시립 폐수 처리장의 미세 기포 확산기 멤브레인의 업그레이드 및 효율성 향상
활성슬러지 폐수처리 공정의 핵심 구성요소인 폭기 시스템은 처리 효율성과 운영 비용에 직접적인 영향을 미칩니다. 통계에 따르면 폭기는 일반적인 WWTP의 총 에너지 소비량의 40%~60%를 차지할 수 있습니다. 산소 전달의 핵심 매체인 확산기 멤브레인은 산소 전달 효율(OTE)과 에너지 소비 수준을 결정합니다. 시간이 지남에 따라 멤브레인은 일반적으로 노화, 막힘 및 손상으로 인해 OTE가 감소하고 에너지 사용이 크게 증가합니다.
중국에는 연간 처리 용량이 600억 m3를 초과하는 4,000개가 넘는 지자체 WWTP가 있습니다. 폭기 시스템의 연간 전력 소비량은 1,000억kWh를 초과합니다. 따라서 폭기 시스템을 최적화하고 OTE를 개선하는 것은 "이중 탄소" 목표를 달성하는 데 중요합니다. 그러나 국내 도시 하수처리장에서 확산막 교체에 관한 실증적 연구, 특히 에너지 소비 및 처리 효율성에 대한 종합적인 평가에 관한 실증적 연구는 거의 없습니다.
1. 폭기시스템 최적화 연구현황
국제적인 연구는 멤브레인 소재 개선과 통기 방식 혁신에 중점을 두고 있습니다. 예를 들어, 독일의 Supratec은 산소 전달 효율이 0.33인 EPDM 멤브레인을 개발했으며, 미국 EPA 연구에 따르면 마이크로{2}}기포 통기는 기존 방법에 비해 에너지를 30% 이상 절약하는 것으로 나타났습니다. Hu Peng과 같은 국내 연구자들은 최적화가 식물 에너지 사용을 15%~25%까지 줄일 수 있다는 것을 발견했습니다.
그러나 기존 연구에는 단점이 있습니다. 실제 사례보다 실험실 연구가 우세하고, -장기 안정성보다 단기 효과에 초점을 맞추고,{2}}포괄적인 이점보다 단일 지표를 분석한다는 점입니다. 이 연구는 장기적인-모니터링을 통해 막 교체가 처리 효율성 및 에너지 소비에 미치는 포괄적인 영향을 체계적으로 평가하여 연구 격차를 해소합니다.
2. 연구 내용 및 방법론
본 연구에서는 광동성 동관 하수처리장에서 막교체 전후(2020년 6월~2022년 3월) 운영 데이터를 비교분석하였다. 주요 연구 분야에는 오염물질 제거 효율의 변화, 폭기 시스템 에너지 소비 특성, OTE 개선 메커니즘 및 기술-경제적 분석이 포함됩니다. 방법에는 현장 모니터링 및 실험실 분석이 포함되었습니다.
2.1 주제 개요
케이스 WWTP는 설계 용량이 20,000m³/d이고 도시 하수에 A²/O 공정을 사용하며 약 150,000명을 수용하고 실제 일일 유량은 18,000~24,000m³입니다. 원래의 고무 미세 기포 확산기는 8년 동안 작동되어 상당한 노후화를 보였습니다.
2.2 업그레이드 계획 설계
2.2.1 산소요구량 계산
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275kg/h. 서비스 면적, 산소 공급 용량, 막힘 가능성을 고려하여 필요한 공기 공급량은 2,400~4,800m³/h(유입량 1,200m³/h, 공기-대-물 비율 2~4)로 계산되었습니다. 이는 미터당 2.5m² 미만의 서비스 면적을 갖춘 480m의 디퓨저 튜브(미터당 공기 공급량 5~10m³/h)에 해당하며 최대 산소 공급량은 380kg/h를 초과합니다.
2.2.2 멤브레인 선택
성능 비교 기준(표 1), OTE, 공기유량범위, 비용 등을 고려하여 EPDM 미세기포막을 선택하였다. 주요 매개변수: OTE 0.33(원본보다 높음), 공기 흐름 2~15m³/h, 서비스 수명 5~8년, 비용-효율적인 단가.
2.2.3 제조사 선택
국내 공급업체와 상담하고 현지 경험을 고려한 후 산소 공급, 설치 구조 및 가격 측면에서 종합적인 장점을 지닌 패들-형 EPDM 디퓨저를 선택했습니다. 두 개의 생물학적 탱크에 걸쳐 총 484미터가 설치되었습니다. 다양한 모델의 기술 매개변수는 다음과 같습니다.표 2.
2.2.4 대체 구현
2021년 6월 교체 작업에는 484미터의 패들-형 디퓨저가 포함되어 7일이 걸렸습니다. 공장은 한쪽 면에서 감소된 용량으로 가동하여 지속적인 운영을 유지했습니다. 5m3/h용으로 설계된 새로운 멤브레인은 4~8m3/h에서 작동합니다.
