Modernizace a zvýšení účinnosti jemných bublinkových difuzérových membrán v komunálních čistírnách odpadních vod
Systém provzdušňování, hlavní součást procesu čištění odpadních vod s aktivovaným kalem, přímo ovlivňuje účinnost čištění a provozní náklady. Statistiky ukazují, že provzdušňování může představovat 40 % až 60 % celkové spotřeby energie typické ČOV. Membrána difuzéru, klíčové médium pro přenos kyslíku, určuje účinnost přenosu kyslíku (OTE) a úroveň spotřeby energie. V průběhu času membrány běžně trpí stárnutím, ucpáváním a poškozením, což vede ke snížení OTE a výrazně zvýšené spotřebě energie.
Čína má více než 4 000 komunálních ČOV s roční kapacitou čištění přesahující 60 miliard m³. Roční spotřeba elektrické energie aeračních systémů přesahuje 100 miliard kWh. Proto je optimalizace provzdušňovacích systémů a zlepšení OTE zásadní pro dosažení cílů „Dual Carbon“. Empirické studie o výměně membrány difuzoru v domovních komunálních ČOV jsou však vzácné, zejména pokud jde o komplexní hodnocení spotřeby energie a účinnosti čištění.
1. Výzkum stavu optimalizace aeračního systému
Mezinárodní výzkum se zaměřuje na zlepšování membránových materiálů a inovaci metod provzdušňování. Například německý Supratec vyvinul EPDM membrány s účinností přenosu kyslíku 0,33 a americké studie EPA ukazují, že provzdušňování pomocí mikro-bublin ušetří více než 30 % energie ve srovnání s tradičními metodami. Domácí vědci jako Hu Peng zjistili, že optimalizace by mohla snížit spotřebu energie rostlin o 15–25 %.
Stávající výzkum má však nedostatky: převahu laboratorních studií nad skutečnými-případy, zaměření na krátkodobé-výsledky nad dlouhodobou-stabilitou a analýzu jednotlivých ukazatelů nad komplexními přínosy. Tato studie prostřednictvím-dlouhodobého sledování systematicky vyhodnocuje komplexní dopad výměny membrán na účinnost léčby a spotřebu energie a řeší mezeru ve výzkumu.
2. Obsah a metodika výzkumu
Tato studie použila srovnávací analýzu provozních dat před a po výměně membrány (červen 2020 – březen 2022) na ČOV v Dongguan, Guangdong. Mezi klíčové oblasti výzkumu patřily: změny v účinnosti odstraňování znečišťujících látek, charakteristiky spotřeby energie aeračního systému, mechanismy zlepšování OTE a technicko{3}}ekonomická analýza. Metody zahrnovaly monitorování v terénu a laboratorní analýzu.
2.1 Přehled předmětu
Případová ČOV má projektovanou kapacitu 20 000 m³/d, používá proces A²/O pro komunální odpadní vodu, obsluhuje přibližně 150 000 lidí a má skutečný denní průtok 18 000–24 000 m³. Původní pryžové jemné bublinkové difuzory byly v provozu 8 let a vykazovaly značné stárnutí.
2.2 Návrh plánu upgradu
2.2.1 Výpočet potřeby kyslíku
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Vzhledem k obslužné oblasti, kapacitě přívodu kyslíku a potenciálnímu zanášení byl požadovaný přívod vzduchu vypočítán na 2 400–4 800 m³/h (přítok 1 200 m³/h, poměr vzduchu-k-vodě 2–4). To se rovnalo 480 metrům difuzního potrubí (přívod vzduchu 5–10 m³/h na metr), s obslužnou plochou menší než 2,5 m² na metr, což umožňuje maximální dodávku kyslíku přesahující 380 kg/h.
2.2.2 Výběr membrány
Na základě srovnání výkonu (Tabulka 1), s ohledem na OTE, rozsah proudění vzduchu a náklady byly vybrány jemnobublinkové membrány EPDM. Klíčové parametry: OTE 0,33 (vyšší než originál), průtok vzduchu 2–15 m³/h, životnost 5–8 let a nákladově-efektivní jednotková cena.
2.2.3 Výběr výrobce
Po konzultaci s tuzemskými dodavateli a zvážení místních zkušeností byly lopatkové -typu EPDM difuzory vybrány pro jejich komplexní výhody v dodávce kyslíku, struktuře instalace a ceně. Přes dvě biologické nádrže bylo instalováno celkem 484 metrů. Technické parametry různých modelů jsou uvedeny vTabulka 2.
2.2.4 Implementace náhrady
Výměna v červnu 2021 trvala 7 dní a zahrnovala 484 metrů lopatkových-difuzorů. Závod udržoval nepřetržitý provoz tím, že na jedné straně běžel na sníženou kapacitu. Nové membrány, navržené pro 5 m³/h, pracovaly při 4–8 m³/h.
