都市下水処理場におけるファインバブル拡散膜の改良と効率向上
活性汚泥廃水処理プロセスの中核コンポーネントである曝気システムは、処理効率と運用コストに直接影響を与えます。統計によると、曝気は一般的な下水処理場の総エネルギー消費量の 40% ～ 60% を占める可能性があります。酸素移動の重要な媒体であるディフューザー膜は、酸素移動効率 (OTE) とエネルギー消費レベルを決定します。時間の経過とともに、膜は一般に老化、目詰まり、損傷を受け、OTE の減少とエネルギー使用量の大幅な増加につながります。
中国には 4,000 を超える地方自治体の下水処理場があり、年間処理能力は 600 億立方メートルを超えています。曝気システムの年間電力消費量は 1,000 億 kWh を超えています。したがって、エアレーション システムの最適化と OTE の改善は、「デュアル カーボン」目標を達成するために重要です。しかし、国内の都市下水処理場における散気膜の交換に関する実証研究、特にエネルギー消費量と処理効率の包括的な評価に関する実証研究は不足しています。
1. 曝気システム最適化の研究状況
国際的な研究は、膜材料の改良と曝気方法の革新に焦点を当てています。たとえば、ドイツの Supratec は、酸素移動効率が 0.33 の EPDM 膜を開発しました。また、米国 EPA の調査では、マイクロバブルのエアレーションが従来の方法と比較して 30% 以上のエネルギーを節約できることが示されています。- Hu Peng 氏のような国内の研究者は、最適化により工場のエネルギー使用量を 15% ～ 25% 削減できる可能性があることを発見しました。
しかし、既存の研究には欠点があります。実際の事例よりも実験室での研究が優先され、長期的な安定性よりも短期的な効果が重視され、包括的なメリットよりも単一の指標の分析が重視されています。{{1}{2}{2}}この研究は、長期モニタリングを通じて、治療効率とエネルギー消費に対する膜交換の包括的な影響を体系的に評価し、研究のギャップに対処します。-
2. 研究内容と方法
この研究では、広東省東莞市の下水処理場における膜交換前後（2020年6月～2022年3月）の運用データの比較分析を使用しました。主な研究分野には、汚染物質除去効率の変化、曝気システムのエネルギー消費特性、OTE 改善メカニズム、技術経済分析などが含まれます。-方法には、現場モニタリングと実験室分析が含まれていました。
2.1 主題の概要
このケースの下水処理場は、設計容量が 20,000 m3/日で、都市下水に A2/O プロセスを使用し、約 150,000 人にサービスを提供し、実際の 1 日の流量は 18,000 ～ 24,000 m3 です。オリジナルのゴム製ファインバブルディフューザーは8年間使用されており、かなりの老朽化が見られました。
2.2 アップグレード計画の設計
2.2.1 酸素要求量の計算
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275kg/h。サービスエリア、酸素供給能力、目詰まりの可能性を考慮して、必要な空気供給量は 2,400～4,800 m3/h (流入量 1,200 m3/h、空気-対-水の比率 2～4) と計算されました。これは、480 メートルのディフューザー チューブ (1 メートルあたり 5 ～ 10 m3/h の空気供給) に相当し、サービスエリアは 1 メートルあたり 2.5 平方メートル未満で、380 kg/h を超える最大酸素供給が可能になります。
2.2.2 メンブレンの選択
パフォーマンス比較に基づく (表1)、OTE、風量範囲、コストを考慮して、EPDM ファインバブル膜が選択されました。主なパラメータ: OTE 0.33 (オリジナルより高い)、風量 2～15 m3/h、耐用年数 5～8 年、費用対効果の高い単価。-
2.2.3 メーカーの選択
国内のサプライヤーに相談し、現地の経験を考慮した結果、酸素供給、設置構造、価格の総合的な利点からパドル型 EPDM ディフューザーが選択されました。{0} 2 つの生物タンクに合計 484 メートルが設置されました。さまざまなモデルの技術パラメータを以下に示します。表2.
