Технічний дизайн і ефективність процесу чистої біоплівки MBBR для вдосконаленого видалення азоту
Зі всебічним прогресом будівництва екологічної цивілізації в Китаї стандарти скидів для очисних споруд (WWTP) стають дедалі жорсткішими. Стандарт класу A "Стандарту скидання забруднюючих речовин для муніципальних очисних споруд" (GB 18918-2002) вимагає TN менше або дорівнює 15 мг/л, тоді як місцеві стандарти в таких регіонах, як Пекін і Шаньдун, чітко встановлюють обмеження на TN менше або дорівнює 10 мг/л. Ці підвищені стандарти виходять за рамки лише обмежень щодо якості води, висуваючи суворіші вимоги до стабільності стоків. Отже, існує нагальна потреба підвищити здатність очисних процесів до видалення азоту. Одним із підходів є збільшення дози джерела вуглецю в існуючому процесі для покращення денітрифікації, але це призводить до високих експлуатаційних витрат і збільшення викидів вуглецю. Крім того, додавання передових засобів видалення азоту, часто із застосуванням методів біоплівки для ефективного збагачення денітрифікуючих бактерій, може покращити видалення TN, зменшити потребу у зовнішніх джерелах вуглецю та зменшити викиди вуглецю. Біоплівковий реактор із рухомим шаром (MBBR) із його перевагами, пов’язаними з потужним функціональним збагаченням бактеріями, невеликою площею, простотою експлуатації та обслуговування, широко застосовувався при будівництві, розширенні та модернізації очисних споруд. Він може стабільно досягати стандартів скидів, кращих за якість поверхневих вод квазікласу IV, і має значний потенціал і переваги для вдосконаленого видалення азоту в очисних спорудах. Ця стаття розглядає очисні станції в Шаньдуні як тематичне дослідження для аналізу обґрунтування конструкції та експлуатаційних характеристик застосування процесу MBBR із чистою біоплівкою для вдосконаленого видалення азоту з метою надання технічної довідки для ефективної денітрифікації стічних вод.
1. Огляд проекту
1.1 Вступ до проекту
Станція очищення стічних вод у Шаньдуні була побудована в дві черги. Перша черга, яка використовує процес BIOLAK, була офіційно введена в експлуатацію в листопаді 2003 року з потужністю очищення 40 000 м³/добу. Схема процесу BIOLAK і доступна область для оновлення показані вмалюнок 1. Спочатку якість стічних вод відповідала стандарту класу B GB 18918-2002. До 2020 року за рахунок покращеного дозування джерела вуглецю та додавання вдосконаленого очищення якість стоків було покращено до стандарту класу A. До 2023 року, після трьох років експлуатації, загальна якість стоків могла загалом відповідати стандарту класу А, але вона зіткнулася з двома основними проблемами щодо видалення азоту:
Висока доза джерела вуглецю: Щоб досягти цільового показника TN менше або дорівнює 15 мг/л, потрібна значна кількість зовнішнього джерела вуглецю. Розрахунки, засновані на секціях процесу, показали співвідношення C/N до 5,9, тоді як процес AAO на другій фазі заводу вимагав лише C/N 4,5–5,0 для забезпечення стабільної відповідності TN. Велике додавання джерела вуглецю також негативно вплинуло на процес аеробної нітрифікації, збільшуючи потребу в кисні в аеробній зоні.
Погана стабільність видалення азоту: Оскільки нітрифікація та денітрифікація відбувалися в одному резервуарі за різних необхідних умов, робочі параметри потребували частого коригування на основі впливових змін. Контроль NH3-N і TN був суперечливим, що ускладнювало підтримку стабільного балансу між нітрифікацією та денітрифікацією. Стійкість системи до ударного навантаження була середньою, що призводило до поганої стабільності стоків.
Таким чином, була необхідна модернізація оригінального процесу BIOLAK з основними цілями вирішення конфлікту між нітрифікацією та денітрифікацією, зниження операційних витрат на видалення азоту та покращення стабільності стоків.
