Peningkatan dan Keuntungan Kecekapan Membran Peresap Buih Halus di Loji Rawatan Air Sisa Perbandaran
Sistem pengudaraan, komponen teras proses rawatan air sisa enapcemar teraktif, secara langsung memberi kesan kepada keberkesanan rawatan dan kos operasi. Statistik menunjukkan bahawa pengudaraan boleh menyumbang 40% hingga 60% daripada jumlah penggunaan tenaga biasa WWTP. Membran peresap, medium utama untuk pemindahan oksigen, menentukan kecekapan pemindahan oksigen (OTE) dan tahap penggunaan tenaga. Dari masa ke masa, membran biasanya mengalami penuaan, tersumbat dan kerosakan, yang membawa kepada penurunan OTE dan peningkatan penggunaan tenaga dengan ketara.
China mempunyai lebih 4,000 WWTP perbandaran dengan kapasiti rawatan tahunan melebihi 60 bilion m³. Penggunaan elektrik tahunan sistem pengudaraan melebihi 100 bilion kWj. Oleh itu, mengoptimumkan sistem pengudaraan dan menambah baik OTE adalah penting untuk mencapai matlamat "Dual Carbon". Walau bagaimanapun, kajian empirikal mengenai penggantian membran peresap dalam WWTP perbandaran domestik adalah terhad, terutamanya mengenai penilaian komprehensif penggunaan tenaga dan kecekapan rawatan.
1. Status Penyelidikan Pengoptimuman Sistem Pengudaraan
Penyelidikan antarabangsa memfokuskan kepada peningkatan bahan membran dan inovasi kaedah pengudaraan. Contohnya, Supratec Jerman membangunkan membran EPDM dengan kecekapan pemindahan oksigen sebanyak 0.33 dan kajian EPA AS menunjukkan-pengudaraan buih mikro menjimatkan lebih 30% tenaga berbanding kaedah tradisional. Penyelidik domestik seperti Hu Peng mendapati pengoptimuman boleh mengurangkan penggunaan tenaga tumbuhan sebanyak 15%–25%.
Walau bagaimanapun, penyelidikan sedia ada mempunyai kelemahan: penguasaan kajian makmal berbanding kes dunia-sebenar, fokus pada kesan jangka pendek-ke atas kestabilan-jangka panjang dan analisis penunjuk tunggal ke atas manfaat menyeluruh. Kajian ini, melalui-pemantauan jangka panjang, menilai secara sistematik kesan menyeluruh penggantian membran terhadap kecekapan rawatan dan penggunaan tenaga, menangani jurang penyelidikan.
2. Kandungan dan Metodologi Penyelidikan
Kajian ini menggunakan analisis perbandingan data operasi sebelum dan selepas penggantian membran (Jun 2020 – Mac 2022) di WWTP di Dongguan, Guangdong. Bidang penyelidikan utama termasuk: perubahan dalam kecekapan penyingkiran bahan pencemar, ciri penggunaan tenaga sistem pengudaraan, mekanisme peningkatan OTE dan analisis-ekonomi. Kaedah melibatkan pemantauan lapangan dan analisis makmal.
2.1 Gambaran Keseluruhan Mata Pelajaran
Kes WWTP mempunyai kapasiti reka bentuk 20,000 m³/d, menggunakan proses A²/O untuk kumbahan perbandaran, memberi perkhidmatan kepada kira-kira 150,000 orang, dan mempunyai aliran harian sebenar 18,000–24,000 m³. Peresap gelembung halus getah asli telah beroperasi selama 8 tahun, menunjukkan penuaan yang ketara.
2.2 Naik Taraf Reka Bentuk Pelan
2.2.1 Pengiraan Permintaan Oksigen
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/j. Memandangkan kawasan perkhidmatan, kapasiti bekalan oksigen dan kemungkinan tersumbat, bekalan udara yang diperlukan dikira sebagai 2,400–4,800 m³/j (influen 1,200 m³/j, Udara-ke-Nisbah Air 2–4). Ini bersamaan dengan 480 meter tiub peresap (bekalan udara 5–10 m³/j per meter), dengan kawasan perkhidmatan di bawah 2.5 m² semeter, membenarkan bekalan oksigen maksimum melebihi 380 kg/j.
2.2.2 Pemilihan Membran
Berdasarkan perbandingan prestasi (Jadual 1), memandangkan OTE, julat aliran udara dan kos, membran gelembung halus EPDM telah dipilih. Parameter utama: OTE 0.33 (lebih tinggi daripada asal), aliran udara 2–15 m³/j, hayat perkhidmatan 5–8 tahun dan kos-harga unit yang efektif.
2.2.3 Pemilihan Pengeluar
Selepas berunding dengan pembekal domestik dan mempertimbangkan pengalaman tempatan, peresap EPDM jenis{0}}kayuh telah dipilih untuk kelebihan komprehensif mereka dalam bekalan oksigen, struktur pemasangan dan harga. Sebanyak 484 meter dipasang merentasi dua tangki biologi. Parameter teknikal model berbeza ditunjukkan dalamJadual 2.
2.2.4 Pelaksanaan Penggantian
Penggantian pada Jun 2021 mengambil masa 7 hari, melibatkan 484 meter penyebar jenis{3}}kayuh. Kilang itu mengekalkan operasi berterusan dengan berjalan pada kapasiti yang dikurangkan pada satu sisi. Membran baru, direka untuk 5 m³/j, beroperasi pada 4–8 m³/j.
