Модернизация и повышение эффективности мелкопузырчатых диффузорных мембран на муниципальных очистных сооружениях
Система аэрации, основной компонент процесса очистки сточных вод активным илом, напрямую влияет на эффективность очистки и эксплуатационные расходы. Статистика показывает, что на аэрацию может приходиться от 40% до 60% общего энергопотребления типичной станции очистки сточных вод. Мембрана диффузора, ключевая среда для переноса кислорода, определяет эффективность переноса кислорода (OTE) и уровень энергопотребления. Со временем мембраны обычно стареют, засоряются и повреждаются, что приводит к снижению OTE и значительному увеличению энергопотребления.
В Китае имеется более 4000 муниципальных очистных сооружений с годовой мощностью очистки, превышающей 60 миллиардов м³. Годовое потребление электроэнергии системами аэрации превышает 100 миллиардов кВтч. Поэтому оптимизация систем аэрации и улучшение OTE имеют решающее значение для достижения целей «двойного углерода». Однако эмпирических исследований по замене диффузионных мембран на отечественных городских очистных сооружениях мало, особенно в отношении комплексной оценки энергопотребления и эффективности очистки.
1. Состояние исследований по оптимизации системы аэрации
Международные исследования сосредоточены на совершенствовании мембранных материалов и инновациях в методах аэрации. Например, немецкая компания Supratec разработала мембраны из EPDM с эффективностью переноса кислорода 0,33, а исследования Агентства по охране окружающей среды США показывают, что аэрация микро-пузырьками экономит более 30 % энергии по сравнению с традиционными методами. Отечественные исследователи, такие как Ху Пэн, обнаружили, что оптимизация может снизить потребление энергии растениями на 15–25%.
Однако существующие исследования имеют недостатки: преобладание лабораторных исследований над реальными-случаями, акцент на краткосрочных-эффектах над долгосрочной-стабильностью и анализ отдельных показателей над комплексными преимуществами. Это исследование, посредством долгосрочного-мониторинга, систематически оценивает всестороннее влияние замены мембран на эффективность лечения и потребление энергии, устраняя пробел в исследованиях.
2. Содержание и методология исследования.
В этом исследовании использовался сравнительный анализ эксплуатационных данных до и после замены мембраны (июнь 2020 г. – март 2022 г.) на очистных сооружениях в Дунгуане, Гуандун. Ключевые области исследований включали: изменение эффективности удаления загрязняющих веществ, характеристики энергопотребления системы аэрации, механизмы улучшения OTE и технико--экономический анализ. Методы включали полевой мониторинг и лабораторный анализ.
2.1 Обзор предмета
В данном случае очистные сооружения имеют проектную мощность 20 000 м³/сут, используют процесс A²/O для городских сточных вод, обслуживают около 150 000 человек и имеют фактический ежедневный расход 18 000–24 000 м³. Оригинальные резиновые мелкопузырчатые диффузоры прослужили 8 лет и показали значительный износ.
2.2 Разработка плана обновления
2.2.1 Расчет потребности в кислороде
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 кг/ч. С учетом зоны обслуживания, мощности подачи кислорода и возможного засорения требуемая подача воздуха была рассчитана как 2400–4800 м³/ч (приток 1200 м³/ч, соотношение воздуха-к-воды 2–4). Это соответствует 480 метрам диффузорных трубок (подача воздуха 5–10 м³/ч на метр) с площадью обслуживания менее 2,5 м² на метр, что позволяет обеспечить максимальную подачу кислорода, превышающую 380 кг/ч.
2.2.2 Выбор мембраны
На основе сравнения производительности (Таблица 1), учитывая OTE, диапазон воздушного потока и стоимость, были выбраны мелкопузырчатые мембраны из EPDM. Основные параметры: ОТЕ 0,33 (выше оригинала), расход воздуха 2–15 м³/ч, срок службы 5–8 лет, экономичная-цена за единицу.
2.2.3 Выбор производителя
После консультаций с отечественными поставщиками и учета местного опыта были выбраны диффузоры из EPDM лопастного-типа из-за их комплексных преимуществ в подаче кислорода, конструкции установки и цене. Всего в двух биологических резервуарах было установлено 484 метра. Технические параметры различных моделей показаны наТаблица 2.
2.2.4 Реализация замены
Замена в июне 2021 года заняла 7 дней и включала 484 метра лопастных диффузоров-типа. Завод поддерживал непрерывную работу, работая с пониженной производительностью с одной стороны. Новые мембраны, рассчитанные на производительность 5 м³/ч, работали со скоростью 4–8 м³/ч.
