Порівняння дво-етапного та три-етапного процесів АО: інженерний Перспектива
Наразі більшість очисних споруд у Китаї застосовують процеси очищення стічних вод на основі-активного мулу. Серед них майже половина використовує безкисневий-кисневий (АО) процес. Процес AO пропонує такі переваги, як стабільна робота та низька вартість. Однак його загальна ефективність видалення азоту (TN), яка зазвичай коливається від 60% до 80%, обмежена внутрішніми коефіцієнтами рециркуляції. Через дедалі суворіші національні вимоги щодо видалення азоту звичайні одно-ступеневі процеси AO часто не відповідають вимогам до обробки TN. Таким чином з’явилися багато{10}}етапні процеси АО. Завдяки послідовному з’єднанню двох або більше ступенів АО нітрат, утворений на попередній аеробній стадії, забезпечує субстрат для денітрифікації на наступній безкисневій стадії. Це досягає мети зменшення коефіцієнта внутрішньої переробки, одночасно покращуючи загальне видалення TN. Однак надмірна кількість етапів також може збільшити складність роботи. Отже, найбільш часто застосовуваними конфігураціями в Китаї наразі є дво-та три-етапні AO процеси. У цьому документі представлено порівняльний аналіз дво{18}} та трьох-ступеневих процесів АО з використанням очисних станцій у Південному Китаї як тематичного дослідження з метою надання посилання для вибору технічних маршрутів у подібних проектах.
1 Огляд проекту
Загальна площа очисних споруд у Південному Китаї становить 8 га. Його початкова проектна потужність становила 90 000 м³/добу, при цьому якість стічних вод повинна відповідати як стандарту класу A «Стандарту скидання забруднюючих речовин для муніципальних очисних споруд» (GB 18918-2002), так і «Обмеженням скиду забруднюючих речовин» провінції Гуандун (DB 44/26-2001) (надалі іменується «квазі-клас V»). Завод працював на повну потужність. Згідно з відповідним плануванням, потрібне було розширення. Майбутні стандарти стоків, засновані на поточному стані, повинні враховувати довгострокову вимогу TN менше або дорівнює 10 мг/л. З огляду на фактичні умови об’єкта, масштаб цивільного будівництва для цього розширення було встановлено на рівні 70 000 м³/добу. Завод працюватиме на 50 000 м³/день у найближчій перспективі та досягне 70 000 м³/день у довгостроковій перспективі, довівши загальну очисну потужність заводу до 160 000 м³/день. Проектна якість вхідної та стічної води показана наТаблиця 1.
Через обмеження на території попереднього плану розширення прийнято технологічний маршрут «багато-ступеневий АО + периферійний-вхідний периферійний-зовнішній прямокутний відстійник + високо-ефективний відстійник + волокниста пластина-і-каркасний фільтр». Будівельні споруди всіх основних блоків були побудовані на потужність 70 000 м³/день, а обладнання встановлено на потужність 50 000 м³/день. Найближчим часом біологічний резервуар використовуватиме багато-процес АО. У довгостроковій перспективі додавання суспензійних носіїв створить процес гібридної біоплівки-з активним мулом, щоб задовольнити потребу у збільшенні потужності на 40%. Для цього проекту гідравлічні умови були враховані для масштабу 70 000 м³/день, тоді як біологічне очищення було розроблено для масштабу 50 000 м³/день. Оскільки цей проект мав на меті прийняти багато-етапний процес АО, було проведено порівняння між дво-та три-етапним АО.
2 Порівняння дво-та трьох-етапних процесів AO
2.1 Хід процесу
Основним принципом багато-ступеневого процесу АО є використання нітрату, утвореного на попередній аеробній стадії, для денітрифікації на наступній безкисневій стадії, таким чином зменшуючи коефіцієнт внутрішньої рециркуляції. Теоретично більша кількість етапів призводить до кращого видалення TN, але контроль стає складнішим. В інженерній практиці переважають дво-та три-ступінчасті АО. Їх технологічні потоки показані намалюнок 1. Для дво-етапного AO внутрішня переробка зазвичай проектується в межах першого етапу AO. Для три-етапного AO внутрішній цикл зазвичай не використовується. Очисні споруди в Пекіні, які використовують дво-ступеневий процес АО, включають Qinghe (400 000 м³/день), Xiaohongmen (500 000 м³/день), Gao'antun (400 000 м³/день), Dingfuzhuang (200 000 м³/день) і Huaifang (600 000 м³/день). Цей процес пропонує такі переваги, як просте обладнання, низькі витрати на експлуатацію та технічне обслуговування, сильна стійкість до ударних навантажень і висока сумісність з іншими процесами, що полегшує майбутні оновлення для відповідності вищим стандартам стоків. Теоретично три{18}}ступінчаста серія АО може усунути потребу у внутрішньому обладнанні для переробки, забезпечити більш раціональний розподіл джерел вуглецю та зменшити інвестиційні та експлуатаційні витрати. Цей процес в основному застосовується в сценаріях з достатніми джерелами вуглецю та високими вимогами до видалення азоту. Типові випадки включають станцію очисних станцій Qujing у Юньнані (80 000 м³/день), міську очисну станцію району Нінхе в Тяньцзіні (90 000 м³/добу), очисну станцію Zhangguizhuang у Тяньцзіні (200 000 м³/добу) та меліоративний завод Daoxianghu у Пекіні (80 000). м³/день).