2.3 Pengumpulan dan Analisis Data
Data operasi selama 22 bulan dikumpul sebelum dan selepas penggantian merentas empat kategori: kualiti air (COD influen/efluen, NH₃-N), parameter operasi (jumlah isipadu udara, tekanan, DO), penggunaan tenaga (elektrik sistem pengudaraan, pengudaraan kWh/m³), dan kecekapan (OTE, Udara-Nisbah Air{{3}).
3. Perubahan dalam Kecekapan Penyingkiran Bahan Pencemaran
3.1 Pembuangan COD
Selepas-penggantian, penyingkiran COD bertambah baik dengan ketara. COD efluen menurun daripada 14.2 mg/L kepada 12.4 mg/L, dan kadar penyingkiran meningkat daripada 93.5% kepada 96.0%. Sistem baharu ini juga menunjukkan kestabilan yang lebih baik walaupun COD mempengaruhi turun naik (117–249 mg/L) (Rajah 1).
3.2 NH₃-N Pembuangan
Penambahbaikan lebih ketara untuk NH₃-N. Dengan tahap influen yang stabil, efluen NH₃-N menurun daripada purata 2.3 mg/L kepada 0.85 mg/L, dan kadar penyingkiran mencapai 94.1% (Rajah 1). Ini disebabkan oleh pengedaran pengudaraan yang lebih seragam, menggalakkan pertumbuhan dan aktiviti nitrifier, memastikan pematuhan NH₃-N yang stabil.
4. Ciri-ciri Penggunaan Tenaga Sistem Pengudaraan
4.1 Nisbah Udara-kepada-Air
Nisbah Udara-kepada-Air menurun daripada 3.4 kepada di bawah 2.0, manakala tangki aerobik DO kekal stabil pada 0.5–1 mg/L (Rajah 2), menunjukkan kecekapan dan kestabilan yang lebih tinggi.
4.2 Tenaga Pengudaraan bagi setiap Meter Kubik Air
Penggunaan tenaga pengudaraan menurun daripada 0.073 kWj/m³ kepada 0.052 kWj/m³, pengurangan sebanyak 28.3%. Kesan penjimatan tenaga adalah stabil sepanjang bulan (Rajah 3), menunjukkan kebolehpercayaan yang konsisten.
4.3 Penggunaan Tenaga setiap Unit Bahan Pencemaran Dibuang
Metrik ini menurun daripada 0.32 kWj/kg kepada 0.24 kWj/kg, pengurangan sebanyak 25% (Rajah 4). Ini menunjukkan membran baru bukan sahaja mengurangkan penggunaan tenaga mutlak tetapi juga meningkatkan kecekapan penggunaan tenaga untuk penyingkiran bahan pencemar.
5. Mekanisme untuk Meningkatkan Kecekapan Penggunaan Oksigen
5.1 Perubahan dalam Kecekapan Pemindahan Oksigen
OTE meningkat daripada 15.10% kepada 24.75%, peningkatan 63.9% (Rajah 5). Ini disebabkan oleh struktur liang mikro-yang dioptimumkan dan pengagihan gelembung yang lebih seragam pada membran baharu, meningkatkan pemindahan jisim oksigen. Nanoteknologi lanjutan membolehkan pori-pori teragih yang lebih halus, lebih seragam, meningkatkan resapan dan keterlarutan.
5.2 Pengoptimuman Parameter Operasi
Seperti yang ditunjukkan dalamJadual 3, selepas-penggantian, jumlah isipadu udara berkurangan sebanyak 18.4% sambil mengekalkan DO antara 0.5–1 mg/L. Nisbah Udara-kepada-Air dikurangkan daripada 3.4:1 kepada 2.0:1, OTE meningkat sebanyak 63.9% dan tenaga pengudaraan per m³ menurun sebanyak 28.3%. Pengoptimuman komprehensif ini meningkatkan penggunaan tenaga, kecekapan operasi dan kualiti air.
6. Techno-Analisis Ekonomi
6.1 Tempoh Bayaran Balik Pelaburan
Jumlah pelaburan ialah 163,900 CNY (membran, pengangkutan, pemasangan, pentauliahan). Berdasarkan penjimatan tenaga sebanyak 0.021 kWj/m³, harga elektrik 0.7 CNY/kWj, dan purata aliran harian sebanyak 24,000 m³, penjimatan elektrik tahunan ialah 128,800 CNY. Tempoh bayaran balik yang mudah adalah kira-kira 15 bulan, menunjukkan manfaat ekonomi yang ketara.
6.2 Faedah Alam Sekitar
Berdasarkan rawatan tahunan sebanyak 8.76 juta m³, penjimatan elektrik tahunan ialah 184,000 kWj, bersamaan dengan mengurangkan pelepasan CO₂ sebanyak 184 tan. Penyingkiran bahan pencemar yang lebih baik meningkatkan faedah alam sekitar dan memastikan pematuhan efluen yang lebih stabil, mengurangkan risiko alam sekitar.
7. Kesimpulan
Menggantikan dengan membran penyebar gelembung halus EPDM dengan ketara meningkatkan OTE kepada 24.75% dan mengurangkan penggunaan tenaga pengudaraan sebanyak 28.3%, menunjukkan prestasi ekonomi-teknologi yang baik. Sistem baharu ini meningkatkan kadar penyingkiran COD dan NH₃-N kepada 96.0% dan 94.1%, masing-masing, meningkatkan daya tahan sistem terhadap turun naik pemuatan dan mencapai tempoh bayaran balik yang mudah selama kira-kira 15 bulan. Pendekatan ini sesuai untuk-WWTP perbandaran intensif tenaga yang mencari peningkatan kualiti dan kecekapan, menunjukkan nilai promosi yang ketara.