2.3 데이터 수집 및 분석
수질(유입수/유출수 COD, NH₃-N), 운영 매개변수(총 공기량, 압력, DO), 에너지 소비(폭기 시스템 전기, 폭기 kWh/m3), 효율성(OTE, 공기-대-물 비율)의 네 가지 범주에 걸쳐 교체 전후 22개월의 운영 데이터가 수집되었습니다.
3. 오염물질 제거효율 변화
3.1 COD 제거
교체 후-COD 제거가 크게 향상되었습니다. 유출수 COD는 14.2mg/L에서 12.4mg/L로 감소했고, 제거율은 93.5%에서 96.0%로 증가했습니다. 새로운 시스템은 또한 유입수 COD(117–249 mg/L) 변동에도 불구하고 더 나은 안정성을 보여주었습니다(그림 1).
3.2 NH₃-N 제거
NH₃-N의 개선이 더욱 두드러졌습니다. 안정적인 유입수 수준으로 유출수 NH₃-N은 평균 2.3mg/L에서 0.85mg/L로 감소했으며 제거율은 94.1%에 달했습니다(그림 1). 이는 보다 균일한 통기 분포, 질산화기 성장 및 활동 촉진, 안정적인 NH₃-N 규정 준수를 보장하기 때문입니다.
4. 폭기시스템의 에너지 소비특성
4.1 공기-대-물 비율
공기{0}}대-물 비율은 3.4에서 2.0 미만으로 감소한 반면, 호기성 탱크 DO는 0.5~1mg/L로 안정적으로 유지되었습니다(그림 2), 이는 더 높은 효율성과 안정성을 나타냅니다.
4.2 물 1입방미터당 폭기 에너지
폭기 에너지 소비량은 0.073kWh/m3에서 0.052kWh/m3로 28.3% 감소했습니다. 에너지 절약 효과는 수개월에 걸쳐 안정적이었습니다(그림 3), 일관된 신뢰성을 보여줍니다.
4.3 제거된 오염물질 단위당 에너지 소비량
이 수치는 0.32kWh/kg에서 0.24kWh/kg으로 25% 감소했습니다(그림 4). 이는 새로운 분리막이 절대 에너지 사용을 감소시켰을 뿐만 아니라 오염물질 제거를 위한 에너지 사용 효율성을 향상시켰음을 의미합니다.
5. 산소 이용 효율성 향상을 위한 메커니즘
5.1 산소 전달 효율의 변화
OTE는 15.10%에서 24.75%로 증가하여 63.9% 개선되었습니다(그림 5). 이는 최적화된 미세- 기공 구조와 새로운 멤브레인의 보다 균일한 기포 분포로 인해 산소 질량 전달이 향상되기 때문입니다. 첨단 나노기술을 통해 기공이 더 미세하고 균일하게 분포되어 확산과 용해도가 향상되었습니다.
5.2 운영 매개변수의 최적화
에 표시된 바와 같이표 3, 교체 후{0}}DO를 0.5~1mg/L 사이로 유지하면서 총 공기량은 18.4% 감소했습니다. 공기-대-물 비율은 3.4:1에서 2.0:1로 감소했고, OTE는 63.9% 증가했으며, m³당 통기 에너지는 28.3% 감소했습니다. 이러한 포괄적인 최적화를 통해 에너지 사용, 운영 효율성 및 수질이 개선되었습니다.
6. 테크노-경제 분석
6.1 투자 회수 기간
총 투자액은 163,900 CNY(막, 운송, 설치, 시운전)였습니다. 에너지 절감액 0.021kWh/m3, 전기요금 0.7CNY/kWh, 일일 평균 전력량 24,000m3를 기준으로 연간 전기 절감액은 128,800CNY입니다. 단순 투자 회수 기간은 약 15개월로 상당한 경제적 이익을 나타냅니다.
6.2 환경적 이점
연간 처리량 876만㎥ 기준 연간 전력 절감량은 184,000kWh로, CO2 배출량을 184톤 줄이는 효과가 있습니다. 개선된 오염물질 제거는 환경적 이점을 강화하고 보다 안정적인 폐수 규정 준수를 보장하여 환경 위험을 줄입니다.
7. 결론
EPDM 미세 기포 확산막으로 교체하면 OTE가 24.75%로 크게 증가하고 통기 에너지 소비가 28.3% 감소하여 우수한 기술-경제적 성능을 입증했습니다. 새로운 시스템은 COD와 NH₃-N 제거율을 각각 96.0%와 94.1%로 증가시켰고, 부하 변동에 대한 시스템 복원력을 강화했으며, 약 15개월의 간단한 투자 회수 기간을 달성했습니다. 이 접근 방식은 품질과 효율성 개선을 추구하는 에너지 집약적 도시 WWTP에 적합하며 상당한 판촉 가치를 보여줍니다.