Porównanie dwu-etapowych i trójetapowych-procesów AO: inżynieria Perspektywiczny
Obecnie większość oczyszczalni ścieków (OŚ) w Chinach stosuje procesy oczyszczania ścieków oparte na osadzie czynnym-. Spośród nich prawie połowa wykorzystuje proces beztlenowy-oksydacyjny (AO). Proces AO oferuje takie korzyści, jak stabilna praca i niski koszt. Jednakże skuteczność usuwania całkowitego azotu (TN), zwykle mieszcząca się w zakresie od 60% do 80%, jest ograniczona przez wewnętrzne wskaźniki recyklingu. W obliczu coraz bardziej rygorystycznych krajowych wymagań dotyczących usuwania azotu, konwencjonalne, jednoetapowe-procesy AO często mają trudności ze spełnieniem wymagań dotyczących oczyszczania TN. W ten sposób wyłoniły się wieloetapowe-procesy AO. Łącząc szeregowo dwa lub więcej stopni AO, azotan wytworzony w poprzedzającym etapie tlenowym stanowi substrat do denitryfikacji w kolejnym etapie beztlenowym. Osiąga to cel polegający na zmniejszeniu współczynnika recyklingu wewnętrznego przy jednoczesnym zwiększeniu całkowitego usuwania TN. Jednak nadmierne etapy mogą również zwiększyć złożoność operacyjną. W związku z tym najczęściej stosowane konfiguracje w Chinach to obecnie dwu-i trzyetapowe-procesy AO. W artykule przedstawiono analizę porównawczą dwu-i trzyetapowych-procesów AO z wykorzystaniem oczyszczalni ścieków w południowych Chinach jako studium przypadku, mającą na celu dostarczenie punktu odniesienia przy wyborze tras technicznych w podobnych projektach.
1 Przegląd projektu
Oczyszczalnia ścieków w południowych Chinach zajmuje łączną powierzchnię 8 hektarów. Jego pierwotna projektowana przepustowość wynosiła 90 000 m³/d, a jakość ścieków musiała spełniać zarówno normę klasy A „Norma zrzutu substancji zanieczyszczających dla komunalnych oczyszczalni ścieków” (GB 18918-2002), jak i „Dopuszczalne zrzuty substancji zanieczyszczających wodę” prowincji Guangdong (DB 44/26-2001) (zwane dalej: „quasi-klasa V”). Zakład pracował na pełnych obrotach. Zgodnie z planem konieczna była rozbudowa. Przyszłe normy dotyczące ścieków, oparte na obecnym stanie, musiały uwzględniać długoterminowe wymagania dotyczące TN mniejszego lub równego 10 mg/l. Biorąc pod uwagę rzeczywiste warunki terenu, skalę robót cywilnych w ramach tej rozbudowy ustalono na 70 000 m3/d. W najbliższej perspektywie oczyszczalnia będzie pracować z wydajnością 50 000 m³/d, a w dłuższej perspektywie osiągnie skalę 70 000 m³/d, co zwiększy całkowitą wydajność oczyszczalni do 160 000 m³/d. Projektowaną jakość wody dopływającej i wypływającej przedstawiono wTabela 1.
Ze względu na ograniczenia lokalizacji we wstępnym planie rozbudowy przyjęto trasę procesu „Wielostopniowy-AO + urządzenie peryferyjne-na peryferii-prostokątny zbiornik sedymentacyjny +-osadnik o wysokiej wydajności + płyta włóknista-i-filtr ramowy. Konstrukcje cywilne wszystkich głównych bloków wykonano w skali 70 000 m3/d, zainstalowano urządzenia dla wydajności 50 000 m3/d. W najbliższej przyszłości w zbiorniku biologicznym-będzie zastosowany wieloetapowy proces AO. W dłuższej perspektywie dodanie zawieszonych nośników spowodowałoby utworzenie hybrydowego biofilmu-procesu osadu czynnego, który mógłby zaspokoić zapotrzebowanie na zwiększenie wydajności o 40%. W tym projekcie warunki hydrauliczne uwzględniono w skali 70 000 m³/d, natomiast oczyszczanie biologiczne zaprojektowano dla skali 50 000 m³/d. Ponieważ projekt ten miał na celu przyjęcie wieloetapowego-procesu OA, przeprowadzono porównanie dwu-i trzyetapowego OA.