2.3 Сбор и анализ данных
До и после замены были собраны эксплуатационные данные за 22 месяца по четырем категориям: качество воды (ХПК притока/стока, NH₃-N), эксплуатационные параметры (общий объем воздуха, давление, DO), потребление энергии (электричество системы аэрации, аэрация кВтч/м³) и эффективность (OTE, соотношение воздуха-к-воды).
3. Изменения в эффективности удаления загрязняющих веществ
3.1 Удаление наложенного платежа
После-замены удаление наложенного платежа значительно улучшилось. ХПК в сточных водах снизился с 14,2 мг/л до 12,4 мг/л, а степень удаления увеличилась с 93,5% до 96,0%. Новая система также продемонстрировала лучшую стабильность, несмотря на колебания входящего ХПК (117–249 мг/л) (Рисунок 1).
3.2 Удаление NH₃-N
Улучшение было более выраженным для NH₃-N. При стабильных уровнях притока содержание NH₃-N в стоках снизилось в среднем с 2,3 мг/л до 0,85 мг/л, а степень удаления достигла 94,1% (Рисунок 1). Это объясняется более равномерным распределением аэрации, способствующим росту и активности нитрификаторов, обеспечивая стабильное соблюдение NH₃-N.
4. Характеристики энергопотребления системы аэрации
4.1 Соотношение воздуха-и-воды
Соотношение воздуха-к-воде снизилось с 3,4 до уровня ниже 2,0, в то время как уровень растворенного кислорода в аэробных резервуарах оставался стабильным на уровне 0,5–1 мг/л (Рисунок 2), что указывает на более высокую эффективность и стабильность.
4.2 Энергия аэрации на кубический метр воды
Потребление энергии аэрации снизилось с 0,073 кВтч/м³ до 0,052 кВтч/м³, снижение на 28,3%. Эффект энергосбережения был стабильным на протяжении нескольких месяцев (Рисунок 3), демонстрируя постоянную надежность.
4.3 Потребление энергии на единицу удаленного загрязнителя
Этот показатель снизился с 0,32 кВтч/кг до 0,24 кВтч/кг, снижение на 25% (Рисунок 4). Это указывает на то, что новые мембраны не только снизили абсолютное потребление энергии, но и повысили эффективность использования энергии для удаления загрязняющих веществ.
5. Механизмы повышения эффективности использования кислорода.
5.1 Изменение эффективности переноса кислорода
OTE увеличился с 15,10% до 24,75%, улучшение на 63,9% (Рисунок 5). Это связано с оптимизированной микро-структурой пор и более равномерным распределением пузырьков новых мембран, что улучшает массоперенос кислорода. Передовые нанотехнологии позволили создать более мелкие и равномерно распределенные поры, увеличив диффузию и растворимость.
5.2 Оптимизация эксплуатационных параметров
Как показано вТаблица 3После-замены общий объем воздуха снизился на 18,4 % при сохранении уровня растворенного кислорода в пределах 0,5–1 мг/л. Соотношение воздуха-к-воде снизилось с 3,4:1 до 2,0:1, OTE увеличилось на 63,9 %, а энергия аэрации на м³ снизилась на 28,3 %. Эти комплексные оптимизации позволили улучшить энергопотребление, эксплуатационную эффективность и качество воды.
6. Техно-экономический анализ
6.1 Срок окупаемости инвестиций
Общий объем инвестиций составил 163 900 юаней (мембраны, транспорт, монтаж, ввод в эксплуатацию). Учитывая экономию энергии 0,021 кВтч/м³, цену на электроэнергию 0,7 юаней/кВтч и среднесуточный расход 24 000 м³, годовая экономия электроэнергии составит 128 800 юаней. Простой срок окупаемости составляет примерно 15 месяцев, что указывает на значительную экономическую выгоду.
6.2 Экологические преимущества
При ежегодной очистке 8,76 млн м³ годовая экономия электроэнергии составит 184 000 кВтч, что эквивалентно сокращению выбросов CO₂ на 184 тонны. Улучшенное удаление загрязняющих веществ увеличивает экологические преимущества и обеспечивает более стабильное соблюдение требований по очистке сточных вод, снижая экологические риски.
7. Заключение
Замена мелкопузырчатых диффузионных мембран на EPDM позволила значительно повысить коэффициент полезного действия (ОТЭ) до 24,75 % и снизить энергопотребление аэрации на 28,3 %, продемонстрировав хорошие технико--экономические показатели. Новая система увеличила степень удаления ХПК и NH₃-N до 96,0% и 94,1% соответственно, повысила устойчивость системы к колебаниям нагрузки и обеспечила простой срок окупаемости, составляющий около 15 месяцев. Этот подход подходит для энергоемких муниципальных очистных сооружений, требующих повышения качества и эффективности, и демонстрирует значительную рекламную ценность.