Potenziamento e aumento di efficienza delle membrane dei diffusori a bolle fini negli impianti municipali di trattamento delle acque reflue
Il sistema di aerazione, un componente fondamentale del processo di trattamento delle acque reflue a fanghi attivi, incide direttamente sull’efficacia del trattamento e sui costi operativi. Le statistiche mostrano che l'aerazione può rappresentare dal 40% al 60% del consumo energetico totale di un tipico impianto di depurazione. La membrana del diffusore, il mezzo chiave per il trasferimento dell'ossigeno, determina l'efficienza di trasferimento dell'ossigeno (OTE) e il livello di consumo energetico. Nel corso del tempo, le membrane comunemente subiscono invecchiamento, intasamento e danni, con conseguente riduzione dell’OTE e aumento significativo del consumo di energia.
La Cina ha oltre 4.000 impianti di depurazione municipali con una capacità di trattamento annuale superiore a 60 miliardi di m³. Il consumo annuo di elettricità dei sistemi di aerazione supera i 100 miliardi di kWh. Pertanto, l’ottimizzazione dei sistemi di aerazione e il miglioramento dell’OTE sono cruciali per raggiungere gli obiettivi “Dual Carbon”. Tuttavia, gli studi empirici sulla sostituzione della membrana del diffusore negli impianti di depurazione municipali domestici sono scarsi, in particolare per quanto riguarda le valutazioni complete del consumo energetico e dell’efficienza del trattamento.
1. Stato della ricerca sull'ottimizzazione del sistema di aerazione
La ricerca internazionale si concentra sul miglioramento dei materiali delle membrane e sull'innovazione dei metodi di aerazione. Ad esempio, la tedesca Supratec ha sviluppato membrane EPDM con un'efficienza di trasferimento dell'ossigeno pari a 0,33, mentre gli studi EPA statunitensi indicano che l'aerazione a micro-bolle consente di risparmiare oltre il 30% di energia rispetto ai metodi tradizionali. Ricercatori nazionali come Hu Peng hanno scoperto che l’ottimizzazione potrebbe ridurre il consumo di energia delle piante del 15%-25%.
Tuttavia, la ricerca esistente presenta dei limiti: predominanza degli studi di laboratorio sui casi-del mondo reale, attenzione agli effetti a breve-termine rispetto alla stabilità a lungo-termine e analisi dei singoli indicatori rispetto ai benefici globali. Questo studio, attraverso un monitoraggio a lungo-termine, valuta sistematicamente l'impatto complessivo della sostituzione della membrana sull'efficienza del trattamento e sul consumo energetico, colmando una lacuna della ricerca.
2. Contenuto e metodologia della ricerca
Questo studio ha utilizzato un’analisi comparativa dei dati operativi prima e dopo la sostituzione della membrana (giugno 2020 – marzo 2022) presso un impianto di depurazione a Dongguan, Guangdong. Le principali aree di ricerca includevano: cambiamenti nell'efficienza di rimozione degli inquinanti, caratteristiche del consumo energetico del sistema di aerazione, meccanismi di miglioramento dell'OTE e analisi tecno-economica. I metodi prevedevano il monitoraggio sul campo e l'analisi di laboratorio.
2.1 Panoramica dell'argomento
Il caso dell'impianto di depurazione ha una capacità progettata di 20.000 m³/giorno, utilizza un processo A²/O per le acque reflue municipali, serve circa 150.000 persone e ha un flusso giornaliero effettivo di 18.000-24.000 m³. I diffusori originali a bolle fini in gomma erano in funzione da 8 anni e mostravano un invecchiamento significativo.
2.2 Progettazione del piano di aggiornamento
2.2.1 Calcolo della domanda di ossigeno
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Considerando l'area di servizio, la capacità di fornitura di ossigeno e il potenziale intasamento, la fornitura d'aria richiesta è stata calcolata in 2.400–4.800 m³/h (affluente 1.200 m³/h, rapporto aria-acqua-2–4). Ciò equivaleva a 480 metri di tubo diffusore (fornitura d'aria 5–10 m³/h per metro), con un'area di servizio inferiore a 2,5 m² per metro, consentendo una fornitura massima di ossigeno superiore a 380 kg/h.
2.2.2 Selezione della membrana
Basato sul confronto delle prestazioni (Tabella 1), considerando l'OTE, l'intervallo del flusso d'aria e il costo, sono state selezionate le membrane a bolle fini EPDM. Parametri chiave: OTE 0,33 (superiore all'originale), flusso d'aria 2–15 m³/h, durata utile 5–8 anni e un prezzo unitario-economico.
2.2.3 Selezione del produttore
Dopo aver consultato i fornitori nazionali e considerato l'esperienza locale, sono stati scelti i diffusori EPDM di tipo paddle- per i loro vantaggi completi in termini di fornitura di ossigeno, struttura di installazione e prezzo. Sono stati installati complessivamente 484 contatori su due serbatoi biologici. I parametri tecnici dei diversi modelli sono mostrati inTabella 2.
2.2.4 Implementazione della sostituzione
La sostituzione nel giugno 2021 ha richiesto 7 giorni, coinvolgendo 484 metri di diffusori a pale-. L'impianto ha mantenuto il funzionamento continuo funzionando a capacità ridotta su un lato. Le nuove membrane, progettate per 5 m³/h, funzionavano a 4–8 m³/h.
