Kunnallisten jätevedenpuhdistamoiden hienokupladiffuusorikalvojen päivitys ja tehokkuus
Ilmastointijärjestelmä, aktiivilietteen jätevedenkäsittelyprosessin ydinkomponentti, vaikuttaa suoraan puhdistuksen tehokkuuteen ja käyttökustannuksiin. Tilastot osoittavat, että ilmastus voi muodostaa 40–60 prosenttia tyypillisen jätevedenpuhdistamon kokonaisenergiankulutuksesta. Diffuusorikalvo, hapensiirron avainväliaine, määrittää hapensiirtotehokkuuden (OTE) ja energiankulutuksen. Ajan myötä kalvot yleensä kärsivät ikääntymisestä, tukkeutumisesta ja vaurioista, mikä johtaa OTE:n vähenemiseen ja merkittävästi lisääntyneeseen energiankulutukseen.
Kiinassa on yli 4 000 kunnallista jätevedenkäsittelylaitosta, joiden vuotuinen puhdistuskapasiteetti on yli 60 miljardia m³. Ilmastusjärjestelmien vuotuinen sähkönkulutus ylittää 100 miljardia kWh. Siksi ilmastusjärjestelmien optimointi ja OTE:n parantaminen on ratkaisevan tärkeää "Dual Carbon" -tavoitteiden saavuttamiseksi. Empiirisiä tutkimuksia diffuusorikalvojen vaihdosta kotimaisissa kunnallisissa jätevedenpuhdistamoissa on kuitenkin vähän, varsinkin energiankulutuksen ja käsittelyn tehokkuuden kattavien arvioiden osalta.
1. Ilmastusjärjestelmän optimoinnin tutkimustila
Kansainvälinen tutkimus keskittyy kalvomateriaalien parantamiseen ja ilmastusmenetelmien innovaatioihin. Esimerkiksi saksalainen Supratec kehitti EPDM-kalvoja, joiden hapensiirtoteho on 0,33, ja US EPA -tutkimukset osoittavat, että mikro-kuplailmastus säästää yli 30 % energiaa perinteisiin menetelmiin verrattuna. Kotimaiset tutkijat, kuten Hu Peng, havaitsivat optimoinnin vähentävän kasvien energian käyttöä 15–25 prosenttia.
Nykyisessä tutkimuksessa on kuitenkin puutteita: laboratoriotutkimusten ylivoima todellisiin-tapauksiin verrattuna, keskittyminen lyhyen-vaikutuksiin pitkän-vakauden sijaan ja yksittäisten indikaattoreiden analysointi kattavien hyötyjen sijaan. Tässä tutkimuksessa arvioidaan systemaattisesti kalvonvaihdon kokonaisvaltaista vaikutusta hoidon tehokkuuteen ja energiankulutukseen pitkän aikavälin seurannan-kautta ja korjataan tutkimuspuutteita.
2. Tutkimuksen sisältö ja metodologia
Tässä tutkimuksessa käytettiin vertailevaa analyysia toimintatiedoista ennen ja jälkeen kalvon vaihdon (kesäkuu 2020 – maaliskuu 2022) Dongguanissa, Guangdongin osavaltiossa sijaitsevalla jätevesilaitoksella. Keskeisiä tutkimusalueita olivat: muutokset epäpuhtauksien poistotehokkuudessa, ilmastusjärjestelmän energiankulutuksen ominaisuudet, OTE:n parannusmekanismit ja tekninen -taloudellinen analyysi. Menetelmiin sisältyi kenttäseuranta ja laboratorioanalyysi.
2.1 Aiheen yleiskatsaus
Kotelojätevesilaitoksen suunnittelukapasiteetti on 20 000 m³/d, se käyttää A²/O-prosessia kunnallisen jäteveden käsittelyyn, palvelee noin 150 000 ihmistä ja sen todellinen päivittäinen virtaama on 18 000–24 000 m³. Alkuperäiset kumiset hienokuplahajottimet olivat olleet käytössä 8 vuotta, mikä osoittaa merkittävää ikääntymistä.
2.2 Päivityssuunnitelman suunnittelu
2.2.1 Hapentarpeen laskenta
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Huoltoalueen, hapen syöttökapasiteetin ja mahdollisen tukkeutumisen huomioon ottaen tarvittavaksi ilmansyötöksi laskettiin 2 400–4 800 m³/h (tulovirtaus 1 200 m³/h, ilman---vesisuhde 2–4). Tämä vastasi 480 metriä diffuusoriputkea (ilman syöttö 5–10 m³/h/metri), jonka palvelupinta-ala on alle 2,5 m²/metri, mikä mahdollistaa yli 380 kg/h hapensyötön.
2.2.2 Kalvon valinta
Suorituskykyvertailun perusteella (Taulukko 1), ottaen huomioon OTE, ilmavirtausalue ja hinta, valittiin EPDM-hienokuplakalvot. Tärkeimmät parametrit: OTE 0,33 (alkuperäistä korkeampi), ilmavirta 2–15 m³/h, käyttöikä 5–8 vuotta ja kustannustehokas yksikköhinta.
2.2.3 Valmistajan valinta
Kotimaisten toimittajien kuulemisen ja paikallisten kokemusten perusteella mela{0}}-tyyppiset EPDM-hajottimet valittiin niiden kattavan hapensyötön, asennusrakenteen ja hinnan suhteen. Kahteen biologiseen säiliöön asennettiin yhteensä 484 mittaria. Eri mallien tekniset parametrit on esitetty kohdassaTaulukko 2.
2.2.4 Korvaava toteutus
Vaihto kesäkuussa 2021 kesti 7 päivää ja sisälsi 484 metriä mela{3}}tyyppisiä diffuusoreita. Tehdas säilytti jatkuvan toiminnan toimimalla pienemmällä kapasiteetilla toisella puolella. Uudet kalvot, jotka on suunniteltu 5 m³/h, toimivat 4–8 m³/h.
