pētījuma saturs un metodoloģija
Šajā pētījumā tika izmantota salīdzinoša darbības datu analīze pirms un pēc membrānas nomaiņas (no 2020. gada jūnija līdz 2022. gada martam) NAI Dongguanā, Guandunas štatā. Galvenās pētniecības jomas bija šādas: izmaiņas piesārņotāju noņemšanas efektivitātē, aerācijas sistēmas enerģijas patēriņa raksturlielumi, OTE uzlabošanas mehānismi un tehno{3}}ekonomiskā analīze. Metodes ietvēra lauka uzraudzību un laboratorijas analīzi.
2.1. Priekšmeta pārskats
Korpusa NAI projektētā jauda ir 20 000 m³/d, tā izmanto A²/O procesu komunālajiem notekūdeņiem, apkalpo aptuveni 150 000 cilvēku, un faktiskā ikdienas plūsma ir 18 000–24 000 m³. Oriģinālie gumijas smalko burbuļu difuzori bija darbojušies 8 gadus, uzrādot ievērojamu novecošanos.
2.2. Jaunināšanas plāna izstrāde
2.2.1. Skābekļa pieprasījuma aprēķins
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Ņemot vērā apkalpošanas zonu, skābekļa padeves jaudu un iespējamo aizsērējumu, nepieciešamā gaisa padeve tika aprēķināta kā 2400–4800 m³/h (ieplūde 1200 m³/h, gaisa -pret{9}}ūdens attiecība 2–4). Tas atbilst 480 metriem difuzora caurules (gaisa padeve 5–10 m³/h uz metru), ar apkalpošanas laukumu mazāku par 2,5 m² uz metru, nodrošinot maksimālo skābekļa padevi, kas pārsniedz 380 kg/h.
2.2.2. Membrānas izvēle
Pamatojoties uz veiktspējas salīdzinājumu (1. tabula), ņemot vērā OTE, gaisa plūsmas diapazonu un izmaksas, tika izvēlētas EPDM smalkās burbuļu membrānas. Galvenie parametri: OTE 0,33 (augstāks nekā oriģināls), gaisa plūsma 2–15 m³/h, kalpošanas laiks 5–8 gadi un rentabla{6}} vienības cena.
2.2.3. Ražotāja izvēle
Pēc apspriešanās ar vietējiem piegādātājiem un vietējās pieredzes apsvēršanas tika izvēlēti lāpstiņas{0}} tipa EPDM difuzori, ņemot vērā to visaptverošās priekšrocības skābekļa padeves, uzstādīšanas struktūras un cenas ziņā. Kopumā divās bioloģiskajās tvertnēs tika uzstādīti 484 skaitītāji. Dažādu modeļu tehniskie parametri ir parādīti2. tabula.
2.2.4. Aizstāšanas ieviešana
Nomaiņa 2021. gada jūnijā aizņēma 7 dienas, ietverot 484 metrus lāpstiņas{3}}tipa difuzorus. Iekārta uzturēja nepārtrauktu darbību, vienā pusē strādājot ar samazinātu jaudu. Jaunās membrānas, kas paredzētas 5 m³/h, darbojās ar ātrumu 4–8 m³/h.
2.3. Datu vākšana un analīze
22 mēnešu darbības dati tika apkopoti pirms un pēc nomaiņas četrās kategorijās: ūdens kvalitāte (ieplūdes/notekūdeņu ĶSP, NH₃-N), darbības parametri (kopējais gaisa daudzums, spiediens, DO), enerģijas patēriņš (aerācijas sistēmas elektrība, aerācijas kWh/m³) un efektivitāte (OTE, Air{2}}Water Ratio).
3. Izmaiņas piesārņotāju noņemšanas efektivitātē
3.1 COD noņemšana
Pēc-maiņas, COD noņemšana ievērojami uzlabojās. Notekūdeņu ĶSP samazinājās no 14,2 mg/L līdz 12,4 mg/L, un izvadīšanas ātrums palielinājās no 93,5% līdz 96,0%. Jaunā sistēma arī demonstrēja labāku stabilitāti, neskatoties uz mainīgo ieplūstošo ĶSP (117–249 mg/l) (1. attēls).
