Verbetering en efficiëntiewinst van fijne bellendiffusormembranen in gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties
Het beluchtingssysteem, een kerncomponent van het afvalwaterzuiveringsproces van actief slib, heeft een directe invloed op de doeltreffendheid van de behandeling en de operationele kosten. Statistieken tonen aan dat beluchting 40% tot 60% van het totale energieverbruik van een typische AWZI kan uitmaken. Het diffusormembraan, het belangrijkste medium voor zuurstofoverdracht, bepaalt de zuurstofoverdrachtsefficiëntie (OTE) en het energieverbruik. Na verloop van tijd lijden membranen vaak aan veroudering, verstopping en schade, wat leidt tot verminderde OTE en een aanzienlijk hoger energieverbruik.
China heeft ruim 4.000 gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties met een jaarlijkse zuiveringscapaciteit van meer dan 60 miljard m³. Het jaarlijkse elektriciteitsverbruik van beluchtingssystemen bedraagt meer dan 100 miljard kWh. Daarom is het optimaliseren van beluchtingssystemen en het verbeteren van OTE cruciaal voor het bereiken van de ‘Dual Carbon’-doelen. Empirische studies over de vervanging van diffusormembranen in huishoudelijke gemeentelijke waterzuiveringsinstallaties zijn echter schaars, vooral wat betreft uitgebreide beoordelingen van het energieverbruik en de zuiveringsefficiëntie.
1. Onderzoeksstatus van optimalisatie van beluchtingssysteem
Internationaal onderzoek richt zich op membraanmateriaalverbetering en innovatie van beluchtingsmethoden. Het Duitse Supratec heeft bijvoorbeeld EPDM-membranen ontwikkeld met een zuurstofoverdrachtsrendement van 0,33, en uit Amerikaanse EPA-onderzoeken blijkt dat beluchting met micro{2}}bellen ruim 30% energie bespaart vergeleken met traditionele methoden. Binnenlandse onderzoekers zoals Hu Peng ontdekten dat optimalisatie het energieverbruik van planten met 15% tot 25% zou kunnen verminderen.
Bestaand onderzoek heeft echter tekortkomingen: de overheersing van laboratoriumstudies boven gevallen uit de echte{0}}wereld, de nadruk op korte-effecten boven stabiliteit op de lange- termijn, en analyse van afzonderlijke indicatoren boven alomvattende voordelen. Deze studie evalueert, door middel van langetermijnmonitoring- systematisch de uitgebreide impact van membraanvervanging op de behandelingsefficiëntie en het energieverbruik, waarmee een onderzoekslacune wordt aangepakt.
2. Onderzoeksinhoud en -methodologie
Deze studie maakte gebruik van een vergelijkende analyse van operationele gegevens vóór en na membraanvervanging (juni 2020 – maart 2022) op een waterzuiveringsinstallatie in Dongguan, Guangdong. Belangrijke onderzoeksgebieden waren onder meer: veranderingen in de efficiëntie van de verwijdering van verontreinigende stoffen, kenmerken van het energieverbruik van het beluchtingssysteem, OTE-verbeteringsmechanismen en techno-economische analyse. Methoden omvatten veldmonitoring en laboratoriumanalyse.
2.1 Onderwerpoverzicht
De huidige afvalwaterzuiveringsinstallatie heeft een ontwerpcapaciteit van 20.000 m³/d, maakt gebruik van een A²/O-proces voor gemeentelijk rioolwater, bedient ongeveer 150.000 mensen en heeft een feitelijk dagelijks debiet van 18.000–24.000 m³. De originele rubberen diffusers met fijne bellen waren al 8 jaar in gebruik en vertoonden aanzienlijke veroudering.
2.2 Ontwerp van een upgradeplan
2.2.1 Berekening van het zuurstofverbruik
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/u. Rekening houdend met het servicegebied, de zuurstoftoevoercapaciteit en potentiële verstoppingen, werd de vereiste luchttoevoer berekend op 2.400–4.800 m³/u (influent 1.200 m³/u, lucht-tot-waterverhouding 2–4). Dit kwam neer op 480 meter diffusorslang (luchttoevoer 5–10 m³/u per meter), met een serviceoppervlak van minder dan 2,5 m² per meter, waardoor een maximale zuurstoftoevoer van meer dan 380 kg/u mogelijk is.
2.2.2 Membraanselectie
Gebaseerd op prestatievergelijking (Tabel 1), rekening houdend met OTE, luchtstroombereik en kosten, werd gekozen voor EPDM-membranen met fijne bellen. Belangrijkste parameters: OTE 0,33 (hoger dan origineel), luchtstroom 2–15 m³/u, levensduur 5–8 jaar en een kosten-effectieve eenheidsprijs.
2.2.3 Fabrikantselectie
Na overleg met binnenlandse leveranciers en rekening houdend met lokale ervaringen, werden EPDM-diffusors van het type paddle- gekozen vanwege hun uitgebreide voordelen op het gebied van zuurstoftoevoer, installatiestructuur en prijs. Er werden in totaal 484 meters geïnstalleerd, verdeeld over twee biologische tanks. Technische parameters van verschillende modellen worden weergegeven inTabel 2.
2.2.4 Vervangingsimplementatie
De vervanging in juni 2021 duurde zeven dagen, waarbij 484 meter aan diffusers van het type paddle- betrokken was. De fabriek bleef continu draaien door aan één kant met verminderde capaciteit te draaien. De nieuwe membranen, ontworpen voor 5 m³/u, werkten op 4–8 m³/u.