2.2.4 置き換えの実装
2021 年 6 月の交換には 7 日間かかり、長さ 484 メートルのパドル-型ディフューザーが必要でした。プラントは片側の生産能力を低下させて運転することで連続運転を維持した。新しい膜は 5 m3/h 用に設計されており、4 ～ 8 m3/h で動作しました。
2.3 データの収集と分析
交換の前後で 22 か月の運用データが 4 つのカテゴリにわたって収集されました: 水質 (流入水/流出水 COD、NH₃-N)、運用パラメータ (総空気量、圧力、DO)、エネルギー消費量 (曝気システム電力、曝気 kWh/m3)、効率 (OTE、空気-対-水の比率)。
3. 汚染物質除去効率の変化
3.1 CODの除去
交換後、COD の除去は大幅に改善されました。{0}排水 COD は 14.2 mg/L から 12.4 mg/L に減少し、除去率は 93.5% から 96.0% に増加しました。新しいシステムは、変動する流入水 COD (117 ～ 249 mg/L) にもかかわらず、より優れた安定性も実証しました (図1).
3.2 NH₃-N の除去
改善はNH₃-Nでより顕著でした。安定した流入水レベルにより、流出水NH₃-Nは平均2.3 mg/Lから0.85 mg/Lに減少し、除去率は94.1%に達しました(図1）。これは、より均一な曝気分布により硝化剤の成長と活性が促進され、安定した NH₃-N コンプライアンスが確保されるためと考えられます。
4. 曝気システムのエネルギー消費特性
4.1 空気-と-水の比率
空気-対-水の比率は 3.4 から 2.0 未満に減少しましたが、好気性タンクの DO は 0.5～1 mg/L で安定していました（図2)、より高い効率と安定性を示します。
4.2 水1立方メートルあたりの曝気エネルギー
曝気エネルギー消費量は 0.073 kWh/m3 から 0.052 kWh/m3 に減少し、28.3% 削減されました。省エネ効果は月を通して安定していました（図3)、一貫した信頼性を示しています。
4.3 除去される汚染物質の単位当たりのエネルギー消費量
この指標は 0.32 kWh/kg から 0.24 kWh/kg に減少し、25% 削減されました (図4）。これは、新しい膜が絶対的なエネルギー使用量を削減しただけでなく、汚染物質除去のためのエネルギー使用効率も改善したことを示しています。
5. 酸素利用効率向上のメカニズム
5.1 酸素移動効率の変化
OTE は 15.10% から 24.75% に増加し、63.9% 改善しました (図5）。これは、新しい膜の最適化された微細孔構造とより均一な気泡分布によるもので、酸素物質移動が強化されています。高度なナノテクノロジーにより、より細かく、より均一に分布した細孔が可能になり、拡散と溶解性が向上しました。
5.2 動作パラメータの最適化
に示すように、表3交換後、DO は 0.5～1 mg/L に維持されながら、総空気量は 18.4% 減少しました。-空気-対-水の比率は 3.4:1 から 2.0:1 に減少し、OTE は 63.9% 増加し、m3 あたりの曝気エネルギーは 28.3% 減少しました。これらの包括的な最適化により、エネルギー使用量、運用効率、水質が改善されました。
6. テクノ-経済分析
6.1 投資回収期間
総投資額は163,900元（膜、輸送、設置、試運転）でした。 0.021 kWh/m3 のエネルギー節約、0.7 CNY/kWh の電気料金、1 日の平均流量 24,000 m3 に基づくと、年間の電気節約量は 128,800 CNY となります。単純な投資回収期間は約 15 か月であり、大きな経済的メリットが示されています。
6.2 環境上の利点
年間 876 万 m3 の処理量に基づくと、年間の電力削減量は 184,000 kWh となり、CO₂ 排出量を 184 トン削減することに相当します。汚染物質の除去が改善されると、環境上のメリットが高まり、より安定した排水コンプライアンスが保証され、環境リスクが軽減されます。
7. 結論
EPDM ファインバブルディフューザー膜に置き換えると、OTE が 24.75% に大幅に増加し、曝気エネルギー消費量が 28.3% 削減され、優れた技術経済的パフォーマンスが実証されました。{2}}新しいシステムは、COD と NH₃-N の除去率をそれぞれ 96.0% と 94.1% に高め、負荷変動に対するシステムの回復力を強化し、約 15 か月という単純な回収期間を達成しました。このアプローチは、品質と効率の向上を求めるエネルギー集約型の地方下水処理場に適しており、大きな宣伝効果を発揮します。{9}}