Studium przypadku procesu MBBR+ACCA modernizacji i przebudowy oczyszczalni ścieków komunalnych
Na tle dynamicznie rozwijającej się gospodarki Chin tempo industrializacji i urbanizacji znacznie przyspieszyło. Procesowi temu nieuchronnie towarzyszy z roku--wzrost zrzutu ścieków przemysłowych i bytowych, zaostrzający problem zanieczyszczenia wody i wpływający na zrównoważoną ekologiczną cywilizację w Chinach. Dzięki kompleksowemu wdrożeniu Planu działań dotyczącego zapobiegania i kontroli zanieczyszczenia wody na oczyszczalnie ścieków komunalnych w całym kraju nałożono bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące odprowadzania ścieków. Lokalne standardy w niektórych miastach osiągnęły jakość wody quasi-klasy IV, a w przypadku ścieków odprowadzanych do wrażliwych zbiorników wodnych niektóre indywidualne wskaźniki stopniowo zbliżają się do normy klasy III dla wód powierzchniowych. Jednakże zanieczyszczenia resztkowe w ściekach miejskich po oczyszczaniu biologicznym to przede wszystkim nie-biodegradowalne związki organiczne o słabej biodegradowalności. Opieranie się wyłącznie na tradycyjnych technologiach ulepszania biologicznego stało się niewystarczające, aby spełnić coraz bardziej rygorystyczne normy emisji.
Koks aktywowany posiada wysoko rozwinięty układ mezoporowaty, zdolny do adsorbowania zanieczyszczeń wielkocząsteczkowych w wodzie. Dzięki wysokiej wytrzymałości mechanicznej, stabilności, dobrej wydajności adsorpcji i stosunkowo ekonomicznym kosztom jest szeroko stosowany w oczyszczaniu ścieków przemysłowych, które są trudne do biodegradacji. W ostatnich latach technologia filtracji wykorzystująca jako medium aktywowany koks znalazła również zastosowanie w zaawansowanym oczyszczaniu ścieków komunalnych, osiągając dobre wyniki w ostatecznym usuwaniu zanieczyszczeń. Łącząc przykład inżynieryjny z projektu modernizacji oczyszczalni ścieków w prowincji Henan, autor przyjął proces MBBR+ACCA (aktywowana adsorpcja krążącego koksu) w celu usprawnienia oczyszczania ścieków komunalnych. Wskaźniki ChZT, NH₃-N i TP na ściekach spełniały normę GB 3838-2002 dla wody klasy III, stanowiąc punkt odniesienia dla projektów modernizacji w innych oczyszczalniach ścieków.
1. Podstawowa sytuacja oczyszczalni ścieków
Całkowita projektowana przepustowość tej oczyszczalni ścieków wynosi 50 000 m3/d, w tym projektowana przepustowość fazy I wynosi 18 000 m3/d, a projektowana wydajność fazy II wynosi 32 000 m3/d. Oczyszcza przede wszystkim ścieki komunalne bytowe oraz niewielką ilość ścieków przemysłowych. Modernizację zakończono w 2012 r., a ścieki spełniały normę stopnia 1A normy usuwania zanieczyszczeń dla komunalnych oczyszczalni ścieków GB 18918-2002. Główny proces to wieloetapowy-AO + filtr denitryfikacyjny + osadnik o dużej gęstości. Przebieg procesu jest pokazany wRysunek 1.
Obecnie oczyszczalnia ścieków pracuje na niemal pełnej wydajności. W oparciu o aktualne dane operacyjne, przy dobrej konserwacji instalacji, jakość ścieków może być stabilnie utrzymana na poziomie normy GB 18918-2002 Grade 1A. Stężenia ChZT, BZT₅, NH₃-N, TN i TP w ściekach wahają się odpowiednio w zakresie 21,77–42,34 mg/L, 1,82–4,15 mg/L, 0,13–1,67 mg/L, 8,86–15,74 mg/L i 0,19–0,42 mg/L.
