ارتقاء و بهره وری غشاهای پخش کننده حباب ریز در تصفیه خانه های فاضلاب شهری
سیستم هوادهی، جزء اصلی فرآیند تصفیه فاضلاب لجن فعال، مستقیماً بر کارایی تصفیه و هزینه های عملیاتی تأثیر می گذارد. آمارها نشان می دهد که هوادهی می تواند 40 تا 60 درصد از کل مصرف انرژی یک WWTP معمولی را تشکیل دهد. غشای پخش کننده، محیط کلیدی برای انتقال اکسیژن، بازده انتقال اکسیژن (OTE) و سطح مصرف انرژی را تعیین می کند. با گذشت زمان، غشاها معمولاً دچار پیری، گرفتگی و آسیب می شوند که منجر به کاهش OTE و افزایش قابل توجه مصرف انرژی می شود.
چین بیش از 4000 WWTP شهری با ظرفیت تصفیه سالانه بیش از 60 میلیارد متر مکعب دارد. مصرف برق سالانه سیستم های هوادهی بیش از 100 میلیارد کیلووات ساعت است. بنابراین، بهینه سازی سیستم های هوادهی و بهبود OTE برای دستیابی به اهداف "Dual Carbon" بسیار مهم است. با این حال، مطالعات تجربی در مورد جایگزینی غشای دیفیوزر در WWTP های شهری داخلی، به ویژه در مورد ارزیابی های جامع مصرف انرژی و کارایی تصفیه، کمیاب است.
1. وضعیت تحقیق بهینه سازی سیستم هوادهی
تحقیقات بین المللی بر بهبود مواد غشایی و نوآوری روش هوادهی متمرکز است. به عنوان مثال، سوپراتک آلمان غشاهای EPDM را با راندمان انتقال اکسیژن 0.33 توسعه داده است و مطالعات EPA ایالات متحده نشان می دهد که هوادهی حباب کوچک بیش از 30٪ در مصرف انرژی در مقایسه با روش های سنتی صرفه جویی می کند. محققان داخلی مانند هو پنگ دریافتند که بهینه سازی می تواند مصرف انرژی گیاه را بین 15 تا 25 درصد کاهش دهد.
با این حال، تحقیقات موجود دارای کاستی هایی است: غلبه مطالعات آزمایشگاهی بر{0}}موارد واقعی، تمرکز بر اثرات کوتاه مدت- بر پایداری بلند مدت-، و تجزیه و تحلیل شاخص های منفرد بر مزایای جامع. این مطالعه، از طریق نظارت بلندمدت، به طور سیستماتیک تأثیر جامع جایگزینی غشاء را بر راندمان تصفیه و مصرف انرژی ارزیابی میکند و به شکاف تحقیقاتی میپردازد.
2. محتوا و روش تحقیق
این مطالعه از تجزیه و تحلیل مقایسه ای داده های عملیاتی قبل و بعد از جایگزینی غشاء (ژوئن 2020 - مارس 2022) در یک WWTP در Dongguan، Guangdong استفاده کرد. حوزههای تحقیقاتی کلیدی عبارتند از: تغییرات در راندمان حذف آلایندهها، ویژگیهای مصرف انرژی سیستم هوادهی، مکانیسمهای بهبود OTE، و تجزیه و تحلیل فنی{3}}اقتصادی. روشها شامل نظارت میدانی و تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی بود.
2.1 بررسی اجمالی موضوع
WWTP موردی دارای ظرفیت طراحی 20000 مترمکعب در روز است، از فرآیند A²/O برای فاضلاب شهری استفاده می کند، تقریباً به 150000 نفر خدمات رسانی می کند و دارای جریان روزانه 18000-24000 مترمکعب است. پخشکنندههای حباب ریز لاستیکی اولیه به مدت 8 سال کار میکردند و پیری قابل توجهی را نشان میدادند.