2 Porównanie dwu-etapowych i trójetapowych-procesów AO
2.1 Przebieg procesu
Podstawową zasadą wieloetapowego-procesu AO jest wykorzystanie azotanów wytworzonych w poprzednim etapie tlenowym do denitryfikacji w kolejnym etapie beztlenowym, zmniejszając w ten sposób współczynnik recyklingu wewnętrznego. Teoretycznie więcej etapów prowadzi do lepszego usuwania TN, ale kontrola staje się bardziej złożona. W praktyce inżynierskiej dominują dwu-i trzy-etapowe AO. Ich przepływy procesowe są pokazane wRysunek 1. W przypadku dwu-etapowego OA, recykling wewnętrzny jest zwykle projektowany w ramach pierwszego etapu OA. W przypadku trzy-etapowego OA zazwyczaj nie stosuje się recyklingu wewnętrznego. Oczyszczalnie ścieków w Pekinie stosujące-dwuetapowy proces AO obejmują Qinghe (400 000 m³/d), Xiaohongmen (500 000 m³/d), Gao'antun (400 000 m³/d), Dingfuzhuang (200 000 m³/d) i Huaifang (600 000 m³/d). Proces ten oferuje takie zalety, jak prosty sprzęt, niskie koszty eksploatacji i konserwacji, duża odporność na obciążenia udarowe i wysoka kompatybilność z innymi procesami, ułatwiając przyszłe modernizacje w celu spełnienia wyższych standardów ścieków. Teoretycznie trzyetapowy-OA połączony szeregowo może wyeliminować potrzebę stosowania wewnętrznego sprzętu do recyklingu, umożliwić bardziej racjonalną alokację źródeł węgla oraz obniżyć koszty inwestycyjne i operacyjne. Proces ten stosuje się przede wszystkim w scenariuszach z wystarczającymi źródłami węgla i wysokimi wymaganiami w zakresie usuwania azotu. Typowe przypadki obejmują oczyszczalnię ścieków w Qujing w Yunnan (80 000 m³/d), miejską oczyszczalnię ścieków w dystrykcie Ninghe w Tianjin (90 000 m³/d), oczyszczalnię ścieków Zhangguizhuang w Tianjin (200 000 m³/d) oraz zakład rekultywacji Daoxianghu w Pekinie (80 000 m³/d).
2.2 Porównanie procesów
Biorąc pod uwagę, że w tym miejscu nie jest dostępny żaden dodatkowy teren pod przyszłą modernizację i że w niektórych nowych lokalnych projektach wdraża się już normę TN ścieków mniejszą lub równą 10 mg/l, w porównaniu procesów wzięto pod uwagę TN ścieków ze zbiornika biologicznego o wartości TN mniejszej lub równej 10 mg/l, aby uwzględnić możliwość dalszych rygorystycznych wymagań dotyczących ścieków w przyszłości. Pozostałe wskaźniki odpowiadały projektowej jakości ścieków. Z układu wynika, że dla-bliskoterminowej skali 50 000 m³/d maksymalny czas retencji hydraulicznej (HRT) zbiornika biologicznego wynosił 18 godzin. Łącząc rzeczywiste warunki projektu, wyniki symulacji BioWin i wygodę łączenia z zawieszonymi nośnikami, przeprowadzono porównanie dwu-i trzyetapowych-procesów AO.
2.2.1 Symulacja BioWin
Ustalono początkową HTZ na 18 godzin i stopniowo ją zmniejszano. Minimalny HRT osiągający wymagania TN odcieku wynosił 14 godzin. W przypadku AO z dwoma-etapami dopływowymi punktami dystrybucji były strefa beztlenowa,-strefa beztlenowa pierwszego etapu i strefa beztlenowa-drugiego etapu. W przypadku AO z trzema-etapami punktami dopływu były strefa beztlenowa,-strefa beztlenowa drugiego etapu i strefa beztlenowa-trzeciego etapu.
① Badanie ze stałym współczynnikiem dystrybucji wpływów
Ustawiając współczynnik dystrybucji dopływu na 4:3:3 w obu przypadkach, w symulacjach porównano trzy schematy: dwu-stopniowy AO (współczynnik recyklingu 200%), trzy-stopniowy AO z całkowitym współczynnikiem recyklingu wynoszącym 200% (100% recyklingu w pierwszym etapie AO + 100% recyklingu z trzeciej strefy tlenowej do pierwszej strefy beztlenowej) i trzy-stopniowy AO z recyklingiem współczynnik 100% (recykling tylko w pierwszym etapie AO). Przepływy symulacji są pokazane wRysunek 2.
Tabela 2pokazuje wyniki symulacji dla stałego współczynnika wpływów przy HRT=14 godz.
