Opgradering og effektivitetsgevinster af fine boblediffusermembraner i kommunale spildevandsrensningsanlæg
Beluftningssystemet, en kernekomponent i den aktiverede slam-spildevandsbehandlingsproces, påvirker direkte behandlingseffektiviteten og driftsomkostningerne. Statistikker viser, at beluftning kan udgøre 40 % til 60 % af et typisk renseanlægs samlede energiforbrug. Diffusormembranen, nøglemediet til iltoverførsel, bestemmer iltoverførselseffektiviteten (OTE) og energiforbrugsniveauet. Over tid lider membraner almindeligvis af ældning, tilstopning og beskadigelse, hvilket fører til nedsat OTE og betydeligt øget energiforbrug.
Kina har over 4.000 kommunale renseanlæg med en årlig behandlingskapacitet på over 60 milliarder m³. Det årlige elforbrug for beluftningsanlæg overstiger 100 milliarder kWh. Derfor er optimering af beluftningssystemer og forbedring af OTE afgørende for at nå "Dual Carbon"-mål. Imidlertid er empiriske undersøgelser af udskiftning af diffusormembraner i huslige kommunale renseanlæg sjældne, især hvad angår omfattende vurderinger af energiforbrug og renseeffektivitet.
1. Forskningsstatus for optimering af beluftningssystem
International forskning fokuserer på forbedring af membranmateriale og innovation af beluftningsmetoder. For eksempel udviklede Tysklands Supratec EPDM-membraner med en iltoverførselseffektivitet på 0,33, og amerikanske EPA-undersøgelser viser, at mikro-bobleluftning sparer over 30 % energi sammenlignet med traditionelle metoder. Indenlandske forskere som Hu Peng fandt ud af, at optimering kunne reducere planteenergiforbruget med 15 %-25 %.
Eksisterende forskning har imidlertid mangler: overvægt af laboratorieundersøgelser i forhold til tilfælde i den virkelige-verden, fokus på kortsigtede-effekter frem for langtids-stabilitet og analyse af enkelte indikatorer frem for omfattende fordele. Denne undersøgelse evaluerer systematisk den omfattende indvirkning af membranerstatning på behandlingseffektivitet og energiforbrug, gennem langtidsovervågning, og afhjælper et forskningshul.
2. Forskningsindhold og -metode
Denne undersøgelse brugte en sammenlignende analyse af driftsdata før og efter membranudskiftning (juni 2020 – marts 2022) på et renseanlæg i Dongguan, Guangdong. Nøgleforskningsområder omfattede: ændringer i effektiviteten til fjernelse af forurenende stoffer, beluftningssystemets energiforbrugskarakteristika, OTE-forbedringsmekanismer og tekno-økonomisk analyse. Metoderne involverede feltovervågning og laboratorieanalyse.
2.1 Emneoversigt
Case WWTP har en designkapacitet på 20.000 m³/d, bruger en A²/O-proces til kommunalt spildevand, betjener cirka 150.000 mennesker og har et faktisk dagligt flow på 18.000-24.000 m³. De originale gummidiffusorer med fine bobler havde været i drift i 8 år og viste betydelig ældning.
2.2 Design af opgraderingsplan
2.2.1 Beregning af iltbehov
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/t. I betragtning af serviceareal, iltforsyningskapacitet og potentiel tilstopning blev den nødvendige lufttilførsel beregnet til at være 2.400–4.800 m³/h (indstrømning 1.200 m³/h, luft-til-vandforhold 2–4). Dette svarede til 480 meter diffusorrør (lufttilførsel 5-10 m³/h pr. meter), med et serviceareal på under 2,5 m² pr. meter, hvilket tillader en maksimal iltforsyning på over 380 kg/h.
2.2.2 Membranvalg
Baseret på præstationssammenligning (Tabel 1), i betragtning af OTE, luftstrømsområde og pris, blev EPDM-finboblemembraner valgt. Nøgleparametre: OTE 0,33 (højere end original), luftstrøm 2–15 m³/h, levetid 5–8 år og en omkostningseffektiv enhedspris.
2.2.3 Valg af producent
Efter at have konsulteret indenlandske leverandører og overvejet lokal erfaring blev EPDM-diffusorer af paddle-type valgt på grund af deres omfattende fordele i iltforsyning, installationsstruktur og pris. I alt 484 meter blev installeret på tværs af to biologiske tanke. Tekniske parametre for forskellige modeller er vist iTabel 2.
2.2.4 Udskiftningsimplementering
Udskiftningen i juni 2021 tog 7 dage, hvilket involverede 484 meter paddle--type diffusorer. Anlægget opretholdt kontinuerlig drift ved at køre med reduceret kapacitet på den ene side. De nye membraner, designet til 5 m³/h, kørte med 4-8 m³/h.