2.3 Gegevensverzameling en -analyse
Er werden 22 maanden aan operationele gegevens verzameld vóór en na vervanging in vier categorieën: waterkwaliteit (influent/effluent CZV, NH₃-N), operationele parameters (totaal luchtvolume, druk, DO), energieverbruik (elektriciteit beluchtingssysteem, beluchting kWh/m³) en efficiëntie (OTE, lucht-tot-waterverhouding).
3. Veranderingen in de efficiëntie van de verwijdering van verontreinigende stoffen
3.1 Remboursverwijdering
Na-vervanging is de verwijdering onder rembours aanzienlijk verbeterd. Het CZV in het effluent daalde van 14,2 mg/l naar 12,4 mg/l en het verwijderingspercentage nam toe van 93,5% naar 96,0%. Het nieuwe systeem vertoonde ook een betere stabiliteit ondanks fluctuerend influent CZV (117–249 mg/l) (Figuur 1).
3.2 NH₃-N Verwijdering
De verbetering was meer uitgesproken voor NH₃-N. Met stabiele influentniveaus daalde het effluent NH₃-N van gemiddeld 2,3 mg/l naar 0,85 mg/l en bereikte het verwijderingspercentage 94,1% (Figuur 1). Dit wordt toegeschreven aan een meer uniforme beluchtingsdistributie, waardoor de groei en activiteit van nitrificeerders wordt bevorderd en een stabiele NH₃-N-conformiteit wordt gegarandeerd.
4. Kenmerken van het energieverbruik van het beluchtingssysteem
4.1 Lucht-tot-verhouding van water
De lucht{0}}tot-waterverhouding daalde van 3,4 naar minder dan 2,0, terwijl de DO in de aërobe tank stabiel bleef op 0,5–1 mg/l (Figuur 2), wat wijst op een hogere efficiëntie en stabiliteit.
4.2 Beluchtingsenergie per kubieke meter water
Het energieverbruik voor beluchting daalde van 0,073 kWh/m³ naar 0,052 kWh/m³, een reductie van 28,3%. Het energiebesparingseffect was maandenlang stabiel (Figuur 3), wat een consistente betrouwbaarheid laat zien.
4.3 Energieverbruik per eenheid verwijderde verontreinigende stof
Deze maatstaf daalde van 0,32 kWh/kg naar 0,24 kWh/kg, een reductie van 25% (Figuur 4). Dit geeft aan dat de nieuwe membranen niet alleen het absolute energieverbruik hebben verminderd, maar ook de efficiëntie van het energieverbruik voor de verwijdering van verontreinigende stoffen hebben verbeterd.
5. Mechanismen voor een betere efficiëntie van het zuurstofgebruik
5.1 Verandering in de efficiëntie van de zuurstofoverdracht
OTE steeg van 15,10% naar 24,75%, een verbetering van 63,9% (Figuur 5). Dit komt door de geoptimaliseerde micro-poriënstructuur en een meer uniforme belverdeling van de nieuwe membranen, waardoor de overdracht van zuurstofmassa wordt verbeterd. Geavanceerde nanotechnologie maakte fijnere, gelijkmatiger verdeelde poriën mogelijk, waardoor de diffusie en oplosbaarheid toenamen.
5.2 Optimalisatie van operationele parameters
Zoals weergegeven inTabel 3Na-vervanging daalde het totale luchtvolume met 18,4%, terwijl de DO tussen 0,5 en 1 mg/l bleef. De lucht{5}}tot-waterverhouding daalde van 3,4:1 naar 2,0:1, OTE steeg met 63,9% en de beluchtingsenergie per m³ daalde met 28,3%. Deze uitgebreide optimalisaties verbeterden het energieverbruik, de operationele efficiëntie en de waterkwaliteit.
6. Techno-Economische analyse
6.1 Terugverdientijd van investeringen
De totale investering bedroeg 163.900 CNY (membranen, transport, installatie, inbedrijfstelling). Gebaseerd op een energiebesparing van 0,021 kWh/m³, een elektriciteitsprijs van 0,7 CNY/kWh en een gemiddelde dagelijkse stroom van 24.000 m³, bedraagt de jaarlijkse elektriciteitsbesparing 128.800 CNY. De eenvoudige terugverdientijd bedraagt ongeveer 15 maanden, wat wijst op aanzienlijke economische voordelen.
6.2 Milieuvoordelen
Op basis van de jaarlijkse behandeling van 8,76 miljoen m³ bedraagt de jaarlijkse elektriciteitsbesparing 184.000 kWh, wat overeenkomt met een vermindering van de CO₂-uitstoot met 184 ton. Verbeterde verwijdering van verontreinigende stoffen vergroot de milieuvoordelen en zorgt voor een stabielere effluentconformiteit, waardoor de milieurisico's worden verminderd.
7. Conclusie
Vervanging door diffusormembranen met fijne belletjes van EPDM verhoogde de OTE aanzienlijk tot 24,75% en verminderde het energieverbruik voor de beluchting met 28,3%, wat goede techno-economische prestaties aantoont. Het nieuwe systeem verhoogde de CZV- en NH₃-N-verwijderingspercentages tot respectievelijk 96,0% en 94,1%, verbeterde de veerkracht van het systeem tegen belastingsschommelingen en bereikte een eenvoudige terugverdientijd van ongeveer 15 maanden. Deze aanpak is geschikt voor energie-intensieve gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties die op zoek zijn naar kwaliteits- en efficiëntieverbeteringen en een aanzienlijke promotionele waarde hebben.