Przed modernizacją w zakładzie występowały następujące problemy: 1) Starzenie się i uszkodzone sita w sekcji obróbki wstępnej powodowały przedostawanie się zanieczyszczeń do zbiorników biologicznych, łatwo zatykając pompy i wpływając na późniejsze oczyszczanie; 2) Niestabilne usuwanie TN podczas niskich temperatur zimowych i znacznych wahań jakości i ilości wody; 3) Niewystarczająca objętość zbiorników biologicznych fazy I i nieuzasadniony podział strefy beztlenowej, prowadzący do słabej wydajności usuwania TN i wysokich dawek środków chemicznych przy późniejszym dodawaniu źródła węgla; 4) W oryginalnym systemie napowietrzania wykorzystano przestarzałe, tradycyjne dmuchawy odśrodkowe o dużym zużyciu energii; 5) Poważne zatykanie mediów filtracyjnych w filtrach denitryfikacyjnych, niepełne płukanie wsteczne i trudności w stabilnej pracy; 6) Częste awarie urządzeń mieszających w osadnikach-o dużej gęstości; 7) Częste awarie dwóch istniejących pras filtracyjnych taśmowych do odwadniania osadów, duża wilgotność osadów odwodnionych, duża objętość osadów i wysokie koszty utylizacji osadów; 8) Brak urządzeń do kontroli odorów z systemów podczyszczania i oczyszczania osadów; 9) Przestarzały centralny system sterowania z ograniczoną pojemnością przechowywania danych i utratą większości funkcji zdalnego sterowania.
2. Projektowanie jakości wody
Biorąc pod uwagę dane eksploatacyjne dotyczące jakości wody z elektrowni z lat, przy 90% poziomie ufności i z pewnym marginesem, określono projektowaną jakość wody dopływającej. W oparciu o wymagania środowiskowe odbiornika wodnego, ulepszone ścieki ChZT, BZT₅, NH₃-N i TP muszą spełniać normę wody klasy III GB 3838-2002, podczas gdy TN i SS będą przestrzegać pierwotnej normy. Projektowe właściwości dopływu i odpływu przedstawiono wTabela 1.
3. Udoskonalanie koncepcji i przebiegu procesu
3.1 Koncepcja modernizacji
Zgodnie z projektowaną jakością ścieków, to ulepszenie stawia wyższe wymagania dotyczące ChZT, BZT₅, NH₃-N i TP. Biorąc pod uwagę bieżący proces zakładu, charakterystykę jakości wody i istniejące problemy, nacisk położony jest na ulepszone usuwanie ChZT, NH₃-N i TP przy jednoczesnym zapewnieniu stabilnego usuwania TN. Ponadto ograniczona dostępna przestrzeń w istniejącym zakładzie powoduje konieczność pełnego wykorzystania potencjału istniejących obiektów poprzez wymianę sprzętu, intensyfikację procesów i renowację, mającą na celu skuteczne usuwanie ChZT, NH₃-N, TN i TP. Dlatego też wykorzystanie oryginalnych wielostopniowych-zbiorników AO i dodanie zawieszonych nośników w celu utworzenia hybrydowego biofilmu-procesu MBBR z osadem czynnym może skutecznie poprawić stabilność oczyszczania i odporność na obciążenia udarowe. Długi wiek osadu biofilmu na nośnikach sprzyja wzrostowi nitryfikatorów i utrzymaniu wysokich stężeń nitryfikatorów, znacznie zwiększając zdolność systemu do nitryfikacji. Gęsty biofilm wewnątrz nośników charakteryzuje się długim wiekiem osadu, w którym znajdują się znaczne populacje bakterii nitryfikacyjnych i denitryfikacyjnych, co umożliwia jednoczesną-nitryfikacyjną denitryfikację (SND), a tym samym wzmacnia usuwanie TN. Dlatego proces MBBR-dobrze nadaje się do modernizacji tego zakładu.
Bazując na doświadczeniach z podobnych projektów modernizacji, aby zapewnić stabilną zgodność z ChZT i TP, w dalszym ciągu wymagane są dodatkowe zakłady oczyszczania zabezpieczającego, oprócz istniejącego procesu w połączeniu z MBBR. Koks aktywowany, jako materiał porowaty, wykazuje większą skuteczność adsorpcji w porównaniu z węglem aktywnym, skutecznie usuwając ChZT, SS, TP, barwniki itp. Ponadto biologicznie aktywowany koks może wykorzystywać przyłączone mikroorganizmy do rozkładu materii organicznej, umożliwiając regenerację miejsc adsorpcji podczas adsorbowania zanieczyszczeń. Ten mechanizm równowagi dynamicznej pozwala na trwałą i stabilną pracę systemu. W procesie krążącej adsorpcji aktywowanego koksu (ACCA) wykorzystuje się aktywowany koks jako medium, integrując filtrację i adsorpcję. Wykorzystuje sprężone powietrze do podnoszenia i czyszczenia materiału filtrującego. Dzięki odwróceniu-stref przepływu i jednolitej konstrukcji przepływu zapewnia pełny kontakt między aktywowanym koksem a ściekami, osiągając najwyższą poprawę jakości wody i gwarantując stabilną zgodność ścieków.
