Застосування модифікованого процесу AAO в очищенні побутових стічних вод вугільних шахт
На вугільних шахтах господарсько-побутові стічні води надходять в основному з їдалень для персоналу, гуртожитків, офісів, пралень і санвузлів, понад 55% від загального об’єму складають каналізаційні стоки. Стік води для купання є відносно концентрованим, що призводить до значних коливань потоку. Характеризується нижчою концентрацією органічних речовин і вищим вмістом завислих речовин (SS), дренаж для купання значно відрізняється від типових побутових стічних вод. Його шаховий характер скидання з іншими потоками стічних вод сприяє значній мінливості якості води.
Більшість вугільних шахт у Китаї розташовані у віддалених районах, де витрати на транспортування шламу високі. Тому слід вибирати процеси очищення з меншим виходом осаду. У міру розвитку шахт і збільшення кількості персоналу потік стічних вод часто перевищує початкову проектну потужність, що вимагає процесів із сильною пристосованістю до змін якості та кількості води в межах того самого сліду. Відповідно до дедалі суворішої екологічної політики, яка вимагає повного повторного використання очищених стоків з нульовим викидом, процеси повинні забезпечувати високу та стабільну якість стоків.
Наразі AAO (анаеробний-аноксичний-кисневий) процес є кращим вибором для очищення міських стічних вод. У цій статті аналізується ефективність застосування модифікованого процесу AAO (AAO + процес з підвішеним носієм) для побутових стічних вод вугільних шахт на основі його унікальних характеристик.
1. Модифікований процес AAO
Процес AAO є найпростішою конфігурацією потоку для одночасного видалення азоту та фосфору. Ниткоподібні бактерії не можуть інтенсивно розмножуватися в анаеробних, безкисневих і аеробних умовах, що чергуються, запобігаючи накопиченню мулу. Він не вимагає додавання хімікатів, лише м’яке змішування в анаеробних і безкисневих резервуарах, що призводить до низьких експлуатаційних витрат. Мул має високий вміст фосфору, що надає йому гарну цінність для добрива.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, ця внутрішня переробка споживає значну кількість енергії. Стічні води, що надходять у вторинний відстійник, повинні підтримувати певний рівень розчиненого кисню (DO), щоб запобігти анаеробним умовам і вивільненню фосфору, але не надто високий, щоб уникнути перешкод денітрифікації в безкисневому резервуарі через перероблену змішану рідину.
Модифікований процес AAO (AAO + процес призупинення передачі даних) ефективно пом’якшує ці недоліки. Це збільшує мікробну масу в біологічних резервуарах, збільшує об’ємне навантаження, забезпечує повне розділення часу гідравлічного утримування (HRT) і часу утримування осаду (SRT), посилює стійкість до гідравлічних і органічних ударних навантажень, забезпечує гарну якість стоків навіть із джерелами з низьким вмістом вуглецю, виробляє менше та більш стабільний осад (знижуючи вимоги до потужності обробки осаду). Стічні води можуть відповідати стандартам якості води «Повторне використання міської оборотної води-Стандарт якості води для різноманітної міської води» (GB/T 18920-2020) і «Кодекс проектування техніки збагачення вугілля» (GB 50359-2016) для промивання вугілля. Hou Feng та ін. застосував процес AAO+суспендований носій на підземних очисних спорудах, досягнувши стандартів класу 1A згідно з «Стандартом скидання забруднюючих речовин для муніципальних очисних споруд» (GB 18918-2002), з ключовими показниками (ХПК, БПК5, NH3-N, TP), що досягають стандартів класу IV згідно з «Стандартами якості навколишнього середовища для поверхневих вод» (GB 3838-2002). Хао Руйган та ін. використовував «A/O біоконтактне окислення + перфорована завихрена флокуляція + седиментація в похилій трубі + активна піщана фільтрація» при розширенні заводу побутових стічних вод вугільної шахти, досягнувши якості стоків, кращої за клас 1A. Yan Ziyu та ін. також досягли хороших результатів, використовуючи процеси біоплівки для модернізації існуючої очистки побутових стічних вод вугільної шахти. Модифікований процес AAO дозволяє збільшити потужність і покращити якість стоків на існуючих заводах з мінімальними модифікаціями.
