Аналіз ефекту модернізації процесу MBBR на Південній станції очищення стічних вод
«Бюлетень стану міського будівництва в Китаї за 2022 рік», опублікований Міністерством житлово-комунального господарства та-сільського розвитку Китайської Народної Республіки в жовтні 2023 року, показує, що на кінець 2022 року очисна потужність очисних споруд у Китаї досягла 216 мільйонів м³/добу, -за-рік зростання на 4,04%. Загальний обсяг очищених стічних вод має тенденцію до зростання протягом 10 років поспіль, починаючи з 2013 року. Стрімкий розвиток міст супроводжується збільшенням скидів стічних вод, і протиріччя між землею, необхідною для розширення та реконструкції очисних споруд, і земельною ділянкою міської забудови стає все більш помітним.
Для розширення потужності існуючих очисних споруд звичайний процес активного мулу зазвичай використовує метод розширення установки. У міру збільшення обсягу розширення витрати на придбання землі поступово зростають, а термін будівництва подовжується. Поглиблення очисної потужності в межах існуючих очисних споруд наразі є ефективним заходом для подальшого підвищення потужності очищення міських стічних вод і пом’якшення протиріччя між містобудуванням і землекористуванням. Реактор з біоплівкою з рухомим шаром (MBBR) виник у Норвегії наприкінці 1980-х років. Він покращує збагачення функціональних бактерій і тим самим покращує здатність системи до очищення шляхом додавання зважених носіїв до біологічного резервуару для формування біоплівок. Завдяки здатності «вбудовуватися» в оригінальну біологічну систему, він широко використовується в модернізації та реконструкції очисних споруд, досягаючи -підвищення потужності на місці без додавання нових земель. Крім того, порівняно з іншими -процесами модернізації, що заощаджують землю, такими як мембранний біореактор (MBR) і біологічний псевдозріджений шар із композитним порошком високої концентрації (HPB), процес MBBR не потребує періодичної заміни чи поповнення носіїв, що робить його більш економічно вигідним.
У цій статті в якості прикладу розглядається модернізація заводу з очищення стічних вод на півдні Китаю з використанням процесу MBBR. Він аналізує експлуатаційні показники заводу до та після модернізації, продуктивність нітрифікації зони MBBR та структуру мікробного співтовариства, уточнюючи практичну роль процесу MBBR у-розширенні потужності in situ. Метою є надати посилання та пропозиції щодо проектування та експлуатації подібних очисних споруд.
1 Огляд проекту
Очисні споруди на півдні Китаю мають загальну проектну потужність очищення 7,5×10⁴ м³/день, причому продуктивність Фази I становить 5×10⁴ м³/добу, а Фаза II – 2,5×10⁴ м³/добу. На обох етапах спочатку використовувався модифікований процес Барденфо. Основними цілями очищення є побутові стічні води із зони збору та частково промислові стічні води з індустріального парку. Якість стічних вод має відповідати стандарту класу А, зазначеному в «Стандарті скидання забруднюючих речовин для муніципальних очисних споруд» (GB 18918-2002). Зі швидким розвитком міського будівництва та економіки скидання стічних вод зростає, і проект працює на повну потужність або перевищує її. У 2021 році, згідно з вимогами державних органів, проект повинен був збільшити свою потужність додатково на 2,5×10⁴ м³/день на основі початкового масштабу, досягнувши загальної потужності очищення 1×10⁵ м³/день. Стандартом стічних вод залишався клас А GB 18918-2002. Розрахована якість притоку та стоків показано наТаблиця 1.
