Zaawansowane usuwanie azotu w oczyszczalniach ścieków: projektowanie procesu i analiza wydajności czystego biofilmu MBBR|Studium przypadku

Projekt techniczny i wydajność procesu MBBR z czystym biofilmem do zaawansowanego usuwania azotu

Wraz z kompleksowym rozwojem budownictwa cywilizacji ekologicznej w Chinach, standardy odprowadzania ścieków z oczyszczalni ścieków (OŚ) stają się coraz bardziej rygorystyczne. Norma klasy A „Norma zrzutu substancji zanieczyszczających dla komunalnych oczyszczalni ścieków” (GB 18918-2002) wymaga TN mniejszego lub równego 15 mg/l, podczas gdy lokalne normy w regionach takich jak Pekin i Shandong wyraźnie określają limit na TN mniejszy lub równy 10 mg/l. Te podwyższone standardy wykraczają poza same limity jakości wody i nakładają bardziej rygorystyczne wymagania na stabilność ścieków. W związku z tym istnieje pilna potrzeba zwiększenia zdolności usuwania azotu w procesach oczyszczania. Jednym z podejść jest zwiększenie dawki źródła węgla w istniejącym procesie w celu poprawy denitryfikacji, ale prowadzi to do wysokich kosztów operacyjnych i zwiększonej emisji dwutlenku węgla. Alternatywnie dodanie zaawansowanych urządzeń do usuwania azotu, często wykorzystujących metody biofilmu w celu skutecznego wzbogacenia bakterii denitryfikacyjnych, może poprawić usuwanie TN, zmniejszyć zapotrzebowanie na zewnętrzne źródła węgla i obniżyć emisję dwutlenku węgla. Reaktor biofilmowy z ruchomym złożem (MBBR) ze swoimi zaletami polegającymi na silnym wzbogacaniu bakterii funkcjonalnych, niewielkich rozmiarach oraz prostej obsłudze i konserwacji jest szeroko stosowany w budowie, rozbudowie i modernizacji oczyszczalni ścieków. Może stabilnie osiągać standardy zrzutów lepsze niż jakość wód powierzchniowych quasi-klasy IV i posiada znaczny potencjał i zalety w zakresie zaawansowanego usuwania azotu w oczyszczalniach ścieków. W tym artykule OŚ w Shandong traktuje jako studium przypadku w celu analizy uzasadnienia projektu i wydajności operacyjnej zastosowania procesu MBBR z czystą biofilmem do zaawansowanego usuwania azotu, mając na celu zapewnienie odniesienia technicznego dla skutecznej denitryfikacji ścieków.

1. Przegląd projektu

1.1 Wprowadzenie do projektu

Oczyszczalnię ścieków w Shandong zbudowano w dwóch etapach. Pierwsza faza, wykorzystująca proces BIOLAK, została oficjalnie oddana do użytku w listopadzie 2003 roku, a jej wydajność oczyszczania wynosiła 40 000 m3/d. Układ procesu BIOLAK i dostępny obszar do aktualizacji pokazano wRysunek 1. Początkowo jakość ścieków odpowiadała normie klasy B GB 18918-2002. Do 2020 r., dzięki ulepszonemu dawkowaniu źródeł węgla i dodaniu zaawansowanego oczyszczania, jakość ścieków poprawi się do standardu klasy A. Do 2023 r., po trzech latach eksploatacji, ogólna jakość ścieków będzie w stanie ogólnie spełniać normę klasy A, ale staną przed dwoma głównymi wyzwaniami dotyczącymi usuwania azotu:

Dawkowanie źródła wysokiego węgla: Aby osiągnąć docelowy poziom TN mniejszy lub równy 15 mg/l, wymagana była znaczna ilość zewnętrznego źródła węgla. Obliczenia oparte na odcinkach procesu wykazały, że stosunek C/N wynosi aż 5,9, podczas gdy proces AAO w drugiej fazie zakładu wymagał jedynie C/N na poziomie 4,5–5,0, aby zapewnić stabilną zgodność z TN. Dodatek dużego źródła węgla również niekorzystnie wpłynął na proces nitryfikacji tlenowej, zwiększając zapotrzebowanie tlenu w strefie tlenowej.