Ze względu na starzenie się i wadliwy sprzęt elektrowni, zostaną one zastąpione zaawansowanym technologicznie,-energooszczędnym sprzętem, aby obniżyć koszty operacyjne. W szczególności sita obróbki wstępnej zostaną zastąpione wewnętrznie zasilanymi drobnymi sitami, które przechwytują włosy i włókna, zapobiegając zatykaniu się sit zatrzymujących nośnik MBBR.
3.2 Przebieg procesu
Ulepszony przebieg procesu pokazano wRysunek 2. Aby sprostać wymaganiom głowicy, dodano nową pompownię podnoszącą. Nowo skonstruowany filtr typu V- służy jako jednostka obróbki wstępnej dla późniejszej adsorpcji aktywowanego koksu, zapewniając stabilność systemu ACCA. Surowa woda przechodzi przez sita i komory piaskowe w celu usunięcia substancji pływających, włosów i cząstek stałych przed wejściem do hybrydowych zbiorników biologicznych MBBR w celu lepszego usuwania azotu. Następnie zmieszany płyn trafia do osadników wtórnych w celu oddzielenia substancji stałych. Supernatant jest przenoszony przez nową pompownię do filtrów denitryfikacyjnych i osadników o-dużej gęstości. Ścieki są następnie przenoszone przez nową pompownię do filtra typu V-i dwóch-stopniowo zbiorników adsorpcyjnych z aktywowanym koksem w celu zaawansowanego oczyszczania, w celu dalszego usunięcia ChZT, TP, SS, barwnika itp. Końcowy ściek jest dezynfekowany przed zrzutem.
4. Parametry projektowe głównych jednostek oczyszczania
4.1 Zbiorniki biologiczne
Istniejące zbiorniki biologiczne fazy I są podzielone na dwie grupy o stosunkowo małej objętości, ale solidnej konstrukcji. Dlatego w ramach tej modernizacji, spełniając wymagania głowicy, ściany zbiornika zostały podniesione o 0,5 m. Po renowacji całkowita objętość efektywna wynosi 10 800 m3, przy całkowitym HRT wynoszącym 14,4 h i strefie beztlenowej HRT wynoszącej 6,4 h, co zwiększa czas retencji w stanie beztlenowym w celu poprawy usuwania TN. Istniejące zbiorniki biologiczne fazy II mają efektywną objętość 19 600 m3, całkowity HRT 14,7 h i strefę beztlenową HRT 6,8 h. Projekt ten obejmował wymianę systemów napowietrzania i niektórych starzejących się mieszadeł podwodnych w zbiornikach biologicznych fazy I i II oraz dodanie nośników podwieszanych i ekranów retencyjnych. Nośniki są wykonane z poliuretanu lub innych-wysokiej jakości materiałów kompozytowych o specyfikacji sześciennej 24 mm, powierzchni właściwej 4000 m²/m3 i stopniu wypełnienia 20%. AOR systemu oczyszczania biologicznego wynosi 853,92 kg O₂/h, przy przepływie powietrza 310,36 Nm3/min.
4.2 Stacja pomp podnoszących i zbiornik ścieków
Zbudowano nową pompownię dźwigową do pompowania ścieków ze zbiorników sedymentacyjnych-o dużej gęstości do filtra typu V-w celu dalszego oczyszczania. Zbiornik na ścieki gromadzi ścieki z płukania wstecznego z filtrów. Małe pompy służą do równomiernego pompowania ścieków z popłuczyn do zbiorników biologicznych fazy II, aby uniknąć obciążenia udarowego. Zainstalowano trzy dodatkowe pompy podnoszące (2 obciążenia + 1 tryb gotowości, Q=1, 300 m³/h, H=12 m, N=75 kW) ze sterowaniem przetwornicą częstotliwości (VFD). Zbiornik ścieków z płukania wstecznego jest wyposażony w 2 pompy transferowe (1 praca + 1 rezerwowa, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) i jedno mieszadło zanurzeniowe (N=2.2 kW), aby zapobiec sedymentacji.
Filtr typu 4,3 V-
Skonstruowano nowy filtr typu V- o wymiarach konstrukcyjnych 36,9 m (dł.) × 29,7 m (szer.) × 8,0 m (wys.). Wykorzystuje jednorodne media filtracyjne z piasku kwarcowego. Filtr podzielony jest na 6 komórek ułożonych w dwóch rzędach. Rura wylotowa każdego ogniwa wyposażona jest w elektryczny zawór regulacyjny kontrolujący pracę przy stałym poziomie wody. Proces płukania wstecznego można regulować za pomocą sterownika PLC. Projektowa szybkość filtracji wynosi 7,0 m/h, wymuszona szybkość filtracji wynosi 8,4 m/h, a powierzchnia filtracji z pojedynczą-komorą wynosi 49,4 m². Natężenie wody płuczącej wynosi 11 m³/(m²·h), natężenie powietrza płuczącego wynosi 55 m³/(m²·h), a intensywność zamiatania powierzchni wynosi 7 m³/(m²·h). Czas płukania wstecznego wynosi 10 minut. Cykl płukania wstecznego trwa 24 godziny (regulowany), myjąc jedną komorę na raz. Rozmiar piasku kwarcowego wynosi 1-1,6 mm przy k₈₀ < 1,3. Stosuje się-odlewane na miejscu monolityczne płyty filtracyjne.