Територія, що оточує цей проект, є сільськогосподарськими угіддями, і не було достатньо зарезервованої землі для розширення на початковій території заводу. Крім того, під час початкового будівництва Етапу II, установки попередньої обробки вже були побудовані відповідно до продуктивності 5×10⁴ м³/день. Таким чином, у центрі уваги цього проекту модернізації було повне використання потенціалу очищення існуючих біологічних резервуарів і мінімізація зайнятості землі для модифікації біологічних резервуарів. Процес MBBR широко використовується для-розширення потужностей на місці та реконструкції очисних споруд завдяки його «вбудованим» характеристикам. Наприклад, станція очищення стічних вод у північному Китаї використовувала процес MBBR для збільшення потужності, максимізуючи використання існуючих об’ємів резервуарів і технологічного потоку, досягнувши 20%-розширення потужності на місці зі стічними водами, які стабільно відповідають стандартам класу A. Інший завод у провінції Гуандун використовував процес MBBR для-покращення продуктивності біологічного очищення на місці, досягнувши гарного ефекту 50%-розширення потужності на місці зі стічними водами, стабільно кращими за стандарт скидання. Таким чином, враховуючи фактичні потреби очисної споруди та всебічно оцінюючи такі фактори, як землекористування та експлуатація, процес MBBR був остаточно обраний як процес очищення для цієї модернізації розширення потужності.
2 Проектування процесу
2.1 Хід процесу
Основою цієї модернізації розширення потужності було підвищення потужності очищення біологічних резервуарів на місці-за допомогою MBBR, забезпечуючи стабільну відповідність стандартам стоків, незважаючи на збільшення потоку на 100%. Оскільки оригінальні установки попередньої та вдосконаленої очистки вже були побудовані для продуктивності 5×10⁴ м³/день, ця модернізація була зосереджена на повторному використанні існуючих установок. Основною модифікацією були біологічні резервуари разом із будівництвом нового вторинного відстійника, встановленого для задоволення вимог щодо очищення після збільшення потоку. Хід процесу після модернізації показано намалюнок 1. Потік проходить попередню обробку через грубі/дрібні сита та камеру для піску, а потім надходить у резервуар Modified Bardenpho-MBBR для видалення вуглецю, азоту, фосфору та інших забруднюючих речовин. Стічні води з біологічних резервуарів проходять через відстійники та високо-відстійник для забезпечення стабільної відповідності стандартам SS і TP. Після знезараження кінцеві стоки скидаються в річку-приймач для екологічного водопоповнення.
2.2 Модернізація біологічного бака
План модернізації біологічного резервуара показано намалюнок 2. Під час подвоєння потоку обробки об’єми вихідної анаеробної та безкисневої зон залишилися незмінними. 20% об’єму вихідної аеробної зони було розділено для створення додаткової безкисневої зони, розширюючи загальний об’єм безкисневої зони для задоволення вимог денітрифікації. До решти об’єму аеробної зони додавали підвішені носії для формування аеробної зони MBBR. Було встановлено допоміжні системи екранування на вході/виході та спеціальні змішувачі MBBR-. Оригінальна система ланцюгової аерації була замінена системою аерації з нижньою перфорацією, щоб забезпечити хороше псевдозрідження зважених носіїв і запобігти їх втраті з потоком води. Після модернізації загальний час гідравлічного утримання (HRT) біологічних резервуарів становить 8,82 год, з HRT анаеробної зони 1,13 год, HRT аноксичної зони 3,05 год і HRT аеробної зони 4,64 год. Загальний коефіцієнт внутрішньої переробки системи становить 150%, а вік осаду становить 16 днів.
Regarding equipment, 4 sets of submersible mixers were added to the anoxic zone (Power P = 4 kW, Impeller Diameter D = 620 mm). SPR-III type suspended carriers were added to the aerobic MBBR zone, with a diameter of (25.0 ± 0.5) mm, height of (10.0 ± 1.0) mm, effective specific surface area >800 м²/м³, щільність 0,94 ~ 0,97 г/см³. Щільність наближається до щільності води після прикріплення біоплівки, що відповідає галузевому стандарту «Наповнювачі з поліетилену високої щільності для обробки води» (CJ/T 461-2014). Коефіцієнт заповнення 45%. Було додано два комплекти підвісних-занурювальних мішалок (P=5.5 кВт). Було додано 22 комплекти підйомних систем аерації, 4 комплекти фіксованих систем аерації та 45 комплектів аераторів дрібних бульбашок. Було замінено два внутрішніх рециркуляційних насоси (потік Q=1600 м³/год, напір H=0.60 м, P=7.5 кВт).
