Nâng cấp và nâng cao hiệu quả của màng khuếch tán bọt mịn trong các nhà máy xử lý nước thải thành phố
Hệ thống sục khí, thành phần cốt lõi của quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý và chi phí vận hành. Thống kê cho thấy sục khí có thể chiếm 40% đến 60% tổng mức tiêu thụ năng lượng của một nhà máy xử lý nước thải thông thường. Màng khuếch tán, môi trường quan trọng để truyền oxy, xác định hiệu suất truyền oxy (OTE) và mức tiêu thụ năng lượng. Theo thời gian, màng thường bị lão hóa, tắc nghẽn và hư hỏng, dẫn đến giảm OTE và tăng đáng kể mức sử dụng năng lượng.
Trung Quốc có hơn 4.000 nhà máy xử lý nước thải đô thị với công suất xử lý hàng năm vượt quá 60 tỷ m³. Lượng điện tiêu thụ hàng năm của hệ thống sục khí vượt quá 100 tỷ kWh. Do đó, tối ưu hóa hệ thống sục khí và cải thiện OTE là rất quan trọng để đạt được mục tiêu "Carbon kép". Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm về việc thay thế màng khuếch tán trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị trong nước còn khan hiếm, đặc biệt là về đánh giá toàn diện về mức tiêu thụ năng lượng và hiệu quả xử lý.
1. Tình trạng nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống sục khí
Nghiên cứu quốc tế tập trung vào cải tiến vật liệu màng và đổi mới phương pháp sục khí. Ví dụ: Supratec của Đức đã phát triển màng EPDM với hiệu suất truyền oxy là 0,33 và các nghiên cứu của EPA Hoa Kỳ cho thấy việc sục khí vi-bong bóng tiết kiệm hơn 30% năng lượng so với các phương pháp truyền thống. Các nhà nghiên cứu trong nước như Hu Peng nhận thấy việc tối ưu hóa có thể giảm mức sử dụng năng lượng của nhà máy từ 15%–25%.
Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại có những nhược điểm: ưu thế của các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm so với các trường hợp thực tế-trong thế giới thực, tập trung vào các tác động-ngắn hạn thay vì sự ổn định{2}}dài hạn và phân tích các chỉ số đơn lẻ thay vì lợi ích toàn diện. Nghiên cứu này, thông qua giám sát dài hạn{4}}, đánh giá một cách có hệ thống tác động toàn diện của việc thay thế màng lên hiệu quả xử lý và mức tiêu thụ năng lượng, giải quyết lỗ hổng nghiên cứu.
2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu này sử dụng phân tích so sánh dữ liệu vận hành trước và sau khi thay màng (tháng 6 năm 2020 – tháng 3 năm 2022) tại một nhà máy xử lý nước thải ở Đông Hoản, Quảng Đông. Các lĩnh vực nghiên cứu chính bao gồm: những thay đổi về hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm, đặc điểm tiêu thụ năng lượng của hệ thống sục khí, cơ chế cải thiện OTE và phân tích kinh tế-kỹ thuật. Các phương pháp liên quan đến giám sát hiện trường và phân tích trong phòng thí nghiệm.
2.1 Tổng quan về chủ đề
Trường hợp WWTP có công suất thiết kế 20.000 m³/ngày, sử dụng quy trình A²/O cho nước thải đô thị, phục vụ khoảng 150.000 người và có lưu lượng thực tế hàng ngày là 18.000–24.000 m³. Bộ khuếch tán bong bóng mịn bằng cao su nguyên bản đã hoạt động được 8 năm, cho thấy sự lão hóa đáng kể.
2.2 Thiết kế kế hoạch nâng cấp
2.2.1 Tính toán nhu cầu oxy
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275kg/giờ. Xem xét khu vực dịch vụ, khả năng cung cấp oxy và khả năng tắc nghẽn, nguồn cung cấp không khí cần thiết được tính là 2.400–4.800 m³/h (đầu vào 1.200 m³/h, Tỷ lệ không khí-to-nước 2–4). Điều này tương đương với 480 mét ống khuếch tán (cung cấp không khí 5–10 m³/h mỗi mét), với diện tích phục vụ dưới 2,5 mét vuông mỗi mét, cho phép cung cấp oxy tối đa vượt quá 380 kg/h.
2.2.2 Lựa chọn màng
Dựa trên so sánh hiệu suất (Bảng 1), xem xét OTE, phạm vi luồng không khí và chi phí, màng bong bóng mịn EPDM đã được chọn. Thông số chính: OTE 0,33 (cao hơn ban đầu), lưu lượng gió 2–15 m³/h, tuổi thọ sử dụng 5–8 năm và đơn giá-hiệu quả về chi phí.
2.2.3 Lựa chọn nhà sản xuất
Sau khi tham khảo ý kiến của các nhà cung cấp trong nước và xem xét kinh nghiệm địa phương, bộ khuếch tán EPDM kiểu mái chèo- đã được chọn vì những ưu điểm toàn diện về khả năng cung cấp oxy, cấu trúc lắp đặt và giá cả. Tổng cộng có 484 mét được lắp đặt trên hai bể sinh học. Thông số kỹ thuật của các mô hình khác nhau được thể hiện trongBảng 2.
2.2.4 Thực hiện thay thế
Quá trình thay thế vào tháng 6 năm 2021 mất 7 ngày, sử dụng 484 mét bộ khuếch tán kiểu mái chèo. Nhà máy duy trì hoạt động liên tục bằng cách giảm công suất một bên. Các màng mới, được thiết kế cho lưu lượng 5 m³/h, hoạt động ở tốc độ 4–8 m³/h.