3.2. NH₃-N noņemšana
Uzlabojums bija izteiktāks attiecībā uz NH₃-N. Pie stabila ieplūdes līmeņa notekūdeņu NH₃-N samazinājās no vidēji 2,3 mg/L līdz 0,85 mg/L, un izvadīšanas ātrums sasniedza 94,1% (1. attēls). Tas ir saistīts ar vienmērīgāku aerācijas sadalījumu, veicinot nitrifikatoru augšanu un aktivitāti, nodrošinot stabilu NH₃-N atbilstību.
4. Aerācijas sistēmas enerģijas patēriņa raksturojums
4.1. gaisa-līdz-ūdens attiecība
Gaisa -un2. attēls), kas norāda uz augstāku efektivitāti un stabilitāti.
4.2. Aerācijas enerģija uz kubikmetru ūdens
Aerācijas enerģijas patēriņš samazinājās no 0,073 kWh/m³ līdz 0,052 kWh/m³, samazinoties par 28,3%. Enerģijas taupīšanas efekts vairākus mēnešus bija stabils (3. attēls), kas parāda nemainīgu uzticamību.
4.3. Enerģijas patēriņš uz vienu noņemtās piesārņojošās vielas vienību
Šis rādītājs samazinājās no 0,32 kWh/kg līdz 0,24 kWh/kg, kas ir samazinājums par 25% (4. attēls). Tas norāda, ka jaunās membrānas ne tikai samazināja absolūto enerģijas patēriņu, bet arī uzlaboja enerģijas izmantošanas efektivitāti piesārņotāju noņemšanai.
5. Skābekļa izmantošanas efektivitātes uzlabošanas mehānismi
5.1. Skābekļa pārneses efektivitātes izmaiņas
OTE palielinājās no 15,10% līdz 24,75%, uzlabojot 63,9% (5. attēls). Tas ir saistīts ar optimizēto mikro-poru struktūru un vienmērīgāku burbuļu sadalījumu jaunajās membrānās, kas uzlabo skābekļa masas pārnesi. Uzlabotā nanotehnoloģija ļāva smalkākas, vienmērīgāk sadalītas poras, palielinot difūziju un šķīdību.
5.2. Darbības parametru optimizācija
Kā parādīts3. tabula, pēc-nomaiņas kopējais gaisa daudzums samazinājās par 18,4%, saglabājot DO starp 0,5–1 mg/l. Gaisa -un-ūdens attiecība samazinājās no 3,4:1 līdz 2,0:1, OTE palielinājās par 63,9%, un aerācijas enerģija uz m³ samazinājās par 28,3%. Šīs visaptverošās optimizācijas uzlaboja enerģijas patēriņu, darbības efektivitāti un ūdens kvalitāti.
6. Tehnoloģiskā-ekonomiskā analīze
6.1. Investīciju atmaksāšanās periods
Kopējās investīcijas bija 163 900 CNY (membrānas, transports, uzstādīšana, nodošana ekspluatācijā). Pamatojoties uz enerģijas ietaupījumu 0,021 kWh/m³, elektroenerģijas cenu 0,7 CNY/kWh un vidējo dienas plūsmu 24 000 m³, gada elektroenerģijas ietaupījums ir 128 800 CNY. Vienkāršais atmaksāšanās periods ir aptuveni 15 mēneši, kas liecina par ievērojamiem ekonomiskiem ieguvumiem.
6.2. Vides ieguvumi
Pamatojoties uz ikgadējo 8,76 miljonu m³ apstrādi, ikgadējais elektroenerģijas ietaupījums ir 184 000 kWh, kas atbilst CO₂ emisiju samazināšanai par 184 tonnām. Uzlabota piesārņotāju noņemšana uzlabo vides ieguvumus un nodrošina stabilāku notekūdeņu atbilstību, samazinot vides riskus.
7. Secinājums
Aizstājot ar EPDM smalko burbuļu difuzoru membrānām, OTE ievērojami palielinājās līdz 24,75% un aerācijas enerģijas patēriņš samazinājās par 28,3%, parādot labus tehnoloģiskos -ekonomiskos rādītājus. Jaunā sistēma palielināja ĶSP un NH₃-N noņemšanas līmeni attiecīgi līdz 96,0% un 94,1%, uzlaboja sistēmas noturību pret slodzes svārstībām un sasniedza vienkāršu atmaksāšanās periodu aptuveni 15 mēnešus. Šī pieeja ir piemērota energoietilpīgām pašvaldību NAI, kas vēlas uzlabot kvalitāti un efektivitāti, demonstrējot ievērojamu reklāmas vērtību.