Millora i guanys d'eficiència de les membranes difusores de bombolles fines a les plantes de tractament d'aigües residuals municipals
El sistema d'aireació, un component bàsic del procés de tractament d'aigües residuals de fangs activats, afecta directament l'eficàcia del tractament i els costos operatius. Les estadístiques mostren que l'aireació pot representar entre el 40% i el 60% del consum energètic total d'una EDAR típica. La membrana difusora, el medi clau per a la transferència d'oxigen, determina l'eficiència de transferència d'oxigen (OTE) i el nivell de consum d'energia. Amb el pas del temps, les membranes solen patir envelliment, obstrucció i danys, cosa que provoca una disminució de l'OTE i un ús d'energia significativament augmentat.
La Xina té més de 4.000 EDAR municipals amb una capacitat de tractament anual que supera els 60.000 milions de m³. El consum anual d'electricitat dels sistemes d'aireació supera els 100.000 milions de kWh. Per tant, optimitzar els sistemes d'aireació i millorar l'OTE és crucial per assolir els objectius de "Dual Carbon". Tanmateix, els estudis empírics sobre la substitució de membranes difusores a les EDAR municipals domèstiques són escassos, especialment pel que fa a avaluacions exhaustives del consum d'energia i l'eficiència del tractament.
1. Estat de recerca de l'optimització del sistema d'aireació
La investigació internacional se centra en la millora del material de la membrana i la innovació del mètode d'aireació. Per exemple, Supratec d'Alemanya va desenvolupar membranes EPDM amb una eficiència de transferència d'oxigen de 0,33, i els estudis de l'EPA dels EUA indiquen que l'aireació de micro-bombolles estalvia més d'un 30% d'energia en comparació amb els mètodes tradicionals. Investigadors nacionals com Hu Peng van trobar que l'optimització podria reduir l'ús d'energia de les plantes entre un 15% i un 25%.
No obstant això, la investigació existent té deficiències: predomini dels estudis de laboratori sobre els casos reals-del món real, enfocament en els efectes a curt-termen sobre l'estabilitat a-a llarg termini i l'anàlisi d'indicadors únics per sobre dels beneficis complets. Aquest estudi, mitjançant un-monitoratge a llarg termini, avalua sistemàticament l'impacte integral de la substitució de membranes en l'eficiència del tractament i el consum d'energia, abordant una bretxa de recerca.
2. Continguts i metodologia de la recerca
Aquest estudi va utilitzar una anàlisi comparativa de dades operatives abans i després de la substitució de la membrana (juny de 2020 - març de 2022) en una EDAR a Dongguan, Guangdong. Les àrees de recerca clau inclouen: canvis en l'eficiència d'eliminació de contaminants, característiques del consum d'energia del sistema d'aireació, mecanismes de millora de l'OTE i anàlisi tecno-econòmica. Els mètodes van implicar el seguiment de camp i l'anàlisi de laboratori.
2.1 Visió general de l'assignatura
L'EDAR del cas té una capacitat de disseny de 20.000 m³/d, utilitza un procés A²/O per a les aigües residuals municipals, dóna servei a unes 150.000 persones i té un cabal diari real de 18.000 a 24.000 m³. Els difusors de bombolles fines de goma originals havien estat en funcionament durant 8 anys, mostrant un envelliment important.
2.2 Disseny del pla d'actualització
2.2.1 Càlcul de la demanda d'oxigen
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Tenint en compte l'àrea de servei, la capacitat de subministrament d'oxigen i l'obstrucció potencial, es va calcular que el subministrament d'aire requerit era de 2.400 a 4.800 m³/h (influent 1.200 m³/h, relació aire-a-aigua 2-4). Això equival a 480 metres de tub difusor (subministrament d'aire 5-10 m³/h per metre), amb una àrea de servei inferior a 2,5 m² per metre, permetent un subministrament màxim d'oxigen superior a 380 kg/h.
2.2.2 Selecció de membrana
Basat en la comparació de rendiment (Taula 1), tenint en compte l'OTE, el rang de flux d'aire i el cost, es van seleccionar membranes de bombolla fina d'EPDM. Paràmetres clau: OTE 0,33 (superior a l'original), flux d'aire de 2 a 15 m³/h, vida útil de 5 a 8 anys i un preu unitari -efectiu.
2.2.3 Selecció del fabricant
Després de consultar els proveïdors nacionals i tenir en compte l'experiència local, es van triar els difusors d'EPDM tipus paleta-per les seves avantatges integrals en el subministrament d'oxigen, l'estructura d'instal·lació i el preu. Es van instal·lar un total de 484 metres en dos dipòsits biològics. Es mostren els paràmetres tècnics dels diferents modelsTaula 2.
2.2.4 Implementació de substitució
La substitució el juny de 2021 va trigar 7 dies, amb 484 metres de difusors tipus pale-. La planta va mantenir un funcionament continu funcionant a capacitat reduïda per un costat. Les noves membranes, dissenyades per a 5 m³/h, funcionaven a 4–8 m³/h.