Słaba stabilność usuwania azotu: Ponieważ nitryfikacja i denitryfikacja zachodziły w tym samym zbiorniku w różnych wymaganych warunkach, parametry operacyjne wymagały częstej regulacji w oparciu o zmiany napływu. Kontrolowanie NH₃-N i TN było sprzeczne, co utrudniało utrzymanie stabilnej równowagi pomiędzy nitryfikacją i denitryfikacją. Odporność systemu na obciążenia udarowe była przeciętna, co prowadziło do słabej stabilności ścieków.

Dlatego konieczne było ulepszenie pierwotnego procesu BIOLAK, którego głównymi celami było rozwiązanie konfliktu między nitryfikacją a denitryfikacją, zmniejszenie kosztów operacyjnych usuwania azotu i poprawa stabilności ścieków.

1.2 Wyzwania ulepszeń

Ponieważ proces BIOLAK nie nadawał się do modyfikacji-w zbiorniku w celu zwiększenia wydajności, plan zakładał wzmocnienie oczyszczania poprzez skonstruowanie nowej, zaawansowanej jednostki do usuwania azotu. Pierwotny proces BIOLAK skupiał się przede wszystkim na nitryfikacji, przy czym denitryfikacja była wtórna, podczas gdy nowy proces miałby skupiać się na denitryfikacji. Biorąc pod uwagę rzeczywiste potrzeby w zakresie renowacji, projekt stanął przed dwoma głównymi wyzwaniami: ograniczoną dostępnością terenu pod nowy proces i wysokimi wymaganiami dotyczącymi wydajności operacyjnej.

Ograniczona dostępna ziemia pod nowy proces: Nowa konstrukcja musiała zostać ukończona na terenie istniejącego zakładu, na którym zasadniczo nie było zarezerwowanego terenu. Budowa możliwa była jedynie na pasie zieleni przylegającym do zbiorników BIOLAK, na dostępnej powierzchni 400 m². Oznaczało to, że ślad nowego projektu na jednostkę uzdatnionej wody musiał być mniejszy lub równy 0,01 m²/(m3·d).

Wymagania dotyczące wysokiej wydajności operacyjnej: Nie była to prosta modernizacja, ale dalsza optymalizacja biochemicznej strefy funkcjonalnej. Oczekiwano, że nowa jednostka wytrzyma obciążenie usuwania azotu na poziomie 20 mg/l. Proces ten nie tylko musiał zostać ukończony na ograniczonym terenie, ale także wymagał zmniejszenia dawki źródła węgla w porównaniu z pierwotną denitryfikacją BIOLAK, zapewniając jednocześnie stabilną wydajność denitryfikacji. Dlatego też postawiono wysokie wymagania zarówno wydajności usuwania azotu, jak i efektywności wykorzystania źródła węgla.

