नगरपालिका अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों में फाइन बबल डिफ्यूज़र मेम्ब्रेन का उन्नयन और दक्षता लाभ
वातन प्रणाली, सक्रिय कीचड़ अपशिष्ट जल उपचार प्रक्रिया का एक मुख्य घटक, सीधे उपचार प्रभावकारिता और परिचालन लागत को प्रभावित करता है। आंकड़े बताते हैं कि वातन एक सामान्य WWTP की कुल ऊर्जा खपत का 40% से 60% तक हो सकता है। डिफ्यूज़र झिल्ली, ऑक्सीजन स्थानांतरण का प्रमुख माध्यम, ऑक्सीजन स्थानांतरण दक्षता (ओटीई) और ऊर्जा खपत स्तर निर्धारित करता है। समय के साथ, झिल्लियाँ आमतौर पर उम्र बढ़ने, अवरुद्ध होने और क्षति से पीड़ित होती हैं, जिससे ओटीई में कमी आती है और ऊर्जा का उपयोग काफी बढ़ जाता है।
चीन में 4,000 से अधिक नगरपालिका WWTP हैं जिनकी वार्षिक उपचार क्षमता 60 बिलियन वर्ग मीटर से अधिक है। वातन प्रणालियों की वार्षिक बिजली खपत 100 बिलियन kWh से अधिक है। इसलिए, "दोहरी कार्बन" लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए वातन प्रणालियों को अनुकूलित करना और ओटीई में सुधार करना महत्वपूर्ण है। हालाँकि, घरेलू नगरपालिका डब्ल्यूडब्ल्यूटीपी में डिफ्यूज़र झिल्ली प्रतिस्थापन पर अनुभवजन्य अध्ययन दुर्लभ हैं, विशेष रूप से ऊर्जा खपत और उपचार दक्षता के व्यापक आकलन के संबंध में।
1. वातन प्रणाली अनुकूलन की अनुसंधान स्थिति
अंतर्राष्ट्रीय अनुसंधान झिल्ली सामग्री सुधार और वातन विधि नवाचार पर केंद्रित है। उदाहरण के लिए, जर्मनी के सुप्राटेक ने 0.33 की ऑक्सीजन स्थानांतरण दक्षता के साथ ईपीडीएम झिल्ली विकसित की है, और यूएस ईपीए अध्ययनों से संकेत मिलता है कि पारंपरिक तरीकों की तुलना में सूक्ष्म बुलबुला वातन 30% से अधिक ऊर्जा बचाता है। हू पेंग जैसे घरेलू शोधकर्ताओं ने पाया कि अनुकूलन से पौधों की ऊर्जा के उपयोग को 15%-25% तक कम किया जा सकता है।
हालाँकि, मौजूदा शोध में कमियाँ हैं: वास्तविक {0} दुनिया के मामलों पर प्रयोगशाला अध्ययनों की प्रधानता, दीर्घकालिक स्थिरता पर अल्पकालिक प्रभाव पर ध्यान केंद्रित, और व्यापक लाभों पर एकल संकेतकों का विश्लेषण। यह अध्ययन, दीर्घकालिक निगरानी के माध्यम से, एक शोध अंतर को संबोधित करते हुए, उपचार दक्षता और ऊर्जा खपत पर झिल्ली प्रतिस्थापन के व्यापक प्रभाव का व्यवस्थित रूप से मूल्यांकन करता है।
2. अनुसंधान सामग्री और पद्धति
इस अध्ययन में डोंगगुआन, ग्वांगडोंग में डब्ल्यूडब्ल्यूटीपी में झिल्ली प्रतिस्थापन (जून 2020 - मार्च 2022) से पहले और बाद के परिचालन डेटा के तुलनात्मक विश्लेषण का उपयोग किया गया। प्रमुख अनुसंधान क्षेत्रों में शामिल हैं: प्रदूषक निष्कासन दक्षता में परिवर्तन, वातन प्रणाली ऊर्जा खपत विशेषताएँ, ओटीई सुधार तंत्र और तकनीकी आर्थिक विश्लेषण। विधियों में क्षेत्र की निगरानी और प्रयोगशाला विश्लेषण शामिल थे।