2.3 Будівництво нового вторинного відстійника
Через збільшення потоку існуючі вторинні відстійники не могли задовольнити вимоги до стічних вод. Потрібен був новий вторинний відстійник для підтримки збільшеної потужності очищення. Новий резервуар узгоджується з оригінальними, використовуючи прямокутний горизонтальний тип потоку. Корисний об'єм резервуару 4900 м³, при ГРТ=7 год. Було додано один скребок осаду-насосного типу (робоча швидкість V=0.8 м/хв). Додано шість занурювальних осьових насосів (зовнішні рециркуляційні насоси) (Q=180 м³/год, H=4 м, P=5.5 кВт). Було додано два шламові насоси (Q=105 м³/год, H=11 м, P=7.5 кВт).
3 Аналіз ефекту модернізації MBBR
Експлуатаційні показники до та після модернізації Фази II, одночасні експлуатаційні характеристики Фази I та Фази II, зміни якості води під час процесу на Фазі II та здатність нітрифікації біоплівки та зваженого мулу на Фазі II були проаналізовані для оцінки ефекту посилення модернізації MBBR на очисну здатність системи.
3.1 Порівняння операційної продуктивності
Перед модернізацією Етап II уже працював із витратою, що перевищує проектну, з фактичним середнім потоком (3,02 ± 0,46) ×10⁴ м³/день. Після модернізації потік ще більше збільшився до (5,31 ± 0,76) ×10⁴ м³/день, фактичне збільшення приблизно на 76%. Максимальна експлуатаційна витрата досягла 7,61×10⁴ м³/добу, що в 1,52 рази перевищує проектне значення. Якість потоків і стоків до і після модернізації показано вТаблиця 2імалюнок 3. Що стосується впливу, то після модернізації навантаження аміачного азоту (NH3-N), загального азоту (TN), COD і TP зросли до 1,61, 1,66, 1,60 і 1,53 раза порівняно з рівнями до -модернізації відповідно. З точки зору фактичної якості вхідної/витокової води, вхідні NH3-N і TN до/після модернізації становили (22,15±3,73)/(20,17±4,74) мг/л і (26,28±4,07)/(23,19±3,66) мг/л відповідно. Стоки NH3-N і TN до/після модернізації становили (0,16±0,14)/(0,14±0,08) мг/л і (8,62±1,79)/(7,01±1,76) мг/л із середніми показниками видалення 99,28%/99,31% і 67,20%/69,77%, відповідно. Незважаючи на значне збільшення потоку та припливного навантаження після модернізації, якість стоків була кращою, ніж до модернізації. Збільшений об’єм безкисневої зони забезпечив хороше видалення TN, а TN у стічних водах ще більше зменшився після модернізації. Аеробна зона досягла значного підвищення здатності нітрифікації через суспендовану біоплівку-носій. Навіть зі зменшенням об’єму аеробної зони на 20% у порівнянні з попередньою-модернізацією та значним збільшенням потоку та впливного навантаження, високоефективне видалення NH₃-N зберігалося. Впливові ХПК і ТП до/після модернізації становили (106,82±34,37)/(100,52±25,93) мг/л і (2,16±0,54)/(1,96±0,49) мг/л відповідно. COD і TP до/після модернізації становили (10,76±2,04)/(11,15±3,65) мг/л і (0,14±0,07)/(0,17±0,05) мг/л із середніми показниками видалення 89,93%/93,52% і 88,91%/91,33%, відповідно. Після модернізації якість стоків залишалася стабільно кращою, ніж проектний стандарт скиду.
Експлуатаційні дані з листопада по січень наступного року (після-модернізації) були додатково відібрані для порівняння продуктивності Фази I та Фази II в умовах низьких{1}}температур (мінімальна температура 12 градусів). Концентрації забруднюючих речовин у припливі та витоку для обох фаз показано намалюнок 4. За умов низьких-температур взимку стоки з обох процесів були стабільно кращими за проектний стандарт скидів. Особливо для видалення NH3-N, яке чутливе до низьких температур, з концентрацією NH3-N (18,98±4,57) мг/л, фаза I стічних вод NH3-N становила (0,27±0,17) мг/л, а фаза II становила (0,29±0,15) мг/л, обидва демонструє хорошу стійкість до низьких температур. Примітно, що після модернізації MBBR на Фазі ІІ ЗГТ в аеробній зоні становила лише 66,07% від такої на Фазі І, що дозволило досягти значного покращення ефективності нітрифікації.
