Практичний приклад процесу MBBR+ACCA для модернізації та реконструкції міських очисних споруд
На тлі бурхливої економіки Китаю темпи індустріалізації та урбанізації значно прискорилися. Цей процес неминуче супроводжується-{2}}збільшенням скиду промислових та побутових стічних вод із року в рік, що загострює проблеми забруднення води та впливає на будівництво стійкої екологічної цивілізації Китаю. Завдяки комплексному впровадженню Плану дій із запобігання та контролю забруднення води, на міських очисних спорудах по всій країні введено суворіші вимоги до скидів. Місцеві стандарти в деяких містах досягли квазі-класу IV якості води, а для стічних вод, що скидаються у чутливі водойми, деякі індивідуальні показники поступово наближаються до стандарту класу III для поверхневих вод. Однак залишкові забруднюючі речовини в міських стічних водах після біологічного очищення — це в основному органічні сполуки, які не-біорозкладаються та погано біологічно розкладаються. Покладатися виключно на традиційні технології біологічного покращення стало недостатньо для відповідності дедалі суворішим стандартам викидів.
Активований кокс має високорозвинену мезопористу систему, здатну адсорбувати макромолекулярні забруднюючі речовини у воді. Завдяки високій механічній міцності, стабільності, хорошій адсорбційній здатності та відносно економічній вартості, він широко застосовується для очищення промислових стічних вод, які важко піддаються біологічному розкладанню. В останні роки технологія фільтрації з використанням активованого коксу як середовища також знайшла певне застосування в передовій обробці муніципальних стічних вод, досягаючи хороших результатів у остаточному видаленні забруднюючих речовин. Об’єднавши інженерний приклад із проекту модернізації очисних споруд у провінції Хенань, автор застосував процес MBBR+ACCA (Адсорбція активованого коксу) для модернізації очищення міських стічних вод. Показники COD, NH₃-N і TP відповідали стандарту води GB 3838-2002 класу III, забезпечуючи посилання для проектів модернізації на інших очисних спорудах.
1. Основна ситуація станції очищення стічних вод
Загальна проектна потужність цієї очисної споруди становить 50 000 м³/добу, включаючи проектну потужність І черги 18 000 м³/добу та проектну потужність ІІ черги 32 000 м³/добу. Він в основному очищає міські побутові стічні води та невелику кількість промислових стічних вод. Оновлення було завершено в 2012 році, при цьому стоки відповідали стандарту класу 1A Стандарту скидання забруднюючих речовин для міських очисних споруд GB 18918-2002. Основним процесом є багато-ступінчастий АО + фільтр денітрифікації + відстійник високої щільності. Хід процесу показано намалюнок 1.
Наразі очисні споруди працюють на повну потужність. Базуючись на поточних експлуатаційних даних, за належного обслуговування заводу якість стоків можна стабільно підтримувати на рівні стандарту GB 18918-2002 класу 1A. Концентрації ХПК, БПК₅, NH3-N, TN і TP коливаються в межах 21,77-42,34 мг/л, 1,82-4,15 мг/л, 0,13-1,67 мг/л, 8,86-15,74 мг/л і 0,19-0,42 мг/л відповідно.
Перед модернізацією завод зіткнувся з такими проблемами: 1) старіння та пошкодження сіток у секції попередньої обробки призводили до того, що частина плаваючого сміття потрапляла в біологічні резервуари, легко забиваючи насоси та впливаючи на подальшу очистку; 2) Нестабільний винос ТН при низьких зимових температурах і значних коливаннях якості та кількості води; 3) Недостатній об’єм резервуарів у біологічних резервуарах фази I та необґрунтоване поділ безкисневої зони, що призводить до низької ефективності видалення TN та високої дози хімікатів для подальшого додавання джерела вуглецю; 4) Оригінальна система аерації використовувала застарілі традиційні відцентрові повітродувки з високим енергоспоживанням; 5) Сильне засмічення фільтруючого середовища у фільтрах денітрифікації, неповна зворотна промивка та труднощі стабільної роботи; 6) Часті несправності обладнання для змішування та перемішування у відстійниках високої-щільності; 7) Часті поломки двох існуючих стрічкових фільтр-пресів для зневоднення осаду, висока вологість зневодненого осаду, великий об’єм осаду та високі витрати на утилізацію осаду; 8) Відсутність засобів контролю запаху для систем попередньої обробки та обробки осаду; 9) Застаріла центральна система керування з обмеженою ємністю для зберігання даних і втратою більшості функцій дистанційного керування.
