Efekt operacyjny projektu modernizacji oczyszczalni ścieków w Tianjin
Oczyszczalnia ścieków w Tianjin przeszła projekt modernizacji i renowacji, w którym zastosowano zmodyfikowany proces Bardenpho-MBBR, podnosząc jakość ścieków z normy klasy A określonej w „Normach dotyczących odprowadzania zanieczyszczeń dla komunalnych oczyszczalni ścieków” (GB 18918-2002) do klasy A lokalnej normy Tianjin DB 12/599-2015. Proces reaktora z biofilmem z ruchomym złożem (MBBR) polega na dodaniu zawieszonych nośników MBBR do reaktora, zapewniając miejsca do przyłączania się drobnoustrojów i tworzenia przyczepionych biofilmów, zwiększając w ten sposób efektywną biomasę w systemie i osiągając usunięcie zanieczyszczeń. Proces MBBR oferuje takie zalety, jak wysokie obciążenie obróbkowe, duża odporność na obciążenia udarowe, stabilna wydajność obróbki, proste zarządzanie operacyjne i elastyczne działanie procesu. Coraz większa liczba oczyszczalni ścieków w Chinach stosuje proces renowacji MBBR. W artykule tym dokonano analizy wydajności operacyjnej oczyszczalni ścieków w Tianjin po jej modernizacji, mając na celu zapewnienie punktu odniesienia dla podobnych projektów modernizacji.
1. Aktualny proces biologicznego usuwania azotu i fosforu
W oryginalnym zbiorniku biologicznym zastosowano proces A²/O o wydajności oczyszczania 12 500 t/d. Projektowy całkowity wiek osadu wynosił 14 dni, stężenie zawiesiny mieszanej cieczy (MLSS) wynosiło 3500 mg/l, projektowa temperatura wody wynosiła 10 stopni, wydajność osadu wynosiła 0,936 kgSS/kg BZT, a obciążenie osadem 0,082 kg BZT/kgMLSS. Efektywna głębokość wody zbiornika biologicznego wynosiła 6 m, przy całkowitej objętości zbiornika 9052,2 m3 i całkowitym hydraulicznym czasie retencji (HRT) 17,4 godziny. Rozkład HRT był następujący: strefa selekcyjna 0,58 h, strefa beztlenowa 1,38 h, strefa beztlenowa 2,85 h, strefa wahadłowa 0,92 h i strefa tlenowa 11,67 h. Recykling osadu wynosił 100%, a wewnętrzny recykling mieszanego ługu wynosił 300%. Pierwotny zbiornik biologiczny składał się głównie z sekcji beztlenowych-beztlenowych-tlenowych. Parametry operacyjne można dostosować w oparciu o warunki na dopływie i wymagania dotyczące ścieków, aby uzyskać usunięcie azotu i fosforu, przy czym jakość ścieków spełnia normę Grade A GB 18918-2002.
2. Przegląd projektu modernizacji i renowacji
Celem tej modernizacji była poprawa jakości ścieków w celu spełnienia normy klasy A lokalnej normy Tianjin „Norma dotycząca usuwania zanieczyszczeń dla komunalnych oczyszczalni ścieków” (DB 12/599-2015). Projektowana jakość dopływu i odpływu jest pokazana wTabela 1. Zgodnie z projektowymi wartościami TN na dopływie i wylocie, osiągnięcie TN na wypływie poniżej 10 mg/l wymaga stopnia denitryfikacji wynoszącego 75,6% w systemie zbiornika biologicznego. W oryginalnym zbiorniku biologicznym zastosowano konfigurację A²/O. Obliczenia oparte na oryginalnej konfiguracji zbiornika wykazały, że wewnętrzny współczynnik recyklingu musiałby wzrosnąć z pierwotnych 200% do 310%, wraz z dodaniem dużej ilości zewnętrznego źródła węgla. To nie tylko zwiększyłoby koszty operacyjne, ale także duża objętość wewnętrznego przepływu recyklingu mogłaby zakłócić środowisko beztlenowe. Może to prowadzić do tego, że rzeczywista HRT w strefie beztlenowej będzie niższa od wymagań minimalnych, co wpłynie na skuteczność denitryfikacji. Proces MBBR zwiększa zdolność systemu do denitryfikacji i poprawia jakość ścieków poprzez dodanie zawiesinowych nośników w celu zwiększenia stężenia biomasy w zbiorniku, spełniając w ten sposób wymagania modernizacji.