2.2 Порівняння процесів
Враховуючи те, що на цій ділянці немає додаткової землі для майбутньої модернізації, а деякі нові місцеві проекти вже впроваджують стандарт TN для стічних вод менше або дорівнює 10 мг/л, під час порівняння процесу враховується TN для стічних вод біологічного резервуару менше або дорівнює 10 мг/л, щоб врахувати можливість подальших суворих вимог до стоків у майбутньому. Інші показники відповідають проектній якості стоків. Виходячи з плану, для -ближнього масштабу 50 000 м³/день максимальний час гідравлічного утримування (HRT) для біологічного резервуара становив 18 годин. Об’єднавши фактичні умови проекту, результати моделювання BioWin і зручність з’єднання з підвішеними носіями, було проведено порівняння дво-та трьох-етапних процесів АО.
2.2.1 Симуляція BioWin
Початкову ЗГТ становили 18 годин і поступово знижували. Мінімальна ЗГТ, що досягає вимоги до ТН, що витікає, становила 14 годин. Для дво-ступеневої АО точками розподілу впливу були анаеробна зона, безкиснева зона першого-ступеню та безкиснева зона другого-ступеню. Для три-ступеневої АО точками впливу були анаеробна зона, друга-етапна аноксична зона та третя-етапна аноксична зона.
① Дослідження з фіксованим коефіцієнтом розподілу впливу
Встановлюючи коефіцієнт розподілу впливу на рівні 4:3:3 для обох, симуляції порівнювали три схеми: дво-ступеневу АО (коефіцієнт рециркуляції 200%), три-ступеневу АО із загальним коефіцієнтом рециркуляції 200% (100% рециркуляція в межах першої стадії АО + 100% рециркуляція від третьої кисневої зони до першої безкисневої зони) і три-ступеневу АТ з коефіцієнтом рециркуляції 100% (рецикл тільки на першому етапі АО). Потоки моделювання показані вмалюнок 2.
Таблиця 2показує результати моделювання для фіксованого коефіцієнта впливу при HRT=14 год.
З таблиці 2 видно, що як для двох-стадій, так і для трьох-стадій AO, рекомендовано налаштувати внутрішній рециркуляційний цикл на першому етапі AO, щоб максимізувати денітрифікацію в першій безкисневій зоні за рахунок використання джерела вуглецю в вихідній сировині. Для три-ступеневої AO налаштування внутрішнього рециркуляції від кінця третьої стадії до першої безкисневої зони дещо покращило видалення TN і TP, але ефективність видалення органічних речовин знизилася. Це припущення, пов’язане зі збільшенням загального потоку в біологічному резервуарі через рециркуляцію, яка переносила розчинений кисень у безкисневу зону, впливаючи на безкисневе середовище. Крім того, фактична HRT у кожній зоні скоротилася, а перехід між робочими умовами прискорився, що призвело до зниження ефективності. Для таких характеристик впливу, як у цьому проекті в Південному Китаї, де концентрація TN не надто висока, дво-ступенева АО може повністю задовольнити вимоги до стоків, не демонструючи явних переваг для три-ступеневої АО. Для сценаріїв із високим COD і високим впливом TN три-ступінчастий AO може бути більш придатним.
② Дослідження коригування коефіцієнтів розподілу впливу
Як дво{0}}, так і три-етапний AO було встановлено зі 100% внутрішнім коефіцієнтом переробки на першому етапі AO. Дослідження проводилися на багато{4}}коефіцієнтах розподілу впливу (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Тут 1:0:0 означає, що всі впливові входять на самому початку; 3:7:0 для три-ступеневої АО означає, що вплив розподіляється лише на анаеробну зону та другу стадію АО. Результати моделювання для скоригованих коефіцієнтів розподілу показані вТаблиця 3.
