Amélioration et gains d'efficacité des membranes diffuseurs à fines bulles dans les stations d'épuration municipales
Le système d'aération, un élément essentiel du processus de traitement des eaux usées par boues activées, a un impact direct sur l'efficacité du traitement et les coûts d'exploitation. Les statistiques montrent que l'aération peut représenter 40 à 60 % de la consommation énergétique totale d'une STEP typique. La membrane diffusante, élément clé du transfert d'oxygène, détermine l'efficacité du transfert d'oxygène (OTE) et le niveau de consommation d'énergie. Au fil du temps, les membranes souffrent généralement de vieillissement, de colmatage et de dommages, entraînant une diminution de l'OTE et une augmentation significative de la consommation d'énergie.
La Chine compte plus de 4 000 stations d’épuration municipales avec une capacité de traitement annuelle supérieure à 60 milliards de m³. La consommation électrique annuelle des systèmes d'aération dépasse 100 milliards de kWh. Par conséquent, l’optimisation des systèmes d’aération et l’amélioration de l’OTE sont cruciales pour atteindre les objectifs « Dual Carbon ». Cependant, les études empiriques sur le remplacement des membranes de diffusion dans les stations d'épuration municipales domestiques sont rares, en particulier en ce qui concerne les évaluations complètes de la consommation d'énergie et de l'efficacité du traitement.
1. État de la recherche sur l’optimisation du système d’aération
La recherche internationale se concentre sur l’amélioration des matériaux des membranes et l’innovation des méthodes d’aération. Par exemple, la société allemande Supratec a développé des membranes EPDM avec une efficacité de transfert d'oxygène de 0,33, et des études de l'EPA américaine indiquent que l'aération par micro-bulles permet d'économiser plus de 30 % d'énergie par rapport aux méthodes traditionnelles. Des chercheurs nationaux comme Hu Peng ont découvert que l’optimisation pourrait réduire la consommation d’énergie des usines de 15 à 25 %.
Cependant, les recherches existantes présentent des lacunes : prédominance des études en laboratoire sur les cas réels, concentration sur les effets à court terme plutôt que sur la stabilité à long terme et analyse d'indicateurs uniques plutôt que sur les avantages globaux. Cette étude, grâce à une surveillance à long-terme, évalue systématiquement l'impact global du remplacement de la membrane sur l'efficacité du traitement et la consommation d'énergie, comblant ainsi une lacune dans la recherche.
2. Contenu et méthodologie de la recherche
Cette étude a utilisé une analyse comparative des données opérationnelles avant et après le remplacement de la membrane (juin 2020 – mars 2022) dans une STEP de Dongguan, Guangdong. Les principaux domaines de recherche comprenaient : les changements dans l'efficacité de l'élimination des polluants, les caractéristiques de consommation d'énergie du système d'aération, les mécanismes d'amélioration de l'OTE et l'analyse techno-économique. Les méthodes impliquaient une surveillance sur le terrain et des analyses en laboratoire.
2.1 Aperçu du sujet
La station d'épuration de cas a une capacité nominale de 20 000 m³/j, utilise un processus A²/O pour les eaux usées municipales, dessert environ 150 000 personnes et a un débit quotidien réel de 18 000 à 24 000 m³. Les diffuseurs à fines bulles en caoutchouc d'origine fonctionnaient depuis 8 ans et présentaient un vieillissement important.
2.2 Conception du plan de mise à niveau
2.2.1 Calcul de la demande en oxygène
Based on water quality/quantity, the aerobic zone's daily oxygen demand was >275kg/h. En tenant compte de la zone de service, de la capacité d'alimentation en oxygène et du colmatage potentiel, l'alimentation en air requise a été calculée comme étant de 2 400 à 4 800 m³/h (afflux de 1 200 m³/h, rapport air-/-eau 2–4). Cela équivaut à 480 mètres de tubes diffuseurs (alimentation en air de 5 à 10 m³/h par mètre), avec une zone de service inférieure à 2,5 m² par mètre, permettant une alimentation maximale en oxygène supérieure à 380 kg/h.
2.2.2 Sélection des membranes
Basé sur une comparaison des performances (Tableau 1), compte tenu de l'OTE, de la plage de débit d'air et du coût, des membranes à fines bulles EPDM ont été sélectionnées. Paramètres clés : OTE 0,33 (supérieur à l'original), débit d'air 2 à 15 m³/h, durée de vie 5 à 8 ans et un prix unitaire rentable-.
2.2.3 Sélection du fabricant
Après avoir consulté des fournisseurs nationaux et pris en compte l'expérience locale, les diffuseurs EPDM à palettes-ont été choisis pour leurs avantages complets en termes d'approvisionnement en oxygène, de structure d'installation et de prix. Au total, 484 compteurs ont été installés dans deux réservoirs biologiques. Les paramètres techniques des différents modèles sont indiqués dansTableau 2.
2.2.4 Mise en œuvre du remplacement
Le remplacement en juin 2021 a duré 7 jours, impliquant 484 mètres de diffuseurs à palettes. L'usine a maintenu un fonctionnement continu en fonctionnant à capacité réduite d'un côté. Les nouvelles membranes, conçues pour 5 m³/h, fonctionnaient entre 4 et 8 m³/h.
