Oppgradering og effektivitetsgevinster av fine boblediffusermembraner i kommunale avløpsrenseanlegg
Luftesystemet, en kjernekomponent i renseprosessen for aktivert slam avløpsvann, påvirker behandlingseffektiviteten og driftskostnadene direkte. Statistikk viser at lufting kan utgjøre 40 % til 60 % av et typisk renseanleggs totale energiforbruk. Diffusormembranen, nøkkelmediet for oksygenoverføring, bestemmer oksygenoverføringseffektiviteten (OTE) og energiforbruksnivået. Over tid lider membraner ofte av aldring, tilstopping og skade, noe som fører til redusert OTE og betydelig økt energibruk.
Kina har over 4000 kommunale renseanlegg med en årlig behandlingskapasitet på over 60 milliarder m³. Det årlige strømforbruket til lufteanlegg overstiger 100 milliarder kWh. Derfor er optimalisering av luftesystemer og forbedring av OTE avgjørende for å oppnå "Dual Carbon"-mål. Imidlertid er empiriske studier av diffusormembranerstatning i innenlandske kommunale avløpsanlegg knappe, spesielt når det gjelder omfattende vurderinger av energiforbruk og renseeffektivitet.
1. Forskningsstatus for optimalisering av luftesystem
Internasjonal forskning fokuserer på forbedring av membranmateriale og innovasjon av luftemetoder. For eksempel utviklet Tysklands Supratec EPDM-membraner med en oksygenoverføringseffektivitet på 0,33, og amerikanske EPA-studier indikerer at mikro-boblelufting sparer over 30 % energi sammenlignet med tradisjonelle metoder. Innenlandske forskere som Hu Peng fant at optimalisering kan redusere energibruken til anlegget med 15–25 %.
Eksisterende forskning har imidlertid mangler: overvekt av laboratoriestudier fremfor virkelige-tilfeller, fokus på kortsiktige-effekter over lang-stabilitet, og analyse av enkeltindikatorer fremfor omfattende fordeler. Denne studien, gjennom lang-overvåking, evaluerer systematisk den omfattende effekten av membranerstatning på behandlingseffektivitet og energiforbruk, og adresserer et forskningshull.
2. Forskningsinnhold og metodikk
Denne studien brukte en komparativ analyse av driftsdata før og etter membranutskifting (juni 2020 – mars 2022) ved et renseanlegg i Dongguan, Guangdong. Sentrale forskningsområder inkluderte: endringer i effektiviteten til fjerning av forurensninger, egenskaper for energiforbruk av luftingssystem, OTE-forbedringsmekanismer og tekno-økonomisk analyse. Metodene involverte feltovervåking og laboratorieanalyse.
2.1 Emneoversikt
Case WWTP har en designkapasitet på 20 000 m³/d, bruker en A²/O-prosess for kommunalt avløp, betjener ca. 150 000 mennesker og har en faktisk daglig flyt på 18 000–24 000 m³. De originale gummidiffusorene hadde vært i drift i 8 år, og viste betydelig aldring.
2.2 Oppgraderingsplandesign
2.2.1 Beregning av oksygenbehov
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/t. Tatt i betraktning tjenesteareal, oksygentilførselskapasitet og potensiell tilstopping, ble den nødvendige lufttilførselen beregnet til å være 2 400–4 800 m³/t (innflytende 1 200 m³/t, luft-til-vannforhold 2–4). Dette tilsvarte 480 meter diffusorrør (lufttilførsel 5–10 m³/t per meter), med et serviceareal under 2,5 m² per meter, noe som tillater en maksimal oksygentilførsel over 380 kg/t.
2.2.2 Membranvalg
Basert på ytelsessammenligning (Tabell 1), med tanke på OTE, luftstrømområde og kostnad, ble EPDM-finboblemembraner valgt. Nøkkelparametere: OTE 0,33 (høyere enn original), luftmengde 2–15 m³/t, levetid 5–8 år og en kostnadseffektiv enhetspris-.
2.2.3 Produsentvalg
Etter å ha konsultert innenlandske leverandører og vurdert lokal erfaring, ble EPDM-diffusorer av type-type valgt på grunn av deres omfattende fordeler i oksygentilførsel, installasjonsstruktur og pris. Totalt ble det installert 484 meter over to biologiske tanker. Tekniske parametere for ulike modeller er vist iTabell 2.
2.2.4 Erstatningsimplementering
Utskiftingen i juni 2021 tok 7 dager, og involverte 484 meter med padle-diffusorer. Anlegget opprettholdt kontinuerlig drift ved å kjøre med redusert kapasitet på den ene siden. De nye membranene, designet for 5 m³/t, opererte med 4–8 m³/t.