2.3 Recollida i anàlisi de dades
Es van recollir 22 mesos de dades operatives abans i després de la substitució en quatre categories: qualitat de l'aigua (COD afluent/efluent, NH₃-N), paràmetres operatius (volum total d'aire, pressió, DO), consum d'energia (electricitat del sistema d'aireació, ventilació kWh/m³) i eficiència (OTE, proporció aire-a{3}W).
3. Canvis en l'eficiència d'eliminació de contaminants
3.1 Eliminació del COD
Després de la-substitució, l'eliminació de COD ha millorat significativament. El DQO efluent va disminuir de 14,2 mg/L a 12,4 mg/L i la taxa d'eliminació va augmentar del 93,5% al 96,0%. El nou sistema també va demostrar una millor estabilitat malgrat la fluctuació de la DQO d'influent (117-249 mg/L) (Figura 1).
Eliminació de 3,2 NH₃-N
La millora va ser més pronunciada per al NH₃-N. Amb nivells d'afluents estables, l'efluent NH₃-N va disminuir d'una mitjana de 2,3 mg/L a 0,85 mg/L i la taxa d'eliminació va arribar al 94,1% (Figura 1). Això s'atribueix a una distribució de l'aireació més uniforme, que promou el creixement i l'activitat dels nitrificadors, garantint el compliment estable de NH₃-N.
4. Característiques del consum d'energia del sistema d'aireació
4.1 Relació aire-a-aigua
La relació aire-a-aigua va disminuir de 3,4 a menys de 2,0, mentre que el DO del tanc aeròbic es va mantenir estable a 0,5-1 mg/L (Figura 2), que indica una major eficiència i estabilitat.
4.2 Energia d'aireació per metre cúbic d'aigua
El consum d'energia d'aireació va disminuir de 0,073 kWh/m³ a 0,052 kWh/m³, una reducció del 28,3%. L'efecte d'estalvi d'energia es va mantenir estable durant mesos (Figura 3), mostrant una fiabilitat constant.
4.3 Consum d'energia per unitat de contaminant eliminat
Aquesta mètrica va disminuir de 0,32 kWh/kg a 0,24 kWh/kg, una reducció del 25% (Figura 4). Això indica que les noves membranes no només van reduir l'ús absolut d'energia, sinó que també van millorar l'eficiència de l'ús d'energia per a l'eliminació de contaminants.
5. Mecanismes per millorar l'eficiència en l'ús de l'oxigen
5.1 Canvi en l'eficiència de transferència d'oxigen
L'OTE va augmentar del 15,10% al 24,75%, una millora del 63,9% (Figura 5). Això es deu a l'estructura de micro-porus optimitzada i a una distribució de bombolles més uniforme de les noves membranes, millorant la transferència de massa d'oxigen. La nanotecnologia avançada va permetre porus més fins i distribuïts de manera més uniforme, augmentant la difusió i la solubilitat.
5.2 Optimització de Paràmetres Operatius
Com es mostra aTaula 3, després de la-substitució, el volum total d'aire va disminuir un 18,4% mentre es mantenia el DO entre 0,5 i 1 mg/L. La relació aire-a-aigua es va reduir de 3,4:1 a 2,0:1, l'OTE va augmentar un 63,9% i l'energia d'aireació per m³ es va reduir un 28,3%. Aquestes optimitzacions integrals van millorar l'ús d'energia, l'eficiència operativa i la qualitat de l'aigua.
6. Anàlisi tecno-econòmica
6.1 Període d'amortització de la inversió
La inversió total va ser de 163.900 CNY (membranes, transport, instal·lació, posada en marxa). A partir d'un estalvi d'energia de 0,021 kWh/m³, un preu de l'electricitat de 0,7 CNY/kWh i un cabal mitjà diari de 24.000 m³, l'estalvi d'electricitat anual és de 128.800 CNY. El període d'amortització simple és d'aproximadament 15 mesos, el que indica beneficis econòmics significatius.
6.2 Beneficis ambientals
Basat en un tractament anual de 8,76 milions de m³, l'estalvi anual d'electricitat és de 184.000 kWh, equivalent a reduir les emissions de CO₂ en 184 tones. La millora de l'eliminació de contaminants millora els beneficis ambientals i garanteix un compliment més estable dels efluents, reduint els riscos ambientals.
7. Conclusió
La substitució de membranes difusores de bombolles fines per EPDM va augmentar significativament l'OTE fins al 24,75% i va reduir el consum d'energia d'aireació en un 28,3%, demostrant un bon rendiment tecno-econòmic. El nou sistema va augmentar les taxes d'eliminació de COD i NH₃-N fins al 96,0% i el 94,1%, respectivament, va millorar la resistència del sistema a les fluctuacions de càrrega i va aconseguir un període d'amortització simple d'uns 15 mesos. Aquest enfocament és adequat per a les EDAR municipals-intensives en energia que busquen millores en la qualitat i l'eficiència, amb un valor promocional important.