Mejora y aumento de la eficiencia de las membranas difusoras de burbuja fina en plantas de tratamiento de aguas residuales municipales
El sistema de aireación, un componente central del proceso de tratamiento de aguas residuales de lodos activados, impacta directamente en la eficacia del tratamiento y los costos operativos. Las estadísticas muestran que la aireación puede representar entre el 40% y el 60% del consumo total de energía de una EDAR típica. La membrana difusora, el medio clave para la transferencia de oxígeno, determina la eficiencia de transferencia de oxígeno (OTE) y el nivel de consumo de energía. Con el tiempo, las membranas suelen sufrir envejecimiento, obstrucciones y daños, lo que provoca una disminución del OTE y un aumento significativo del uso de energía.
China tiene más de 4.000 EDAR municipales con una capacidad de tratamiento anual que supera los 60 mil millones de m³. El consumo anual de electricidad de los sistemas de aireación supera los 100 mil millones de kWh. Por lo tanto, optimizar los sistemas de aireación y mejorar el OTE es crucial para lograr los objetivos de "carbono dual". Sin embargo, los estudios empíricos sobre la sustitución de membranas difusoras en EDAR municipales domésticas son escasos, particularmente en lo que respecta a evaluaciones integrales del consumo de energía y la eficiencia del tratamiento.
1. Estado de la investigación sobre la optimización del sistema de aireación.
La investigación internacional se centra en la mejora del material de las membranas y la innovación en los métodos de aireación. Por ejemplo, la empresa alemana Supratec desarrolló membranas de EPDM con una eficiencia de transferencia de oxígeno de 0,33, y los estudios de la EPA de EE. UU. indican que la aireación con micro-burbujas ahorra más del 30 % de energía en comparación con los métodos tradicionales. Investigadores nacionales como Hu Peng descubrieron que la optimización podría reducir el uso de energía de las plantas entre un 15% y un 25%.
Sin embargo, las investigaciones existentes tienen deficiencias: predominio de estudios de laboratorio sobre casos{0}}del mundo real, centrarse en los efectos a corto-plazo sobre la estabilidad a largo-plazo y análisis de indicadores únicos sobre beneficios integrales. Este estudio, a través de un seguimiento-a largo plazo, evalúa sistemáticamente el impacto integral del reemplazo de membranas en la eficiencia del tratamiento y el consumo de energía, abordando un vacío en la investigación.
2. Contenido y metodología de la investigación
Este estudio utilizó un análisis comparativo de datos operativos antes y después del reemplazo de membranas (junio de 2020 – marzo de 2022) en una EDAR en Dongguan, Guangdong. Las áreas clave de investigación incluyeron: cambios en la eficiencia de la eliminación de contaminantes, características del consumo de energía del sistema de aireación, mecanismos de mejora de OTE y análisis tecno-económico. Los métodos involucraron monitoreo de campo y análisis de laboratorio.
2.1 Descripción general del tema
La EDAR del caso tiene una capacidad de diseño de 20.000 m³/d, utiliza un proceso A²/O para las aguas residuales municipales, atiende aproximadamente a 150.000 personas y tiene un caudal diario real de 18.000 a 24.000 m³. Los difusores originales de goma de burbuja fina llevaban 8 años de funcionamiento presentando un envejecimiento importante.
2.2 Diseño del plan de actualización
2.2.1 Cálculo de la demanda de oxígeno
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275 kg/h. Teniendo en cuenta el área de servicio, la capacidad de suministro de oxígeno y la posible obstrucción, se calculó que el suministro de aire requerido era de 2400 a 4800 m³/h (afluente 1200 m³/h, proporción de aire-a-agua 2 a 4). Esto equivalía a 480 metros de tubería difusora (suministro de aire de 5 a 10 m³/h por metro), con un área de servicio inferior a 2,5 m² por metro, lo que permitía un suministro máximo de oxígeno superior a 380 kg/h.
2.2.2 Selección de membrana
Basado en la comparación de rendimiento (Tabla 1), considerando OTE, rango de flujo de aire y costo, se seleccionaron membranas de burbuja fina de EPDM. Parámetros clave: OTE 0,33 (superior al original), flujo de aire de 2 a 15 m³/h, vida útil de 5 a 8 años y un precio unitario rentable-.
2.2.3 Selección del fabricante
Después de consultar a los proveedores nacionales y considerar la experiencia local, se eligieron los difusores de EPDM tipo paleta-por sus amplias ventajas en el suministro de oxígeno, la estructura de instalación y el precio. En total se instalaron 484 medidores en dos tanques biológicos. Los parámetros técnicos de diferentes modelos se muestran enTabla 2.
2.2.4 Implementación de reemplazo
El reemplazo en junio de 2021 tomó 7 días, involucrando 484 metros de difusores tipo paleta-. La planta mantuvo un funcionamiento continuo funcionando a capacidad reducida en un lado. Las nuevas membranas, diseñadas para 5 m³/h, funcionaban a 4-8 m³/h.
