Zastosowanie zmodyfikowanego procesu AAO w oczyszczaniu ścieków bytowych w kopalniach węgla kamiennego
Ścieki bytowe w kopalniach węgla pochodzą przede wszystkim ze stołówek pracowniczych, akademików, urzędów, pralni i łazienek, przy czym drenaż z kąpielisk stanowi ponad 55% ich całkowitej objętości. Zrzut wody z kąpieliska jest stosunkowo skoncentrowany, co prowadzi do znacznych wahań przepływu. Charakteryzujące się mniejszą zawartością substancji organicznych i większą zawartością zawiesiny (SS), drenaż kąpielowy znacznie różni się od typowych ścieków bytowych. Naprzemienny sposób odprowadzania ścieków z innymi strumieniami ścieków przyczynia się do znacznej zmienności jakości wody.
Większość kopalń węgla w Chinach zlokalizowana jest w odległych obszarach, gdzie koszty transportu osadów są wysokie. Dlatego należy wybierać procesy oczyszczania charakteryzujące się niższą wydajnością osadu. W miarę rozwoju kopalń i wzrostu liczby pracowników przepływ ścieków często przekracza pierwotną zdolność projektową, co wymaga procesów o dużej zdolności adaptacji do zmian w jakości i ilości wody w ramach tego samego obszaru. W ramach coraz bardziej rygorystycznych polityk środowiskowych wymagających pełnego ponownego wykorzystania oczyszczonych ścieków przy zerowym uwalnianiu, procesy muszą zapewniać wysoką i stabilną jakość ścieków.
Obecnie preferowanym wyborem w oczyszczaniu ścieków komunalnych jest proces AAO (beztlenowy-beztlenowy-tlenowy). W artykule analizowano skuteczność zastosowania zmodyfikowanego procesu AAO (AAO + proces z zawieszonym nośnikiem) do ścieków bytowych z kopalni węgla kamiennego w oparciu o jego unikalne cechy.
1. Zmodyfikowany proces AAO
Proces AAO to najprostsza konfiguracja przepływu do jednoczesnego usuwania azotu i fosforu. Bakterie nitkowate nie mogą się intensywnie rozmnażać w naprzemiennych warunkach beztlenowych, beztlenowych i tlenowych, co zapobiega pęcznieniu osadu. Nie wymaga dodawania środków chemicznych, jedynie łagodne mieszanie w zbiornikach beztlenowych i beztlenowych, co skutkuje niskimi kosztami eksploatacji. Osad charakteryzuje się wysoką zawartością fosforu, co nadaje mu dobrą wartość nawozową.
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%, ten wewnętrzny recykling zużywa znaczną ilość energii. Ścieki wprowadzane do osadnika wtórnego muszą utrzymywać określony poziom rozpuszczonego tlenu (DO), aby zapobiec warunkom beztlenowym i uwalnianiu fosforu, ale nie za wysoki, aby uniknąć zakłócania denitryfikacji w zbiorniku beztlenowym za pośrednictwem odzyskanej mieszanej cieczy.