2. Porównanie i wybór procesów

Po oczyszczeniu w procesie BIOLAK ścieki TN składają się głównie z azotu azotanowego. Obecnie dojrzałe, zaawansowane procesy usuwania azotu wykorzystują przede wszystkim metody biofilmu, charakteryzujące się efektywnym wzbogacaniem mikroorganizmów na powierzchniach nośnika w stanie związanym, oferując znacznie wyższą wydajność wzbogacania bakterii funkcjonalnych niż konwencjonalne procesy osadu czynnego. Procesy biofilmu można dalej podzielić na złoże nieruchome- i złoże ruchome- w oparciu o fluidyzację nośnika, jak pokazano naRysunek 2.Filtry denitryfikacyjne, typowe procesy biofilmu-z nieruchomym złożem, wykorzystują nieruchome, ziarniste media filtracyjne jako nośniki wzrostu drobnoustrojów. Dodając zewnętrzne źródło węgla, wykorzystują denitryfikację biofilmu i filtrację mediów, aby osiągnąć jednoczesne usuwanie NO₃^--N, SS i inne zanieczyszczenia. Zalety obejmują stabilną jakość oczyszczonej wody, brak konieczności stosowania odstojników wtórnych i kompaktowy układ, co czyni je szeroko stosowanymi w modernizacji oczyszczalni ścieków jako zaawansowana jednostka oczyszczania wzmacniająca usuwanie TN ze ścieków wtórnych. Jednakże uwaga operacyjna musi być skupiona na wpływie C/N na zaawansowaną wydajność denitryfikacji. W projekcie modernizacji OŚ Pingtang w fazie I, również o wydajności 40 000 m³/d, wykorzystano filtr denitryfikacyjny +-wysokowydajną flotację rozpuszczonym powietrzem (DAF) jako zaawansowany proces oczyszczania w celu podniesienia ścieków TN do quasi-klasy IV dla wód powierzchniowych, uzyskując powierzchnię użytkową około 0,045 m²/(m³·d), oszczędzając grunty i umożliwiając skuteczne oczyszczanie, ale przy C/N jak wysoko do 18,34. Aby spełnić nowe lokalne standardy dotyczące ścieków TN, zakład odzyskiwania wody w Chengdu nr. 9 w procesie modernizacji zastosował osadnik o dużej-gęstości i filtr denitryfikacyjny-z głębokim złożem, przy współczynniku C/N 5,7, co pozwoliło osiągnąć zaawansowane oczyszczanie zgodnie z wysokimi standardami. Oczyszczalnia Dingqiao w Haining nie była w stanie spełnić standardów emisji klasy A wymaganych dla dorzecza rzeki Qiantang. Gao Feiya i in. zastosował denitryfikacyjny filtr-z głębokim złożem do zaawansowanego oczyszczania TN, jednocześnie usuwając SS i TP, dzięki czemu jakość ścieków była bliska standardom quasi--klasy IV, ale przy wysokim C/N wynoszącym 15,68, co prowadziło do wysokich kosztów usuwania azotu. Ponadto procesy filtrowania wymagają regularnego płukania wstecznego, zazwyczaj z wykorzystaniem oczyszczania powietrzem.wodą, co może mieć wpływ na stabilność działania.

niestabilność filtrów denitryfikacyjnych, uwagę zwróciły badania nad zastosowaniem autotroficznej denitryfikacji (SAD) na bazie siarki w filtrach denitryfikacyjnych. SAD wykorzystuje siarkę elementarną lub związki siarki jako donory elektronów w warunkach beztlenowych lub beztlenowych w celu redukcji NO₃^--N do N₂. Oferuje takie zalety, jak dobra wydajność denitryfikacji, brak konieczności stosowania źródła węgla organicznego, niskie koszty operacyjne i niska produkcja osadu. Song Qingyuan i in. zbadali wpływ usuwania azotu przez filtr SAD na ścieki wtórne. Po optymalizacji warunków pilotażowych usuwanie azotanów utrzymywało się na stabilnym poziomie powyżej 95%, ale wskaźnik zużycia mediów osiągnął 20% rocznie, czemu towarzyszyło zwiększone stężenie siarczanów w ściekach i obniżone pH. Aby uniknąć ryzyka wtórnego zanieczyszczenia spowodowanego SAD, Li Tianxin i in. przygotowane pożywki poprzez granulację mieszaniny proszku siarki i wapienia. Dodanie określonej ilości wapienia do złoża filtracyjnego zneutralizowało powstałą kwasowość i wytrącił się osad CaSO₄, obniżając stężenie siarczanów w ściekach i skutecznie rozwiązując problemy związane z produkcją kwasu i wysokim poziomem siarczanów. Jednakże wapień zajmował przestrzeń przeznaczoną dla mediów będących donorami elektronów w systemie, osłabiając zaawansowaną zdolność denitryfikacji, zwiększając twardość ścieków i podnosząc koszty operacyjne. Obecne badania nad technologią SAD prowadzone są głównie na skalę laboratoryjną i pilotażową, a doświadczenie inżynieryjne nie jest wystarczające. Przed promocją na skalę przemysłową-potrzebne są dalsze badania stosowane.