2. Проектна якість води
Враховуючи багаторічні експлуатаційні дані про якість води з заводу, з 90% рівнем довіри та включно з певним запасом, було визначено проектну впливову якість. Виходячи з вимог щодо якості навколишнього середовища приймаючого водного об’єкта, оновлені стоки COD, BOD₅, NH₃-N і TP повинні відповідати стандарту води GB 3838-2002 класу III, тоді як TN і SS відповідатимуть вихідному стандарту. Розрахункові характеристики притоку та витоку показано вТаблиця 1.
3. Оновлення концепції та процесу
3.1 Концепція оновлення
Відповідно до проектної якості стоків це оновлення встановлює вищі вимоги до COD, BOD₅, NH₃-N і TP. Враховуючи поточний процес заводу, характеристики якості води та існуючі проблеми, увага зосереджена на покращеному видаленні COD, NH3-N і TP, одночасно забезпечуючи стабільне видалення TN. Крім того, обмежений доступний простір у межах існуючого заводу вимагає повного використання потенціалу існуючих структур шляхом оновлення обладнання, інтенсифікації процесу та реконструкції з метою ефективного видалення ГПК, NH₃-N, TN і TP. Таким чином, використання оригінальних багато-ступінчастих резервуарів АО та додавання підвішених носіїв для формування гібридної біоплівки-активного мулу MBBR може ефективно покращити стабільність обробки та стійкість до ударних навантажень. Довгий вік осаду біоплівки на носіях підходить для росту нітрифікатора та підтримки високих концентрацій нітрифікатора, значно підвищуючи здатність системи до нітрифікації. Щільна біоплівка всередині носіїв має тривалий вік мулу, у якому містяться значні популяції нітрифікуючих і денітрифікуючих бактерій, що забезпечує одночасну нітрифікацію-денітрифікацію (SND) і, таким чином, посилює видалення TN. Отже, процес MBBR добре-підходить для модернізації цього заводу.
Базуючись на досвіді подібних проектів модернізації, для забезпечення стабільної відповідності вимогам COD і TP все ще потрібні додаткові засоби захисної обробки на додаток до існуючого процесу в поєднанні з MBBR. Активований кокс, як пористий матеріал, демонструє більш значну адсорбційну ефективність порівняно з активованим вугіллям, ефективно видаляючи COD, SS, TP, колір тощо. Крім того, біологічно активований кокс може використовувати прикріплені мікроорганізми для розкладання органічних речовин, забезпечуючи регенерацію місць адсорбції під час адсорбції забруднюючих речовин. Цей механізм динамічної рівноваги забезпечує стійку та стабільну роботу системи. Процес циркулюючої адсорбції активованого коксу (ACCA) використовує активований кокс як середовище, об’єднуючи фільтрацію та адсорбцію. Він використовує стиснене повітря для підняття та очищення фільтруючого матеріалу. Завдяки зонуванню зворотного-потоку та рівномірному дизайну потоку забезпечується повний контакт між активованим коксом і стічними водами, досягаючи остаточного покращення якості води та гарантуючи стабільну відповідність стічних вод.
Застаріле та несправне обладнання заводу буде замінено на технологічно передове, енергоефективне обладнання, щоб зменшити експлуатаційні витрати. Зокрема, сітки для попередньої обробки будуть замінені на сітки з внутрішньою подачею для перехоплення волосся та волокон, запобігаючи засміченню сіток для утримання носіїв MBBR.
