陶瓷膜技術(shù)在污水廠建設(shè)節(jié)能減排中的應(yīng)用研究

1引言

城市中的污水廠，不僅是城市生態(tài)環(huán)境安全的保障，同時(shí)直接關(guān)乎著城市居民的生活質(zhì)量。傳統(tǒng)污水廠建設(shè)項(xiàng)目，具有占地面積大、成本高、能耗高的問題，這些缺陷限制了污水廠自身以及城市地區(qū)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的落實(shí)。將陶瓷膜技術(shù)引入污水廠，可有效促進(jìn)項(xiàng)目建設(shè)期中的節(jié)能減排效應(yīng)，基于陶瓷膜獨(dú)特的物化性質(zhì)縮短工藝流程、降低項(xiàng)自能耗并節(jié)約土地成本，讓污水處理更加經(jīng)濟(jì)、高效。因此，從城市發(fā)展角度分析，基于陶瓷膜技術(shù)的污水處理廠，可為城市發(fā)展提供全新的節(jié)能減排方案，有效推動(dòng)城市生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程的加快。

2陶瓷膜技術(shù)及其在污水廠建設(shè)中的節(jié)能減排原理

2.1陶瓷膜技術(shù)概況

陶瓷膜材料，由無機(jī)材料構(gòu)成的多孔膜，其具有高溫穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性以及十分優(yōu)秀的機(jī)械強(qiáng)度特征。這些特征，使陶瓷膜材料在極端條件下，可始終保持性能上的穩(wěn)定性。陶瓷膜的孔徑范圍廣泛，從微濾到納濾，使其能夠適用于不同尺度的分離需求。陶瓷膜的制造過程，通常包括成型、燒結(jié)以及后續(xù)的表面處理，確保膜孔的一致性且內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有良好連貫性。目前，陶瓷膜技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水處理、食品加工、制藥以及新能源產(chǎn)業(yè)，同時(shí)陶瓷膜技術(shù)正在以其高效分離、長壽命的特性逐漸成為工業(yè)分離、凈化領(lǐng)域下的優(yōu)選材料。特別是在近年來技術(shù)的不斷進(jìn)步下，該材料進(jìn)一步提升了其應(yīng)用潛力。

2.2污水廠建設(shè)中陶瓷膜技術(shù)節(jié)能減排原理

2.2.1縮短工藝流程與降低能耗

在污水廠建設(shè)項(xiàng)目中，以陶瓷膜作為核心技術(shù)，其獨(dú)特的物理、化學(xué)特性可以促進(jìn)微氧環(huán)境下的菌體共生。這種共生體系，可生成短程硝化、反硝化與液體中氮氧化過程，實(shí)現(xiàn)污水凈化。與此同時(shí)，利用陶瓷膜進(jìn)行污水處理后，可將剩余污泥作為內(nèi)碳源來有效參與脫氧過程，污水廠建設(shè)階段無需建設(shè)傳統(tǒng)的二沉池、反硝化濾池。這種創(chuàng)新，縮短了工藝流程，節(jié)約污水處理階段的能耗，降低運(yùn)營成本。

2.2.2節(jié)約項(xiàng)目土地面積

陶瓷膜技術(shù)的應(yīng)用，在減少污水處理廠工藝流程復(fù)雜度的同時(shí)，大幅度節(jié)約了項(xiàng)自所需土地面積。而陶瓷膜技術(shù)在簡化工藝環(huán)節(jié)背景下，使得整套系統(tǒng)的整體占地需求顯著下降。這種土地資源的節(jié)約，不僅是節(jié)能減排的顯著效益，更可直接促進(jìn)污水處理系統(tǒng)在城市中的靈活部署。

3污水廠建設(shè)節(jié)能減排背景下陶瓷膜的應(yīng)用3.1污水廠項(xiàng)目概況

江西省某市某裝配式污水廠設(shè)以納米陶瓷膜為主體工藝，污水廠設(shè)計(jì)規(guī)模 2×10⁴m³/d ，滿足GB3838-2002文件下V類標(biāo)準(zhǔn)，核心處理工藝為 AAO+ 納米陶瓷膜。目前，該污水廠已滿負(fù)荷運(yùn)行3年，出水水實(shí)質(zhì)長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3.2基于納米陶瓷膜的工藝路線

該裝配式污水廠采取 AAO+ 納米陶瓷膜工藝流程，預(yù)處理系統(tǒng)為細(xì)格柵 $$ 沉砂池 $$ 精細(xì)格柵。圖1為該污水廠工藝流程：

本次案例污水廠處理流程下，污水來自市政部門的污水管網(wǎng)，污水進(jìn)入一體化泵站后，通過提升進(jìn)入到首道細(xì)格柵池，經(jīng)過首次過濾之后，利用旋流沉砂池實(shí)現(xiàn)泥沙分離以及有機(jī)物的去除。進(jìn)入精細(xì)格柵池后，系統(tǒng)會(huì)利用網(wǎng)板過濾將細(xì)小纖維物質(zhì)、毛發(fā)去除。隨后，進(jìn)入生物處理步驟，基于AOO一體化水池，利用缺氧、好氧池讓混合液呈現(xiàn)缺氧狀態(tài)、反硝化反應(yīng)，將污水中的氮有效去除。隨后，污水進(jìn)人磨齒，基于納米陶瓷膜的曝氣、抽濾雙重處理實(shí)現(xiàn)固液分離。消毒緩解下，AOO一體化水池出水后進(jìn)入清水池，清水池負(fù)責(zé)提供精細(xì)格柵反洗以及膜池反沖洗，出水進(jìn)入紫外消毒，去除細(xì)菌生物，最后進(jìn)入巴歇爾槽并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。污水處理期間剩余的污泥，被輸送到污泥脫縮水一體機(jī)設(shè)備，處理后形成干濾餅（干固含量 gt;20% ）。

