Belediye Atıksu Arıtma Tesislerinde İnce Kabarcıklı Difüzör Membranların İyileştirilmesi ve Verimlilik Kazanımı
Aktif çamur atıksu arıtma prosesinin temel bileşeni olan havalandırma sistemi, arıtma verimliliğini ve işletme maliyetlerini doğrudan etkiler. İstatistikler, havalandırmanın tipik bir AAT'nin toplam enerji tüketiminin %40 ila %60'ını oluşturabildiğini göstermektedir. Oksijen transferi için temel ortam olan difüzör membranı, oksijen transfer verimliliğini (OTE) ve enerji tüketim seviyesini belirler. Zamanla membranlar genellikle yaşlanma, tıkanma ve hasara maruz kalır, bu da OTE'nin azalmasına ve enerji kullanımının önemli ölçüde artmasına neden olur.
Çin'de yıllık arıtma kapasitesi 60 milyar m³'ü aşan 4.000'den fazla belediye atık su arıtma tesisi bulunmaktadır. Havalandırma sistemlerinin yıllık elektrik tüketimi 100 milyar kWh'in üzerindedir. Bu nedenle havalandırma sistemlerinin optimize edilmesi ve OTE'nin iyileştirilmesi "Çift Karbon" hedeflerine ulaşmak için çok önemlidir. Bununla birlikte, evsel belediye atık su arıtma tesislerinde difüzör membran değişimine ilişkin ampirik çalışmalar, özellikle enerji tüketimi ve arıtma verimliliğine ilişkin kapsamlı değerlendirmeler konusunda oldukça azdır.
1. Havalandırma Sistemi Optimizasyonunun Araştırma Durumu
Uluslararası araştırmalar membran malzemesinin iyileştirilmesine ve havalandırma yöntemi yeniliğine odaklanmaktadır. Örneğin, Almanya'daki Supratec, oksijen transfer verimliliği 0,33 olan EPDM membranlar geliştirdi ve ABD EPA çalışmaları, mikro-kabarcıklı havalandırmanın geleneksel yöntemlere kıyasla %30'un üzerinde enerji tasarrufu sağladığını gösteriyor. Hu Peng gibi yerli araştırmacılar, optimizasyonun tesisin enerji kullanımını %15 ila %25 oranında azaltabileceğini buldu.
Ancak mevcut araştırmaların eksiklikleri var: laboratuvar çalışmalarının gerçek-dünya örneklerine üstünlüğü, uzun-vadeli istikrar yerine kısa-vadeli etkilere odaklanma ve kapsamlı faydalar yerine tek göstergelerin analizi. Bu çalışma, uzun-dönemli izleme yoluyla, membran değişiminin arıtma verimliliği ve enerji tüketimi üzerindeki kapsamlı etkisini sistematik olarak değerlendirerek bir araştırma boşluğunu ele alıyor.
2. Araştırma İçeriği ve Metodolojisi
Bu çalışmada, Dongguan, Guangdong'daki bir Atık Su Arıtma Tesisindeki membran değişimi öncesi ve sonrası (Haziran 2020 - Mart 2022) operasyonel verilerin karşılaştırmalı bir analizi kullanılmıştır. Temel araştırma alanları şunları içeriyordu: kirletici giderme verimliliğindeki değişiklikler, havalandırma sistemi enerji tüketimi özellikleri, OTE iyileştirme mekanizmaları ve tekno-ekonomik analiz. Yöntemler saha izleme ve laboratuvar analizini içeriyordu.
2.1 Konuya Genel Bakış
AAT'nin tasarım kapasitesi 20.000 m³/gün olup, belediye kanalizasyonu için A²/O prosesi kullanır, yaklaşık 150.000 kişiye hizmet verir ve 18.000–24.000 m³ günlük fiili akışa sahiptir. Orijinal kauçuk ince kabarcıklı difüzörler 8 yıldır kullanımdaydı ve önemli ölçüde eskime gösteriyorlardı.
2.2 Yükseltme Planı Tasarımı
2.2.1 Oksijen İhtiyacı Hesaplaması
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/saat. Servis alanı, oksijen besleme kapasitesi ve potansiyel tıkanma göz önüne alındığında, gerekli hava beslemesi 2.400–4.800 m³/sa (giriş 1.200 m³/sa, Hava--Su Oranı 2–4) olarak hesaplandı. Bu, metre başına 2,5 m²'nin altında bir servis alanıyla 480 metrelik difüzör borusuna (metre başına 5-10 m³/saat hava beslemesi) eşdeğerdir ve 380 kg/saat'i aşan maksimum oksijen beslemesine izin verir.
2.2.2 Membran Seçimi
Performans karşılaştırmasına dayalı olarak (Tablo 1), OTE, hava akış aralığı ve maliyet dikkate alınarak EPDM ince kabarcıklı membranlar seçildi. Temel parametreler: OTE 0,33 (orijinalinden daha yüksek), hava akışı 2–15 m³/sa, hizmet ömrü 5–8 yıl ve uygun maliyetli-birim fiyatı.
2.2.3 Üretici Seçimi
Yurt içi tedarikçilere danışıldıktan ve yerel deneyimler dikkate alındıktan sonra, oksijen beslemesi, kurulum yapısı ve fiyat açısından kapsamlı avantajlarından dolayı kanatlı{0}tipi EPDM difüzörler seçildi. İki biyolojik tanka toplam 484 metre yerleştirildi. Farklı modellerin teknik parametreleri aşağıda gösterilmiştir.Tablo 2.
2.2.4 Değiştirme Uygulaması
Haziran 2021'deki değişim 7 gün sürdü ve 484 metrelik kanatlı-tipi difüzörler kullanıldı. Tesis bir taraftan azaltılmış kapasiteyle çalışarak sürekli çalışmayı sürdürdü. 5 m³/saat için tasarlanan yeni membranlar 4–8 m³/saatte çalıştırılıyordu.