Z Tabeli 2 widać, że zarówno w przypadku dwu-, jak i trzech- stopni AO, zaleca się ustawienie wewnętrznego recyklingu w pierwszym etapie AO, aby zmaksymalizować denitryfikację w pierwszej strefie beztlenowej poprzez wykorzystanie źródła węgla w surowym dopływie. W przypadku trzy-stopniowego AO ustawienie wewnętrznego recyklingu od końca trzeciego etapu do pierwszej strefy beztlenowej nieznacznie poprawiło usuwanie TN i TP, ale wydajność usuwania materii organicznej spadła. Jest to spekulacja przypisana zwiększonemu całkowitemu przepływowi w zbiorniku biologicznym w wyniku recyklingu, który przenosi rozpuszczony tlen do strefy beztlenowej, wpływając na środowisko beztlenowe. Dodatkowo skrócił się rzeczywisty HRT w każdej strefie, a przejście między warunkami operacyjnymi przyspieszyło, co doprowadziło do zmniejszenia wydajności. W przypadku właściwości wpływających, takich jak te w tym projekcie w południowych Chinach, gdzie stężenie TN nie jest zbyt wysokie, dwu-stopniowy OA może w pełni spełnić wymagania dotyczące ścieków, nie wykazując żadnej wyraźnej przewagi w przypadku trzy-stopniowego OA. W scenariuszach z wysokim ChZT i dużym dopływem TN trzy-etapowy AO może być bardziej odpowiedni.
② Badanie dotyczące dostosowania wskaźników dystrybucji wpływów
Zarówno dwu-, jak i trzy- etapowe OA zostały ustawione na 100% współczynnik recyklingu wewnętrznego w pierwszym etapie OA. Przeprowadzono badania na wielo-punktowych współczynnikach dystrybucji wpływów (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Tutaj 1:0:0 oznacza, że cały wpływ wchodzi z samego przodu; 3:7:0 dla trzy-etapu AO oznacza, że dopływ jest rozprowadzany tylko do strefy beztlenowej i drugiego etapu AO. Wyniki symulacji skorygowanych współczynników dystrybucji przedstawiono wTabela 3.
Z Tabeli 3 widać, że współczynnik dystrybucji ma niewielki wpływ na jakość ścieków. Ogólna tendencja jest taka, że wraz ze wzrostem proporcji dopływu rozprowadzanego na późniejszych etapach wzrastają stężenia TN, NH₃-N i TP na wypływie, a zapotrzebowanie na napowietrzanie również stopniowo wzrasta. Gdy stosunek napływu wynosił 3:7:0, trzy-stopniowy AO wykazywał nieco lepsze usuwanie TN i nieco niższy stosunek powietrza-do-wody niż dwu-stopniowy AO. Jednak w praktyce różnica ta jest na ogół pomijalna. Co więcej, zwiększenie udziału dopływu do późniejszych etapów, choć korzystne dla wykorzystania źródła węgla w denitryfikacji, nieuchronnie zwiększa obciążenie reakcji biochemicznych ze względu na dopływ NH₃-N, materii organicznej i TP. Dlatego zaleca się zachowanie konfiguracji wielopunktowej-dopływu i wprowadzanie stopniowych regulacji w oparciu o rzeczywistą jakość wody podczas pracy. Warto zauważyć, że chociaż trzy-stopnie AO wykazały lepsze usuwanie TN niż dwu-stopnie AO przy stosunku dopływu 2:4:4, w miarę wzrostu dopływu do późniejszych etapów, wypływający NH₃-N wykazywał tendencję rosnącą, w którym to momencie NH₃-N nie mógł już spełniać standardów ścieków.
③ Wydajność leczenia dwu-etapowego i trzystopniowego-AO
Symulowano trzy-konfigurację AO z HRT=14 h, równymi stosunkami objętości dla każdego stopnia (1:1:1), 100% recyklingu wewnętrznego ustawionym w pierwszym stopniu AO i stosunkiem dopływu 4:3:3, w dwóch warunkach: przy 100% recyklingu i przy zamkniętym obiegu. Symulowano dwustopniową konfigurację AO z HRT=14 godz., 100% zestawem recyklingu wewnętrznego i stosunkiem dopływu 4:3:3. Wyniki pokazały, że dwustopniowy-AO osiągnął optymalną wartość TN ścieków na poziomie 6,29 mg/l; trzy-stopniowy moduł AO ze 100% wewnętrznym recyklingiem z przodu osiągnął kolejny najlepszy wynik przy 7,51 mg/l; trzystopniowy-AO bez wewnętrznego recyklingu działał gorzej przy 8,52 mg/l. Wszystkie trzy scenariusze mogą spełnić wymóg weryfikacji ścieków (TN mniejszy lub równy 10 mg/l).