Zmodyfikowany proces AAO (AAO + proces zawieszonego nośnika) skutecznie łagodzi te wady. Zwiększa masę drobnoustrojów w zbiornikach biologicznych, zwiększa obciążenie objętościowe, zapewnia całkowite oddzielenie hydraulicznego czasu retencji (HRT) i czasu retencji osadu (SRT), wzmacnia odporność na obciążenia hydrauliczne i organiczne, zapewnia dobrą jakość ścieków nawet przy źródłach niskoemisyjnych, wytwarza mniej i bardziej stabilny osad (redukując wymagania dotyczące wydajności osadu na dalszym etapie). Ścieki mogą spełniać normy jakości wody określone w „The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water” (GB/T 18920-2020) i „Code for Design of Coal Przygotowanie Engineering” (GB 50359-2016) w zakresie płukania węgla. Hou Feng i in. zastosował proces AAO + nośnik w postaci zawiesiny w podziemnej oczyszczalni ścieków, osiągając standardy stopnia 1A zgodnie z „Normami odprowadzania zanieczyszczeń dla komunalnych oczyszczalni ścieków” (GB 18918-2002), z kluczowymi wskaźnikami (ChZT, BZT5, NH3-N, TP) osiągając standardy klasy IV zgodnie z „Normami jakości środowiska dla wód powierzchniowych” (GB 3838-2002). Hao Ruigang i in. zastosował metodę „Utlenianie biokontaktowe A/O + flokulacja wirowa z perforacją + sedymentacja w pochylonej rurze + aktywna filtracja piaskowa” przy rozbudowie przydomowej oczyszczalni ścieków w kopalni węgla, uzyskując jakość ścieków lepszą niż klasa 1A. Yan Ziyu i in. osiągnęła również dobre wyniki, stosując procesy biofilmu w celu modernizacji istniejących oczyszczalni ścieków bytowych w kopalniach węgla. Zmodyfikowany proces AAO pozwala na zwiększenie wydajności i poprawę jakości ścieków w istniejących instalacjach przy minimalnych modyfikacjach.
Proces ten polega na dodaniu zawieszonych nośników do zbiorników beztlenowych i tlenowych, łącząc zalety procesów osadu czynnego i biofilmu. Charakteryzuje się wysokim obciążeniem objętościowym, dużą biomasą, wysoką wydajnością oczyszczania, dużą zdolnością adaptacji do 水质和水量的变化, zwiększoną stabilnością procesu i dobrym usuwaniem składników odżywczych. Tworzy wysoce wyspecjalizowane aktywne biofilmy, zwiększając wydajność w przeliczeniu na objętość reaktora i stabilność, umożliwiając stosowanie mniejszych reaktorów. Łuszczący się osad biofilmowy zawiera więcej pierwotniaków/metazoa, ma większą gęstość i większy rozmiar cząstek, co zapewnia dobrą osiadalność i łatwą separację stałej-cieczy. Umożliwia całkowitą separację SRT-HRT, eliminuje pęcznienie osadu i nadaje się do ścieków bogatych w rozpuszczalne substancje organiczne.
2.1 Studium przypadku
Kopalnia węgla w mieście Yan'an, około 16 km od miasta Zichang, posiada przydomową oczyszczalnię ścieków o projektowej wydajności 1200 m3/d. Proces ten obejmuje: „Sita + zbiornik wyrównawczy + AAO z zawieszonymi nośnikami + zaawansowana obróbka (koagulacja-sedymentacja-filtracja) + dezynfekcja”. Osad poddaje się obróbce metodą „zagęszczania grawitacyjnego + odwadniania za pomocą prasy śrubowej”. Ścieki spełniają bardziej rygorystyczne limity *GB/T 18920-2020* i GB 50359-2016 dotyczące wody do płukania węgla. Oczyszczona woda jest ponownie wykorzystywana w Zieleni Kopalnej oraz jako woda uzupełniająca w zakładzie przeróbki węgla. Projektowana jest jakość dopływu/odpływuTabela 1. Przebieg procesu jest pokazany wRysunek 1.
Ścieki przepływają przez sito (szczelina 5 mm, kąt montażu 75 stopni) do zbiornika wyrównawczego (dł. × szer. × wys.=14.0 m × 6,0 m × 6,0 m, głębokość efektywna 2,95 m, objętość 247,8 m³, HRT 4,13 h), spełniając wymagania normy GB 50810-2012. Dwa mieszadła zapobiegają osadzaniu się. Trzy pompy głębinowe (2 obciążenia +1 tryb gotowości, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) tłoczą wodę do zbiorników biologicznych.
System biologiczny składa się z dwóch równoległych ciągów. Na pociąg:
- Zbiornik beztlenowy: dł.×szer.×wys.=2.0 m×5,0 m×5,0 m, głębokość efektywna 4,5 m, HRT 1,5 godz.
- Zbiornik beztlenowy: dł. × szer. × wys.=4.0 m × 5,0 m × 5,0 m, głębokość efektywna 4,25 m, HRT 2,83 godz.