2.3 Datainnsamling og analyse
22 måneder med driftsdata ble samlet inn før og etter utskifting på tvers av fire kategorier: vannkvalitet (innflytende/avløp COD, NH₃-N), driftsparametere (totalt luftvolum, trykk, DO), energiforbruk (elektrisitet i luftesystemet, lufting kWh/m³) og effektivitet (OTEWater-}.
3. Endringer i effektiviteten til fjerning av forurensninger
3.1 Fjerning av COD
Etter-utskifting ble COD-fjerningen betydelig forbedret. Avløps-COD sank fra 14,2 mg/L til 12,4 mg/L, og fjerningshastigheten økte fra 93,5 % til 96,0 %. Det nye systemet viste også bedre stabilitet til tross for fluktuerende innflytende COD (117–249 mg/L) (Figur 1).
3,2 NH₃-N fjerning
Forbedringen var mer uttalt for NH₃-N. Med stabile tilløpsnivåer sank avløps-NH₃-N fra et gjennomsnitt på 2,3 mg/L til 0,85 mg/L, og fjerningshastigheten nådde 94,1 % (Figur 1). Dette tilskrives mer jevn luftingsfordeling, fremmer vekst og aktivitet av nitrifikatorer, og sikrer stabil NH₃-N-overholdelse.
4. Luftesystem Energiforbruk egenskaper
4.1 Luft-til-forhold
Luft-til-vannforholdet sank fra 3,4 til under 2,0, mens aerobic tank DO holdt seg stabilt på 0,5–1 mg/L (Figur 2), som indikerer høyere effektivitet og stabilitet.
4.2 Lufteenergi per kubikkmeter vann
Energiforbruket til lufting gikk ned fra 0,073 kWh/m³ til 0,052 kWh/m³, en reduksjon på 28,3 %. Energispareeffekten var stabil over måneder (Figur 3), viser konsekvent pålitelighet.
4.3 Energiforbruk per enhet fjernet forurensning
Denne beregningen gikk ned fra 0,32 kWh/kg til 0,24 kWh/kg, en reduksjon på 25 % (Figur 4). Dette indikerer at de nye membranene ikke bare reduserte absolutt energibruk, men også forbedret effektiviteten av energibruken for fjerning av forurensninger.
5. Mekanismer for forbedret oksygenutnyttelseseffektivitet
5.1 Endring i oksygenoverføringseffektivitet
OTE økte fra 15,10 % til 24,75 %, en forbedring på 63,9 % (Figur 5). Dette skyldes den optimaliserte mikro-porestrukturen og mer jevn boblefordeling av de nye membranene, noe som forbedrer oksygenmasseoverføringen. Avansert nanoteknologi tillot finere, mer jevnt fordelte porer, noe som økte diffusjon og løselighet.
5.2 Optimalisering av operasjonelle parametere
Som vist iTabell 3, etter-utskifting, sank det totale luftvolumet med 18,4 % mens DO ble holdt mellom 0,5–1 mg/L. Luft-til-vannforholdet redusert fra 3,4:1 til 2,0:1, OTE økte med 63,9 %, og lufteenergien per m³ redusert med 28,3 %. Disse omfattende optimaliseringene forbedret energibruk, driftseffektivitet og vannkvalitet.
6. Teknisk-økonomisk analyse
6.1 Tilbakebetalingsperiode for investeringen
Den totale investeringen var 163 900 CNY (membraner, transport, installasjon, igangkjøring). Basert på energibesparelser på 0,021 kWh/m³, en strømpris på 0,7 CNY/kWh, og en gjennomsnittlig daglig flyt på 24 000 m³, er årlige strømbesparelser 128 800 CNY. Den enkle tilbakebetalingsperioden er omtrent 15 måneder, noe som indikerer betydelige økonomiske fordeler.
6.2 Miljøfordeler
Basert på årlig behandling på 8,76 millioner m³, er årlige strømbesparelser 184 000 kWh, tilsvarende en reduksjon av CO₂-utslipp med 184 tonn. Forbedret fjerning av forurensende stoffer øker miljøfordelene og sikrer mer stabil overholdelse av avløpsvann, noe som reduserer miljørisikoen.
7. Konklusjon
Utskifting med EPDM fine boble diffusormembraner økte OTE betydelig til 24,75 % og reduserte lufteenergiforbruket med 28,3 %, noe som viser god teknisk-økonomisk ytelse. Det nye systemet økte COD- og NH₃-N-fjerningsraten til henholdsvis 96,0 % og 94,1 %, forbedret systemets motstandskraft mot belastningssvingninger og oppnådde en enkel tilbakebetalingstid på omtrent 15 måneder. Denne tilnærmingen er egnet for-energiintensive kommunale renseanlegg som søker kvalitets- og effektivitetsforbedringer, og viser betydelig reklameverdi.