1.2 Проблеми оновлення
Оскільки процес BIOLAK був непридатним для-модифікації резервуарів для підвищення продуктивності, план передбачав посилити очищення шляхом будівництва нової передової установки для видалення азоту. Оригінальний процес BIOLAK був зосереджений головним чином на нітрифікації з денітрифікацією як вторинною, тоді як новий процес буде зосереджений на денітрифікації. Враховуючи фактичні потреби в реконструкції, проект зіткнувся з двома основними проблемами: обмеженість доступної землі для нового процесу та високі вимоги до ефективності експлуатації.
Обмежена доступна земля для нового процесу: Нове будівництво мало бути завершено на території існуючого заводу, де фактично не було зарезервованої землі. Будівництво було можливе лише на зеленій смузі, що примикає до резервуарів БІОЛАК, із доступною площею 400 м². Це означало, що площа площі нового проекту на одиницю очищеної води мала бути менше або дорівнювати 0,01 м²/(м³·д).
Високі вимоги до операційної ефективності: Це була не проста модернізація, а подальша оптимізація біохімічної функціональної зони. Очікувалося, що нова установка справлятиметься з навантаженням видалення азоту 20 мг/л. Цей процес потрібно було не тільки завершити на обмеженій території, але й зменшити дозу джерела вуглецю порівняно з оригінальною денітрифікацією BIOLAK, забезпечуючи при цьому стабільну продуктивність денітрифікації. Таким чином, висуваються високі вимоги як до ефективності видалення азоту, так і до ефективності використання джерела вуглецю.
2. Процес порівняння та відбору
Після обробки за допомогою процесу BIOLAK стічні води TN складаються в основному з нітратного азоту. В даний час у зрілих вдосконалених процесах видалення азоту в основному використовуються методи біоплівки, які характеризуються ефективним збагаченням мікроорганізмами на поверхнях носіїв у прикріпленому стані, що забезпечує значно вищу функціональну ефективність збагачення бактеріями, ніж звичайні процеси з активним мулом. Процеси утворення біоплівки можна далі розділити на типи нерухомого-шару та рухомого-шару на основі псевдозрідження носія, як показано намалюнок 2.Денітрифікуючі фільтри, типові-процеси біоплівки з нерухомим шаром, використовують фіксоване гранульоване фільтрувальне середовище як носії росту мікробів. Додаючи зовнішнє джерело вуглецю, вони використовують денітрифікацію біоплівки та фільтрацію середовища для досягнення одночасного видалення NO₃--N, SS та інші забруднювачі. Переваги включають стабільну якість очищеної води, відсутність потреби у вторинних відстійниках і компактне розташування, що робить їх широко використовуваними в модернізації очисних станцій як передову очисну установку для посилення видалення TN із вторинних стоків. Однак операційна увага повинна бути зосереджена на впливі C/N на вдосконалену ефективність денітрифікації. У проекті модернізації WWTP фази I Pingtang, також з потужністю 40 000 м³/день, використовувався фільтр денітрифікації + високо-флотація розчиненого повітря (DAF) як передовий процес очищення для підвищення TN стічних вод до квазі-стандартів поверхневих вод класу IV, досягаючи відбитка приблизно 0,045 м²/(м³·д), заощаджуючи землю та забезпечуючи ефективне очищення, але з C/N до 18,34. Щоб відповідати новим місцевим стандартам щодо TN стічних вод, Чендуський водовідновлювальний завод №- застосував відстійник високої-щільності та денитрифікуючий-фільтр глибокого шару як процес модернізації з C/N 5,7, досягаючи передового очищення за високими стандартами. Станція очищення води Dingqiao у Хайніні не могла відповідати стандартам скидів класу А, необхідним для басейну річки Цяньтан. Гао Фейя та ін. використовував денітрифікуючий-фільтр глибокого шару для вдосконаленої обробки TN, одночасно видаляючи SS і TP, наближаючи якість стоків до квазі-стандартів IV класу, але з високим C/N 15,68, що призводить до високих витрат на видалення азоту. Крім того, фільтраційні процеси вимагають регулярного зворотного промивання, як правило, з використанням повітря-водяного очищення, що може вплинути на стабільність роботи.
