Uppgradering och effektivitetsvinster av fina bubbeldiffusormembran i kommunala reningsverk
Luftningssystemet, en central komponent i reningsprocessen för aktivt slam, påverkar direkt reningseffektiviteten och driftskostnaderna. Statistik visar att luftning kan stå för 40 % till 60 % av en typisk reningsverks totala energiförbrukning. Diffusormembranet, nyckelmediet för syreöverföring, bestämmer syreöverföringseffektiviteten (OTE) och energiförbrukningsnivån. Med tiden lider membran ofta av åldrande, igensättning och skador, vilket leder till minskad OTE och avsevärt ökad energianvändning.
Kina har över 4 000 kommunala reningsverk med en årlig reningskapacitet på över 60 miljarder m³. Den årliga elförbrukningen för luftningssystem överstiger 100 miljarder kWh. Därför är optimering av luftningssystem och förbättring av OTE avgörande för att uppnå "Dual Carbon"-mål. Empiriska studier om utbyte av diffusormembran i inhemska kommunala reningsverk är dock knapphändiga, särskilt när det gäller omfattande bedömningar av energiförbrukning och reningseffektivitet.
1. Forskningsstatus för optimering av luftningssystem
Internationell forskning fokuserar på förbättring av membranmaterial och innovation av luftningsmetoder. Till exempel utvecklade Tysklands Supratec EPDM-membran med en syreöverföringseffektivitet på 0,33, och amerikanska EPA-studier visar att mikro-bubbelluftning sparar över 30 % energi jämfört med traditionella metoder. Inhemska forskare som Hu Peng fann att optimering kan minska växtenergianvändningen med 15–25 %.
Befintlig forskning har dock brister: laboratoriestudier dominerar över verkliga-världsfall, fokus på kortsiktiga-effekter framför långsiktig-stabilitet och analys av enskilda indikatorer framför omfattande fördelar. Den här studien, genom långtidsövervakning, utvärderar systematiskt den omfattande effekten av membranersättning på behandlingseffektivitet och energiförbrukning, och åtgärdar ett forskningsklyfta.
2. Forskningsinnehåll och metodik
Denna studie använde en jämförande analys av driftsdata före och efter membranbyte (juni 2020 – mars 2022) vid ett reningsverk i Dongguan, Guangdong. Nyckelforskningsområden inkluderade: förändringar i effektiviteten i avlägsnandet av föroreningar, luftningssystemets energiförbrukningsegenskaper, OTE-förbättringsmekanismer och teknisk-ekonomisk analys. Metoderna involverade fältövervakning och labbanalys.
2.1 Ämnesöversikt
Fallavloppsreningsverket har en designkapacitet på 20 000 m³/d, använder en A²/O-process för kommunalt avlopp, betjänar cirka 150 000 personer och har ett faktiskt dagligt flöde på 18 000–24 000 m³. De ursprungliga bubbeldiffusorerna av gummi hade varit i drift i 8 år och visade betydande åldring.
2.2 Design av uppgraderingsplan
2.2.1 Syrebehovsberäkning
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Med tanke på serviceyta, syretillförselkapacitet och potentiell igensättning beräknades den erforderliga lufttillförseln till 2 400–4 800 m³/h (inflöde 1 200 m³/h, luft-till-vattenförhållande 2–4). Detta motsvarade 480 meter diffusorslang (lufttillförsel 5–10 m³/h per meter), med en servicearea under 2,5 m² per meter, vilket tillåter en maximal syretillförsel som överstiger 380 kg/h.
2.2.2 Membranval
Baserat på prestandajämförelse (Tabell 1), med hänsyn till OTE, luftflödesintervall och kostnad, valdes EPDM-finbubblamembran. Nyckelparametrar: OTE 0,33 (högre än original), luftflöde 2–15 m³/h, livslängd 5–8 år och ett kostnads-effektivt enhetspris.
2.2.3 Val av tillverkare
Efter att ha rådfrågat inhemska leverantörer och övervägt lokal erfarenhet valdes EPDM-diffusorer av -typ för deras omfattande fördelar i syretillförsel, installationsstruktur och pris. Totalt installerades 484 meter över två biologiska tankar. Tekniska parametrar för olika modeller visas iTabell 2.
2.2.4 Ersättningsimplementering
Bytet i juni 2021 tog 7 dagar och involverade 484 meter paddel-diffusorer. Anläggningen upprätthöll kontinuerlig drift genom att köra med reducerad kapacitet på ena sidan. De nya membranen, designade för 5 m³/h, fungerade i 4–8 m³/h.