2.3 Dataindsamling og -analyse
22 måneders driftsdata blev indsamlet før og efter udskiftning på tværs af fire kategorier: vandkvalitet (indløb/udløb COD, NH₃-N), driftsparametre (samlet luftvolumen, tryk, DO), energiforbrug (beluftningssystemelektricitet, beluftning kWh/m³) og effektivitet (OTEWater-).
3. Ændringer i effektiviteten til fjernelse af forurenende stoffer
3.1 Fjernelse af COD
Efter-udskiftning blev COD-fjernelsen væsentligt forbedret. Spildevands-COD faldt fra 14,2 mg/L til 12,4 mg/L, og fjernelseshastigheden steg fra 93,5 % til 96,0 %. Det nye system viste også bedre stabilitet på trods af fluktuerende COD (117-249 mg/L) (Figur 1).
3,2 NH₃-N Fjernelse
Forbedringen var mere udtalt for NH₃-N. Med stabile indløbsniveauer faldt NH₃-N fra spildevandet fra et gennemsnit på 2,3 mg/L til 0,85 mg/L, og fjernelseshastigheden nåede 94,1 % (Figur 1). Dette tilskrives en mere ensartet beluftningsfordeling, der fremmer vækst og aktivitet af nitrifikatorer, hvilket sikrer stabil NH₃-N-overensstemmelse.
4. Beluftningssystemets energiforbrugsegenskaber
4.1 Luft-til-forhold
Forholdet mellem luft-til-vand faldt fra 3,4 til under 2,0, mens aerob tank DO forblev stabil på 0,5-1 mg/L (Figur 2), hvilket indikerer højere effektivitet og stabilitet.
4.2 Luftningsenergi pr. kubikmeter vand
Beluftningsenergiforbruget faldt fra 0,073 kWh/m³ til 0,052 kWh/m³, en reduktion på 28,3%. Den energibesparende effekt var stabil over måneder (Figur 3), der viser ensartet pålidelighed.
4.3 Energiforbrug pr. enhed fjernet forurenende stof
Dette mål faldt fra 0,32 kWh/kg til 0,24 kWh/kg, en reduktion på 25 % (Figur 4). Dette indikerer, at de nye membraner ikke kun reducerede det absolutte energiforbrug, men også forbedrede effektiviteten af energiforbruget til fjernelse af forurenende stoffer.
5. Mekanismer til forbedret iltudnyttelseseffektivitet
5.1 Ændring i iltoverførselseffektivitet
OTE steg fra 15,10 % til 24,75 %, en forbedring på 63,9 % (Figur 5). Dette skyldes den optimerede mikro-porestruktur og mere ensartede boblefordeling af de nye membraner, hvilket forbedrer iltmasseoverførslen. Avanceret nanoteknologi tillod finere, mere ensartet fordelte porer, hvilket øgede diffusion og opløselighed.
5.2 Optimering af driftsparametre
Som vist iTabel 3, efter-udskiftning faldt den samlede luftmængde med 18,4 %, mens DO blev holdt på mellem 0,5-1 mg/L. Forholdet mellem luft-til-vand blev reduceret fra 3,4:1 til 2,0:1, OTE steg med 63,9 %, og luftningsenergien pr. m³ faldt med 28,3 %. Disse omfattende optimeringer forbedrede energiforbrug, driftseffektivitet og vandkvalitet.
6. Teknisk-økonomisk analyse
6.1 Investeringstilbagebetalingsperiode
Den samlede investering var 163.900 CNY (membraner, transport, installation, idriftsættelse). Baseret på energibesparelser på 0,021 kWh/m³, en elpris på 0,7 CNY/kWh og et gennemsnitligt dagligt flow på 24.000 m³, er den årlige elbesparelse på 128.800 CNY. Den simple tilbagebetalingsperiode er cirka 15 måneder, hvilket indikerer betydelige økonomiske fordele.
6.2 Miljømæssige fordele
Baseret på en årlig rensning på 8,76 millioner m³ er den årlige elbesparelse på 184.000 kWh, svarende til en reduktion af CO₂-udledningen med 184 tons. Forbedret fjernelse af forurenende stoffer øger de miljømæssige fordele og sikrer mere stabil overholdelse af spildevand, hvilket reducerer miljørisici.
7. Konklusion
Udskiftning med EPDM-diffusormembraner med fine bobler øgede OTE markant til 24,75 % og reducerede luftningsenergiforbruget med 28,3 %, hvilket viser god teknisk-økonomisk ydeevne. Det nye system øgede COD- og NH₃-N-fjernelsesraterne til henholdsvis 96,0 % og 94,1 %, forbedrede systemets modstandsdygtighed over for belastningsudsving og opnåede en simpel tilbagebetalingsperiode på omkring 15 måneder. Denne tilgang er velegnet til-energiintensive kommunale renseanlæg, der søger kvalitets- og effektivitetsforbedringer, og som viser betydelig salgsfremmende værdi.