2.3 Recopilación y análisis de datos
Se recopilaron 22 meses de datos operativos antes y después del reemplazo en cuatro categorías: calidad del agua (DQO afluente/efluente, NH₃-N), parámetros operativos (volumen total de aire, presión, OD), consumo de energía (electricidad del sistema de aireación, kWh/m³ de aireación) y eficiencia (OTE, relación aire-a-agua).
3. Cambios en la eficiencia de la eliminación de contaminantes
3.1 Eliminación de DQO
Después del-reemplazo, la eliminación de COD mejoró significativamente. La DQO del efluente disminuyó de 14,2 mg/L a 12,4 mg/L y la tasa de eliminación aumentó de 93,5% a 96,0%. El nuevo sistema también demostró una mejor estabilidad a pesar de la fluctuación de la DQO del afluente (117–249 mg/L) (Figura 1).
3.2 Eliminación de NH₃-N
La mejora fue más pronunciada para el NH₃-N. Con niveles estables en el afluente, el NH₃-N efluente disminuyó de un promedio de 2,3 mg/L a 0,85 mg/L, y la tasa de eliminación alcanzó el 94,1% (Figura 1). Esto se atribuye a una distribución de aireación más uniforme, que promueve el crecimiento y la actividad de los nitrificantes y garantiza un cumplimiento estable del NH₃-N.
4. Características del consumo de energía del sistema de aireación.
4.1 Relación aire-a-agua
La proporción de aire-a-agua disminuyó de 3,4 a menos de 2,0, mientras que el OD del tanque aeróbico se mantuvo estable entre 0,5 y 1 mg/l (Figura 2), lo que indica una mayor eficiencia y estabilidad.
4.2 Energía de aireación por metro cúbico de agua
El consumo de energía de aireación disminuyó de 0,073 kWh/m³ a 0,052 kWh/m³, una reducción del 28,3%. El efecto del ahorro de energía se mantuvo estable a lo largo de los meses (Figura 3), mostrando una confiabilidad constante.
4.3 Consumo de energía por unidad de contaminante eliminado
Esta métrica disminuyó de 0,32 kWh/kg a 0,24 kWh/kg, una reducción del 25% (Figura 4). Esto indica que las nuevas membranas no sólo redujeron el uso absoluto de energía sino que también mejoraron la eficiencia del uso de energía para la eliminación de contaminantes.
5. Mecanismos para mejorar la eficiencia en la utilización del oxígeno
5.1 Cambio en la eficiencia de la transferencia de oxígeno
OTE aumentó del 15,10% al 24,75%, una mejora del 63,9% (Figura 5). Esto se debe a la estructura de micro-poros optimizada y a una distribución más uniforme de las burbujas de las nuevas membranas, lo que mejora la transferencia de masa de oxígeno. La nanotecnología avanzada permitió poros más finos y distribuidos más uniformemente, aumentando la difusión y la solubilidad.
5.2 Optimización de parámetros operativos
Como se muestra enTabla 3, después del-reemplazo, el volumen total de aire disminuyó un 18,4 % mientras se mantenía el OD entre 0,5 y 1 mg/l. La proporción de aire-a-agua se redujo de 3,4:1 a 2,0:1, el OTE aumentó un 63,9 % y la energía de aireación por m³ disminuyó un 28,3 %. Estas optimizaciones integrales mejoraron el uso de energía, la eficiencia operativa y la calidad del agua.
6. Análisis tecno-económico
6.1 Período de recuperación de la inversión
La inversión total fue de 163.900 CNY (membranas, transporte, instalación, puesta en marcha). Basado en un ahorro de energía de 0,021 kWh/m³, un precio de electricidad de 0,7 CNY/kWh y un flujo diario promedio de 24.000 m³, el ahorro anual de electricidad es de 128.800 CNY. El período de recuperación simple es de aproximadamente 15 meses, lo que indica importantes beneficios económicos.
6.2 Beneficios ambientales
Con un tratamiento anual de 8,76 millones de m³, el ahorro anual de electricidad es de 184.000 kWh, lo que equivale a reducir las emisiones de CO₂ en 184 toneladas. Una mejor eliminación de contaminantes mejora los beneficios ambientales y garantiza un cumplimiento más estable de los efluentes, lo que reduce los riesgos ambientales.
7. Conclusión
El reemplazo por membranas difusoras de burbujas finas de EPDM aumentó significativamente el OTE al 24,75 % y redujo el consumo de energía de aireación en un 28,3 %, lo que demuestra un buen rendimiento tecno-económico. El nuevo sistema aumentó las tasas de eliminación de DQO y NH₃-N al 96,0 % y 94,1 %, respectivamente, mejoró la resistencia del sistema a las fluctuaciones de carga y logró un período de recuperación simple de aproximadamente 15 meses. Este enfoque es adecuado para EDAR municipales-con un uso intensivo de energía que buscan mejoras de calidad y eficiencia, lo que muestra un valor promocional significativo.