การอัพเกรดและประสิทธิภาพของเมมเบรนกระจายฟองละเอียดในโรงบำบัดน้ำเสียชุมชน
ระบบเติมอากาศซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของกระบวนการบำบัดน้ำเสียแบบตะกอนเร่ง ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการบำบัดและต้นทุนการดำเนินงาน สถิติแสดงให้เห็นว่าการเติมอากาศคิดเป็น 40% ถึง 60% ของการใช้พลังงานทั้งหมดของ WWTP โดยทั่วไป เมมเบรนกระจายตัวซึ่งเป็นสื่อหลักสำหรับการถ่ายโอนออกซิเจน จะกำหนดประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจน (OTE) และระดับการใช้พลังงาน เมื่อเวลาผ่านไป เมมเบรนมักจะประสบกับความชรา การอุดตัน และความเสียหาย ส่งผลให้ OTE ลดลงและการใช้พลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก
ประเทศจีนมี WWTP ของเทศบาลมากกว่า 4,000 แห่ง โดยมีความสามารถในการบำบัดต่อปีเกิน 6 หมื่นล้านลูกบาศก์เมตร ปริมาณการใช้ไฟฟ้าต่อปีของระบบเติมอากาศเกิน 100 พันล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพระบบเติมอากาศและการปรับปรุง OTE จึงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการบรรลุเป้าหมาย "Dual Carbon" อย่างไรก็ตาม การศึกษาเชิงประจักษ์เกี่ยวกับการเปลี่ยนเมมเบรนตัวกระจายสัญญาณใน WWTP ของเทศบาลภายในประเทศนั้นยังไม่เพียงพอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับการประเมินการใช้พลังงานและประสิทธิภาพการบำบัดอย่างครอบคลุม
1. สถานะการวิจัยการเพิ่มประสิทธิภาพระบบเติมอากาศ
การวิจัยระดับนานาชาติมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงวัสดุเมมเบรนและนวัตกรรมวิธีการเติมอากาศ ตัวอย่างเช่น Supratec ของเยอรมนีพัฒนาเมมเบรน EPDM ที่มีประสิทธิภาพการถ่ายโอนออกซิเจนที่ 0.33 และการศึกษาของ US EPA ระบุว่าการเติมอากาศแบบฟองขนาดเล็ก-ช่วยประหยัดพลังงานได้มากกว่า 30% เมื่อเทียบกับวิธีการแบบเดิม นักวิจัยในประเทศเช่น Hu Peng พบว่าการปรับให้เหมาะสมสามารถลดการใช้พลังงานของพืชได้ 15%–25%
อย่างไรก็ตาม การวิจัยที่มีอยู่มีข้อบกพร่อง: ความเหนือกว่าของการศึกษาในห้องปฏิบัติการมากกว่ากรณีที่เกิดขึ้นจริง- การมุ่งเน้นไปที่-ผลกระทบระยะสั้นต่อความมั่นคงในระยะยาว- และการวิเคราะห์ตัวชี้วัดเดี่ยวๆ มากกว่าผลประโยชน์ที่ครอบคลุม การศึกษานี้ใช้การติดตามผลในระยะยาว-ในการประเมินอย่างเป็นระบบถึงผลกระทบที่ครอบคลุมของการเปลี่ยนเมมเบรนต่อประสิทธิภาพการบำบัดและการใช้พลังงาน โดยจัดการกับช่องว่างการวิจัย
2. เนื้อหาและวิธีการวิจัย
การศึกษานี้ใช้การวิเคราะห์เปรียบเทียบข้อมูลการปฏิบัติงานก่อนและหลังการเปลี่ยนเมมเบรน (มิถุนายน 2020 – มีนาคม 2022) ที่ WWTP ในเมืองตงกวน มณฑลกวางตุ้ง งานวิจัยหลักประกอบด้วย: การเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพในการกำจัดมลพิษ คุณลักษณะการใช้พลังงานของระบบเติมอากาศ กลไกการปรับปรุง OTE และการวิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์เทคโนโลยี- วิธีการที่เกี่ยวข้องกับการติดตามภาคสนามและการวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการ
2.1 ภาพรวมหัวเรื่อง
กรณี WWTP มีความสามารถในการออกแบบ 20,000 ลบ.ม./วัน ใช้กระบวนการ A²/O สำหรับน้ำเสียของเทศบาล รองรับคนได้ประมาณ 150,000 คน และมีปริมาณการไหลจริงรายวันที่ 18,000–24,000 ลบ.ม. ตัวกระจายฟองอากาศแบบยางละเอียดแบบเดิมใช้งานมาเป็นเวลา 8 ปีแล้ว ซึ่งแสดงให้เห็นอายุที่มากขึ้นอย่างเห็นได้ชัด
2.2 การออกแบบแผนการอัพเกรด
2.2.1 การคำนวณความต้องการออกซิเจน
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 กก./ชม. เมื่อพิจารณาถึงพื้นที่ให้บริการ ความสามารถในการจ่ายออกซิเจน และอาจเกิดการอุดตัน ปริมาณอากาศที่ต้องการจะคำนวณอยู่ที่ 2,400–4,800 ลบ.ม./ชม. (ส่งผลกระทบ 1,200 ลบ.ม./ชม. อากาศ-ถึง-อัตราส่วนน้ำ 2–4) ซึ่งเท่ากับท่อกระจายอากาศความยาว 480 เมตร (การจ่ายอากาศ 5–10 ลบ.ม./ชม. ต่อเมตร) โดยมีพื้นที่ให้บริการต่ำกว่า 2.5 ตารางเมตรต่อเมตร ทำให้สามารถจ่ายออกซิเจนได้สูงสุดเกิน 380 กก./ชม.