MBBR jest typowym przedstawicielem procesów biofilmu-w złożu fluidalnym i nową technologią oczyszczania ścieków, której w ostatnich latach poświęcono wiele uwagi. Wykorzystuje zawieszone nośniki o gęstości zbliżonej do wody, aby specyficznie wzbogacić mikroorganizmy, tworząc biofilm w celu osiągnięcia zaawansowanego usuwania azotu. Procesy biofilmu-w złożu fluidalnym pozwalają również uniknąć problemów związanych z zatykaniem mediów i płukaniem wstecznym. Obecnie czysty biofilm MBBR do zaawansowanej denitryfikacji oczyszczalni ścieków ma ponad 20 lat udanego doświadczenia operacyjnego za granicą i znajduje coraz szersze zastosowanie w Chinach. Zheng Zhijia i in. zastosował dwuetapowy-proces MBBR z czystym biofilmem do zaawansowanej denitryfikacji. W przypadku C/N=4.0 azot azotanowy wypływający z systemu ustabilizował się na poziomie (1,87 ± 1,07) mg/l, przy średnim współczynniku usuwania TN wynoszącym 93,3%. Oczyszczalnia należąca do strefy rozwoju w pewnym mieście zbudowała nowy biozbiornik-MBBR jako trzeciorzędny zaawansowany proces oczyszczania w celu wzmocnionej denitryfikacji. Obciążenie usuwania TN w beztlenowej sekcji czystego biofilmu MBBR wyniosło 1,1 g/(m²·d), poprawiając niezawodność systemu denitryfikacji. Gao Yanbo i wsp., chcąc zwiększyć wydajność pierwotnej instalacji, skonstruowali nowy, dwu-etapowy biofilm MBBR AO z czystym biofilmem MBBR, uzyskując stabilny TN ścieków poniżej 5 mg/l przy wysokiej wydajności denitryfikacji. Zatem proces MBBR z czystym biofilmem wykazuje ogromny potencjał zaawansowanego usuwania azotu w oczyszczalniach ścieków, łącząc zalety, takie jak wysoka wydajność wykorzystania źródła węgla, duże obciążenie oczyszczaniem i małe rozmiary. Jednak stawia również wyższe wymagania sprzętowe, wymagające niezawodnego sprzętu do wspierania stabilnego przebiegu procesu. Porównanie typowych zaawansowanych procesów usuwania azotu pokazano wTabela 1.

Z kompleksowego porównania wynika, że ​​chociaż proces SAD nie wymaga dodawania źródła węgla, jego obecne zastosowanie nie jest jeszcze dojrzałe i wiąże się z ryzykiem wtórnego zanieczyszczenia, dlatego nie brano go pod uwagę przy tej modernizacji. Chociaż filtry denitryfikacyjne są szeroko stosowane, są one najczęściej stosowane w modernizacjach oczyszczalni ścieków, gdzie projektowe TN na dopływie/wypływie często wynosi 15/12 mg/l, co pozwala na obsługę stosunkowo małego ładunku usuwania TN. Ponieważ projekt ten wymagał spełnienia-długoterminowych, wysokich wymagań w zakresie usuwania TN, eksploatacja znacznie skróciłaby cykl płukania wstecznego filtra, zwiększając trudność operacyjną i niestabilność. Proces MBBR z czystym biofilmem łączy w sobie zalety, takie jak wysoka wydajność wykorzystania węgla, brak konieczności płukania wstecznego, dojrzałe zastosowanie i brak wtórnych zanieczyszczeń. Biorąc pod uwagę wyzwania związane z procesem i wymagania renowacji, w ramach projektu ostatecznie wybrano budowę nowego bio-zbiornika MBBR z czystą biofilmem (zwanego dalej zbiornikiem MBBR) jako zaawansowanego rozwiązania w zakresie usuwania azotu w pierwszej fazie, zaprojektowanego z C/N=4.5, a planowany okres zwrotu inwestycji wynosi 7,37 lat.

