Atualização e ganhos de eficiência de membranas difusoras de bolhas finas em estações de tratamento de águas residuais municipais
O sistema de aeração, um componente central do processo de tratamento de águas residuais com lodo ativado, impacta diretamente a eficácia do tratamento e os custos operacionais. As estatísticas mostram que a aeração pode representar 40% a 60% do consumo total de energia de uma ETAR típica. A membrana difusora, o principal meio para a transferência de oxigênio, determina a eficiência de transferência de oxigênio (OTE) e o nível de consumo de energia. Com o tempo, as membranas geralmente sofrem envelhecimento, entupimento e danos, levando à diminuição da OTE e ao aumento significativo do uso de energia.
A China tem mais de 4.000 ETAR municipais com uma capacidade de tratamento anual superior a 60 mil milhões de m³. O consumo anual de eletricidade dos sistemas de aeração ultrapassa os 100 mil milhões de kWh. Portanto, otimizar os sistemas de aeração e melhorar o OTE é crucial para atingir as metas do “Carbono Duplo”. No entanto, os estudos empíricos sobre a substituição de membranas difusoras em ETAR municipais domésticas são escassos, particularmente no que diz respeito a avaliações abrangentes do consumo de energia e da eficiência do tratamento.
1. Status da pesquisa sobre otimização do sistema de aeração
A pesquisa internacional concentra-se na melhoria do material da membrana e na inovação dos métodos de aeração. Por exemplo, a Supratec da Alemanha desenvolveu membranas de EPDM com uma eficiência de transferência de oxigênio de 0,33, e estudos da EPA dos EUA indicam que a aeração com micro-bolhas economiza mais de 30% de energia em comparação com os métodos tradicionais. Pesquisadores nacionais como Hu Peng descobriram que a otimização poderia reduzir o uso de energia das plantas em 15% a 25%.
No entanto, a pesquisa existente tem deficiências: predominância de estudos de laboratório sobre casos do-mundo real, foco nos efeitos de curto-prazo em detrimento da estabilidade de longo-prazo e análise de indicadores únicos em vez de benefícios abrangentes. Este estudo, por meio de monitoramento-de longo prazo, avalia sistematicamente o impacto abrangente da substituição da membrana na eficiência do tratamento e no consumo de energia, abordando uma lacuna de pesquisa.
2. Conteúdo e Metodologia da Pesquisa
Este estudo utilizou uma análise comparativa de dados operacionais antes e depois da substituição da membrana (junho de 2020 – março de 2022) numa ETAR em Dongguan, Guangdong. As principais áreas de pesquisa incluíram: mudanças na eficiência de remoção de poluentes, características de consumo de energia do sistema de aeração, mecanismos de melhoria de OTE e análise tecno{3}}econômica. Os métodos envolveram monitoramento de campo e análise de laboratório.
2.1 Visão Geral do Assunto
A ETAR caso tem capacidade projetada de 20.000 m³/d, utiliza processo A²/O para esgoto municipal, atende aproximadamente 150.000 pessoas e tem vazão diária real de 18.000 a 24.000 m³. Os difusores originais de borracha de bolhas finas estavam em operação há 8 anos, apresentando envelhecimento significativo.
2.2 Projeto do Plano de Atualização
2.2.1 Cálculo da Demanda de Oxigênio
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Considerando a área de serviço, a capacidade de fornecimento de oxigênio e possíveis entupimentos, o suprimento de ar necessário foi calculado em 2.400–4.800 m³/h (influente 1.200 m³/h, proporção ar-para-água 2–4). Isto equivalia a 480 metros de tubulação difusora (fornecimento de ar de 5 a 10 m³/h por metro), com uma área de serviço inferior a 2,5 m² por metro, permitindo um fornecimento máximo de oxigênio superior a 380 kg/h.
2.2.2 Seleção de Membrana
Com base na comparação de desempenho (Tabela 1), considerando OTE, faixa de fluxo de ar e custo, foram selecionadas membranas de bolhas finas de EPDM. Parâmetros principais: OTE 0,33 (maior que o original), fluxo de ar de 2 a 15 m³/h, vida útil de 5 a 8 anos e preço unitário-com boa relação custo-benefício.
2.2.3 Seleção do Fabricante
Depois de consultar fornecedores nacionais e considerar a experiência local, os difusores EPDM do tipo{0}}pá foram escolhidos por suas vantagens abrangentes no fornecimento de oxigênio, estrutura de instalação e preço. Foram instalados 484 medidores em dois tanques biológicos. Os parâmetros técnicos de diferentes modelos são mostrados emTabela 2.
2.2.4 Implementação de Substituição
A substituição em junho de 2021 durou 7 dias, envolvendo 484 metros de difusores-do tipo pá. A planta manteve operação contínua operando com capacidade reduzida em um dos lados. As novas membranas, projetadas para 5 m³/h, operavam de 4 a 8 m³/h.