- Zbiornik aerobowy: dł. × szer. × wys.=15.0 m × 5,0 m × 5,0 m, głębokość efektywna 4,0 m, HRT 10,0 godz. Całkowity czas HRT w systemie wynosi 15,75 godz. W zbiorniku aerobowym montowane są nośniki podwieszane (wypełnienie 80%, powierzchnia właściwa 600 m²/m³). Projektowy stosunek powietrza-do-wody wynosi 13,7:1. Stosowane są trzy dmuchawy Rootsa (2 obciążenia +1 tryb gotowości, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). Współczynnik recyklingu osadu wynosi 100%, współczynnik recyklingu mieszanego ługu wynosi 200%.
Dwa prostokątne peryferyjne-wlotowe/wylotowe osadniki wtórne (dł. × szer. × wys.=5.0 m × 5,0 m × 3,5 m każdy) mają współczynnik obciążenia powierzchniowego 1,2 m³/(m²·h) i HRT wynoszący 2,5 godz.
Zintegrowany oczyszczacz wody (łączący koagulację, sedymentację i filtrację) zapewnia zaawansowane oczyszczanie w celu dalszego usuwania SS i fosforu.
Oczyszczanie osadu obejmuje zagęszczanie grawitacyjne (zbiornik ze stali węglowej Φ2,5 m×5,0 m), a następnie odwadnianie za pomocą prasy śrubowej. Przed odwodnieniem dozuje się poliakryloamid (PAM) w ilości 3,0–5,0 kg/t suchej masy. Dzienny placek odwodnionego osadu wynosi co najmniej 150 kg, a wilgotność jest mniejsza lub równa 80% i jest transportowany poza miejsce-.
Do dezynfekcji wykorzystuje się-zakładowy generator ClO2 (efektywna dawka chloru 120 g/h) dozowany na wlocie przezroczystej studni. Czysty odwiert ma efektywną objętość 250 m3, co zapewnia czas kontaktu 4,2 godziny.
Instalacja jest wyposażona w rozbudowany monitoring online (przepływomierze, chlor resztkowy, pH, DO, ChZT, zmętnienie, poziom/stężenie osadu) oraz zautomatyzowane systemy sterowania pompami, dmuchawami, płukaniem wstecznym, dozowaniem chemikaliów i mieszaniem, zapewniając inteligentną, bezobsługową pracę.
2.2 Analiza wydajności
Elektrownia zakończyła uruchomienie w 2021 roku i działa już ponad dwa lata. Rzeczywista jakość dopływu/odpływu w 2024 r. jest pokazana wTabela 2.
Stosunek BZT5/N na dopływie wynosi 5,5, co wskazuje na niski stosunek węgla- do-azotu (C/N) w ściekach, który zmniejsza się jeszcze bardziej latem z powodu infiltracji opadów i zmian nawyków. Ekstremalne zimowe temperatury w Yan'an mogą sięgać -21 stopni. Rzeczywista jakość ścieków jest lepsza niż projektowana, a współczynniki usuwania wynoszą: ChZT 97,8%, BZT5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, spełniając normy dla węglowodorów i płukania węgla.
Masa aktywnego biofilmu w zbiornikach beztlenowych/aerobowych wynosi aż 125 g/m² nośnika, co odpowiada MLSS wynoszącemu 13 g/l-czterokrotnie większej niż w przypadku konwencjonalnego osadu czynnego. Mikroorganizmy znajdują się w fazie endogennego oddychania, w wyniku czego dzienna produkcja osadu wynosi około 1/3 metod konwencjonalnych, przy lepszej osadzalności, co pozwala na zastosowanie mniejszego sprzętu do oczyszczania osadu.
Chociaż bio-utlenianie kontaktowe może działać bez zawracania osadu, badania Xiong Ren i in. pokazuje, że systemy z recyklingiem osiągają wyższe współczynniki usuwania ChZT, TN, NH3-N, SS i zmniejszają wydajność osadu o 29,6%. Konstrukcja ta uwzględnia recykling mieszanego alkoholu, a elastyczność operacyjna opiera się na jakości ścieków.