Цей процес передбачає додавання зважених носіїв до безкисневих та аеробних резервуарів, поєднуючи переваги процесів активного мулу та біоплівки. Він має високе об’ємне завантаження, велику біомасу, високу ефективність обробки, сильну адаптивність до水质和水量的变化, підвищену стабільність процесу та добре видалення поживних речовин. Він утворює високоспеціалізовані активні біоплівки, підвищуючи ефективність на об’єм реактора та стабільність, дозволяючи використовувати менші реактори. Мул з біоплівки, що злущується, містить більше найпростіших/ багатоплідних організмів, має вищу щільність і більший розмір частинок, що забезпечує хорошу осідання та легке відділення твердої-рідини. Він забезпечує повне відокремлення SRT-HRT, усуває накопичення осаду та підходить для стічних вод, багатих на розчинну органіку.
2.1 Приклад
Вугільна шахта в місті Яньань, приблизно за 16 км від міста Цзічан, має очисну станцію побутових стічних вод з проектною потужністю 1200 м³/добу. Процес такий: «Сіто + вирівнювальний резервуар + AAO з підвішеними носіями + передова обробка (коагуляція-осадження-фільтрування) + дезінфекція». Осад обробляється за допомогою «гравітаційного згущення + зневоднення шнекового преса». Стічні води відповідають суворішим обмеженням *GB/T 18920-2020* і GB 50359-2016 для води для промивання вугілля. Очищена вода повторно використовується для озеленення шахти та як підживлювальна вода на вуглезбагачувальній фабриці. Проектна якість припливу/стоків відповідаєТаблиця 1. Хід процесу показано намалюнок 1.
Стічна вода проходить через сітку (зазор 5 мм, кут встановлення 75 градусів) у вирівнювальний резервуар (Д×Ш×В=14.0 м×6,0 м×6,0 м, ефективна глибина 2,95 м, об’єм 247,8 м³, HRT 4,13 год), що відповідає вимогам GB 50810-2012. Два змішувачі перешкоджають осіданню. Три занурювальні насоси (2 робочі +1 резервні, Q=32.5 м³/год, H=17 м, N=4 кВт) піднімають воду в біологічні резервуари.
Біологічна система складається з двох паралельних ланцюгів. На поїзд:
- Анаеробний резервуар: Д×Ш×В=2.0 м×5,0 м×5,0 м, ефективна глибина 4,5 м, HRT 1,5 год.
- Аноксидний резервуар: Д×Ш×В=4.0 м×5,0 м×5,0 м, ефективна глибина 4,25 м, HRT 2,83 год.
- Аеробний резервуар: Д×Ш×В=15.0 м×5,0 м×5,0 м, ефективна глибина 4,0 м, HRT 10,0 год. Загальна системна HRT становить 15,75 год. Підвісні носії (коефіцієнт заповнення 80%, питома поверхня 600 м²/м³) встановлюються в аеробак. Проектне співвідношення повітря-до-води становить 13,7:1. Використовуються три повітродувки Roots (2 робочі +1 режим очікування, Q=6.84 м³/хв, N=11 кВт, P=44.1 кПа). Коефіцієнт переробки шламу становить 100%, коефіцієнт переробки змішаного розчину становить 200%.
Два прямокутних периферійних-вхідних/вихідних вторинних відстійників (Д×Ш×В=5.0 м×5,0 м×3,5 м кожен) мають швидкість поверхневого навантаження 1,2 м³/(м²·год) і HRT 2,5 год.
Інтегрований очищувач води (поєднує коагуляцію, седиментацію, фільтрацію) забезпечує вдосконалену очистку для подальшого видалення SS і фосфору.
Обробка осаду включає гравітаційне згущення (Φ2,5 м × 5,0 м резервуар з вуглецевої сталі) з наступним зневодненням шнековим пресом. Поліакриламід (ПАМ) дозують 3,0–5,0 кг/т сухих речовин перед зневодненням. Щоденний зневоднений шлам має менше або дорівнює 150 кг із вмістом вологи менше або дорівнює 80%, що транспортується за-майданчик.
Для дезінфекції використовується -генератор ClO2 на місці (ефективне дозування хлору 120 г/год), який дозується на вході чистого колодязя. Прозора свердловина має ефективний об'єм 250 м³, що забезпечує час контакту 4,2 години.
Завод оснащено широким онлайн-моніторингом (витратоміри, залишковий хлор, рН, DO, COD, каламутність, рівень/концентрація мулу) та автоматизованими системами керування насосами, повітродувками, зворотним промиванням, дозуванням хімікатів і змішуванням, що забезпечує інтелектуальну роботу без нагляду.
2.2 Аналіз ефективності
Завод ввели в експлуатацію у 2021 році та пропрацювали понад два роки. Фактична якість притоку/стоків за 2024 рік наведена вТаблиця 2.