2.3 Datainsamling och analys
22 månaders driftsdata samlades in före och efter utbyte i fyra kategorier: vattenkvalitet (influent/effluent COD, NH₃-N), driftsparametrar (total luftvolym, tryck, DO), energiförbrukning (luftningssystemets elektricitet, luftning kWh/m³) och effektivitet (OTE, Water-).
3. Förändringar i effektiviteten för borttagning av föroreningar
3.1 COD-borttagning
Efter-byte förbättrades COD-borttagningen avsevärt. COD avloppsvatten minskade från 14,2 mg/L till 12,4 mg/L, och avlägsningsgraden ökade från 93,5 % till 96,0 %. Det nya systemet visade också bättre stabilitet trots fluktuerande inflytande COD (117–249 mg/L) (Bild 1).
3,2 NH₃-N-borttagning
Förbättringen var mer uttalad för NH₃-N. Med stabila inflödesnivåer minskade avloppsvattnet NH₃-N från i genomsnitt 2,3 mg/L till 0,85 mg/L, och avlägsningshastigheten nådde 94,1 % (Bild 1). Detta tillskrivs en mer enhetlig luftningsfördelning, främjande av nitrifierstillväxt och aktivitet, vilket säkerställer stabil NH₃-N-efterlevnad.
4. Luftningssystemets energiförbrukningsegenskaper
4.1 Förhållandet luft-till-vatten
Förhållandet luft-till-vatten minskade från 3,4 till under 2,0, medan aerob tank DO förblev stabil på 0,5–1 mg/L (Figur 2), vilket indikerar högre effektivitet och stabilitet.
4.2 Luftningsenergi per kubikmeter vatten
Energiförbrukningen för luftning minskade från 0,073 kWh/m³ till 0,052 kWh/m³, en minskning med 28,3%. Energispareffekten var stabil över månader (Figur 3), som visar konsekvent tillförlitlighet.
4.3 Energiförbrukning per enhet borttagen förorening
Detta mått minskade från 0,32 kWh/kg till 0,24 kWh/kg, en minskning med 25 % (Figur 4). Detta indikerar att de nya membranen inte bara minskade den absoluta energianvändningen utan också förbättrade effektiviteten i energianvändningen för att ta bort föroreningar.
5. Mekanismer för förbättrad syreanvändningseffektivitet
5.1 Förändring i syreöverföringseffektivitet
OTE ökade från 15,10 % till 24,75 %, en förbättring på 63,9 % (Figur 5). Detta beror på den optimerade mikro-porstrukturen och en mer enhetlig bubbelfördelning av de nya membranen, vilket förbättrar överföringen av syremassa. Avancerad nanoteknik möjliggjorde finare, mer likformigt fördelade porer, vilket ökade diffusion och löslighet.
5.2 Optimering av driftsparametrar
Som visas iTabell 3, efter-utbyte minskade den totala luftvolymen med 18,4 % samtidigt som DO bibehölls mellan 0,5–1 mg/L. Förhållandet luft-till-vatten minskade från 3,4:1 till 2,0:1, OTE ökade med 63,9 % och luftningsenergin per m³ minskade med 28,3 %. Dessa omfattande optimeringar förbättrade energianvändningen, driftseffektiviteten och vattenkvaliteten.
6. Teknisk-ekonomisk analys
6.1 Återbetalningstid för investeringar
Den totala investeringen var 163 900 CNY (membran, transport, installation, driftsättning). Baserat på energibesparingar på 0,021 kWh/m³, ett elpris på 0,7 CNY/kWh och ett genomsnittligt dygnsflöde på 24 000 m³, är den årliga elbesparingen 128 800 CNY. Den enkla återbetalningstiden är cirka 15 månader, vilket indikerar betydande ekonomiska fördelar.
6.2 Miljöfördelar
Baserat på en årlig rening på 8,76 miljoner m³ är den årliga elbesparingen 184 000 kWh, vilket motsvarar en minskning av CO₂-utsläppen med 184 ton. Förbättrat avlägsnande av föroreningar ökar miljöfördelarna och säkerställer mer stabil efterlevnad av avloppsvatten, vilket minskar miljörisker.
7. Slutsats
Genom att ersätta med EPDM-diffusormembran med fina bubbel ökade OTE avsevärt till 24,75 % och minskade luftningsenergiförbrukningen med 28,3 %, vilket visar på god teknisk-ekonomisk prestanda. Det nya systemet ökade COD- och NH₃-N-borttagningshastigheten till 96,0 % respektive 94,1 %, förbättrade systemets motståndskraft mot belastningsfluktuationer och uppnådde en enkel återbetalningstid på cirka 15 månader. Det här tillvägagångssättet är lämpligt för-energiintensiva kommunala reningsverk som söker kvalitets- och effektivitetsförbättringar, som visar betydande reklamvärde.