Tabela 4pokazuje porównanie parametrów projektowych między dwu{0}} i trzy-stopniowym AO. Można zauważyć, że w przypadku obu procesów HRT wymagany do osiągnięcia wymaganej TN odcieku wynosi mniej niż 18 godzin. Główne różnice między tymi dwoma procesami są następujące:
A. Teoretycznie, trzy-etapowy OA ma wyższą górną granicę; tzn. przy prawidłowej obsłudze zarówno koszty inwestycyjne, jak i operacyjne mogą być niższe. Dwu-etapowy AO ma mniej elementów wyposażenia i etapów, co skutkuje niższymi kosztami sprzętu i mniejszymi trudnościami w zarządzaniu operacyjnym.
B. Dla tego konkretnego projektu, ponieważ wzięto pod uwagę perspektywę długoterminową, a pojemność zbiornika została zaprojektowana na 18-godzinny HRT, inwestycja cywilna byłaby identyczna niezależnie od zastosowania dwu-czy trzy-stopniowego AO. Koszt sprzętu dla trzy-stopniowego AO jest wyższy. Dlatego z inwestycyjnego punktu widzenia bardziej ekonomiczne jest przyjęcie dwustopniowego OA.
C. Jeśli chodzi o koszty operacyjne, trzy-etapowe rozwiązanie AO mogłoby zaoszczędzić około 0,002 CNY/m3, eliminując koszty energii pochodzącej w 100% z recyklingu mieszanego alkoholu. Biorąc pod uwagę potencjalny spadek efektywności wykorzystania źródła węgla w rzeczywistej pracy z powodu naprzemiennych warunków beztlenowych i tlenowych w trzy-stopniowym AO, rzeczywista różnica w kosztach operacyjnych byłaby prawdopodobnie jeszcze mniejsza.
2.2.2 Analiza-długoterminowego scenariusza dotyczącego zawieszonego przewoźnika
Ze względu na wyjątkowe wymagania tego projektu w zbiorniku biologicznym należało wziąć pod uwagę wykonalność i wygodę długoterminowego-planu zwiększania pojemności, tj. wpływ dodania zawieszonych nośników.
Istotą procesu MBBR jest zwiększenie biomasy w reaktorze poprzez dodanie zawieszonych nośników. Można je dodawać do zbiorników tlenowych, beztlenowych lub beztlenowych. Jednakże, biorąc pod uwagę fluidyzację nośnika, dodanie go do zbiorników beztlenowych lub beztlenowych znacznie zwiększyłoby wymagania dotyczące mocy mieszania. Dlatego preferowane jest dodanie do zbiorników aerobowych. Objętość stref beztlenowych/beztlenowych można uzupełnić poprzez oddzielenie od strefy tlenowej, natomiast niedobór objętości tlenowej kompensowany jest przez dodane nośniki. Innymi słowy, niewystarczająca objętość tlenowa wynika ze zwiększonej powierzchni zawieszonych nośników, która jest obliczana na podstawie konwersji ładunku zanieczyszczeń w celu określenia wymaganej ilości nośnika, kontrolując określony stopień wypełnienia w celu uzyskania dodanej objętości.
Z obliczeń wynika, że w przypadku przyjęcia dwu-etapowego procesu AO i dodania w dłuższej perspektywie wszystkich zawieszonych nośników do-pierwszego etapu strefy aerobowej, wymagana powierzchnia nośnika MBBR wyniosłaby 2 597 708 m², co kosztowałoby 12,99 mln CNY. Inne powiązane koszty stałe sprzętu (w tym systemy fluidyzacji MBBR, dedykowane mieszalniki, systemy przesiewania i inteligentne systemy sterowania) wyniosłyby 6,15 miliona CNY. W przypadku przyjęcia trzyetapowego procesu AO, ze względu na bardziej rozproszone strefy, strefę MBBR należy podzielić na 2 sekcje (strefa aerobowa pierwszego-etapu i drugiego-etapu. W rezultacie koszt instalacji odpowiedniego sprzętu stałego MBBR (z wyłączeniem samych przewoźników) wzrósłby nieznacznie do 7,77 mln CNY, podczas gdy koszt przewoźnika pozostałby taki sam. Oznacza to, że przyjęcie-trzyetapowego OA zwiększyłoby przyszłe inwestycje w modernizację o 1,62 mln CNY, a także zwiększyłoby złożoność modernizacji. Co więcej, system przesiewania jest obszarem najbardziej podatnym na problemy po dodaniu nośnika. Trzy-etapowy AO dodaje dodatkową sekcję ekranów, co zwiększa trudność operacyjną.