Nie zmieniając istniejącej objętości zbiornika biologicznego, dokonano rekonfiguracji wewnętrznych stref funkcjonalnych zbiornika biologicznego. Oryginalna konfiguracja A²/O (beztlenowa-beztlenowa-aerobowa) została zmodyfikowana do konfiguracji Bardenpho 6-etapów: strefa beztlenowa, strefa beztlenowa, strefa wahadłowa, strefa tlenowa,-strefa po beztlenowej i strefa po-tlenowa. W szczególności pierwotną strefę selektora przekształcono w strefę beztlenową. Jako strefę przed{12}beztlenową wykorzystano pierwotną strefę beztlenową, strefę wahadłową (część przednia) i strefę beztlenową. Przednia połowa pierwszego korytarza w pierwotnej strefie aerobowej została przystosowana do strefy huśtawki. Pierwotne korytarze aerobowe pierwszy, drugi i trzeci zostały przekształcone w strefę MBBR, w której dodano nośniki podwieszane wraz z systemami ekranowania wlotu/wylotu oraz dolnym pomocniczym systemem napowietrzania. Czwarty korytarz aerobowy został przekształcony w strefę-beztlenową. Oryginalna strefa swingu została funkcjonalnie podzielona i dostosowana do strefy po-beztlenowej i post-tlenowej. Parametry wyremontowanego zbiornika biologicznego przedstawiono wTabela 2.
Jeśli chodzi o przebieg procesu, zmieszany ług ze strefy tlenowej jest zawracany do strefy beztlenowej, a w strefie beztlenowej dodaje się źródło węgla. Bakterie denitryfikacyjne wykorzystują źródło węgla do denitryfikacji w celu usunięcia azotu azotanowego wytwarzanego w strefie tlenowej. Resztkowy azot azotanowy przedostaje się do strefy po-beztlenowej, gdzie dodaje się dodatkowe źródło węgla w celu kontynuacji denitryfikacji. Po renowacji stężenie zawiesiny mieszanej cieczy (MLSS) wynosi 4000 mg/l, recykling osadu wynosi 50–100%, wewnętrzny recykling mieszaniny cieczy wynosi 200–250%, a rozpuszczony tlen w strefie MBBR wynosi 2–5 mg/l. Schemat procesu po renowacji pokazano wRysunek 1.
3. Uruchomienie systemu po renowacji zbiornika biologicznego
Po zakończeniu renowacji zbiornika biologicznego przystąpiono do fazy rozruchu. Do zbiornika biologicznego dodano odwodniony osad z innej oczyszczalni ścieków, szybko zwiększając stężenie osadu do ponad 3000 mg/L w krótkim czasie. Skróciło to okres uprawy i aklimatyzacji osadu, umożliwiając szybkie uruchomienie zbiornika biologicznego i przywrócenie jego zdolności usuwania azotu i fosforu. W okresie próbnej eksploatacji, ze względu na stosunkowo niski przepływ dopływów i stężenia zanieczyszczeń, rzeczywiste obciążenie eksploatacyjne było niższe od obciążenia projektowego. Podejście polegało na najpierw kultywowaniu i aklimatyzacji osadu czynnego do czasu ustabilizowania się układu biologicznego i spełnienia standardów jakości ścieków, a następnie dodaniu nośników MBBR w celu utworzenia biofilmu.
Po dodaniu nośników do części aerobowej zbiornika biologicznego, najpierw je zanurzono. Mikroorganizmy stopniowo przyczepiają się do ich powierzchni. Wizualnie kolor powierzchni nośnika zmienił się z białego na lekko ziemistożółty w miarę przyłączania się większej liczby mikroorganizmów, a biofilm stawał się gęstszy. Kolor nośnika stopniowo się pogłębiał. Dwa miesiące po dodaniu nośnika tworzenie się biofilmu było dobre, a powierzchnia nośnika była żółtawo-brązowa, a kolor stopniowo się pogłębiał. Cztery miesiące po dodaniu nośnika biofilm na powierzchni nośnika był ciemnobrązowy i gęsty. Postęp tworzenia biofilmu można intuicyjnie zaobserwować na podstawie zmian koloru nośnika, jak pokazano na rysRysunek 2. W grudniu 2021 roku badania mikroskopowe osadu czynnego ze zbiornika biologicznego i osadu z nośników wykazały zwarte struktury kłaczków o dobrych właściwościach adsorpcyjnych i sedymentacyjnych. Wizualnie nośniki wykazały wyraźne tworzenie się biofilmu. Badanie mikroskopowe pozwoliło zidentyfikować organizmy takie jak Vorticella, Opercularia i Epistylis, a okazjonalnie zaobserwowano kilka ruchomych orzęsków, co wskazuje na zakończenie etapu tworzenia biofilmu.
4. Sprawność eksploatacyjna po renowacji zbiornika biologicznego
4.1 Usuwanie ChZT i BZT po renowacji
Wartości ChZT i BZT ścieków na rok 2022 przedstawiono wRysunek 3. ChZT w ściekach wahał się od 10,2 do 24,9 mg/l, średnio 18,0 mg/l. BZT w ściekach wahało się od 2,1 do 4,9 mg/l, średnio 3,4 mg/l. Zarówno ChZT, jak i BOD w ściekach w sposób stabilny spełniały lokalną normę klasy A w Tianjin. Odnowiony system nie tylko wykazał dobrą wydajność usuwania ChZT i BZT, ale także utrzymywał stabilne i zgodne poziomy ChZT i BZT w ściekach w sezonie powodziowym, nawet gdy rzeczywiste obciążenie dopływu elektrowni osiągnęło 110% swojej projektowej wydajności. Oznacza to, że system posiada dobrą odporność na obciążenia udarowe.