2.2 طراحی طرح ارتقا
2.2.1 محاسبه تقاضای اکسیژن
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 کیلوگرم در ساعت با در نظر گرفتن منطقه خدماتی، ظرفیت تامین اکسیژن و گرفتگی احتمالی، هوای مورد نیاز 2400-4800 مترمکعب در ساعت محاسبه شد (مقدار ورودی 1200 مترمکعب در ساعت، نسبت هوا به آب 2-4). این معادل 480 متر لوله پخش کننده (تامین هوا 5 تا 10 مترمربع بر ساعت در هر متر)، با مساحت خدمات زیر 2.5 متر مربع در هر متر است که حداکثر اکسیژن رسانی را بیش از 380 کیلوگرم در ساعت می دهد.
2.2.2 انتخاب غشاء
بر اساس مقایسه عملکرد (جدول 1با در نظر گرفتن OTE، محدوده جریان هوا و هزینه، غشاهای حباب ریز EPDM انتخاب شدند. پارامترهای کلیدی: OTE 0.33 (بالاتر از اصلی)، جریان هوا 2-15 مترمربع در ساعت، عمر مفید 5-8 سال، و قیمت واحد مقرون به صرفه{6}.
2.2.3 انتخاب سازنده
پس از مشورت با تامینکنندگان داخلی و در نظر گرفتن تجربه محلی، پخشکنندههای پارویی-نوع EPDM به دلیل مزایای جامع در تامین اکسیژن، ساختار نصب و قیمت انتخاب شدند. در مجموع 484 متر روی دو مخزن بیولوژیکی نصب شد. پارامترهای فنی مدل های مختلف در نشان داده شده استجدول 2.
2.2.4 اجرای جایگزین
تعویض در ژوئن 2021 7 روز به طول انجامید که شامل 484 متر پارویی-نوع دیفیوزر بود. این نیروگاه با کارکردن با ظرفیت کاهش یافته از یک طرف به کار مداوم خود ادامه داد. غشاهای جدید، طراحی شده برای 5 m³ / ساعت، در 4-8 m³ / ساعت کار می کنند.
2.3 جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده ها
22 ماه دادههای عملیاتی قبل و بعد از تعویض در چهار دسته جمعآوری شد: کیفیت آب (COD ورودی/ خروجی، NH3{1}}N)، پارامترهای عملیاتی (حجم کل هوا، فشار، DO)، مصرف انرژی (الکتریسیته سیستم هوادهی، هوادهی کیلووات ساعت در مترمربع)، و راندمان (OTE، Air{3tio{2}W)
3. تغییرات در راندمان حذف آلاینده
3.1 حذف COD
جایگزینی پست، حذف COD به طور قابل توجهی بهبود یافت. COD پساب از 14.2 میلی گرم در لیتر به 12.4 میلی گرم در لیتر کاهش یافت و نرخ حذف از 93.5٪ به 96.0٪ افزایش یافت. سیستم جدید همچنین با وجود نوسان COD ورودی (117-249 میلی گرم در لیتر) پایداری بهتری را نشان داد.شکل 1).
3.2 NH3-N حذف
بهبود برای NH3-N بارزتر بود. با سطوح ورودی پایدار، پساب NH3-N از میانگین 2.3 میلی گرم در لیتر به 0.85 میلی گرم در لیتر کاهش یافت و سرعت حذف به 94.1٪ رسید.شکل 1). این امر به توزیع هوادهی یکنواخت تر، ترویج رشد و فعالیت نیتریفایر، تضمین انطباق NH3- پایدار نسبت داده می شود.
4. ویژگی های مصرف انرژی سیستم هوادهی
4.1 نسبت هوا به آب
نسبت هوا به آب از 3.4 به کمتر از 2.0 کاهش یافت، در حالی که DO تانک هوازی در 0.5-1 میلی گرم در لیتر ثابت ماند.شکل 2) نشان دهنده کارایی و پایداری بالاتر است.