2.2.2 การเลือกเมมเบรน
จากการเปรียบเทียบประสิทธิภาพ (ตารางที่ 1) เมื่อพิจารณาถึง OTE ช่วงการไหลของอากาศ และราคา จึงได้เลือกเมมเบรนฟองละเอียด EPDM พารามิเตอร์หลัก: OTE 0.33 (สูงกว่าของเดิม), ปริมาณลม 2–15 ลบ.ม./ชม., อายุการใช้งาน 5–8 ปี และราคาต่อหน่วยที่คุ้มค่า-
2.2.3 การคัดเลือกผู้ผลิต
หลังจากปรึกษาซัพพลายเออร์ในประเทศและพิจารณาประสบการณ์ในท้องถิ่นแล้ว ก็ได้เลือกเครื่องกระจายอากาศ EPDM แบบพาย-เนื่องจากมีข้อได้เปรียบที่ครอบคลุมในด้านการจัดหาออกซิเจน โครงสร้างการติดตั้ง และราคา มีการติดตั้งถังชีวภาพสูง 484 เมตรบนถังชีวภาพ 2 ถัง พารามิเตอร์ทางเทคนิคของรุ่นต่างๆแสดงอยู่ในตารางที่ 2.
2.2.4 การดำเนินการทดแทน
การเปลี่ยนทดแทนในเดือนมิถุนายน 2021 ใช้เวลา 7 วัน โดยใช้ดิฟฟิวเซอร์แบบไม้พายยาว 484 เมตร- โรงงานยังคงดำเนินการอย่างต่อเนื่องโดยเดินเครื่องโดยใช้กำลังการผลิตลดลงในด้านหนึ่ง เมมเบรนแบบใหม่ ออกแบบมาสำหรับ 5 ลบ.ม./ชม. ทำงานที่ 4–8 ลบ.ม./ชม.
2.3 การรวบรวมและการวิเคราะห์ข้อมูล
ข้อมูลการปฏิบัติงาน 22 เดือนถูกเก็บรวบรวมก่อนและหลังการเปลี่ยนในสี่หมวดหมู่: คุณภาพน้ำ (COD ที่ไหลเข้า/น้ำทิ้ง, NH₃-N), พารามิเตอร์การปฏิบัติงาน (ปริมาตรอากาศทั้งหมด, ความดัน, DO) การใช้พลังงาน (ไฟฟ้าของระบบเติมอากาศ การเติมอากาศ kWh/m³) และประสิทธิภาพ (OTE อากาศ-อัตราส่วนต่อ-น้ำ)
3. การเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพในการกำจัดมลพิษ
3.1 การลบซีโอดี
หลังการเปลี่ยน- การลบ COD ดีขึ้นอย่างมาก COD ของเสียลดลงจาก 14.2 มก./ลิตร เป็น 12.4 มก./ลิตร และอัตราการกำจัดเพิ่มขึ้นจาก 93.5% เป็น 96.0% ระบบใหม่ยังแสดงให้เห็นถึงความเสถียรที่ดีขึ้น แม้ว่าจะมีค่า COD ผันผวน (117–249 มก./ลิตร) (รูปที่ 1).
