Komunalinių nuotekų valymo įrenginių smulkių burbulinių difuzorių membranų atnaujinimas ir efektyvumo padidėjimas
Aeracijos sistema, pagrindinė aktyviojo dumblo nuotekų valymo proceso sudedamoji dalis, tiesiogiai veikia valymo efektyvumą ir eksploatavimo išlaidas. Statistika rodo, kad vėdinimas gali sudaryti nuo 40 % iki 60 % viso tipinio NVĮ suvartojamos energijos. Difuzoriaus membrana, pagrindinė deguonies perdavimo terpė, lemia deguonies perdavimo efektyvumą (OTE) ir energijos suvartojimo lygį. Laikui bėgant membranos dažniausiai sensta, užsikemša ir pažeidžiamos, todėl sumažėja OTE ir žymiai padidėja energijos suvartojimas.
Kinijoje yra daugiau nei 4000 komunalinių NV, kurių metinis valymo pajėgumas viršija 60 mlrd. m³. Aeracijos sistemų metinis elektros suvartojimas viršija 100 milijardų kWh. Todėl aeracijos sistemų optimizavimas ir OTE tobulinimas yra labai svarbūs norint pasiekti „Dual Carbon“ tikslus. Tačiau empirinių tyrimų apie difuzoriaus membranos pakeitimą buitinių komunalinių NV yra nedaug, ypač atsižvelgiant į išsamų energijos suvartojimo ir valymo efektyvumo vertinimą.
1. Aeracijos sistemos optimizavimo tyrimo būklė
Tarptautiniai tyrimai orientuoti į membraninių medžiagų tobulinimą ir aeracijos metodų naujoves. Pavyzdžiui, Vokietijos „Supratec“ sukūrė EPDM membranas, kurių deguonies perdavimo efektyvumas yra 0,33, o JAV EPA tyrimai rodo, kad mikro-aeracija su burbulais sutaupo daugiau nei 30 % energijos, palyginti su tradiciniais metodais. Vietiniai mokslininkai, tokie kaip Hu Peng, nustatė, kad optimizavimas gali sumažinti augalų energijos suvartojimą 15–25%.
Tačiau esami tyrimai turi trūkumų: laboratoriniai tyrimai vyrauja prieš realius{0}}pasaulio atvejus, dėmesys sutelkiamas į trumpalaikį-efektą, o ne į ilgalaikį- stabilumą, ir pavienių rodiklių analizė, o ne visapusiška nauda. Šiame tyrime, atliekant ilgalaikę-stebėjimą, sistemingai vertinamas visapusis membranos pakeitimo poveikis gydymo efektyvumui ir energijos suvartojimui, pašalinant mokslinių tyrimų spragą.
2. Tyrimo turinys ir metodika
Šiame tyrime buvo atlikta lyginamoji veiklos duomenų analizė prieš ir po membranos pakeitimo (2020 m. birželio mėn. – 2022 m. kovo mėn.) NVĮ Dongguan mieste, Guangdonge. Pagrindinės tyrimų sritys: teršalų šalinimo efektyvumo pokyčiai, aeracijos sistemos energijos suvartojimo charakteristikos, OTE tobulinimo mechanizmai ir techno{3}}ekonominė analizė. Metodai apėmė lauko stebėjimą ir laboratorinę analizę.
2.1 Dalyko apžvalga
Korpuso NV projektinis našumas yra 20 000 m³/d, komunalinėms nuotekoms naudojamas A²/O procesas, aptarnauja apie 150 000 žmonių, o faktinis dienos debitas yra 18 000–24 000 m³. Originalūs guminiai smulkių burbuliukų difuzoriai buvo eksploatuojami 8 metus, todėl buvo pastebimas senėjimas.
2.2 Atnaujinimo plano dizainas
2.2.1 Deguonies poreikio apskaičiavimas
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/val. Atsižvelgiant į aptarnaujamą plotą, deguonies tiekimo pajėgumus ir galimą užsikimšimą, apskaičiuotas reikalingas oro tiekimas yra 2 400–4 800 m³/h (įteka 1 200 m³/h, oro - ir -vandens santykis 2–4). Tai prilygo 480 metrų difuzoriaus vamzdžių (oro tiekimas 5–10 m³/h vienam metrui), o aptarnavimo plotas mažesnis nei 2,5 m² vienam metrui, o maksimalus deguonies tiekimas viršija 380 kg/h.
2.2.2 Membranos pasirinkimas
Remiantis našumo palyginimu (1 lentelė), atsižvelgiant į OTE, oro srauto diapazoną ir kainą, buvo pasirinktos EPDM smulkios burbulinės membranos. Pagrindiniai parametrai: OTE 0,33 (didesnis nei originalus), oro srautas 2–15 m³/h, tarnavimo laikas 5–8 metai ir ekonomiška vieneto kaina.
2.2.3 Gamintojo pasirinkimas
Pasikonsultavus su vietiniais tiekėjais ir įvertinus vietinę patirtį, paddle{0}}tipo EPDM difuzoriai buvo pasirinkti dėl visapusių deguonies tiekimo, montavimo struktūros ir kainos pranašumų. Iš viso per dvi biologines talpyklas buvo sumontuoti 484 skaitikliai. Skirtingų modelių techniniai parametrai pateikti2 lentelė.
2.2.4 Pakeitimo įgyvendinimas
2021 m. birželio mėn. keitimas truko 7 dienas, o tai apėmė 484 metrus padelio tipo difuzorių. Gamykla išlaikė nepertraukiamą veikimą vienoje pusėje dirbdama sumažintu pajėgumu. Naujos membranos, skirtos 5 m³/val., veikė 4–8 m³/val.