нестабільності в денітрифікуючих фільтрах, дослідження щодо застосування -автотрофної денітрифікації (SAD) до денітрифікуючих фільтрів привернули увагу. SAD використовує елементну сірку або сполуки сірки як донори електронів в анаеробних або безкисневих умовах для зменшення NO₃--N до N₂. Він пропонує такі переваги, як хороша ефективність денітрифікації, відсутність потреби в джерелі органічного вуглецю, низькі експлуатаційні витрати та низьке утворення осаду. Song Qingyuan та ін. досліджували вплив фільтра SAD на видалення азоту на вторинні стоки. Після оптимізації пілотних умов видалення нітратів залишалося стабільним вище 95%, але швидкість споживання середовища сягала 20% на рік, що супроводжувалося збільшенням концентрації сульфатів у стічних водах та зниженням pH. Щоб уникнути вторинного ризику забруднення від SAD, Li Tianxin та ін. підготовлені середовища гранулюванням суміші сірки та вапнякового порошку. Додавання певної частки вапняку до шару фільтра нейтралізувало утворену кислотність і створювало осад CaSO₄, знижуючи концентрацію сульфату в стічних водах і ефективно вирішуючи проблеми утворення кислоти та високих рівнів сульфату. Однак вапняк займав простір, призначений для електронодонорних середовищ у системі, послаблюючи розширену здатність денітрифікації, підвищуючи жорсткість стоків і підвищуючи експлуатаційні витрати. Поточні дослідження технології SAD проводяться переважно в лабораторних і пілотних масштабах, з недостатнім інженерним досвідом для довідки. Перед просуванням-в промислових масштабах необхідні подальші прикладні дослідження.
MBBR є типовим представником процесів утворення біоплівки з псевдозрідженим-шаром і нової технології очищення стічних вод, яка привернула значну увагу в останні роки. Він використовує суспендовані носії з щільністю, близькою до води, для спеціального збагачення мікроорганізмів, утворюючи біоплівку для досягнення вдосконаленого видалення азоту. Процеси біоплівки з псевдозрідженим шаром також дозволяють уникнути проблем із забиванням середовища та зворотним промиванням. В даний час чиста біоплівка MBBR для вдосконаленої денітрифікації очисних споруд має понад 20 років успішного досвіду експлуатації за кордоном і знаходить все ширше застосування в Китаї. Чжен Чжіцзя та ін. використовував дво{8}}процес MBBR із чистою біоплівкою для розширеної денітрифікації. При C/N=4.0 нітратний азот, що витікає з системи, стабілізувався на рівні (1,87 ± 1,07) мг/л із середньою швидкістю видалення TN 93,3%. На станції для очисних станцій зони розвитку в певному місті був побудований новий біо-резервуар MBBR як третинна розширена очистка для покращеної денітрифікації. Навантаження видалення TN у безкисневій секції чистої біоплівки MBBR становило 1,1 г/(м²·д), що покращує надійність системи денітрифікації. Гао Янбо та ін., прагнучи збільшити потужність початкової установки, побудували новий дво-ступінчастий біо-резервуар АО з чистою біоплівкою MBBR, досягнувши стабільного рівня TN у стічних водах нижче 5 мг/л із високою ефективністю денітрифікації. Таким чином, процес MBBR із чистою біоплівкою демонструє великий потенціал для вдосконаленого видалення азоту в очисних спорудах, поєднуючи такі переваги, як висока ефективність використання джерела вуглецю, високе навантаження на обробку та невеликий слід. Однак він також висуває вищі вимоги до обладнання, вимагаючи надійного обладнання для підтримки стабільної роботи процесу. Порівняння загальних передових процесів видалення азоту показано наТаблиця 1.