2.3 Coleta e Análise de Dados
Foram coletados 22 meses de dados operacionais antes e depois da substituição em quatro categorias: qualidade da água (DQO afluente/efluente, NH₃-N), parâmetros operacionais (volume total de ar, pressão, OD), consumo de energia (eletricidade do sistema de aeração, kWh/m³ de aeração) e eficiência (OTE, relação ar-para{3}}água).
3. Mudanças na eficiência da remoção de poluentes
3.1 Remoção de COD
Após a-substituição, a remoção do COD melhorou significativamente. A DQO do efluente diminuiu de 14,2 mg/L para 12,4 mg/L e a taxa de remoção aumentou de 93,5% para 96,0%. O novo sistema também demonstrou melhor estabilidade apesar da flutuação da DQO influente (117–249 mg/L) (Figura 1).
3.2 Remoção de NH₃-N
A melhoria foi mais pronunciada para NH₃-N. Com níveis afluentes estáveis, o NH₃-N do efluente diminuiu de uma média de 2,3 mg/L para 0,85 mg/L, e a taxa de remoção atingiu 94,1% (Figura 1). Isso é atribuído à distribuição de aeração mais uniforme, promovendo o crescimento e a atividade do nitrificador, garantindo conformidade estável com NH₃-N.
4. Características de consumo de energia do sistema de aeração
4.1 Proporção ar-para{2}}água
A proporção de ar-para{1}}água diminuiu de 3,4 para menos de 2,0, enquanto o OD do tanque aeróbico permaneceu estável em 0,5–1 mg/L (Figura 2), indicando maior eficiência e estabilidade.
4.2 Energia de Aeração por Metro Cúbico de Água
O consumo de energia de aeração diminuiu de 0,073 kWh/m³ para 0,052 kWh/m³, uma redução de 28,3%. O efeito de poupança de energia manteve-se estável ao longo dos meses (Figura 3), mostrando confiabilidade consistente.
4.3 Consumo de Energia por Unidade de Poluente Removido
Esta métrica diminuiu de 0,32 kWh/kg para 0,24 kWh/kg, uma redução de 25% (Figura 4). Isto indica que as novas membranas não apenas reduziram o uso absoluto de energia, mas também melhoraram a eficiência do uso de energia para remoção de poluentes.
5. Mecanismos para melhorar a eficiência da utilização de oxigênio
5.1 Mudança na Eficiência da Transferência de Oxigênio
OTE aumentou de 15,10% para 24,75%, uma melhoria de 63,9% (Figura 5). Isso se deve à estrutura otimizada de micro{1}poros e à distribuição mais uniforme das bolhas das novas membranas, melhorando a transferência de massa de oxigênio. A nanotecnologia avançada permitiu poros mais finos e distribuídos de maneira mais uniforme, aumentando a difusão e a solubilidade.
5.2 Otimização de Parâmetros Operacionais
Como mostrado emTabela 3, após a-substituição, o volume total de ar diminuiu 18,4%, mantendo o OD entre 0,5–1 mg/L. A proporção ar-para{6}}água foi reduzida de 3,4:1 para 2,0:1, a OTE aumentou 63,9% e a energia de aeração por m³ diminuiu 28,3%. Essas otimizações abrangentes melhoraram o uso de energia, a eficiência operacional e a qualidade da água.
6. Análise Tecno-econômica
6.1 Período de Retorno do Investimento
O investimento total foi de 163.900 CNY (membranas, transporte, instalação, comissionamento). Com base numa poupança de energia de 0,021 kWh/m³, num preço de eletricidade de 0,7 CNY/kWh e num fluxo médio diário de 24.000 m³, a poupança anual de eletricidade é de 128.800 CNY. O período de retorno simples é de aproximadamente 15 meses, indicando benefícios económicos significativos.
6.2 Benefícios Ambientais
Com base no tratamento anual de 8,76 milhões de m³, a poupança anual de eletricidade é de 184.000 kWh, o equivalente a uma redução das emissões de CO₂ em 184 toneladas. A melhor remoção de poluentes aumenta os benefícios ambientais e garante uma conformidade mais estável dos efluentes, reduzindo os riscos ambientais.
7. Conclusão
A substituição por membranas difusoras de bolhas finas de EPDM aumentou significativamente o OTE para 24,75% e reduziu o consumo de energia de aeração em 28,3%, demonstrando um bom desempenho técnico-econômico. O novo sistema aumentou as taxas de remoção de COD e NH₃-N para 96,0% e 94,1%, respectivamente, melhorou a resiliência do sistema às flutuações de carga e alcançou um período de retorno simples de cerca de 15 meses. Essa abordagem é adequada para ETARs municipais-de uso intensivo de energia que buscam melhorias de qualidade e eficiência, mostrando um valor promocional significativo.