З таблиці 3 видно, що коефіцієнт розподілу має незначний вплив на якість стоків. Загальна тенденція полягає в тому, що зі збільшенням частки потоку, що розподіляється на пізніші етапи, концентрації TN, NH3-N і TP у стічних водах зростають, а потреба в аерації також поступово зростає. Коли співвідношення потоків становило 3:7:0, три-ступенева АО продемонструвала трохи краще видалення TN і трохи нижче співвідношення повітря-до-води, ніж дво-ступенева АО. Однак у реальній експлуатації ця різниця, як правило, незначна. Більше того, збільшення частки надходження на пізніші стадії, хоч і корисне для використання джерела вуглецю в денітрифікації, неминуче збільшує навантаження на біохімічні реакції через надходження NH₃-N, органічної речовини та TP. Тому рекомендується зберегти багато{15}}конфігурацію впливу та вносити поетапні налаштування на основі фактичної якості води під час роботи. Варто зазначити, що, незважаючи на те, що три-ступеневий AO показав кращий рівень видалення TN, ніж дво-ступеневий AO при співвідношенні потоків 2:4:4, у міру збільшення потоку на пізніші етапи стічний NH₃-N демонстрував тенденцію до зростання, після чого NH3-N більше не міг відповідати стандарту для стічних вод.
③ Ефективність лікування двох-та трьох-етапів АО
Три{0}}конфігурацію AO було змодельовано за допомогою HRT=14 h, рівних об’ємних співвідношень для кожного етапу (1:1:1), 100% внутрішньої рециркуляції, встановленої на першій стадії AO, і коефіцієнту впливу 4:3:3 за двох умов: зі 100% рециркуляцією та з закритою рециркуляцією. Дво{11}}конфігурацію AO було змодельовано за допомогою HRT=14 h, 100% внутрішнього рециркуляційного набору та коефіцієнту впливу 4:3:3. Результати показали, що дво-ступінчаста АО досягла оптимального TN стічних вод на рівні 6,29 мг/л; три{19}}ступенева АО зі 100% внутрішньою рециркуляцією на передній частині досягла наступного найкращого результату – 7,51 мг/л; три-ступенева АО без внутрішньої рециркуляції показала гірші показники при 8,52 мг/л. Усі три сценарії можуть відповідати вимогам перевірки стоків (TN менше або дорівнює 10 мг/л).
Таблиця 4показує порівняння проектних параметрів між дво-ступеневим і три-ступеневим AO. Можна побачити, що для обох процесів HRT, необхідна для досягнення вимоги TN для стічних вод, становить менше 18 годин. Основні відмінності між цими двома процесами:
a. Теоретично, три{0}}ступенева AO має вищу верхню межу; тобто за умови належної експлуатації як інвестиційні, так і експлуатаційні витрати можуть бути нижчими. Дво-ступеневий AO має менше елементів обладнання та ступенів, що призводить до менших витрат на обладнання та менших труднощів операційного керування.
b. Для цього конкретного проекту, оскільки враховувався довгостроковий період, а об’єм резервуару було розраховано на 18-годинну HRT, цивільні інвестиції будуть ідентичними незалежно від того, чи буде застосовано дво-ступеневу або три-ступеневу AO. Вартість обладнання для три-ступеневої АО вища. Тому з інвестиційної точки зору використання двоступеневої АТ є більш економічним.
в. Щодо експлуатаційних витрат, три{0}}ступінчастий AO міг би заощадити приблизно 0,002 CNY/м³ завдяки виключенню 100% витрат на енергію переробки змішаного спирту. Враховуючи потенційне зниження ефективності використання джерела вуглецю під час фактичної роботи через чергування безкисневих/кисневих умов у три-ступінчастому AO, фактична різниця в експлуатаційних витратах, ймовірно, буде ще меншою.
2.2.2 Аналіз довгострокового-сценарію призупинення несучої
Через унікальні вимоги цього проекту біологічний резервуар мав враховувати доцільність і зручність довгострокового-плану розширення ємності, тобто вплив додавання підвішених носіїв.
Основою процесу MBBR є збільшення біомаси в реакторі шляхом додавання зважених носіїв. Їх можна додавати до аеробних, безкисневих або анаеробних резервуарів. Однак, враховуючи псевдозрідження носія, додавання їх до анаеробних або безкисневих резервуарів значно збільшить вимоги до потужності змішування. Тому бажано додавати до аеробних баків. Об’єм для анаеробних/безкисневих зон можна доповнити відокремленням від аеробної зони, тоді як дефіцит аеробного об’єму компенсується доданими носіями. Іншими словами, недостатній аеробний об’єм покривається збільшеною площею поверхні підвішених носіїв, яка розраховується на основі перетворення навантаження забруднюючих речовин для визначення необхідної кількості носія, контролюючи певний коефіцієнт заповнення для отримання додаткового об’єму.