3. Nowy plan budowy

3.1 Przebieg procesu

Przebieg procesu oczyszczania ścieków po renowacji przedstawiono wRysunek 3. Dopływ rośliny przechodzi przez drobne sita, wirowe komory piaskowe i osadniki pierwotne, zanim trafi do bio-zbiornika BIOLAK w celu usunięcia materii organicznej, azotu amonowego itp. Następnie jest przenoszony za pomocą pomp do zbiornika MBBR w celu zaawansowanego usuwania TN. Zbiornik MBBR jest zaprojektowany na dopływający TN wynoszący 35 mg/l i wypływający TN mniejszy lub równy 15 mg/l. Ścieki MBBR są przenoszone za pomocą pomp wtórnych do istniejącego zaawansowanego systemu oczyszczania zakładu w celu oddzielania-cieczy stałych i marnowania osadu. Końcowe ścieki są dezynfekowane przed zrzutem do rzeki odbiorczej. Osad nadmierny jest zagęszczany, odwadniany i transportowany- poza teren zakładu w celu usunięcia.

3.2 Nowy zbiornik MBBR

Zbiornik MBBR wykorzystuje proces AO, zbudowany przy użyciu zbiorników Lipp do montażu modułowego, zakończonego w 30 dni. Całkowity czas retencji hydraulicznej układu (HRT) wynosi 1,43 godziny. Do zbiorników dodaje się specjalistyczne tlenowe i beztlenowe nośniki zawieszone typu SPR-III, przy współczynniku wypełnienia 60% w strefie tlenowej i 55% w strefie beztlenowej. Nośniki mają kształt spłaszczony, cylindryczny, mają średnicę 25 mm i wysokość 10 mm, a efektywna powierzchnia właściwa jest większa lub równa 800 m²/m3. Strefa beztlenowa jest wyposażona w 4 MBBR-dedykowane-miksery o zmiennej częstotliwości (typ mocy chemicznej SPR), każdy o N=5.5 kW, zapewniające równomierną i wystarczającą fluidyzację nośników. Po dojrzewaniu biofilmu 2 mieszalniki są rutynowo uruchamiane, a pozostałe 2 w trybie gotowości na gorąco. W strefie aerobowej do napowietrzania wykorzystuje się dmuchawy śrubowe. Pojedyncza dmuchawa ma wydajność powietrza 14,50 m³/min, ciśnienie 90 kPa, N=22 kW. Zainstalowany jest jeden zestaw dyfuzorów z rur perforowanych przeznaczonych do strefy aerobowej (typu SPR). Ze względu na małą wymaganą objętość napowietrzania można zwykle wykorzystać istniejące dmuchawy fazy I, przy czym nowa dmuchawa i dmuchawy fazy I służą jako wzajemne rezerwy. Zarówno w strefie tlenowej, jak i beztlenowej zainstalowano nowe ekrany przechwytujące materiał (typu SPR) o grubości 12 mm i projektowanym okresie użytkowania 30 lat.

3.3 Nowe obiekty pomocnicze

• System wpływowy: Ścieki ze zbiornika bio-BIOLAK są podnoszone do zbiornika MBBR. 4. Instalowane są pompy wlotowe (2 pracujące, 2 rezerwowe), każda o wydajności Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• System dozowania źródła węgla: Ścieki z biozbiornika BIOLAK-fazy I zawierają wyłącznie ChZT, który jest trudny do wykorzystania. Aby zapewnić zaawansowaną denitryfikację w strefie beztlenowej zbiornika MBBR, jako zewnętrzne źródło węgla stosowany jest octan sodu.. 4 Zainstalowano pompy dozujące (2 pracujące, 2 rezerwowe), każda o wydajności Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.