4.4 Zbiorniki adsorpcyjne z aktywnym koksem
Zbudowano nowy zbiornik adsorpcji koksu aktywowanego o wymiarach konstrukcyjnych 49,5 m (dł.) × 30,15 m (szer.) × 11,0 m (wys.). Wykorzystuje dwustopniową konfigurację filtracji-z łącznie 36 komorami, po 18 komór na stopień. Maksymalny stopień filtracji wynosi 6,02 m³/(m²·h), średnio 4,63 m³/(m²·h). Wymiary pierwszej-pojedynczej-komory pierwszego etapu to dł. × szer. × wys.=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, przy czasie kontaktu z pustym złożem (EBCT) wynoszącym 1,4 godz. Wymiary drugiego-pojedynczego-ogniwa etapu to: dł. × szer. × wys.=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, przy EBCT wynoszącym 1,08 godz. Instalacja wykorzystuje 2000 ton aktywowanego koksu o uziarnieniu 2-8 mm, wyposażona w mobilne płuczki koksu, dystrybutory wody, jazy wlotowe/wylotowe itp.
4.5 Budowa aktywowanego koksu
Wybudowano nowy budynek koksu aktywowanego do przechowywania koksu aktywowanego i podawania go do zbiorników adsorpcyjnych. Wymiary konstrukcyjne to 33,5 m (dł.) × 13,0 m (szer.) × 6,5 m (wys.). Główne wyposażenie pomocnicze obejmuje: 1 przesiewacz wibracyjny do odwadniania aktywowanego koksu, 3 pompy zasilające koks (2 obciążenia + 1 rezerwa, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 pompy odprowadzające filtrat (1 praca + 1 rezerwa, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 sprężarki powietrza (1 praca + 1 tryb gotowości, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) i zbiornik powietrza (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Pomieszczenie odwadniające-płytowe i-ramowe
Obok istniejącej odwadniania osadów zbudowano nową-i{1}}ramową odwadniacz płytowy. Ze względu na ograniczoną przestrzeń skonfigurowano jeden zestaw-płytowo--ramowej prasy filtracyjnej (powierzchnia filtra 300 m²), która pełniła funkcję rezerwową dla taśmowej prasy filtracyjnej. Do obiektów pomocniczych zalicza się jeden zbiornik kondycjonujący (pojemność efektywna 80 m3). Ilość osadu wynosi 6150 kg sm/d, wilgotność zagęszczonego osadu paszowego wynosi 97%, a wilgotność placka odwodnionego 60%. Główne wyposażenie dodatkowe obejmuje: 2 pompy zasilające (1 praca + 1 tryb gotowości, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 pompy wody tłocznej (1 praca + 1 tryb gotowości, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 pompa myjąca (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 pompy dozujące (1 praca + 1 rezerwa, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 sprężarka powietrza (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 zestaw odbiornika powietrza (V=5 m³, P=1.0 MPa) i 1 zestaw jednostki przygotowującej PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 System kontroli zapachu
Dodano nowy system biofiltracji do kontroli zapachów o projektowym natężeniu przepływu powietrza 12 000 m3/h. Rury z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym (GRP) służą do zbierania i oczyszczania zapachów z systemów obróbki wstępnej i oczyszczania osadów. Ramy ze stali nierdzewnej i płyty wytrzymałościowe z PC służą do uszczelniania urządzeń do obróbki wstępnej.
4.8 Inne aktualizacje obiektu
- Zastąpione na 2 drobne sita zasilane wewnętrznie o średnicy 5 mm, z przenośnikami ślimakowymi i zbiornikiem wody do mycia, V=10 m³ i 2 pompami wody do mycia (1 praca + 1 w trybie gotowości, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Zastąpione 4 bardziej wydajnymi dmuchawami z zawieszeniem pneumatycznym, sterowanymi przez VFD (3 obciążenia + 1 w trybie gotowości, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Wymieniono złoże filtracyjne w istniejących filtrach denitryfikacyjnych na 1800 m3 wkładów ceramicznych (wielkość cząstek 3-5 mm).