Виходячи з розрахунків, якщо прийняти дво-процес AO та додати всі підвішені носії до аеробної зони першого-ступеню в довгостроковій перспективі, необхідна площа поверхні носія MBBR становитиме 2 597 708 м², що коштуватиме 12,99 мільйонів юанів. Витрати на інше пов’язане постійне обладнання (включаючи системи псевдозрідження MBBR, спеціальні змішувачі, системи сортування та інтелектуальні системи керування) становитимуть 6,15 мільйонів юанів. Якщо прийняти три-етапний процес AO, через більшу кількість розсіяних зон, зону MBBR потрібно буде розділити на 2 секції (першу-стадію та другу-аеробні зони). Отже, вартість встановлення відповідного стаціонарного обладнання MBBR (за винятком самих носіїв) дещо зросте до 7,77 мільйонів юанів, тоді як вартість несучої мережі залишиться незмінною. Це означає, що впровадження три{16}}етапної AO збільшить майбутні інвестиції в модернізацію на 1,62 мільйона юанів, а також збільшить складність модернізації. Крім того, система перевірки є найбільш схильною до проблем після додавання оператора. Три-ступеневий AO додає додаткову секцію екранів, що збільшує складність експлуатації.
Виходячи з наведеного вище порівняння, через надмірне розділення в три-ступеневому AO, причому кожен розділ має подібний об’єм, складність його модернізації є вищою, ніж у дво-ступеневому AO. Конструкція, експлуатаційна складність і додавання скринінгового обладнання також призводять до вищих інвестицій, ніж дво-ступенева AO. Таким чином, застосування дво-ступеневої AO є більш сприятливим для майбутнього з’єднання з підвішеними носіями.
2.3 Результат порівняння
Виходячи з наведеного вище аналізу, як дво-, так і три-етапні AO процеси можуть досягти цільового значення TN стічних вод менше або дорівнює 10 мг/л. За граничних умов цього проекту-обмежений простір, потреба максимізувати-об’єм резервуару в найближчій перспективі та довгостроковий-план додати підвішені носії-дво-ступеневий AO має переваги з точки зору короткострокових інвестицій та зручності управління/технічного обслуговування обладнання. Він також пропонує кращу сумісність для майбутньої модернізації з підвісними несучими, що призводить до менших загальних інвестицій і зменшення труднощів модернізації та експлуатації. Тому після всебічного розгляду для цієї конструкції було рекомендовано дво{12}}процес AO.
3 Оперативна продуктивність
Загальна оціночна сума інвестицій у цей проект становить 304,5721 млн. юанів, вартість будівництва – 243,6019 млн. юанів, що означає вартість одиничного будівництва 3480,03 юанів/м³. Вартість обробки становить 1,95 CNY/м³, а експлуатаційна вартість – 1,20 CNY/м³.
Для цього проекту біологічний резервуар має загальну HRT 18 годин (включаючи: анаеробну зону 2 години, першу-безкисневу зону 3,5 години, першу-аеробну зону 7,5 години, дегазаційну зону 0,5 години, другу-безкисневу зону 2,5 години, другу-аеробну зону 2 з) з ефективною глибиною води 8,6 м. Реалізований секційний водозабір, що дозволяє регулювати коефіцієнт розподілу води з кроком 20% за потреби. У фактичній роботі концентрація завислих твердих речовин у змішаному розчині (MLSS) у біологічному резервуарі коливається від 3500 до 4000 мг/л, коефіцієнт повернення осаду коливається від 40% до 100%, а коефіцієнт внутрішнього циклу змішаного розчину коливається від 100% до 200%. Фактична якість притоку та стоку показано вТаблиця 5, що в основному узгоджується з результатами моделювання.
4 Висновок
Використовуючи очисні станції в Південному Китаї як тематичне дослідження, було проведено техніко-економічне порівняння двох-та трьох-ступеневих AO процесів за допомогою симуляції BioWin. Дво-етапний AO з меншою кількістю елементів обладнання та ступенів, нижчою вартістю обладнання та меншими труднощами операційного керування більше підходить для умов у Південному Китаї, де впливовий TN не дуже високий. Для три-ступеневої AO налаштування внутрішньої рециркуляції від кінця третьої стадії до першої безкисневої зони негативно вплинуло на ефективність видалення TN, збільшило труднощі операційного управління та збільшило інвестиційні витрати. Конструкція одночасно відповідає -строковим вимогам до очищення 50 000 м³/день і TN менше або дорівнює 10 мг/л, тоді як довгостроковий масштаб 70 000 м³/день може бути досягнутий за допомогою з’єднання з підвісними носіями. Фактичні робочі результати значною мірою узгоджуються з результатами моделювання BioWin із середнім TN стічних вод 6,86 мг/л, що відповідає проектним вимогам.