2.1 विषय अवलोकन
केस WWTP की डिज़ाइन क्षमता 20,000 m³/d है, यह नगरपालिका सीवेज के लिए A²/O प्रक्रिया का उपयोग करता है, लगभग 150,000 लोगों को सेवा प्रदान करता है, और इसका वास्तविक दैनिक प्रवाह 18,000-24,000 m³ है। मूल रबर फाइन बबल डिफ्यूज़र 8 वर्षों से प्रचालन में थे, जो काफी पुराने होने का संकेत दे रहे थे।
2.2 अपग्रेड योजना डिज़ाइन
2.2.1 ऑक्सीजन मांग की गणना
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 किग्रा/घंटा. सेवा क्षेत्र, ऑक्सीजन आपूर्ति क्षमता और संभावित रुकावट को ध्यान में रखते हुए, आवश्यक वायु आपूर्ति की गणना 2,400-4,800 m³/h (प्रभावी 1,200 m³/h, वायु-से-जल अनुपात 2-4) की गई थी। यह 480 मीटर डिफ्यूज़र टयूबिंग (वायु आपूर्ति 5-10 m³/h प्रति मीटर) के बराबर है, जिसका सेवा क्षेत्र 2.5 m² प्रति मीटर से कम है, जिससे अधिकतम ऑक्सीजन आपूर्ति 380 kg/h से अधिक हो सकती है।
2.2.2 झिल्ली चयन
प्रदर्शन तुलना के आधार पर (तालिका नंबर एक), ओटीई, एयरफ्लो रेंज और लागत को ध्यान में रखते हुए, ईपीडीएम फाइन बबल मेम्ब्रेन का चयन किया गया। मुख्य पैरामीटर: ओटीई 0.33 (मूल से अधिक), एयरफ्लो 2-15 एम³/घंटा, सेवा जीवन 5-8 साल, और लागत {{6}प्रभावी इकाई मूल्य।
2.2.3 निर्माता चयन
घरेलू आपूर्तिकर्ताओं से परामर्श करने और स्थानीय अनुभव पर विचार करने के बाद, ऑक्सीजन आपूर्ति, स्थापना संरचना और कीमत में उनके व्यापक लाभ के लिए पैडल - प्रकार के ईपीडीएम डिफ्यूज़र को चुना गया। दो जैविक टैंकों में कुल 484 मीटर लगाए गए थे। विभिन्न मॉडलों के तकनीकी पैरामीटर दिखाए गए हैंतालिका 2.
2.2.4 प्रतिस्थापन कार्यान्वयन
जून 2021 में प्रतिस्थापन में 7 दिन लगे, जिसमें 484 मीटर पैडल प्रकार के डिफ्यूज़र शामिल थे। संयंत्र ने एक तरफ कम क्षमता पर चलकर निरंतर संचालन बनाए रखा। 5 m³/h के लिए डिज़ाइन की गई नई झिल्लियाँ 4-8 m³/h पर संचालित होती हैं।
2.3 डेटा संग्रह और विश्लेषण
चार श्रेणियों में प्रतिस्थापन से पहले और बाद में 22 महीने का परिचालन डेटा एकत्र किया गया था: पानी की गुणवत्ता (प्रभावी/प्रवाह सीओडी, एनएच₃-एन), परिचालन पैरामीटर (कुल वायु मात्रा, दबाव, डीओ), ऊर्जा खपत (वायु प्रणाली बिजली, वातन kWh/m³), और दक्षता (ओटीई, वायु-से-जल अनुपात)।
3. प्रदूषक निष्कासन क्षमता में परिवर्तन
3.1 सीओडी हटाना
प्रतिस्थापन के बाद, सीओडी हटाने में उल्लेखनीय सुधार हुआ। प्रवाहित सीओडी 14.2 मिलीग्राम/लीटर से घटकर 12.4 मिलीग्राम/लीटर हो गया, और निष्कासन दर 93.5% से बढ़कर 96.0% हो गई। नई प्रणाली ने प्रभावशाली सीओडी (117-249 मिलीग्राम/लीटर) में उतार-चढ़ाव के बावजूद बेहतर स्थिरता का प्रदर्शन किया (चित्र 1).