4.2 Usuwanie TN i NH₃-N po renowacji
Wartości TN i NH₃-N ścieków w 2022 r. przedstawiono wRysunek 4. TN wahała się od 3,72 do 8,74 mg/l, średnio 6,43 mg/l. NH₃-N wahał się od 0,02 do 1,25 mg/l, średnio 0,12 mg/l. Podczas pracy w zimie, ze względu na niższe temperatury, spadło tempo nitryfikacji i denitryfikacji. W praktyce stężenie osadu zwiększono do ponad 6000 mg/l. Praca przy wysokim stężeniu osadu jest korzystna dla poprawy odporności układu biologicznego na obciążenia udarowe, szczególnie w niskich temperaturach. Synergia pomiędzy wysokim stężeniem osadu i biofilmem przyczepionym do nośników MBBR zwiększa skuteczność oczyszczania systemu biologicznego.
Nośniki MBBR zapewniają korzystne środowisko dla społeczności drobnoustrojów, wspierając ich wzrost i rozmnażanie. Po aklimatyzacji i dojrzewaniu wzmacnia się zdolność biofilmu do nitryfikacji i denitryfikacji. Mikroorganizmy przyczepiają się i rosną warstwowo na powierzchni nośnika, zwiększając gęstość zoogloei i tworząc duże, gęste i szybko stabilne struktury osadu. W obliczu zewnętrznych zmian jakości wody mikroorganizmy na powierzchni nośnika wydzielają zewnątrzkomórkowe substancje polimerowe (EPS) w celu samo-ochrony, zmniejszając w ten sposób wpływ nagłych zmian jakości wody na mikroorganizmy-warstwy wewnętrznej.
W oczyszczalniach wykorzystujących proces MBBR zaobserwowano zjawiska jednoczesnej nitryfikacji i denitryfikacji (SND) w tlenowej strefie nośnika. Badanie wartości TN dopływu i odpływu z tlenowej strefy nośnej wykazało różnicę 2–6 mg/l. Różnica ta była bardziej wyraźna, zwłaszcza gdy zawartość rozpuszczonego tlenu w zbiorniku tlenowym była kontrolowana poniżej 2 mg/l, co wskazywało na bardziej znaczące SND w warunkach niskiego poziomu rozpuszczonego tlenu. Ścieki TN z osadnika wtórnego w pełni spełniły normy, co oznacza, że usuwanie TN zostało zakończone na etapie oczyszczania biologicznego. W rzeczywistości denitryfikacyjny filtr-z głębokim złożem działa jako proces ochronny. W normalnych warunkach działa jak zwykły filtr zapewniający zgodność wskaźników SS ze standardami.
4.3 Demontaż TP i SS po renowacji
Wartości TP i SS ścieków na rok 2022 przedstawiono wRysunek 5. TP na ściekach z OŚ wahała się od 0,04 do 0,22 mg/l, średnio 0,10 mg/l. Stężenie SS w ściekach wahało się od 1 do 4 mg/l, średnio 2,2 mg/l. Po modernizacji TP z osadnika wtórnego wynosiła około 1,0 mg/l, a SS około 26 mg/l. Dzięki dodaniu chlorku żelaza i PAM do wysokowydajnego osadnika-w celu poprawy koagulacji oraz dzięki dalszemu oczyszczaniu w denitryfikacyjnym filtrze z głębokim-złożem, ścieki TP i SS stabilnie spełniały lokalną normę klasy A w Tianjin, a wartość barwy została znacznie zmniejszona.
5. Wniosek
Aby spełnić lokalną normę klasy A w Tianjin, pierwotny proces A²/O w OŚ został przekształcony w pięcioetapową konfigurację Bardenpho-, obejmującą proces MBBR w części tlenowej w celu usprawnienia biologicznego usuwania azotu, redukując TN i NH₃-N w ściekach. W sezonie powodziowym z przepływem przeciążeniowym wszystkie wskaźniki stabilnie spełniały normy, wykazując dobrą odporność na uderzenia. Po renowacji zbiornika biologicznego stopień recyklingu wewnętrznego wynosił 200–300%, obieg osadu zewnętrznego 50–100%, stężenie osadu 4000–6000 mg/l, zawartość rozpuszczonego tlenu w strefie tlenowej kontrolowano na poziomie 3–5 mg/l, a rozpuszczonego tlenu w strefie beztlenowej na poziomie 0,2–0,5 mg/l. W 2022 roku jakość ścieków z OŚ kształtowała się następująco: ChZT 10,2–24,9 mg/L, średnio 18,0 mg/L; BZT 2,1–4,9 mg/L, średnio 3,4 mg/L; NH₃-N 0,02–1,25 mg/l, średnio 0,12 mg/l; TN 3,72–8,74 mg/L, średnio 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, średnio 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, średnio 2,2 mg/L. Wszystkie w sposób stabilny spełniają normę klasy A lokalnej normy Tianjin „Norma dotycząca usuwania zanieczyszczeń dla komunalnych oczyszczalni ścieków” (DB 12/599-2015).