2.3 Collecte et analyse des données
22 mois de données opérationnelles ont été collectées avant et après le remplacement dans quatre catégories : qualité de l'eau (DCO des influents/effluents, NH₃-N), paramètres opérationnels (volume d'air total, pression, OD), consommation d'énergie (électricité du système d'aération, kWh/m³ d'aération) et efficacité (OTE, rapport air-/-eau).
3. Modifications de l'efficacité de l'élimination des polluants
3.1 Élimination de la DCO
Après le-remplacement, la suppression du COD s'est considérablement améliorée. La DCO des effluents a diminué de 14,2 mg/L à 12,4 mg/L, et le taux d'élimination a augmenté de 93,5 % à 96,0 %. Le nouveau système a également démontré une meilleure stabilité malgré les fluctuations de la DCO influente (117 à 249 mg/L) (Figure 1).
3.2 Élimination de NH₃-N
L'amélioration était plus prononcée pour NH₃-N. Avec des niveaux d'affluent stables, le NH₃-N des effluents a diminué d'une moyenne de 2,3 mg/L à 0,85 mg/L, et le taux d'élimination a atteint 94,1 % (Figure 1). Ceci est attribué à une distribution d'aération plus uniforme, favorisant la croissance et l'activité des nitrifiants, garantissant une conformité stable avec NH₃-N.
4. Caractéristiques de consommation d'énergie du système d'aération
4.1 Rapport air-sur-eau
Le rapport air-sur-eau est passé de 3,4 à moins de 2,0, tandis que l'OD en réservoir aérobie est resté stable entre 0,5 et 1 mg/L (Figure 2), indiquant une efficacité et une stabilité supérieures.
4.2 Énergie d'aération par mètre cube d'eau
La consommation d'énergie d'aération a diminué de 0,073 kWh/m³ à 0,052 kWh/m³, soit une réduction de 28,3 %. L'effet d'économie d'énergie est resté stable au fil des mois (Figure 3), démontrant une fiabilité constante.
4.3 Consommation d'énergie par unité de polluant éliminé
Cette métrique est passée de 0,32 kWh/kg à 0,24 kWh/kg, soit une réduction de 25 % (Figure 4). Cela indique que les nouvelles membranes ont non seulement réduit la consommation d'énergie absolue, mais ont également amélioré l'efficacité de l'utilisation de l'énergie pour l'élimination des polluants.
5. Mécanismes pour une meilleure efficacité d’utilisation de l’oxygène
5.1 Modification de l'efficacité du transfert d'oxygène
L'OTE est passé de 15,10% à 24,75%, soit une amélioration de 63,9% (Figure 5). Cela est dû à la structure micro-pore optimisée et à la répartition plus uniforme des bulles des nouvelles membranes, améliorant ainsi le transfert de masse d'oxygène. La nanotechnologie avancée a permis des pores plus fins et plus uniformément répartis, augmentant ainsi la diffusion et la solubilité.
5.2 Optimisation des paramètres opérationnels
Comme le montreTableau 3, après-remplacement, le volume d'air total a diminué de 18,4 % tout en maintenant l'OD entre 0,5 et 1 mg/L. Le rapport air-sur-eau est passé de 3,4 : 1 à 2,0 : 1, l'OTE a augmenté de 63,9 % et l'énergie d'aération par m³ a diminué de 28,3 %. Ces optimisations complètes ont amélioré la consommation d’énergie, l’efficacité opérationnelle et la qualité de l’eau.
6. Analyse techno-économique
6.1 Période de récupération de l'investissement
L'investissement total s'est élevé à 163 900 CNY (membranes, transport, installation, mise en service). Sur la base d'économies d'énergie de 0,021 kWh/m³, d'un prix de l'électricité de 0,7 CNY/kWh et d'un débit quotidien moyen de 24 000 m³, les économies d'électricité annuelles sont de 128 800 CNY. La période de récupération simple est d’environ 15 mois, ce qui indique des avantages économiques importants.
6.2 Avantages environnementaux
Sur la base du traitement annuel de 8,76 millions de m³, les économies annuelles d'électricité sont de 184 000 kWh, soit l'équivalent d'une réduction des émissions de CO₂ de 184 tonnes. L’amélioration de l’élimination des polluants améliore les avantages environnementaux et garantit une conformité plus stable des effluents, réduisant ainsi les risques environnementaux.
7. Conclusion
Le remplacement par des membranes diffuseurs à fines bulles en EPDM a considérablement augmenté l'OTE à 24,75 % et réduit la consommation d'énergie d'aération de 28,3 %, démontrant de bonnes performances technico-économiques. Le nouveau système a augmenté les taux d'élimination de la DCO et du NH₃-N à 96,0 % et 94,1 %, respectivement, a amélioré la résilience du système aux fluctuations de charge et a obtenu une période de récupération simple d'environ 15 mois. Cette approche convient aux stations d'épuration municipales-à forte intensité énergétique qui recherchent des améliorations en termes de qualité et d'efficacité, démontrant une valeur promotionnelle significative.