3.2 การกำจัด NH₃-N
การปรับปรุงเด่นชัดมากขึ้นสำหรับ NH₃-N ด้วยระดับอิทธิพลที่คงที่ น้ำทิ้ง NH₃-N ลดลงจากค่าเฉลี่ย 2.3 มก./ลิตร เป็น 0.85 มก./ลิตร และอัตราการกำจัดสูงถึง 94.1% (รูปที่ 1). สาเหตุมาจากการกระจายอากาศที่สม่ำเสมอมากขึ้น ส่งเสริมการเจริญเติบโตและกิจกรรมของไนตริฟายเออร์ ทำให้มั่นใจได้ถึงการปฏิบัติตามข้อกำหนด NH₃-N ที่เสถียร
4. ลักษณะการใช้พลังงานของระบบเติมอากาศ
4.1 อัตราส่วนอากาศ-ต่อ-
อัตราส่วนอากาศ-ถึง-อัตราส่วนน้ำลดลงจาก 3.4 เป็นต่ำกว่า 2.0 ในขณะที่ DO ของถังแอโรบิกยังคงคงที่ที่ 0.5–1 มก./ลิตร (รูปที่ 2) แสดงถึงประสิทธิภาพและความเสถียรที่สูงขึ้น
4.2 พลังงานเติมอากาศต่อลูกบาศก์เมตรของน้ำ
การใช้พลังงานเติมอากาศลดลงจาก 0.073 kWh/m³ เป็น 0.052 kWh/m³ ซึ่งลดลง 28.3% ผลการประหยัดพลังงานคงที่ตลอดหลายเดือน (รูปที่ 3) แสดงถึงความน่าเชื่อถือที่สม่ำเสมอ
4.3 การใช้พลังงานต่อหน่วยของสารมลพิษที่ถูกกำจัด
ตัวชี้วัดนี้ลดลงจาก 0.32 kWh/kg เป็น 0.24 kWh/kg ซึ่งลดลง 25% (รูปที่ 4). สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเมมเบรนใหม่ไม่เพียงแต่ลดการใช้พลังงานสัมบูรณ์เท่านั้น แต่ยังปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานเพื่อกำจัดมลพิษอีกด้วย
5. กลไกในการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้ออกซิเจน
5.1 การเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจน
OTE เพิ่มขึ้นจาก 15.10% เป็น 24.75% เพิ่มขึ้น 63.9% (รูปที่ 5). นี่เป็นเพราะโครงสร้างรูพรุนขนาดเล็ก-ที่ได้รับการปรับปรุงและการกระจายฟองที่สม่ำเสมอมากขึ้นของเมมเบรนใหม่ ซึ่งช่วยเพิ่มการถ่ายเทมวลออกซิเจน นาโนเทคโนโลยีขั้นสูงช่วยให้รูขุมขนมีการกระจายตัวที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น เพิ่มการแพร่กระจายและการละลาย
5.2 การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์การดำเนินงาน
ดังแสดงในตารางที่ 3หลังการเปลี่ยน- ปริมาตรอากาศทั้งหมดลดลง 18.4% โดยที่ยังคงค่า DO ไว้ระหว่าง 0.5–1 มก./ลิตร อัตราส่วนอากาศ-ถึง-ลดลงจาก 3.4:1 เป็น 2.0:1, OTE เพิ่มขึ้น 63.9% และพลังงานการเติมอากาศต่อลูกบาศก์เมตรลดลง 28.3% การเพิ่มประสิทธิภาพที่ครอบคลุมเหล่านี้ช่วยปรับปรุงการใช้พลังงาน ประสิทธิภาพการดำเนินงาน และคุณภาพน้ำ
6. เทคโน-การวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจ
6.1 ระยะเวลาคืนทุนของการลงทุน
การลงทุนทั้งหมดอยู่ที่ 163,900 หยวนจีน (เมมเบรน การขนส่ง การติดตั้ง การทดสอบเดินเครื่อง) จากการประหยัดพลังงาน 0.021 kWh/m³ ราคาไฟฟ้า 0.7 CNY/kWh และการไหลเฉลี่ยต่อวันที่ 24,000 m³ จะช่วยประหยัดไฟฟ้าต่อปีได้ 128,800 CNY ระยะเวลาคืนทุนอย่างง่ายคือประมาณ 15 เดือน ซึ่งบ่งบอกถึงผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจที่สำคัญ
6.2 ประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อม
เมื่อพิจารณาจากการบำบัดน้ำ 8.76 ล้าน m³ ต่อปี จะช่วยประหยัดไฟฟ้าได้ 184,000 kWh ต่อปี ซึ่งเทียบเท่ากับการลดการปล่อย CO₂ ได้ 184 ตัน การกำจัดสารมลพิษที่ได้รับการปรับปรุงช่วยเพิ่มผลประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อม และรับประกันการปฏิบัติตามข้อกำหนดของน้ำทิ้งที่มีเสถียรภาพมากขึ้น ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงด้านสิ่งแวดล้อม
7. บทสรุป
การเปลี่ยนมาใช้เมมเบรนกระจายฟองละเอียด EPDM ช่วยเพิ่ม OTE ได้อย่างมากเป็น 24.75% และลดการใช้พลังงานในการเติมอากาศลง 28.3% ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจที่ดี- ระบบใหม่เพิ่มอัตราการกำจัด COD และ NH₃-N เป็น 96.0% และ 94.1% ตามลำดับ เพิ่มความยืดหยุ่นของระบบต่อความผันผวนของโหลด และบรรลุระยะเวลาคืนทุนง่ายๆ ประมาณ 15 เดือน แนวทางนี้เหมาะสำหรับ- WWTP ของเทศบาลที่ใช้พลังงานอย่างเข้มข้น ซึ่งกำลังมองหาการปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงมูลค่าส่งเสริมการขายที่สำคัญ