3.2 Аналіз продуктивності зони MBBR
Для подальшого визначення фактичного впливу кожної функціональної зони, зразки води з кінця кожної функціональної зони на етапі I та етапі II були взяті для паралельного вимірювання. Результати показано вмалюнок 5. Концентрації NH3-N у витоках становили 18,85 мг/л і 18,65 мг/л, а концентрації NH3-N у витоках становили 0,35 мг/л і 0,21 мг/л, зі швидкістю видалення NH3-N 98,14% і 98,87% відповідно. З огляду на зміни профілю азоту, видалення NH3-N на фазі II в основному відбувалося в аеробній зоні MBBR. Концентрація NH₃-N у стоці зони MBBR становила 0,31 мг/л, що становить 99,46% загального видалення NH3-N, що вже краще, ніж проектний стандарт скиду. Наступна аеробна зона активного мулу виконувала захисну роль. Крім того, очисні споруди з використанням MBBR в аеробній зоні зазвичай демонструють одночасну нітрифікацію та денітрифікацію (SND). Однак у цьому проекті не спостерігалося видалення загального неорганічного азоту (TIN) в аеробній зоні MBBR, що може бути пов’язано з відносно низькою концентрацією субстрату в цьому проекті.
Для подальшого дослідження впливу додавання суспендованих носіїв на ефективність нітрифікації системи було взято супернатант із безкисневої зони, що витікає з фази I. Випробування ефективності нітрифікації проводилися на Фазі I з чистим мулом, Фазі II з чистим мулом, Фазі II з чистою біоплівкою та Фазі II з комбінованою системою мулу з біоплівки-. За умов, що відповідають фактичному проекту (коефіцієнт заповнення носія, концентрація осаду, температура води), з контролем DO на рівні 6 мг/л для визначення оптимальної продуктивності нітрифікації. Результати показано вТаблиця 3. Швидкість нітрифікації для чистого осаду Фази I, чистого осаду Фази II, чистої біоплівки Фази II та комбінованої системи мулу -з біоплівки Фази II становила 0,104, 0,107, 0,158 і 0,267 кг/(м³·д), відповідно. Додавання підвішених носіїв покращило ефективність нітрифікації системи. Швидкість нітрифікації комбінованої біоплівки-мулової системи Фази ІІ досягла 2,57 разів більшої, ніж у системі чистого активного мулу Фази І. Крім того, навантаження чистої біоплівки вже було вище, ніж навантаження активного мулу, що значно підвищило стійкість системи до ударних навантажень. У комбінованій системі фази II біоплівка внесла 59,92% у нітрифікацію, займаючи домінуючу позицію.
3.3 Аналіз раціональності модернізації
Щоб проаналізувати раціональність використання комбінованого процесу біоплівки-мулу MBBR для цієї модернізації, було виконано розрахунки щодо ефекту додавання носія, стійкості системи до ударного навантаження та кореляції між збільшенням потоку та додаванням носія. Якби Етап II цього проекту не був модернізований і не використовувався традиційний процес з активним мулом, заснований на проектованому вхідному/витоку NH₃-N та оптимальній об’ємній швидкості нітрифікації активного мулу Фази I (DO=6 мг/л), розрахункова концентрація NH₃-N у стічних водах складала б 5,55 мг/л, не відповідаючи вимогам стічних вод. стандарт. Якщо розрахувати на основі оптимальної швидкості нітрифікації, отриманої під час випробування комбінованої системи фази II, при проектованому потокі вхідного потоку фаза II може витримувати максимальну концентрацію вхідного NH3-N до 55 мг/л, що в 2,20 рази перевищує проектне значення, значно підвищуючи стійкість системи до ударного навантаження. Тому використання MBBR для цієї модернізації є раціональним і ефективно забезпечує стабільне дотримання стандартів стоків. Якби Фаза I також була модернізована за допомогою процесу MBBR, на основі проектованих концентрацій забруднюючих речовин у притоці/витоках, потік очищення можна було б збільшити більш ніж в 1 раз, забезпечуючи можливість для очисних споруд відповідати швидкому міському розвитку та досягати плавної модернізації.