3.2 एनएच₃-एन हटाना
NH₃-N के लिए सुधार अधिक स्पष्ट था। स्थिर प्रभावशाली स्तरों के साथ, प्रवाह NH₃-N औसतन 2.3 mg/L से घटकर 0.85 mg/L हो गया, और निष्कासन दर 94.1% तक पहुंच गई (चित्र 1). इसका श्रेय अधिक समान वातन वितरण, नाइट्रिफायर वृद्धि और गतिविधि को बढ़ावा देने, स्थिर NH₃-N अनुपालन सुनिश्चित करने को दिया जाता है।
4. वातन प्रणाली ऊर्जा खपत विशेषताएँ
4.1 वायु-से-जल अनुपात
वायु-से-जल अनुपात 3.4 से घटकर 2.0 से नीचे आ गया, जबकि एरोबिक टैंक डीओ 0.5-1 मिलीग्राम/लीटर पर स्थिर रहा (चित्र 2), उच्च दक्षता और स्थिरता का संकेत देता है।
4.2 वातन ऊर्जा प्रति घन मीटर पानी
वातन ऊर्जा खपत 0.073 kWh/m³ से घटकर 0.052 kWh/m³ हो गई, जो 28.3% की कमी है। ऊर्जा बचत प्रभाव महीनों तक स्थिर रहा (चित्र तीन), लगातार विश्वसनीयता दिखा रहा है।
4.3 हटाए गए प्रदूषकों की प्रति इकाई ऊर्जा खपत
यह मीट्रिक 0.32 kWh/किग्रा से घटकर 0.24 kWh/किलोग्राम हो गया, 25% की कमी (चित्र 4). यह इंगित करता है कि नई झिल्लियों ने न केवल पूर्ण ऊर्जा उपयोग को कम किया है बल्कि प्रदूषक हटाने के लिए ऊर्जा उपयोग की दक्षता में भी सुधार किया है।
5. बेहतर ऑक्सीजन उपयोग दक्षता के लिए तंत्र
5.1 ऑक्सीजन स्थानांतरण दक्षता में परिवर्तन
ओटीई 15.10% से बढ़कर 24.75% हो गया, 63.9% सुधार (चित्र 5). यह अनुकूलित सूक्ष्म छिद्र संरचना और नई झिल्लियों के अधिक समान बुलबुला वितरण के कारण है, जिससे ऑक्सीजन द्रव्यमान स्थानांतरण में वृद्धि होती है। उन्नत नैनोटेक्नोलॉजी ने बेहतर, अधिक समान रूप से वितरित छिद्रों, प्रसार और घुलनशीलता को बढ़ाने की अनुमति दी।
5.2 परिचालन मापदंडों का अनुकूलन
जैसा कि दिखाया गया हैटेबल तीन, प्रतिस्थापन के बाद, कुल वायु मात्रा में 18.4% की कमी आई, जबकि डीओ को 0.5-1 मिलीग्राम/लीटर के बीच बनाए रखा गया। वायु का अनुपात 3.4:1 से घटकर 2.0:1 हो गया, ओटीई में 63.9% की वृद्धि हुई और प्रति वर्ग मीटर वातन ऊर्जा में 28.3% की कमी आई। इन व्यापक अनुकूलनों ने ऊर्जा उपयोग, परिचालन दक्षता और पानी की गुणवत्ता में सुधार किया।
6. तकनीकी-आर्थिक विश्लेषण
6.1 निवेश वापसी अवधि
कुल निवेश 163,900 CNY (झिल्ली, परिवहन, स्थापना, कमीशनिंग) था। 0.021 kWh/m³ की ऊर्जा बचत, 0.7 CNY/kWh की बिजली कीमत और 24,000 m³ के औसत दैनिक प्रवाह के आधार पर, वार्षिक बिजली बचत 128,800 CNY है। साधारण भुगतान अवधि लगभग 15 महीने है, जो महत्वपूर्ण आर्थिक लाभ का संकेत देती है।
6.2 पर्यावरणीय लाभ
8.76 मिलियन वर्ग मीटर के वार्षिक उपचार के आधार पर, वार्षिक बिजली बचत 184,000 kWh है, जो CO₂ उत्सर्जन को 184 टन कम करने के बराबर है। बेहतर प्रदूषक निष्कासन पर्यावरणीय लाभों को बढ़ाता है और पर्यावरणीय जोखिमों को कम करते हुए अधिक स्थिर प्रवाह अनुपालन सुनिश्चित करता है।
7. निष्कर्ष
ईपीडीएम फाइन बबल डिफ्यूज़र मेम्ब्रेन को बदलने से ओटीई में उल्लेखनीय रूप से 24.75% की वृद्धि हुई और वातन ऊर्जा की खपत में 28.3% की कमी आई, जो अच्छे तकनीकी आर्थिक प्रदर्शन को प्रदर्शित करता है। नई प्रणाली ने COD और NH₃-N निष्कासन दरों को क्रमशः 96.0% और 94.1% तक बढ़ा दिया, लोड उतार-चढ़ाव के लिए सिस्टम लचीलापन बढ़ाया, और लगभग 15 महीने की सरल भुगतान अवधि हासिल की। यह दृष्टिकोण महत्वपूर्ण प्रचारात्मक मूल्य दिखाते हुए गुणवत्ता और दक्षता में सुधार चाहने वाले ऊर्जा गहन नगरपालिका डब्ल्यूडब्ल्यूटीपी के लिए उपयुक्त है।