2.3 Sběr a analýza dat
Před výměnou a po ní byla shromážděna provozní data za 22 měsíců ve čtyřech kategoriích: kvalita vody (přítok/odtok CHSK, NH₃-N), provozní parametry (celkový objem vzduchu, tlak, DO), spotřeba energie (elektřina aeračního systému, provzdušňovací kWh/m³) a účinnost (OTE, poměr vzduchu-k-vodě).
3. Změny v účinnosti odstraňování znečišťujících látek
3.1 Odstranění COD
Po{0}}výměně se výrazně zlepšilo odstraňování COD. CHSK odpadních vod se snížila z 14,2 mg/l na 12,4 mg/l a rychlost odstraňování se zvýšila z 93,5 % na 96,0 %. Nový systém také prokázal lepší stabilitu i přes kolísající příliv CHSK (117–249 mg/l) (Obrázek 1).
3.2 Odstranění NH₃-N
Zlepšení bylo výraznější u NH₃-N. Při stabilních úrovních přítoku se odpadní NH3-N snížil z průměrných 2,3 mg/l na 0,85 mg/l a míra odstraňování dosáhla 94,1 % (Obrázek 1). To je přičítáno rovnoměrnější distribuci provzdušňování, podpoře růstu a aktivitě nitrifikátoru a zajištění stabilní shody s NH₃-N.
4. Charakteristiky spotřeby energie aeračního systému
4.1 Poměr-k{2}}vodě
Poměr vzduchu-k-vodě se snížil z 3,4 na méně než 2,0, zatímco DO v aerobní nádrži zůstalo stabilní na 0,5–1 mg/l (Obrázek 2), což naznačuje vyšší účinnost a stabilitu.
4.2 Energie provzdušňování na metr krychlový vody
Spotřeba energie provzdušňováním klesla z 0,073 kWh/m³ na 0,052 kWh/m³, což představuje snížení o 28,3 %. Účinek úspory energie byl v průběhu měsíců stabilní (Obrázek 3), vykazující stálou spolehlivost.
4.3 Spotřeba energie na jednotku odstraněné znečišťující látky
Tato metrika se snížila z 0,32 kWh/kg na 0,24 kWh/kg, což představuje snížení o 25 % (Obrázek 4). To naznačuje, že nové membrány nejen snížily absolutní spotřebu energie, ale také zlepšily účinnost využití energie pro odstraňování znečišťujících látek.
5. Mechanismy pro zlepšení účinnosti využití kyslíku
5.1 Změna účinnosti přenosu kyslíku
OTE vzrostl z 15,10 % na 24,75 %, což představuje zlepšení o 63,9 % (Obrázek 5). To je způsobeno optimalizovanou mikro-strukturou pórů a rovnoměrnějším rozložením bublinek nových membrán, což zlepšuje přenos kyslíkové hmoty. Pokročilá nanotechnologie umožnila jemnější, rovnoměrněji distribuované póry, zvýšení difúze a rozpustnosti.
5.2 Optimalizace provozních parametrů
Jak je uvedeno vTabulka 3, po-výměně se celkový objem vzduchu snížil o 18,4 % při zachování DO mezi 0,5–1 mg/l. Poměr vzduchu-k-vodě se snížil z 3,4:1 na 2,0:1, OTE se zvýšil o 63,9 % a energie provzdušňování na m³ se snížila o 28,3 %. Tyto komplexní optimalizace zlepšily spotřebu energie, provozní efektivitu a kvalitu vody.
6. Techno-ekonomická analýza
6.1 Doba návratnosti investice
Celková investice byla 163 900 CNY (membrány, doprava, instalace, uvedení do provozu). Na základě úspor energie 0,021 kWh/m³, ceny elektřiny 0,7 CNY/kWh a průměrného denního průtoku 24 000 m³ jsou roční úspory elektřiny 128 800 CNY. Jednoduchá doba návratnosti je přibližně 15 měsíců, což ukazuje na významné ekonomické výhody.
6.2 Přínosy pro životní prostředí
Při ročním zpracování 8,76 milionu m³ je roční úspora elektřiny 184 000 kWh, což odpovídá snížení emisí CO₂ o 184 tun. Zlepšené odstraňování znečišťujících látek zvyšuje přínosy pro životní prostředí a zajišťuje stabilnější shodu odpadních vod, čímž se snižují rizika pro životní prostředí.
7. Závěr
Nahrazení jemnými bublinkovými difuzorovými membránami EPDM výrazně zvýšilo OTE na 24,75 % a snížilo spotřebu energie provzdušňování o 28,3 %, což prokazuje dobrý technicko-ekonomický výkon. Nový systém zvýšil míru odstraňování CHSK a NH₃-N na 96,0 %, respektive 94,1 %, zvýšil odolnost systému vůči kolísání zátěže a dosáhl jednoduché doby návratnosti přibližně 15 měsíců. Tento přístup je vhodný pro energeticky-náročné komunální ČOV, které hledají zlepšení kvality a účinnosti a vykazují významnou propagační hodnotu.