Виходячи з комплексного порівняння, хоча процес SAD не вимагає додавання джерела вуглецю, його поточне застосування ще не є зрілим і несе вторинні ризики забруднення, тому його не розглядали для цього оновлення. Незважаючи на те, що денітрифікуючі фільтри широко використовуються, вони в основному використовуються в модернізації очисних споруд, де розрахунковий TN для входу/витоку часто становить 15/12 мг/л, що забезпечує відносно невелике навантаження видалення TN. Оскільки цей проект вимагав виконання довгострокових -вимог щодо видалення TN, робота значно скоротила б цикл зворотного промивання фільтра, посиливши робочі труднощі та нестабільність. Процес чистої біоплівки MBBR поєднує такі переваги, як висока ефективність утилізації вуглецю, відсутність необхідності зворотного промивання, зріле застосування та відсутність вторинного забруднення. Враховуючи складнощі процесу та вимоги до оновлення, проект остаточно вибрав будівництво нового біо-резервуара MBBR із чистою біоплівкою (далі — резервуар MBBR) як передового рішення для видалення азоту для першої фази, розробленого з C/N=4.5, із запланованим періодом окупності інвестицій у 7,37 років.
3. План нового будівництва
3.1 Хід процесу
Хід процесу очищення стічних вод після реконструкції показано намалюнок 3. Потік рослини проходить через дрібні сита, камери вихрового піску та первинні відстійники перед тим, як потрапити в біо-бак BIOLAK для видалення органічної речовини, аміачного азоту тощо. Потім він піднімається насосами в резервуар MBBR для вдосконаленого видалення TN. Резервуар MBBR розрахований на TN потоку 35 мг/л і TN стоку менше або дорівнює 15 мг/л. Стічні води MBBR піднімаються допоміжними насосами до існуючої вдосконаленої очисної системи для відділення твердої-рідини та видалення осаду. Кінцеві стоки знезаражують перед скиданням у приймальну річку. Надлишок мулу згущується, зневоднюється та транспортується за-майданчик для утилізації.
3.2 Новий танк MBBR
Резервуар MBBR використовує процес AO, побудований з використанням резервуарів Lipp для модульної збірки, завершений за 30 днів. Загальний час гідравлічного утримання системи (HRT) становить 1,43 години. Спеціалізовані аеробні та безкисневі підвішені носії типу SPR-III додаються всередину баків із коефіцієнтом заповнення 60% в аеробній зоні та 55% у безкисневій зоні. Носії мають сплющену циліндричну форму, діаметром 25 мм і висотою 10 мм, з ефективною питомою поверхнею, що перевищує або дорівнює 800 м²/м³. Аноксична зона оснащена 4 MBBR-спеціальними-змішувачами змінної{14}}частоти (тип хімічної потужності SPR), N=5.5 кВт кожен, що забезпечує рівномірне та достатнє псевдозрідження для носіїв. Після дозрівання біоплівки 2 змішувачі працюють у звичайному режимі, а інші 2 є гарячим резервом. В аеробній зоні для аерації використовуються гвинтові повітродувки. Одна повітродувка має продуктивність 14,50 м³/хв, тиск 90 кПа, N=22 кВт. Встановлено один набір спеціалізованих перфорованих дифузорів для аеробної зони (типу SPR). Через низький необхідний об’єм аерації зазвичай можна використовувати існуючі повітродувки Фази I, причому нова повітродувка та повітродувки Фази I служать взаємними резервами. В аеробній і безкисневій зонах встановлено нові екрани для перехоплення матеріалів (типу SPR) товщиною 12 мм з проектним терміном служби 30 років.
3.3 Нові допоміжні засоби
- Система впливу: Стічні води з біо{0}}баку BIOLAK надходять у резервуар MBBR. 4 встановлено вхідні насоси (2 робочі, 2 резервні), кожен з Q=840 м³/год, H=65 кПа, N=30 кВт.
- Система дозування джерела вуглецю: стічні води з біо-резервуара БІОЛАК фази I містять лише ГПК, який важко утилізувати. Щоб забезпечити розширену денітрифікацію в безкисневій зоні резервуара MBBR, ацетат натрію використовується як зовнішнє джерело вуглецю. 4, встановлено дозувальні насоси (2 робочі, 2 резервні), кожен з Q=300 л/год, H=200 кПа, N=0.37 кВт.