- Wymieniono 2 mieszadła mieszające w osadnikach dużej-gęstości (prędkość 60–80 obr./min, N=5.5 kW), 4 mieszadła flokulacyjne (prędkość 10–20 obr./min, N=2.2 kW) i osadniki rurowe (260 m²).
- Wymieniono taśmową prasę filtracyjną na taśmę o szerokości 2 m i pasującą sprężarkę powietrza, 1 kpl.
- Wykorzystując pierwotną centralną sterownię, zaktualizowany sprzęt, instrumenty i ustanowioną scentralizowaną kontrolę, stworzono-w całym zakładzie system transmisji danych, aby zapewnić komunikację danych między centralną sterownią a podstacjami, a także automatyzację kontroli procesu produkcyjnego.
5. Wydajność operacyjna i techniczne-wskaźniki ekonomiczne
5.1 Wydajność operacyjna
Po zakończeniu tego projektu modernizacji wszystkie jednostki oczyszczające działają stabilnie. Dane z monitoringu jakości wód dopływających i wypływających za rok 2023 przedstawiono w:Tabela 2.
Jak pokazano, średnie stężenia w ściekach ChZT, NH₃-N, TN, TP i SS wynosiły 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 i 2,63 mg/l, przy średnich szybkościach usuwania 95,16%, 99,45%, 77,31%, 94,75% i 97,38%, odpowiednio. Ścieki ChZT, NH₃-N i TP konsekwentnie spełniały normę wody klasy III GB 3838-2002.
Zmodernizowany projekt funkcjonuje już prawie dwa lata. Wyniki wskazują, że proces MBBR+ACCA jest stabilny, wydajny i wytwarza ścieki-wysokiej jakości, wykazując się dużą odpornością na obciążenia udarowe i warunki nisko-temperaturowe. Nawet przy minimalnej temperaturze wody w zimie wynoszącej 9,4 stopnia i znacznych wahaniach jakości wody jakość ścieków pozostawała stabilna i spełniała standardy zrzutu. Przed i po modernizacji dawka źródła węgla nie wzrosła, natomiast usuwanie TN zostało znacznie zwiększone. Dzieje się tak dlatego, że z jednej strony mikroorganizmy nitryfikacyjne przyłączone do nośników MBBR rosną i gromadzą się w stabilnym środowisku tlenowym, co prowadzi do pełniejszej nitryfikacji. Z drugiej strony azotany były dalej usuwane w zmodernizowanych zbiornikach MBBR i zbiornikach beztlenowych. Ostateczny system ACCA działa jako zabezpieczenie, dodatkowo adsorbując i usuwając oporne ChZT, TP, SS itp., dzięki czemu jakość ścieków jest bardziej stabilna. Co więcej, po wdrożeniu projektu zakład może produkować-odzyskiwaną wodę wysokiej jakości, co stanowi podstawę do ponownego wykorzystania wody w przyszłości.
5.2 Techniczne-wskaźniki ekonomiczne
Całkowita wartość inwestycji w ramach tego projektu wyniosła 86 937 600 RMB, w tym koszty budowy i instalacji w wysokości 74 438 500 RMB, inne wydatki w wysokości 7 593 500 RMB, koszty awaryjne w wysokości 4 101 600 RMB i początkowy kapitał obrotowy w wysokości 804 000 RMB. Po stabilnej pracy systemu, dodatkowy koszt energii elektrycznej dla całej instalacji wynosi 0,11 RMB/m3, koszt aktywowanego koksu wynosi 0,39 RMB/m3, co daje całkowity wzrost kosztów operacyjnych o około 0,50 RMB/m3.
6. Wniosek
- W ramach tego projektu wdrożono wymianę sprzętu, intensyfikację procesów i renowację istniejącej oczyszczalni ścieków, a także dodano zaawansowane oczyszczanie, poprawiając skuteczność usuwania ChZT, NH₃-N, TN i TP.
- Po modernizacji przy zastosowaniu głównego procesu „MBBR+ACCA” zawartość ChZT, NH₃-N i TP w ściekach uległa stabilnej poprawie z poziomu 1A do standardu klasy III dla wód powierzchniowych, a usuwanie TN uległo znacznej poprawie.
- Praktyka pokazuje, że proces ten działa stabilnie i wydajnie, jest odporny na wstrząsy obciążenia, wytwarza- ścieki wysokiej jakości, a koszt operacyjny wynosi około 0,50 RMB/m3. Może służyć jako punkt odniesienia dla projektów modernizacji i inicjatyw dotyczących ponownego wykorzystania wody w innych oczyszczalniach ścieków.