3.2 Хід процесу
Оновлений процес показано намалюнок 2. Щоб задовольнити вимоги до напору, була додана нова підйомна насосна станція. Нещодавно побудований фільтр типу V- служить блоком попередньої обробки для подальшої адсорбції активованого коксу, забезпечуючи стабільність системи ACCA. Сира вода проходить через сита та камери для піску для видалення плаваючих частинок, волосся та частинок перед тим, як потрапити в гібридні біологічні резервуари MBBR для покращеного видалення азоту. Потім змішаний розчин надходить у вторинні відстійники для відділення твердих речовин. Супернатант піднімається через нову насосну станцію до фільтрів денітрифікації та відстійників високої-щільності. Потім нова насосна станція перекачує стічні води у фільтр типу V- і дво-ступеневі адсорбційні баки з активованим коксом для вдосконаленої обробки, подальшого видалення ХПК, ТР, SS, кольору тощо. Кінцеві стоки дезінфікуються перед скиданням.
4. Проектні параметри головних очисних установок
4.1 Біологічні резервуари
Існуючі біологічні резервуари фази I поділяються на дві групи з відносно невеликим об’ємом резервуару, але надійною структурою. Тому для даної модернізації, при дотриманні вимог по напору, стінки резервуару підняли на 0,5 м. Після реконструкції загальний ефективний об’єм становить 10 800 м³, із загальною HRT 14,4 години та безкисневою зоною HRT 6,4 години, що збільшує час утримання безкисневої кислоти для покращення видалення TN. Існуючі біологічні резервуари фази II мають ефективний об’єм 19 600 м³, загальну HRT 14,7 год, а безкисневу зону HRT 6,8 год. Цей проект передбачав заміну систем аерації та деяких застарілих занурювальних мішалок у біологічних резервуарах фази I та II, а також додавання підвішених носіїв та утримуючих екранів. Носії виготовляються з поліуретану або інших високоякісних композитних матеріалів із кубічним розміром 24 мм, питомою поверхнею 4000 м²/м³ і коефіцієнтом заповнення 20%. AOR системи біологічної очистки становить 853,92 кг O₂/год, при швидкості подачі повітря 310,36 Нм³/хв.
4.2 Підйомна насосна станція та резервуар для стічних вод
Було побудовано нову підйомну насосну станцію для перекачування стічних вод із відстійників високої-щільності до фільтра типу V-для подальшого очищення. Резервуар для стічної води зберігає стічні води зворотного промивання з фільтрів. Невеликі насоси використовуються для рівномірного перекачування стічних вод зворотного промивання в біологічні резервуари Фази II, щоб уникнути ударного навантаження. Було встановлено три насоси вторинного підйому (2 робочих + 1 резервних, Q=1, 300 м³/год, H=12 м, N=75 кВт), з частотним керуванням (VFD). Резервуар для стічних вод зворотного промивання оснащений 2 перекачуючими насосами (1 робочий + 1 резервний, Q=140 м³/год, H=7 м, N=5.5 кВт) і однією заглибною мішалкою (N=2.2 кВт) для запобігання утворенню осаду.
4.3 Фільтр типу V-
Було створено новий фільтр типу V- зі структурними розмірами 36,9 м (Д) × 29,7 м (Ш) × 8,0 м (В). Він використовує однорідний фільтруючий матеріал з кварцового піску. Фільтр розділений на 6 комірок, розташованих у два ряди. Вихідна труба кожної камери має електричний регулюючий клапан для контролю постійного рівня води. Процес зворотного промивання можна регулювати за допомогою ПЛК. Розрахункова швидкість фільтрації становить 7,0 м/год, примусова швидкість фільтрації – 8,4 м/год, а площа одно-клітинної фільтрації становить 49,4 м². Інтенсивність зворотної промивки води становить 11 м³/(м²·год), інтенсивність зворотної промивки повітря – 55 м³/(м²·год), інтенсивність поверхневої промивки – 7 м³/(м²·год). Тривалість зворотної промивки 10 хвилин. Цикл зворотного промивання становить 24 години (регулюється), промиваючи одну камеру за раз. Розмір середовища з кварцового піску становить 1-1,6 мм з k₈₀ < 1,3. Використовуються литі-монолітні фільтрувальні пластини.