Співвідношення БПК5/N, що вливається, становить 5,5, що вказує на низьке співвідношення вуглецю-до -азоту (C/N) у стічних водах, яке ще більше зменшується влітку через інфільтрацію дощів і зміни звичок. Екстремальні зимові температури в Яньань можуть досягати -21 градуса. Фактична якість стоків краща, ніж проект, з показниками видалення: COD 97,8%, BOD5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, відповідає стандартам для 绿化 та промивання вугілля.
Маса активної біоплівки в безкисневих/аеробних резервуарах досягає 125 г/м² носія, що еквівалентно MLSS 13 г/л-у чотири рази більше, ніж у звичайного активного мулу. Мікроорганізми перебувають у фазі ендогенного дихання, що призводить до щоденного утворення осаду приблизно на 1/3 звичайних методів, з кращою здатністю до осідання, що дозволяє використовувати менше обладнання для обробки осаду.
Хоча біо{0}}контактне окислення може відбуватися без переробки мулу, дослідження Xiong Ren та ін. показує, що системи з рециркуляцією досягають вищих показників видалення COD, TN, NH3-N, SS і зменшують вихід мулу на 29,6%. Ця конструкція включає переробку змішаних спиртних напоїв із гнучкістю роботи на основі якості стоків.
Завод (1200 м³/день) займає 1350,3 м², капітальні інвестиції становлять 20 мільйонів CNY та експлуатаційні витрати 1,05 CNY/м³.
Порівняно зі звичайним AAO, який вимагає розширеної SRT для ефективної-температурної роботи, цей модифікований процес зберігає простоту одночасного видалення поживних речовин, збагачуючи біологічне співтовариство носіями. Розділення SRT-HRT підвищує біо-стабільність, забезпечуючи надійну роботу в умовах низького C/N і низьких{4}}температур. Стабільність стічних вод можна підтримувати за допомогою незначної переробки осаду або без нього, що дозволяє -зменшити кількість осаду на місці та знизити витрати на його обробку. Його простота та відсутність об’єму роблять його дуже придатним для очищення побутових стічних вод вугільних шахт.
3. Дослідження оптимізації для процесу AAO
Модифіковані процеси AAO зазвичай розробляються відповідно до параметрів у «Стандарті проектування зовнішніх систем очищення стічних вод» (GB 50014-2021). Проте оптимізація робочих параметрів (HRT, SRT, аерація, коефіцієнти рециркуляції, MLSS), характерних для стічних вод вугільної шахти, необхідна для визначення оптимальних умов для майбутнього проектування та експлуатації.
У звичайній AAO мул переробляється з аеробного в анаеробний резервуар, переносячи нітрати та високий рівень DO, що може погіршити біологічне видалення фосфору. Можна розглянути процес Університету Кейптауна (UCT), де шлам переробляється в безкисневий резервуар, нітрифікований розчин – у безкисневий резервуар, а для покращення видалення біо-P додається додатковий цикл із безкисневого в анаеробний резервуар.
Обробка осаду може становити 50–60% експлуатаційних витрат заводу. Слід застосувати-технології зменшення мулу на місці. Високий MLSS у модифікованих біо-резервуарах AAO призводить до високого співвідношення F/M, де може відбуватися роз’єднання метаболізму, сприяючи зменшенню мулу та зниженню витрат на обробку мулу. У майбутньому слід зосередитись на застосуванні-технологій зменшення на місці, таких як таємне зростання за допомогою мікро-лізису, кисневий-осадження-анаеробний процес (OSA) і роз’єднання метаболізму під час очищення стічних вод вугільних шахт.
Цей процес підходить для модернізації існуючих установок AAO на вугільних шахтах. Додавання носіїв до безкисневих/аеробних резервуарів може покращити якість стоків, збільшити пропускну здатність і підвищити стабільність системи. Для заводів із суворішими вимогами до стічних вод заміна вторинного відстійника на систему MBR може додатково покращити якість води.
4. Висновок
- Модифікований процес AAO підходить для модернізації існуючих систем AAO у вугільних шахтах для підвищення стабільності, збільшення потужності або відповідності суворішим стандартам.
- Під час очищення побутових стічних вод вугільної шахти стічні води можуть одночасно відповідати стандартам *GB/T 18920-2002* для поливу доріг/зелених насаджень і стандартам GB 50359-2016 для води для промивання вугілля, демонструючи сильну адаптивність до змін якості та кількості води.
- Процес утворює стабільний осад із хорошою здатністю до осідання та легким відділенням, утворює менше осаду та зменшує витрати на його обробку.