تحسين وزيادة كفاءة أغشية ناشر الفقاعات الدقيقة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية
يؤثر نظام التهوية، وهو مكون أساسي في عملية معالجة مياه الصرف الصحي للحمأة المنشطة، بشكل مباشر على كفاءة المعالجة والتكاليف التشغيلية. تشير الإحصائيات إلى أن التهوية يمكن أن تمثل 40% إلى 60% من إجمالي استهلاك الطاقة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي النموذجية. يحدد الغشاء الناشر، وهو الوسيلة الرئيسية لنقل الأكسجين، كفاءة نقل الأكسجين (OTE) ومستوى استهلاك الطاقة. مع مرور الوقت، تعاني الأغشية عادة من الشيخوخة والانسداد والتلف، مما يؤدي إلى انخفاض OTE وزيادة استخدام الطاقة بشكل ملحوظ.
تمتلك الصين أكثر من 4000 محطة معالجة مياه الصرف الصحي البلدية بقدرة معالجة سنوية تتجاوز 60 مليار متر مكعب. يتجاوز استهلاك الكهرباء السنوي لأنظمة التهوية 100 مليار كيلووات ساعة. لذلك، يعد تحسين أنظمة التهوية وتحسين OTE أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أهداف "الكربون المزدوج". ومع ذلك، فإن الدراسات التجريبية حول استبدال غشاء الناشر في محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية المحلية نادرة، لا سيما فيما يتعلق بالتقييمات الشاملة لاستهلاك الطاقة وكفاءة المعالجة.
1. الحالة البحثية لتحسين نظام التهوية
تركز الأبحاث الدولية على تحسين المواد الغشائية وابتكار طرق التهوية. على سبيل المثال، طورت شركة Supratec الألمانية أغشية EPDM بكفاءة نقل أكسجين تبلغ 0.33، وتشير دراسات وكالة حماية البيئة الأمريكية إلى أن التهوية الفقاعية الدقيقة توفر ما يزيد عن 30% من الطاقة مقارنة بالطرق التقليدية. وجد باحثون محليون مثل Hu Peng أن التحسين يمكن أن يقلل من استخدام الطاقة في النبات بنسبة 15% إلى 25%.
ومع ذلك، فإن الأبحاث الحالية بها عيوب: هيمنة الدراسات المعملية على الحالات-الواقعية، والتركيز على التأثيرات قصيرة المدى-على الاستقرار طويل المدى-، وتحليل المؤشرات الفردية بدلاً من الفوائد الشاملة. تقوم هذه الدراسة، من خلال المراقبة طويلة المدى-، بتقييم التأثير الشامل لاستبدال الغشاء بشكل منهجي على كفاءة المعالجة واستهلاك الطاقة، مما يعالج الفجوة البحثية.
2. محتوى البحث ومنهجيته
استخدمت هذه الدراسة تحليلاً مقارنًا للبيانات التشغيلية قبل وبعد استبدال الغشاء (يونيو 2020 - مارس 2022) في محطة معالجة مياه الصرف الصحي في دونغقوان، قوانغدونغ. تضمنت مجالات البحث الرئيسية ما يلي: التغييرات في كفاءة إزالة الملوثات، وخصائص استهلاك الطاقة في نظام التهوية، وآليات تحسين OTE، والتحليل الاقتصادي التقني-. وشملت الأساليب المراقبة الميدانية والتحليل المختبري.
2.1 نظرة عامة على الموضوع
تتمتع محطة معالجة مياه الصرف الصحي بسعة تصميمية تبلغ 20,000 متر مكعب/يوم، وتستخدم عملية A²/O لمياه الصرف الصحي البلدية، وتخدم حوالي 150,000 شخص، ولها تدفق يومي فعلي يتراوح بين 18,000-24,000 متر مكعب. لقد تم تشغيل ناشرات الفقاعات المطاطية الدقيقة الأصلية لمدة 8 سنوات، مما أظهر تقادمًا ملحوظًا.