2.3 Tiedonkeruu ja -analyysi
22 kuukauden käyttötiedot kerättiin ennen vaihtoa ja sen jälkeen neljästä kategoriasta: veden laatu (tulo-/jätevesi COD, NH₃-N), toimintaparametrit (koko ilman tilavuus, paine, DO), energiankulutus (ilmastusjärjestelmän sähkö, ilmastus kWh/m³) ja tehokkuus (OTE, Air{2}}Water{3}}o).
3. Muutokset epäpuhtauksien poistotehokkuudessa
3.1 COD-poisto
Korvauksen-jälkeinen COD-poisto parani merkittävästi. Jäteveden COD laski arvosta 14,2 mg/l arvoon 12,4 mg/l, ja poistonopeus nousi 93,5 %:sta 96,0 %:iin. Uusi järjestelmä osoitti myös parempaa vakautta huolimatta vaihtelevasta COD-arvosta (117–249 mg/L) (Kuva 1).
3.2 NH₃-N poisto
NH₃-N:n paraneminen oli selvempää. Vakailla tulotasoilla jäteveden NH₃-N laski keskiarvosta 2,3 mg/L arvoon 0,85 mg/L, ja poistoaste saavutti 94,1 % (Kuva 1). Tämä johtuu tasaisemmasta ilmastuksen jakautumisesta, mikä edistää nitrifiointiaineiden kasvua ja aktiivisuutta ja varmistaa vakaan NH₃-N-yhteensopivuuden.
4. Ilmastusjärjestelmän energiankulutusominaisuudet
4.1 Ilman-/-veden suhde
Ilman-/-veden suhde laski 3,4:stä alle 2,0:aan, kun taas aerobisen säiliön DO pysyi vakaana 0,5–1 mg/l:ssa (Kuva 2), mikä osoittaa parempaa tehokkuutta ja vakautta.
4.2 Ilmastusenergia kuutiometriä kohden vettä
Ilmastoinnin energiankulutus laski 0,073 kWh/m³:stä 0,052 kWh/m³:iin eli 28,3 %. Energiansäästövaikutus pysyi vakaana kuukausien ajan (Kuva 3), jotka osoittavat jatkuvaa luotettavuutta.
4.3 Energiankulutus poistettua epäpuhtausyksikköä kohti
Tämä mittari laski arvosta 0,32 kWh/kg arvoon 0,24 kWh/kg, mikä on 25 % vähennys (Kuva 4). Tämä osoittaa, että uudet kalvot eivät ainoastaan vähentäneet absoluuttista energiankäyttöä, vaan myös parantaneet energian käytön tehokkuutta epäpuhtauksien poistamiseen.
5. Mekanismit hapen käytön tehostamiseksi
5.1 Muutos hapensiirtotehokkuudessa
OTE nousi 15,10 %:sta 24,75 %:iin, parannus 63,9 % (Kuva 5). Tämä johtuu optimoidusta mikrohuokosrakenteesta ja uusien kalvojen tasaisemmasta kuplajakaumasta, mikä tehostaa happimassan siirtoa. Kehittynyt nanoteknologia mahdollisti hienojakoisemmat, tasaisemmin jakautuneet huokoset, lisäsi diffuusiota ja liukoisuutta.
5.2 Toimintaparametrien optimointi
Kuten näkyyTaulukko 3, vaihdon-jälkeinen kokonaisilmamäärä laski 18,4 %, mutta DO pysyi välillä 0,5–1 mg/l. Ilman-/-vesisuhde laski 3,4:1:stä 2,0:1:een, OTE kasvoi 63,9 % ja ilmastusenergia per m³ laski 28,3 %. Nämä kattavat optimoinnit paransivat energian käyttöä, toiminnan tehokkuutta ja veden laatua.
6. Tekninen-taloudellinen analyysi
6.1 Investoinnin takaisinmaksuaika
Kokonaisinvestointi oli 163 900 CNY (kalvot, kuljetus, asennus, käyttöönotto). 0,021 kWh/m³:n energiansäästön, 0,7 CNY/kWh:n sähköhinnan ja 24 000 m³:n keskimääräisen päivittäisen virtauksen perusteella vuotuinen sähkönsäästö on 128 800 CNY. Yksinkertainen takaisinmaksuaika on noin 15 kuukautta, mikä osoittaa merkittävää taloudellista hyötyä.
6.2 Ympäristöhyödyt
8,76 miljoonan m³:n vuosikäsittelyn perusteella vuotuinen sähkönsäästö on 184 000 kWh, mikä vastaa 184 tonnia CO₂-päästöjen vähentämistä. Parannettu epäpuhtauksien poisto lisää ympäristöhyötyjä ja varmistaa vakaamman jätevesien vaatimustenmukaisuuden vähentäen ympäristöriskejä.
7. Johtopäätös
EPDM-hienokupladiffuusorikalvojen korvaaminen nosti OTE:n merkittävästi 24,75 prosenttiin ja pienensi ilmastusenergian kulutusta 28,3 %, mikä osoittaa hyvää tekno-taloudellista suorituskykyä. Uusi järjestelmä nosti COD- ja NH₃-N-poistoasteet 96,0 prosenttiin ja 94,1 prosenttiin, paransi järjestelmän sietokykyä kuormituksen vaihteluille ja saavutti yksinkertaisen noin 15 kuukauden takaisinmaksuajan. Tämä lähestymistapa sopii energiaintensiivisille kunnallisille jätevedenkäsittelylaitoksille, jotka pyrkivät parantamaan laatua ja tehokkuutta ja joilla on merkittävää myynninedistämisarvoa.