4.4 Резервуари для адсорбції активованого коксу
Було побудовано новий адсорбційний резервуар для активованого коксу з конструктивними розмірами 49,5 м (Д) × 30,15 м (Ш) × 11,0 м (В). У ньому використовується дво-ступенева конфігурація фільтрації із загальною кількістю 36 комірок, по 18 комірок на ступінь. Максимальна швидкість фільтрації становить 6,02 м³/(м²·год), середня – 4,63 м³/(м²·год). Розміри однієї -клітини першої{11}}стадії Д×Ш×В=5.0 м × 5,0 м × 11,0 м із часом контакту з порожнім шаром (EBCT) 1,4 години. Розміри-окремої{19}}клітини другого етапу становлять Д×Ш×В=5.0 м × 5,0 м × 9,5 м, з EBCT 1,08 год. Система використовує 2000 тонн активованого коксу з розміром частинок 2-8 мм, оснащена мобільними коксомийниками, розподільниками води, вхідними/вихідними водозливами тощо.
4.5 Утворення активованого коксу
Для зберігання активованого коксу та подачі його в адсорбційні резервуари побудовано нове приміщення активованого коксу. Конструктивні розміри 33,5 м (Д) × 13,0 м (Ш) × 6,5 м (В). Основне допоміжне обладнання включає: 1 вібросито для зневоднення активованого коксу, 3 насоси подачі коксу (2 режими роботи + 1 в режимі очікування, Q=40 м³/год, H=25 м, N=7.5 кВт), 2 насоси для вивантаження фільтрату (1 режим роботи + 1 в режимі очікування, Q=120 м³/год, H=20 м, N=18.5 кВт), 2 повітряні компресори (1 робочий + 1 резервний, Q=7.1 м³/хв, N=37 кВт) і бак для ресивера повітря (V=2 м³, P=0.8 МПа).
4.6 Кімната зневоднення пластин-і-рами
Нове приміщення для зневоднення-та-рами було побудовано поруч із існуючим приміщенням для зневоднення осаду. Через обмеження простору було сконфігуровано один набір із пластинчастого-і-рамного фільтр-преса (площа фільтра 300 м²), який служив резервною копією стрічкового фільтр-преса. Допоміжні приміщення включають одну ємність кондиціонування (корисний об'єм 80 м³). Кількість осаду становить 6150 кг DS/d, вологість згущеного кормового осаду становить 97%, а вологість зневодненого кеку 60%. Основне допоміжне обладнання включає: 2 живильні насоси (1 робочий + 1 резервний, Q=60 м³/год, H=120 м, N=7.5 кВт), 2 насоси пресової води (1 робочий + 1 резервний, Q=12 м³/год, H=187 м, N=11 кВт), 1 насос для промивання (Q=20 м³/год, H=70 м, N=7.5 кВт), 2 насоси-дозатори (1 робочий + 1 режим очікування, Q=4 м³/год, H=60 м, N=3 кВт), 1 повітряний компресор (Q=3.45 м³/хв, N=22 кВт), 1 комплект бака ресивера повітря (V=5 м³, P{=1.0 МПа) та 1 комплект блоку підготовки ПАМ (Q=2 м³/год, N=1.5 кВт).
4.7 Система контролю запаху
Було додано нову систему контролю запаху біофільтрації з проектною швидкістю потоку повітря 12 000 м³/год. Труби зі склопластику (GRP) використовуються для збору та очищення запахів із систем попередньої обробки та очищення шламу. Для герметизації обладнання для попередньої обробки використовуються рами з нержавіючої сталі та витривалі плати ПК.
4.8 Інші оновлення засобів
- Замінено 2 тонкими сітками з внутрішнім живленням з отвором 5 мм, шнековими конвеєрами та резервуаром для промивної води, V=10 м³ і 2 насосами промивної води (1 робочий + 1 резервний, Q=25 м³/год, H=70 м, N=11 кВт).