2.2 ترقية تصميم الخطة
2.2.1 حساب الطلب على الأكسجين
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 كجم/ساعة. مع الأخذ في الاعتبار منطقة الخدمة، وسعة إمداد الأكسجين، والانسداد المحتمل، تم حساب إمداد الهواء المطلوب ليكون 2,400-4,800 متر مكعب/ساعة (التدفق 1,200 متر مكعب/ساعة، نسبة الهواء - إلى - الماء 2-4). ويعادل ذلك 480 مترًا من أنابيب الناشر (إمداد الهواء 5-10 متر مكعب/ساعة لكل متر)، مع مساحة خدمة أقل من 2.5 متر مربع لكل متر، مما يسمح بحد أقصى لإمداد الأكسجين يتجاوز 380 كجم/ساعة.
2.2.2 اختيار الغشاء
بناء على مقارنة الأداء (الجدول 1)، مع الأخذ في الاعتبار OTE، ونطاق تدفق الهواء، والتكلفة، تم اختيار أغشية الفقاعات الدقيقة EPDM. المعلمات الرئيسية: OTE 0.33 (أعلى من الأصلي)، وتدفق الهواء 2-15 م³/ساعة، وعمر الخدمة 5-8 سنوات، وسعر الوحدة الفعال من حيث التكلفة.
2.2.3 اختيار الشركة المصنعة
وبعد التشاور مع الموردين المحليين والأخذ في الاعتبار الخبرة المحلية، تم اختيار أجهزة النشر من نوع EPDM المجدافية- نظرًا لمزاياها الشاملة من حيث إمداد الأكسجين وبنية التركيب والسعر. تم تركيب إجمالي 484 مترًا عبر خزانين بيولوجيين. يتم عرض المعلمات الفنية للنماذج المختلفة فيالجدول 2.
2.2.4 تنفيذ الاستبدال
استغرقت عملية الاستبدال في يونيو 2021 7 أيام، وشملت 484 مترًا من الناشرات من النوع المجداف. حافظت المحطة على استمرار تشغيلها من خلال العمل بقدرة منخفضة على جانب واحد. الأغشية الجديدة، المصممة لـ 5 م³/ساعة، تعمل بسرعة 4-8 م³/ساعة.
2.3 جمع البيانات وتحليلها
تم جمع 22 شهرًا من البيانات التشغيلية قبل الاستبدال وبعده عبر أربع فئات: جودة المياه (COD المتدفق/التدفق السائل، NH₃-N)، المعلمات التشغيلية (إجمالي حجم الهواء، الضغط، D2O)، استهلاك الطاقة (كهرباء نظام التهوية، التهوية كيلو وات ساعة/م³)، والكفاءة (OTE، نسبة الهواء - إلى - الماء).
3. التغيرات في كفاءة إزالة الملوثات
3.1 إزالة COD
بعد-الاستبدال، تحسنت عملية إزالة COD بشكل ملحوظ. انخفض COD للنفايات السائلة من 14.2 ملجم / لتر إلى 12.4 ملجم / لتر، وزاد معدل الإزالة من 93.5٪ إلى 96.0٪. أظهر النظام الجديد أيضًا استقرارًا أفضل على الرغم من تقلب COD المؤثر (117-249 مجم / لتر) (الشكل 1).
3.2 إزالة NH₃-N
كان التحسن أكثر وضوحًا بالنسبة لـ NH₃-N. مع مستويات التدفق المستقرة، انخفض التدفق السائل NH₃-N من متوسط 2.3 مجم/لتر إلى 0.85 مجم/لتر، ووصل معدل الإزالة إلى 94.1% (الشكل 1). ويعزى ذلك إلى توزيع تهوية أكثر اتساقًا، مما يعزز نمو ونشاط النيتروجين، ويضمن توافقًا مستقرًا مع NH₃-N.
4. خصائص استهلاك الطاقة في نظام التهوية
4.1 نسبة الهواء-إلى-نسبة الهواء
انخفضت نسبة الهواء-إلى-الماء من 3.4 إلى أقل من 2.0، بينما ظل الخزان الهوائي مستقرًا عند 0.5-1 ملجم/لتر (الشكل 2)، مما يشير إلى كفاءة واستقرار أعلى.