Zakład (1200 m³/d) zajmuje powierzchnię 1350,3 m², a jego inwestycje kapitałowe wynoszą 20 milionów CNY, a koszty operacyjne wynoszą 1,05 CNY/m³.
W porównaniu z konwencjonalnym AAO, który wymaga wydłużonego czasu SRT do skutecznego działania w-temperaturach, ten zmodyfikowany proces pozwala zachować prostotę jednoczesnego usuwania składników odżywczych, jednocześnie wzbogacając społeczność biologiczną w nośniki. Separacja SRT-HRT zwiększa bio-stabilność, zapewniając niezawodną pracę w warunkach niskiego C/N i niskiej-temperatury. Stabilne ścieki można utrzymać przy niewielkim lub żadnym zawracaniu osadu, co pozwala-redukować osad na miejscu i obniżać koszty obsługi osadu. Jego prostota i brak objętości sprawiają, że doskonale nadaje się do oczyszczania ścieków bytowych w kopalniach węgla.
3. Badania optymalizacyjne dla procesu AAO
Zmodyfikowane procesy AAO są zazwyczaj projektowane według parametrów określonych w „Standardach projektowania inżynierii ścieków zewnętrznych” (GB 50014-2021). Jednakże optymalizacja parametrów operacyjnych (HRT, SRT, napowietrzanie, współczynniki recyklingu, MLSS) specyficznych dla ścieków kopalnianych jest konieczna w celu określenia optymalnych warunków przyszłego projektowania i eksploatacji.
W konwencjonalnym AAO osad jest zawracany ze zbiornika tlenowego do zbiornika beztlenowego, w którym znajdują się azotany i wysoki poziom DO, co może utrudniać biologiczne usuwanie fosforu. Można rozważyć proces Uniwersytetu w Kapsztadzie (UCT), w którym osad jest zawracany do zbiornika beztlenowego, ciecz nitryfikowana do zbiornika beztlenowego i dodaje się dodatkowy recykling ze zbiornika beztlenowego do zbiornika beztlenowego w celu zwiększenia usuwania bio-P.
Oczyszczanie osadów może stanowić 50–60% kosztów operacyjnych oczyszczalni. Należy zastosować-technologie redukcji osadu na miejscu. Wysoki poziom MLSS w zmodyfikowanych biozbiornikach-AAO prowadzi do wysokiego stosunku F/M, w którym może zachodzić metabolizm oddzielający, sprzyjający redukcji osadu i obniżający koszty obsługi osadu. W przyszłości należy skupić się na zastosowaniu-technologii redukcji in situ, takich jak tajemniczy wzrost poprzez mikro-lizę, proces{{9}oksydacyjny-beztlenowy (OSA) i oddzielający metabolizm w oczyszczaniu ścieków w kopalniach węgla.
Proces ten nadaje się do modernizacji istniejących instalacji AAO w kopalniach węgla. Dodawanie nośników do zbiorników beztlenowych/tlenowych może poprawić jakość ścieków, zwiększyć wydajność i poprawić stabilność systemu. W przypadku zakładów o bardziej rygorystycznych wymaganiach dotyczących ścieków zastąpienie dodatkowego osadnika systemem MBR może jeszcze bardziej poprawić jakość wody.
4. Wniosek
- Zmodyfikowany proces AAO nadaje się do modernizacji istniejących systemów AAO w kopalniach węgla w celu zwiększenia stabilności, zwiększenia wydajności lub spełnienia bardziej rygorystycznych norm.
- Podczas oczyszczania ścieków bytowych z kopalni węgla ścieki mogą jednocześnie spełniać normy *GB/T 18920-2002* dotyczące nawadniania dróg/zieleni oraz normy GB 50359-2016 dotyczące wody do płukania węgla, wykazując silną zdolność adaptacji do zmian w jakości i ilości wody.
- W procesie powstaje stabilny osad o dobrej sedymentacji i łatwej separacji, wytwarza się mniej osadu i zmniejsza się koszty oczyszczania osadu.