4.2 انرژی هوادهی در هر متر مکعب آب
مصرف انرژی هوادهی از 0.073 کیلووات ساعت در متر مکعب به 0.052 کیلووات ساعت در متر مکعب کاهش یافت که 28.3 درصد کاهش داشت. اثر صرفه جویی در انرژی در طول ماه ها ثابت بود (شکل 3، قابلیت اطمینان ثابت را نشان می دهد.
4.3 مصرف انرژی به ازای هر واحد آلاینده حذف شده
این معیار از 0.32 کیلووات ساعت بر کیلوگرم به 0.24 کیلووات ساعت بر کیلوگرم کاهش یافت که 25 درصد کاهش داشت.شکل 4). این نشان میدهد که غشاهای جدید نه تنها مصرف انرژی مطلق را کاهش میدهند، بلکه کارایی مصرف انرژی را برای حذف آلایندهها نیز بهبود میبخشند.
5. مکانیسم هایی برای بهبود بهره وری استفاده از اکسیژن
5.1 تغییر در راندمان انتقال اکسیژن
OTE از 15.10% به 24.75% افزایش یافت، یک بهبود 63.9% (شکل 5). این به دلیل ساختار میکرو{1}}بهینه شده و توزیع حباب یکنواخت تر غشاهای جدید است که انتقال جرم اکسیژن را افزایش می دهد. نانوتکنولوژی پیشرفته به منافذ ریزتر و توزیع یکنواخت تر، افزایش انتشار و حلالیت اجازه می دهد.
5.2 بهینه سازی پارامترهای عملیاتی
همانطور که در نشان داده شده استجدول 3پس از جایگزینی، حجم کل هوا 18.4٪ کاهش یافت در حالی که DO بین 0.5-1 میلی گرم در لیتر حفظ شد. نسبت هوا به آب از 3.4:1 به 2.0:1 کاهش یافت، OTE 63.9٪ افزایش یافت و انرژی هوادهی در هر متر مکعب 28.3٪ کاهش یافت. این بهینه سازی های جامع باعث بهبود مصرف انرژی، کارایی عملیاتی و کیفیت آب شد.
6. تکنو{1}}تحلیل اقتصادی
6.1 دوره بازگشت سرمایه
کل سرمایه گذاری 163900 یوان (ممبران، حمل و نقل، نصب، راه اندازی) بود. بر اساس صرفه جویی در انرژی 0.021 کیلووات ساعت بر متر مکعب، قیمت برق 0.7 یوان / کیلووات ساعت و متوسط جریان روزانه 24000 متر مکعب، صرفه جویی سالانه برق 128800 یوان است. دوره بازپرداخت ساده تقریباً 15 ماه است که نشان دهنده مزایای اقتصادی قابل توجهی است.
6.2 مزایای زیست محیطی
بر اساس تصفیه سالانه 8.76 میلیون متر مکعب، صرفه جویی سالانه برق 184000 کیلووات ساعت است که معادل کاهش انتشار CO2 به میزان 184 تن است. حذف آلاینده بهبود یافته، مزایای زیست محیطی را افزایش می دهد و انطباق پایدارتر پساب را تضمین می کند و خطرات زیست محیطی را کاهش می دهد.
7. نتیجه گیری
جایگزینی با غشاهای پخش کننده حباب ریز EPDM به طور قابل توجهی OTE را به 24.75٪ افزایش داد و مصرف انرژی هوادهی را تا 28.3٪ کاهش داد که عملکرد اقتصادی فنی خوبی را نشان داد. سیستم جدید نرخ حذف COD و NH3-N را به ترتیب به 96.0% و 94.1% افزایش داد، انعطافپذیری سیستم را در برابر نوسانات بار افزایش داد و به یک دوره بازپرداخت ساده در حدود 15 ماه دست یافت. این رویکرد برای WWTPهای شهری با انرژی{9} فشرده که به دنبال بهبود کیفیت و کارایی هستند و ارزش تبلیغاتی قابل توجهی را نشان میدهد، مناسب است.