4.2 طاقة التهوية لكل متر مكعب من الماء
انخفض استهلاك طاقة التهوية من 0.073 كيلووات ساعة/م3 إلى 0.052 كيلووات ساعة/م3، بانخفاض قدره 28.3%. كان تأثير توفير الطاقة مستقرًا عبر الأشهر (الشكل 3) ، مما يدل على موثوقية متسقة.
4.3 استهلاك الطاقة لكل وحدة من الملوثات المُزالة
انخفض هذا المقياس من 0.32 كيلووات ساعة/كجم إلى 0.24 كيلووات ساعة/كجم، وهو انخفاض بنسبة 25% (الشكل 4). ويشير هذا إلى أن الأغشية الجديدة لم تقلل من استخدام الطاقة المطلق فحسب، بل حسنت أيضًا من كفاءة استخدام الطاقة لإزالة الملوثات.
5. آليات تحسين كفاءة استخدام الأوكسجين
5.1 التغيير في كفاءة نقل الأكسجين
ارتفع OTE من 15.10% إلى 24.75%، وهو تحسن بنسبة 63.9% (الشكل 5). ويرجع ذلك إلى بنية المسام الدقيقة المحسنة وتوزيع الفقاعات بشكل أكثر اتساقًا للأغشية الجديدة، مما يعزز نقل كتلة الأكسجين. أتاحت تكنولوجيا النانو المتقدمة مسامًا أدق وأكثر توزيعًا بشكل موحد، مما أدى إلى زيادة الانتشار والذوبان.
5.2 تحسين المعلمات التشغيلية
كما هو مبين فيالجدول 3وبعد-الاستبدال، انخفض إجمالي حجم الهواء بنسبة 18.4% مع الحفاظ على نسبة الأكسجين المذاب بين 0.5-1 ملجم/لتر. تم تقليل نسبة الهواء -إلى-الماء من 3.4:1 إلى 2.0:1، وزيادة OTE بنسبة 63.9%، وانخفضت طاقة التهوية لكل متر مكعب بنسبة 28.3%. أدت هذه التحسينات الشاملة إلى تحسين استخدام الطاقة والكفاءة التشغيلية وجودة المياه.
6. تكنو-التحليل الاقتصادي
6.1 فترة استرداد الاستثمار
بلغ إجمالي الاستثمار 163,900 يوان صيني (الأغشية، النقل، التركيب، التشغيل). استنادًا إلى توفير الطاقة بمقدار 0.021 كيلووات ساعة/م3، وسعر الكهرباء 0.7 يوان صيني/كيلووات ساعة، ومتوسط التدفق اليومي 24,000 متر مكعب، يبلغ توفير الكهرباء السنوي 128,800 يوان صيني. وتبلغ فترة الاسترداد البسيطة حوالي 15 شهرًا، مما يشير إلى فوائد اقتصادية كبيرة.
6.2 الفوائد البيئية
استنادًا إلى معالجة سنوية تبلغ 8.76 مليون متر مكعب، يبلغ التوفير السنوي في الكهرباء 184000 كيلووات في الساعة، أي ما يعادل تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 184 طنًا. يؤدي تحسين إزالة الملوثات إلى تعزيز الفوائد البيئية ويضمن امتثالًا أكثر استقرارًا للنفايات السائلة، مما يقلل المخاطر البيئية.
7. الاستنتاج
يؤدي الاستبدال بأغشية ناشر الفقاعات الدقيقة EPDM إلى زيادة OTE بشكل ملحوظ إلى 24.75% وتقليل استهلاك طاقة التهوية بنسبة 28.3%، مما يدل على الأداء الاقتصادي الجيد للتكنولوجيا-. أدى النظام الجديد إلى زيادة معدلات إزالة COD وNH₃-N إلى 96.0% و94.1% على التوالي، مما أدى إلى تعزيز مرونة النظام في مواجهة تقلبات الأحمال، وحقق فترة استرداد بسيطة تبلغ حوالي 15 شهرًا. يعد هذا الأسلوب مناسبًا لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية التي تستخدم الطاقة بكثافة والتي تسعى إلى تحسين الجودة والكفاءة، مما يظهر قيمة ترويجية كبيرة.