2.3 Raccolta e analisi dei dati
Sono stati raccolti 22 mesi di dati operativi prima e dopo la sostituzione in quattro categorie: qualità dell'acqua (COD affluente/effluente, NH₃-N), parametri operativi (volume d'aria totale, pressione, DO), consumo energetico (elettricità del sistema di aerazione, aerazione kWh/m³) ed efficienza (OTE, rapporto aria-acqua-).
3. Cambiamenti nell'efficienza di rimozione degli inquinanti
3.1 Rimozione del COD
Dopo la-sostituzione, la rimozione del COD è migliorata in modo significativo. Il COD dell'effluente è diminuito da 14,2 mg/L a 12,4 mg/L e il tasso di rimozione è aumentato dal 93,5% al 96,0%. Il nuovo sistema ha inoltre dimostrato una migliore stabilità nonostante la fluttuazione del COD influente (117-249 mg/L) (Figura 1).
3.2 Rimozione di NH₃-N
Il miglioramento è stato più pronunciato per NH₃-N. Con livelli di affluente stabili, l'NH₃-N dell'effluente è diminuito da una media di 2,3 mg/L a 0,85 mg/L e il tasso di rimozione ha raggiunto il 94,1% (Figura 1). Ciò è attribuito a una distribuzione dell'aerazione più uniforme, che promuove la crescita e l'attività dei nitrificanti e garantisce la conformità stabile di NH₃-N.
4. Caratteristiche del consumo energetico del sistema di aerazione
4.1 Rapporto aria-a-acqua
Il rapporto aria-a-acqua è diminuito da 3,4 a meno di 2,0, mentre il DO del serbatoio aerobico è rimasto stabile a 0,5–1 mg/l (Figura 2), indicando maggiore efficienza e stabilità.
4.2 Energia di aerazione per metro cubo d'acqua
Il consumo di energia per l'aerazione è diminuito da 0,073 kWh/m³ a 0,052 kWh/m³, con una riduzione del 28,3%. L’effetto del risparmio energetico è rimasto stabile nel corso dei mesi (Figura 3), mostrando un'affidabilità costante.
4.3 Consumo energetico per unità di inquinante rimosso
Questa metrica è diminuita da 0,32 kWh/kg a 0,24 kWh/kg, una riduzione del 25% (Figura 4). Ciò indica che le nuove membrane non solo hanno ridotto il consumo energetico assoluto, ma hanno anche migliorato l’efficienza dell’uso energetico per la rimozione degli inquinanti.
5. Meccanismi per una migliore efficienza nell'utilizzo dell'ossigeno
5.1 Modifica dell'efficienza del trasferimento di ossigeno
L’OTE è aumentata dal 15,10% al 24,75%, un miglioramento del 63,9% (Figura 5). Ciò è dovuto alla struttura ottimizzata dei micro-pori e alla distribuzione più uniforme delle bolle delle nuove membrane, che migliorano il trasferimento di massa dell'ossigeno. La nanotecnologia avanzata ha consentito pori più fini e distribuiti in modo più uniforme, aumentando la diffusione e la solubilità.
5.2 Ottimizzazione dei parametri operativi
Come mostrato inTabella 3, dopo la-sostituzione, il volume totale dell'aria è diminuito del 18,4% mantenendo il DO tra 0,5 e 1 mg/l. Il rapporto aria-a-acqua è stato ridotto da 3,4:1 a 2,0:1, l'OTE è aumentato del 63,9% e l'energia di aerazione per m³ è diminuita del 28,3%. Queste ottimizzazioni complete hanno migliorato il consumo energetico, l’efficienza operativa e la qualità dell’acqua.
6. Analisi tecno-economica
6.1 Periodo di rimborso dell'investimento
L'investimento totale è stato di 163.900 CNY (membrane, trasporto, installazione, messa in servizio). Sulla base di un risparmio energetico di 0,021 kWh/m³, un prezzo dell’elettricità di 0,7 CNY/kWh e un flusso medio giornaliero di 24.000 m³, il risparmio annuale di elettricità ammonta a 128.800 CNY. Il periodo di rimborso semplice è di circa 15 mesi, indicando vantaggi economici significativi.
6.2 Benefici ambientali
Considerando un trattamento annuo di 8,76 milioni di m³, il risparmio annuo di energia elettrica ammonta a 184.000 kWh, equivalenti a una riduzione delle emissioni di CO₂ di 184 tonnellate. Una migliore rimozione degli inquinanti aumenta i benefici ambientali e garantisce una conformità più stabile degli effluenti, riducendo i rischi ambientali.
7. Conclusione
La sostituzione con membrane del diffusore a bolle fini in EPDM ha aumentato significativamente l'OTE al 24,75% e ha ridotto il consumo energetico di aerazione del 28,3%, dimostrando buone prestazioni tecnico-economiche. Il nuovo sistema ha aumentato i tassi di rimozione di COD e NH₃-N rispettivamente al 96,0% e 94,1%, ha migliorato la resilienza del sistema alle fluttuazioni del carico e ha ottenuto un periodo di recupero dell'investimento semplice di circa 15 mesi. Questo approccio è adatto agli impianti di depurazione-comunali ad alta intensità energetica che cercano miglioramenti in termini di qualità ed efficienza, mostrando un significativo valore promozionale.