2.3 Veri Toplama ve Analizi
Değiştirme öncesinde ve sonrasında dört kategoride 22 aylık operasyonel veriler toplandı: su kalitesi (giriş/atık KOİ, NH₃-N), operasyonel parametreler (toplam hava hacmi, basınç, DO), enerji tüketimi (havalandırma sistemi elektriği, havalandırma kWh/m³) ve verimlilik (OTE, Hava-/Su- Oranı).
3. Kirletici Giderim Verimliliğinde Değişiklikler
3.1 COD Kaldırma
Değiştirme sonrasında{0}KOİ giderme işlemi önemli ölçüde iyileşti. Atık KOİ 14,2 mg/L'den 12,4 mg/L'ye düştü ve giderme oranı %93,5'ten %96,0'a yükseldi. Yeni sistem ayrıca girişteki COD'deki dalgalanmalara (117-249 mg/L) rağmen daha iyi stabilite gösterdi (Şekil 1).
3.2 NH₃-N Kaldırma
İyileşme NH₃-N için daha belirgindi. Stabil giriş seviyeleriyle, çıkış NH₃-N ortalama 2,3 mg/L'den 0,85 mg/L'ye düştü ve giderme oranı %94,1'e ulaştı (Şekil 1). Bu, nitrifikasyon büyümesini ve aktivitesini teşvik eden ve istikrarlı NH₃-N uyumluluğunu sağlayan daha düzgün havalandırma dağılımına atfedilir.
4. Havalandırma Sistemi Enerji Tüketim Özellikleri
4.1 Hava-/Su-Oranı
Aerobik tank DO'su 0,5–1 mg/L'de sabit kalırken Hava--Su Oranı 3,4'ten 2,0'ın altına düştü (Şekil 2), daha yüksek verimlilik ve stabiliteyi gösterir.
4.2 Metreküp Su Başına Havalandırma Enerjisi
Havalandırma enerji tüketimi %28,3 düşüşle 0,073 kWh/m³'ten 0,052 kWh/m³'e düştü. Enerji tasarrufu etkisi aylar boyunca istikrarlıydı (Şekil 3), tutarlı bir güvenilirlik gösteriyor.
4.3 Kaldırılan Kirletici Birimi Başına Enerji Tüketimi
Bu ölçüm 0,32 kWh/kg'dan 0,24 kWh/kg'a düştü, bu da %25'lik bir azalmadır (Şekil 4). Bu, yeni membranların yalnızca mutlak enerji kullanımını azaltmakla kalmayıp, aynı zamanda kirleticilerin uzaklaştırılması için enerji kullanımı verimliliğini de arttırdığını göstermektedir.
5. Geliştirilmiş Oksijen Kullanım Verimliliğine Yönelik Mekanizmalar
5.1 Oksijen Transfer Verimliliğinde Değişiklik
OTE %63,9'luk bir iyileşmeyle %15,10'dan %24,75'e yükseldi (Şekil 5). Bunun nedeni, optimize edilmiş mikro-gözenek yapısı ve yeni membranların daha düzgün kabarcık dağılımı olup, oksijen kütle transferini arttırmaktır. Gelişmiş nanoteknoloji daha ince, daha düzgün dağılmış gözeneklere izin vererek difüzyonu ve çözünürlüğü arttırdı.
5.2 Operasyonel Parametrelerin Optimizasyonu
Gösterildiği gibiTablo 3,-değiştirme sonrasında toplam hava hacmi %18,4 azalırken DO değeri 0,5–1 mg/L arasında tutuldu. Hava--Su Oranı 3,4:1'den 2,0:1'e düşürüldü, OTE %63,9 arttı ve m³ başına havalandırma enerjisi %28,3 azaldı. Bu kapsamlı optimizasyonlar enerji kullanımını, operasyonel verimliliği ve su kalitesini iyileştirdi.
6. Tekno-Ekonomik Analiz
6.1 Yatırım Geri Ödeme Süresi
Toplam yatırım 163.900 CNY idi (membranlar, nakliye, kurulum, devreye alma). 0,021 kWh/m³ enerji tasarrufu, 0,7 CNY/kWh elektrik fiyatı ve ortalama 24.000 m³ günlük akış dikkate alındığında yıllık elektrik tasarrufu 128.800 CNY'dir. Basit geri ödeme süresi yaklaşık 15 aydır ve bu da önemli ekonomik faydalara işaret etmektedir.
6.2 Çevresel Faydalar
Yıllık 8,76 milyon m³ arıtma dikkate alındığında yıllık elektrik tasarrufu 184.000 kWh olup, CO₂ emisyonlarının 184 ton azaltılmasına eşdeğerdir. Geliştirilmiş kirletici madde giderimi, çevresel faydaları artırır ve daha istikrarlı atık su uyumluluğu sağlayarak çevresel riskleri azaltır.
7. Sonuç
EPDM ince kabarcıklı difüzör membranlarının değiştirilmesi OTE'yi önemli ölçüde %24,75'e çıkardı ve havalandırma enerji tüketimini %28,3 oranında azaltarak iyi bir tekno-ekonomik performans gösterdi. Yeni sistem COD ve NH₃-N giderme oranlarını sırasıyla %96,0 ve %94,1'e çıkardı, sistemin yük dalgalanmalarına karşı dayanıklılığını artırdı ve yaklaşık 15 aylık basit bir geri ödeme süresi elde etti. Bu yaklaşım, kalite ve verimlilik iyileştirmeleri arayan enerji-yoğun belediye AAT'leri için uygundur ve önemli bir tanıtım değeri gösterir.