4. Оперативна продуктивність
Після завершення загальна площа нового об’єкта становить 296 м², досягаючи площі на одиницю очищеної води 0,0074 м²/(м³·день), що ефективно вирішує такі проблеми, як короткий час впровадження та обмежений простір. Проект був офіційно введений в експлуатацію у вересні 2023 року. Операційні показники постійно контролювалися до січня 2024 року, для аналізу використовувалися середньодобові дані. Очисний потік становив (38 758,14 ± 783,16) м³/добу, досягаючи 96,9% проектного потоку. У робочому стані біо-резервуар BIOLAK більше не потребує збалансування нітрифікації та денітрифікації системи, натомість зосереджуючись на посиленні видалення аміаку, що призводить до витікання аміаку лише (0,77 ± 0,15) мг/л. Водночас біо-бак BIOLAK досяг «нульового дозування» джерела вуглецю. TN, що надходить у резервуар MBBR, досяг (27,98 ± 2,23) мг/л, а TN стоків становить лише (10,11 ± 1,67) мг/л, що стабільно краще, ніж проектний стандарт скиду. Швидкість видалення TN у танку MBBR становила 63,87%, що становить 75,37% від загального видалення TN біохімічним процесом. Вимірювання швидкості денітрифікації з відібраних носіїв показало, що за оптимальних умов швидкість сягала 1,8 разів перевищувала проектне значення, значно покращуючи ефективність денітрифікації системи. Резервуар MBBR все ще використовує традиційну денітрифікацію. Розраховане співвідношення C/N становило лише 3,71, що значно нижче, ніж значення до-оновлення (C/N=5.9), зменшення на 37,12%. Порівняно з денітрифікуючими фільтрами (зазвичай C/N > 5,0), цей проект може заощадити 30%–40% у дозі джерела вуглецю, досягаючи економії енергії та витрат. Після-модернізації зменшення зовнішнього джерела вуглецю також призвело до відповідного зменшення осаду.
Загальна сума інвестицій у проект склала 8 мільйонів юанів із фактичним періодом окупності лише 3,02 року, що на 59,02% коротше, ніж проектний період, завдяки низькій-трансформації вуглецю та економії енергії та витрат для очисної станції. Примітно, що за умов високого надходження нітратів і низького рівня C/N концентрація нітритного азоту у стоках безкисневої зони MBBR досягла 4,34 мг/л. Нітрит є основним субстратом для процесу анаммокса та головним обмежуючим фактором для основного застосування анаммокса. У цьому проекті було досягнуто накопичення нітритів за допомогою методу біоплівки, що забезпечило базову умову для майбутнього налагодження основного процесу анаммокса.
5. Висновок
Станція очисних станцій у Шаньдуні модернізувала свій початковий процес BIOLAK, побудувавши нову установку MBBR з чистою біоплівкою, одночасно задовольняючи потреби в енергозбереженні/заощадженні витрат і покращеному видаленні азоту. Новий об'єкт був побудований на маргінальній землі, досягнувши площі лише 0,0074 м²/(м³·д). Після впровадження на бак MBBR припадало 75,37% загального видалення TN біохімічним процесом із C/N лише 3,71. Оригінальний резервуар BIOLAK досяг «нульового» дозування джерела вуглецю, зменшивши витрати на джерело вуглецю на 37,29% порівняно з показниками до оновлення. Фактичний термін окупності інвестицій склав лише 3,02 року, що на 59,02% менше проектної вартості. Завдяки розробці процесу MBBR із чистою біоплівкою для вдосконаленої денітрифікації було вирішено конфлікт між нітрифікацією та денітрифікацією, властивий процесу BIOLAK, значно підвищивши стійкість системи до ударних навантажень і значно підвищивши стабільність стоків. Це забезпечує нове рішення для якості очисних станцій, підвищення ефективності та економії енергії та витрат.