2.3 Thu thập và phân tích dữ liệu
Dữ liệu vận hành trong 22 tháng đã được thu thập trước và sau khi thay thế trên bốn hạng mục: chất lượng nước (COD đầu vào/nước thải, NH₃-N), thông số vận hành (tổng thể tích không khí, áp suất, DO), mức tiêu thụ năng lượng (điện của hệ thống sục khí, kWh/m³ sục khí) và hiệu suất (OTE, Tỷ lệ không khí-trên-nước).
3. Những thay đổi về hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm
3.1 Loại bỏ COD
Sau{0}}việc thay thế, việc loại bỏ COD được cải thiện đáng kể. COD đầu ra giảm từ 14,2 mg/L xuống 12,4 mg/L và tỷ lệ loại bỏ tăng từ 93,5% lên 96,0%. Hệ thống mới cũng cho thấy độ ổn định tốt hơn mặc dù COD đầu vào dao động (117–249 mg/L) (Hình 1).
3.2 Loại bỏ NH₃-N
Sự cải thiện rõ rệt hơn đối với NH₃-N. Với mức ảnh hưởng ổn định, NH₃-N nước thải giảm từ mức trung bình 2,3 mg/L xuống 0,85 mg/L và tỷ lệ loại bỏ đạt 94,1% (Hình 1). Điều này là do sự phân phối sục khí đồng đều hơn, thúc đẩy hoạt động và tăng trưởng của bộ lọc nitrat, đảm bảo tuân thủ NH₃-N ổn định.
4. Đặc tính tiêu thụ năng lượng của hệ thống sục khí
4.1 Tỷ lệ không khí{1}}với{2}}nước
Tỷ lệ Không khí-to-nước giảm từ 3,4 xuống dưới 2,0, trong khi DO của bể hiếu khí vẫn ổn định ở mức 0,5–1 mg/L (Hình 2), cho thấy hiệu quả và độ ổn định cao hơn.
4.2 Năng lượng sục khí trên một mét khối nước
Tiêu thụ năng lượng sục khí giảm từ 0,073 kWh/m³ xuống 0,052 kWh/m³, giảm 28,3%. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng ổn định qua nhiều tháng (Hình 3), cho thấy độ tin cậy nhất quán.
4.3 Tiêu thụ năng lượng trên mỗi đơn vị chất ô nhiễm được loại bỏ
Chỉ số này giảm từ 0,32 kWh/kg xuống 0,24 kWh/kg, giảm 25% (Hình 4). Điều này cho thấy màng mới không chỉ giảm mức sử dụng năng lượng tuyệt đối mà còn cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng để loại bỏ chất ô nhiễm.
5. Cơ chế cải thiện hiệu quả sử dụng oxy
5.1 Thay đổi hiệu suất truyền oxy
OTE tăng từ 15,10% lên 24,75%, cải thiện 63,9% (Hình 5). Điều này là do cấu trúc lỗ-vi mô được tối ưu hóa và sự phân bố bong bóng đồng đều hơn của màng mới, tăng cường khả năng vận chuyển khối lượng oxy. Công nghệ nano tiên tiến cho phép các lỗ mịn hơn, phân bố đồng đều hơn, tăng khả năng khuếch tán và hòa tan.
5.2 Tối ưu hóa các thông số vận hành
Như thể hiện trongBảng 3, sau-thay thế, tổng lượng không khí giảm 18,4% trong khi duy trì DO trong khoảng 0,5–1 mg/L. Tỷ lệ Không khí-đến{6}}nước giảm từ 3,4:1 xuống 2,0:1, OTE tăng 63,9% và năng lượng sục khí trên mỗi m³ giảm 28,3%. Những tối ưu hóa toàn diện này đã cải thiện việc sử dụng năng lượng, hiệu quả vận hành và chất lượng nước.
6. Phân tích kinh tế-công nghệ
6.1 Thời gian hoàn vốn đầu tư
Tổng vốn đầu tư là 163.900 CNY (màng, vận chuyển, lắp đặt, vận hành). Dựa trên mức tiết kiệm năng lượng 0,021 kWh/m³, giá điện 0,7 CNY/kWh và lưu lượng trung bình hàng ngày là 24.000 m³, mức tiết kiệm điện hàng năm là 128.800 CNY. Thời gian hoàn vốn đơn giản là khoảng 15 tháng, cho thấy lợi ích kinh tế đáng kể.
6.2 Lợi ích môi trường
Dựa trên việc xử lý 8,76 triệu m³ hàng năm, lượng điện tiết kiệm được hàng năm là 184.000 kWh, tương đương với việc giảm 184 tấn lượng khí thải CO₂. Cải thiện việc loại bỏ chất gây ô nhiễm sẽ nâng cao lợi ích môi trường và đảm bảo tuân thủ nước thải ổn định hơn, giảm thiểu rủi ro môi trường.
7. Kết luận
Việc thay thế bằng màng khuếch tán bong bóng mịn EPDM đã tăng đáng kể OTE lên 24,75% và giảm mức tiêu thụ năng lượng sục khí xuống 28,3%, chứng tỏ hiệu quả kinh tế-kỹ thuật tốt. Hệ thống mới đã tăng tỷ lệ loại bỏ COD và NH₃-N lên lần lượt là 96,0% và 94,1%, nâng cao khả năng phục hồi của hệ thống trước các dao động của tải và đạt được thời gian hoàn vốn đơn giản khoảng 15 tháng. Cách tiếp cận này phù hợp với các nhà máy xử lý nước thải đô thị-sử dụng nhiều năng lượng đang tìm cách cải thiện chất lượng và hiệu quả, cho thấy giá trị khuyến mại đáng kể.