3.3工藝設(shè)計(jì)與出水情況

該污水廠設(shè)計(jì) 2×10⁴m³/d 擴(kuò)容規(guī)模，進(jìn)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)如表1。

進(jìn)水泵站方面，一體化泵站規(guī)格為 9.6m 深 、4.2m 直徑，3臺(tái)污水提升泵揚(yáng)程為 20m 、功率 55kW 、流量741m³/h，2 臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。1套粉碎格柵規(guī)格為1242m³/h 流量， 5.5kW 功率。格柵設(shè)計(jì)方面，聯(lián)合建設(shè)沉砂池與細(xì)格柵、精細(xì)格柵，采用鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)，細(xì)格柵渠寬1.2m 、深度 2.5m 。

本次污水廠體化 AAO+ 膜池的設(shè)計(jì)期間，旨在高效處理污水，結(jié)合污水處理需求，選擇直徑 40m 、有效水深6m 的鋼結(jié)構(gòu)圓形構(gòu)筑物。對(duì)池體內(nèi)部合理分區(qū)，包含厭氧、缺氧和好氧區(qū)域，在內(nèi)部中心設(shè)有配水區(qū)、污泥回流區(qū)。其中，缺氧區(qū)和好氧區(qū)分別設(shè)計(jì)停留時(shí)間為 2.3h 和6.1h，以確保各階段均有充足反應(yīng)時(shí)間，結(jié)合 20% 的混合液回流比來增強(qiáng)生物降解效率。此外，池中污泥濃度設(shè)定為 0.137kgBOD5/kg ，與池體設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)相互匹配。為進(jìn)一步提升處理效率，系統(tǒng)配備了3臺(tái)潛水?dāng)嚢铏C(jī)及1臺(tái)備用攪拌機(jī)，以維持理想的流體動(dòng)力學(xué)條件，確保污水混合均勻性。1臺(tái)污泥泵和相應(yīng)的備用泵，用于污泥回流，確保系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。曝氣系統(tǒng)包括288條可提升式曝氣器，每條的曝氣流量為 10m³/h ，可確保好氧區(qū)內(nèi)的充分曝氣，氧氣利用率達(dá)到 25% ，以實(shí)現(xiàn)最佳生物處理效果。膜池部分，采用納米陶瓷平板膜片作為過濾單元，選用尺寸為 1060mm×250mm×6mm 膜組。每組由400片膜片組成，4個(gè)納米陶瓷膜區(qū)大幅提高了固液分離的效率，同時(shí)確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。表2為單元膜片設(shè)計(jì)參數(shù)：

3.4基于投產(chǎn)結(jié)果的節(jié)能減排效果分析

目前，該污水廠一體化設(shè)備已經(jīng)投產(chǎn)，在當(dāng)?shù)厥姓芫W(wǎng)逐步完善的背景下，當(dāng)前進(jìn)水指標(biāo)已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定，經(jīng)納米陶瓷膜處理后的污水出水水質(zhì)滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比廣東省其他污水廠污水處理建設(shè)投產(chǎn)效益，AOO+ 納米陶瓷膜工藝應(yīng)用背景下，項(xiàng)目占地面積為4800m² ，廣東省當(dāng)?shù)赝惞こ陶嫉孛娣e通常在 10000m² 左右，占地節(jié)約在 50% 以上。投資方面，該污水廠投資額度4000萬元，污水處理期間平均運(yùn)行費(fèi)用0.79元／噸，同比同類工程節(jié)約成本在 20% 以上。實(shí)際運(yùn)行期間，陶瓷膜通量為 30L/（m²?d） 以上期間，出水仍可保持穩(wěn)定達(dá)標(biāo)狀態(tài)。

此外，項(xiàng)目自動(dòng)工至最終投產(chǎn)耗時(shí)3個(gè)月，時(shí)間成本節(jié)約水平遠(yuǎn)超同類項(xiàng)目。能耗方面，在節(jié)約電能維度，綜合考慮污水廠規(guī)模 2×104m³/d ，處理工藝、設(shè)備效率，該污水廠2023年用電量160萬度，支出電費(fèi)480萬元，同類規(guī)模污水廠年用電量在200～280萬度之間，年支出電費(fèi)600萬元～840萬元之間，在工藝流程縮短背景下，每年能耗成本得到顯著節(jié)約。

4結(jié)語

綜上分析，本文以廣東省某污水廠建設(shè)項(xiàng)目為例，分析該污水廠使用 AOO+ 納米陶瓷膜工藝背景下的具體設(shè)計(jì)情況、運(yùn)行投產(chǎn)效益情況。經(jīng)分析，采用陶瓷膜技術(shù)背景下，該污水廠大幅度節(jié)約了占地面積與總投資成本，同時(shí)出水質(zhì)量滿足《地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》提出的要求，建設(shè)工期大幅度縮短，能耗成本得到顯著節(jié)約。由此可論證陶瓷膜技術(shù)，有助于污水廠建設(shè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，繼而在推動(dòng)城市生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展中起到有力推動(dòng)作用。

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