- Замінено на 4 більш ефективні повітродувки з пневматичною підвіскою, керовані VFD (3 режими роботи + 1 в режимі очікування, Q=130 м³/хв, P=63 кПа, N=150 кВт).
- Замінено фільтруюче середовище в існуючих фільтрах денітрифікації на 1800 м³ керамічного середовища (розмір частинок 3-5 мм).
- Замінено 2 змішувальні мішалки у відстійниках високої-щільності (швидкість 60-80 об/хв, N=5.5 кВт), 4 флокуляційні мішалки (швидкість 10-20 об/хв, N=2.2 кВт) і трубчасті відстійники (260 м²).
- Замінено стрічковий фільтр-прес стрічкою шириною 2 м і відповідним повітряним компресором, 1 комплект.
- Використовуючи оригінальну центральну диспетчерську, оновлене обладнання, інструменти та налагоджене централізоване керування, створено-систему передачі даних для всього заводу для забезпечення передачі даних між центральною диспетчерською та підстанціями, а також автоматизації керування виробничим процесом.
5. Операційна ефективність і технічні-економічні показники
5.1 Операційні показники
Після завершення цього проекту модернізації всі очисні установки працюють стабільно. Дані моніторингу якості вхідної та стічної води за 2023 рік наведено вТаблиця 2.
Як показано, середні концентрації стоків для COD, NH3-N, TN, TP і SS становили 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 і 2,63 мг/л із середніми показниками видалення 95,16%, 99,45%, 77,31%, 94,75% і 97,38% відповідно. ХПК, NH₃-N і TP постійно відповідали стандарту води GB 3838-2002 класу III.
Оновлений проект працює вже майже два роки. Результати вказують на те, що процес MBBR+ACCA є стабільним, ефективним і створює високо{2}}якісні стоки, демонструючи сильну стійкість до ударних навантажень і низьких{3}}температур. Навіть при мінімальній зимовій температурі води 9,4 градуса та значних коливаннях якості води, якість стоків залишалася стабільною та відповідала стандартам скиду. До і після оновлення доза джерела вуглецю не збільшилася, але видалення TN було значно покращено. Це тому, що, з одного боку, нітрифікуючі мікроорганізми, прикріплені до носіїв MBBR, ростуть і накопичуються в стабільному аеробному середовищі, що призводить до більш повної нітрифікації. З іншого боку, нітрати були додатково видалені в оновлених резервуарах MBBR і безкисневих резервуарах. Остаточна система ACCA діє як захист, додатково адсорбуючи та видаляючи стійкі COD, TP, SS тощо, роблячи якість стоків більш стабільною. Крім того, після впровадження проекту завод зможе виробляти високоякісну-відновлену воду, закладаючи основу для повторного використання води в майбутньому.
5.2 Технічні-економічні показники
Загальна сума інвестицій у цей проект склала 86 937 600 юанів, включаючи витрати на будівництво та встановлення 74 438 500 юанів, інші витрати 7 593 500 юанів, непередбачені витрати 4 101 600 юанів і початковий оборотний капітал 804 000 юанів. Після стабільної роботи системи додаткова вартість електроенергії для всього заводу становить 0,11 юаня/м³, вартість активованого коксу становить 0,39 юаня/м³, що призводить до загального збільшення експлуатаційних витрат приблизно на 0,50 юаня/м³.
6. Висновок
- У рамках цього проекту було реалізовано оновлення обладнання, інтенсифікацію та реконструкцію процесу на існуючих очисних спорудах, а також додано вдосконалене очищення, покращивши ефективність видалення COD, NH₃-N, TN і TP.
- Після оновлення, використовуючи основний процес «MBBR+ACCA», ХПК, NH3-N і TP стабільно покращилися з класу 1A до стандарту III класу поверхневої води, а видалення TN було значно покращено.
- Практика показує, що цей процес працює стабільно та ефективно, стійкий до різких навантажень, виробляє високо{0}}якісні стоки та додає експлуатаційні витрати приблизно на 0,50 юанів/м³. Він може слугувати орієнтиром для проектів модернізації та ініціатив повторного використання води на інших очисних спорудах.