4 Стан прикріплення біоплівки та мікробний аналіз
Кріплення біоплівки на підвісних носіях у цьому проекті показано наМалюнок 6. Біоплівка рівномірно покривала внутрішню поверхню носіїв, будучи щільною без флокулентного матеріалу в порах носія. Середня товщина становила (345,78 ± 74,82) мкм. Середня біомаса біоплівки становила (18,87 ± 0,93) г/м², співвідношення летких завислих речовин (VSS)/SS було стабільним на рівні 0,68 ± 0,02, а середнє значення VSS становило (12,77 ± 0,61) г/м².
Для подальшого вивчення ефекту покращення модернізації MBBR на пропускну здатність системи з мікроскопічної точки зору, зразки активного мулу фази I, активного мулу фази II та біоплівки були взяті для секвенування високої-пропускної здатності 16S амплікону. Відносна чисельність мікроорганізмів на рівні роду в системі показана наМалюнок 7.
Домінуючими нітрифікуючими родами на зваженій біоплівці-носії були Nitrospira та Nitrosomonas з відносною кількістю 7,98% та 1,01% відповідно. Навпаки, домінуючим нітрифікуючим родом активного мулу фази I та фази II була Nitrospira з відносною кількістю 1,05% та 1,27%, відповідно. Nitrospira є найпоширенішим нітрифікуючим видом на очисних спорудах. Було доведено, що багато його видів володіють здатністю повного окислення аміаку (comammox), тобто один мікроорганізм може завершити процес від аміаку до нітрату. Процес MBBR у формі біоплівки досяг ефективного збагачення Nitrospira з відносною кількістю в 7,58 разів, ніж в активному мулі, забезпечуючи мікроскопічну основу для підвищення ефективності нітрифікації системи. Також можна помітити, що відносна кількість нітрифікуючих бактерій в активному мулі з тієї ж системи, що й біоплівка (Фаза II), була дещо вищою, ніж у системі з чистим активним мулом Фази I. Це може бути тому, що виділення біоплівки із зважених носіїв інокулювало активний мул під час динамічного оновлення, збільшуючи відносну кількість нітрифікуючих бактерій у мулі.
Домінуючі денітрифікуючі роди в обох системах були в основному збагачені активним мулом і були відносно подібними за складом, включаючи Terrimonas, Flavobacterium, Dechloromonas, Hyphomicrobium тощо. Відносна кількість денітрифікуючих родів у фазі I та фазі II становила 8,76% та 7,52% відповідно. З функціональної точки зору, окрім денітрифікації, деякі види в межах Terrimonas можуть розкладати антрацен-подібні речовини; Flavobacterium може розкладати біологічно розкладаний пластик (наприклад, PHBV); Hyphomicrobium може використовувати для денітрифікації різні токсичні та важко{7}}-розкладані органічні сполуки, такі як дихлорметан, диметилсульфід, метанол тощо. Вплив цього проекту містить деякі промислові стічні води, що призводить до спеціалізації функціональних мікробних спільнот за довготривалої -акліматизації. Хоча цей проект не продемонстрував значних макроскопічних ефектів SND, деякі денітрифікуючі функціональні групи все ж були виявлені на суспендованій біоплівці-носії, включаючи Hyphomicrobium, Dechloromonas, Terrimonas і OLB13 із загальною часткою 2,78%. Це вказує на те, що після того, як біоплівка досягає певної товщини, безкисневі/анаеробні мікросередовища, що утворюються всередині, можуть забезпечити умови для збагачення денітрифікуючих бактерій, також створюючи можливість виникнення SND в аеробній зоні MBBR. Крім того, Proteiniclasticum було виявлено в мулі фази I та фази II з відносною кількістю 1,09% та 1,18% відповідно. Цей рід має хорошу здатність до розкладання та перетворення білкових речовин. Його збагачення може бути пов’язане з наявністю численних молочних підприємств у зоні збору цього проекту.