2.3 Duomenų rinkimas ir analizė
22 mėnesių eksploataciniai duomenys buvo renkami prieš ir po pakeitimo pagal keturias kategorijas: vandens kokybę (įtekančio / nuotekų ChDS, NH₃-N), eksploatacinius parametrus (bendras oro tūris, slėgis, DO), energijos sąnaudas (aeracijos sistemos elektra, aeracijos kWh/m³) ir efektyvumą (OTE, oro{2}}to{3}}}).
3. Teršalų šalinimo efektyvumo pokyčiai
3.1 COD pašalinimas
Po{0}}pakeitimo COD pašalinimas žymiai pagerėjo. Nuotekų ChDS sumažėjo nuo 14,2 mg/l iki 12,4 mg/L, o pašalinimo greitis padidėjo nuo 93,5% iki 96,0%. Naujoji sistema taip pat parodė geresnį stabilumą, nepaisant svyruojančio įtekančio COD (117–249 mg/l) (1 pav).
3.2 NH₃-N pašalinimas
NH₃-N pagerėjimas buvo ryškesnis. Esant pastoviems įtekamiesiems kiekiams, nuotekų NH₃-N sumažėjo nuo vidutiniškai 2,3 mg/L iki 0,85 mg/L, o pašalinimo greitis pasiekė 94,1 % (1 pav). Taip yra dėl tolygesnio aeracijos pasiskirstymo, skatinančio nitrifikatorių augimą ir aktyvumą, užtikrinant stabilų NH₃-N atitiktį.
4. Aeracijos sistemos energijos suvartojimo charakteristikos
4.1 Oro-ir-vandens santykis
Oro -ir-vandens santykis sumažėjo nuo 3,4 iki žemiau 2,0, o aerobinio bako DO išliko stabilus – 0,5–1 mg/l (2 pav), tai rodo didesnį efektyvumą ir stabilumą.
4.2 Aeracijos energija vienam kubiniam metrui vandens
Aeracijos energijos sąnaudos sumažėjo nuo 0,073 kWh/m³ iki 0,052 kWh/m³, tai sumažėjo 28,3%. Energijos taupymo efektas išliko stabilus visus mėnesius (3 pav), rodantis nuolatinį patikimumą.
4.3 Pašalinto teršalo vieneto energijos suvartojimas
Šis rodiklis sumažėjo nuo 0,32 kWh/kg iki 0,24 kWh/kg, tai yra 25 % (4 pav). Tai rodo, kad naujos membranos ne tik sumažino absoliutų energijos suvartojimą, bet ir pagerino energijos naudojimo efektyvumą teršalų pašalinimui.
5. Deguonies panaudojimo efektyvumo gerinimo mechanizmai
5.1 Deguonies perdavimo efektyvumo pokytis
OTE padidėjo nuo 15,10 % iki 24,75 %, pagerėjimas 63,9 % (5 pav). Taip yra dėl optimizuotos mikro-porų struktūros ir tolygesnio burbuliukų pasiskirstymo naujose membranose, o tai pagerina deguonies masės perdavimą. Pažangios nanotechnologijos leido smulkesnes, tolygiau paskirstytas poras, padidino difuziją ir tirpumą.
5.2 Veiklos parametrų optimizavimas
Kaip parodyta3 lentelė, po-pakeitimo bendras oro tūris sumažėjo 18,4 %, išlaikant 0,5–1 mg/l DO. Oro-ir-vandens santykis sumažėjo nuo 3,4:1 iki 2,0:1, OTE padidėjo 63,9%, o aeracijos energija vienam m³ sumažėjo 28,3%. Šie išsamūs optimizavimai pagerino energijos naudojimą, veiklos efektyvumą ir vandens kokybę.
6. Techno-ekonominė analizė
6.1 Investicijų atsipirkimo laikotarpis
Bendra investicija buvo 163 900 CNY (membranos, transportavimas, montavimas, paleidimas). Remiantis 0,021 kWh/m³ energijos sutaupymu, 0,7 CNY/kWh elektros kaina ir 24 000 m³ vidutiniu paros debitu, per metus sutaupoma 128 800 CNY. Paprastas atsipirkimo laikotarpis yra maždaug 15 mėnesių, o tai rodo didelę ekonominę naudą.
6.2 Nauda aplinkai
Kasmet apdorojant 8,76 mln. m³, per metus sutaupoma 184 000 kWh elektros energijos, o tai atitinka CO₂ emisijos sumažinimą 184 tonomis. Patobulintas teršalų pašalinimas padidina naudą aplinkai ir užtikrina stabilesnį nuotekų atitikimą, sumažinant riziką aplinkai.
7. Išvada
Pakeitus EPDM smulkių burbuliukų difuzoriaus membranas, OTE žymiai padidėjo iki 24,75 %, o aeracijos energijos sąnaudos sumažėjo 28,3 %, o tai rodo gerus techno-ekonominius rezultatus. Naujoji sistema padidino COD ir NH₃-N pašalinimo rodiklius atitinkamai iki 96,0 % ir 94,1 %, padidino sistemos atsparumą apkrovos svyravimams ir pasiekė paprastą maždaug 15 mėnesių atsipirkimo laikotarpį. Šis metodas tinka daug energijai{9}}naudojantiems komunaliniams NVĮ, kurie siekia pagerinti kokybę ir efektyvumą, o tai rodo didelę reklaminę vertę.