Z powyższego porównania wynika, że ze względu na nadmierny podział w trzy-stopniowym AO, gdzie każda partycja ma podobną objętość, trudność modernizacji jest większa niż w przypadku dwu-stopniowego AO. Budowa, złożoność operacyjna i dodanie sprzętu do przesiewania również skutkują wyższymi inwestycjami niż w przypadku dwu-etapowego OA. Dlatego przyjęcie-etapowego OA bardziej sprzyja przyszłemu łączeniu się z zawieszonymi przewoźnikami.
2.3 Wynik porównania
W oparciu o powyższą analizę, zarówno dwu-, jak i trzy- etapowe procesy AO mogą osiągnąć docelowy poziom TN ścieków mniejszy lub równy 10 mg/l. Biorąc pod uwagę warunki brzegowe tego projektu-ograniczoną przestrzeń, potrzebę maksymalizacji-objętości zbiornika w najbliższej przyszłości oraz-długoterminowy plan dodania podwieszanych nośników-dwu-etapowy AO ma przewagę pod względem-krótkoterminowych inwestycji oraz wygody zarządzania i konserwacji sprzętu. Zapewnia także większą kompatybilność w przypadku przyszłej modernizacji z podwieszanymi nośnikami, co skutkuje niższymi całkowitymi inwestycjami oraz mniejszymi trudnościami w zakresie modernizacji i eksploatacji. Dlatego po kompleksowym rozważeniu w tym projekcie zalecono dwuetapowy proces AO.
3 Wydajność operacyjna
Całkowita szacunkowa wartość inwestycji w ramach tego projektu wynosi 304,5721 mln CNY, a koszty budowy wynoszą 243,6019 mln CNY, co przekłada się na jednostkowy koszt budowy wynoszący 3480,03 CNY/m3. Koszt oczyszczania wynosi 1,95 CNY/m3, a koszt operacyjny 1,20 CNY/m3.
W przypadku tego projektu całkowity HRT zbiornika biologicznego wynosi 18 godzin (w tym: strefa beztlenowa 2 godz.,-strefa beztlenowa pierwszego stopnia 3,5 godz.,-strefa tlenowa pierwszego etapu 7,5 godz., strefa odgazowania 0,5 godz., strefa beztlenowa drugiego-stopnia 2,5 godz.,-strefa tlenowa drugiego etapu 2 godz.), przy efektywnej głębokości wody wynoszącej 8,6 m. Zastosowano regulowany sekcyjny pobór wody, umożliwiający w razie potrzeby regulację współczynnika dystrybucji dopływającej wody w krokach co 20%. W rzeczywistej pracy stężenie substancji stałych w zawiesinie mieszanej cieczy (MLSS) w zbiorniku biologicznym waha się od 3500 do 4000 mg/l, współczynnik powrotu osadu wynosi od 40% do 100%, a współczynnik wewnętrznego recyklingu mieszanej cieczy waha się od 100% do 200%. Rzeczywista jakość dopływu i odpływu jest pokazana wTabela 5, co jest w zasadzie zgodne z wynikami symulacji.
4 Wniosek
Wykorzystując oczyszczalnię ścieków w południowych Chinach jako studium przypadku, przeprowadzono techniczne i ekonomiczne porównanie dwu{0}}i trzyetapowych-procesów AO za pomocą symulacji BioWin. Dwu-etapowy AO, z mniejszą liczbą elementów i etapów wyposażenia, niższymi kosztami sprzętu i mniejszymi trudnościami w zarządzaniu operacyjnym, jest bardziej odpowiedni dla warunków panujących w południowych Chinach, gdzie dopływowa sieć TN nie jest zbyt wysoka. W przypadku trzy-etapowego AO ustawienie wewnętrznego recyklingu od końca trzeciego etapu do pierwszej strefy beztlenowej negatywnie wpłynęło na wydajność usuwania TN, zwiększyło trudności w zarządzaniu operacyjnym i podniosło koszty inwestycji. Projekt spełnia jednocześnie-krótkoterminowe wymagania dotyczące oczyszczania wynoszące 50 000 m³/d i TN mniejsze lub równe 10 mg/l, podczas gdy długoterminową skalę-70 000 m³/d można osiągnąć poprzez połączenie z podwieszanymi nośnikami. Rzeczywiste wyniki operacyjne są w dużej mierze zgodne z wynikami symulacji BioWin, przy średnim TN ścieków wynoszącym 6,86 mg/l, co spełnia wymagania projektowe.