Примітно, що відносна кількість Candidatus Microthrix в активному мулі фази I досягла 3,72%. Це звичайна ниткоподібна бактерія в активному мулі, часто пов’язана з накопиченням мулу. Однак його відносна кількість у мулі фази II та біоплівці становила лише 0,57% та 1,03% відповідно. Після модернізації за допомогою процесу MBBR псевдозрідження зважених носіїв має ефект зсуву на ниткоподібні бактерії, зменшуючи ймовірність утворення ниткоподібних речовин в активному мулі.
5 Економічний аналіз
Споживання електроенергії на кубічний метр до і після цієї модернізації становило 0,227 кВт·год/м³ і 0,242 кВт·год/м³ відповідно. При ціні на електроенергію 0,66 юаня/(кВт-год) експлуатаційні витрати на електроенергію становили 0,150 юаня/м³ і 0,160 юаня/м³. Збільшення споживання електроенергії відбулося в основному за рахунок нового безкисневого змішування зони та додаткового електричного обладнання з нового вторинного відстійника. Хімікатами для видалення фосфору, які використовуються в цьому проекті, є поліхлорид заліза (PFC) і поліакриламід (PAM). Дозування залишалося незмінним до та після модернізації: дозування PFC 2,21 т/день, вартість 0,014 юанів/м³; Дозування PAM 17,081 кг/день, вартість 0,0028 юанів/м³. Цей проект повністю використовує джерело вуглецю в сировині, що надходить для денітрифікації. Жодного зовнішнього джерела органічного вуглецю до або після модернізації не додавали. Прямі витрати на електроенергію та хімікати на кубічний метр до та після модернізації становили 0,167 юанів/м³ та 0,177 юанів/м³ відповідно.
6 Висновки та прогноз
(1) Етап II південної очисної споруди використовував процес MBBR для модернізації розширення потужності, вирішуючи такі проблеми, як брак землі. Після модернізації потік очищення збільшився з (3,02±0,46) ×10⁴ м³/день до (5,31±0,76) ×10⁴ м³/день, досягнувши 76% розширення потужності на місці-. Максимальна експлуатаційна витрата досягла 1,52-кратного перевищення проектного значення, зі стічними водами стабільно кращими за проектний стандарт скидів.
(2) Завдяки впровадженню процесу MBBR на біологічній стадії було досягнуто високоефективного та стабільного видалення NH₃-N в умовах низьких-температур взимку, навіть незважаючи на те, що аеробний ЗГТ становив лише 66,07% від показника в процесі з активним мулом. Зона MBBR внесла 99,46% у видалення NH₃-N. Якби Фаза II не була модернізована, за тієї самої витрати та якості води рівень NH₃-N у стічних водах досяг би 5,55 мг/л. Тому використання MBBR для цієї модернізації було необхідним і раціональним.
(3) Суспендована біоплівка-носій посилила ефект збагачення основного нітрифікуючого роду Nitrospira. Його відносна кількість у біоплівці була в 7,58 разів більшою, ніж в активному мулі, забезпечуючи мікроскопічну основу для покращення ефективності нітрифікації системи. Крім того, збагачення денітрифікуючих родів у біоплівці створює можливість для виникнення SND.
У цьому проекті використовувався комбінований процес утворення-біоплівки для досягнення-збільшення потужності на місці. Однак фактична експлуатація все ще обмежена утримуванням і відновленням активного мулу, що перешкоджає подальшому збільшенню потужності очищення. Наразі в реальних проектах застосовано чисті процеси біоплівки, повністю відмовляючись від активного мулу та використовуючи характеристики високого -навантаження біоплівки для ефективного видалення забруднюючих речовин, без обмежень щодо активного мулу. Це забезпечує нове рішення для нового будівництва, реконструкції або розширення очисних споруд.