Напредно уклањање азота у ППОВ: Чисти биофилм МББР дизајн процеса и анализа перформанси|Студија случаја

Инжењерски дизајн и перформансе МББР процеса чистог биофилма за напредно уклањање азота

Са свеобухватним напретком изградње еколошке цивилизације у Кини, стандарди за испуштање из постројења за пречишћавање отпадних вода (ППОВ) постали су све строжи. Стандард степена А „Стандарда за испуштање загађујућих материја за комунална постројења за пречишћавање отпадних вода“ (ГБ 18918-2002) захтева ТН мањи или једнак 15 мг/Л, док локални стандарди у регионима као што су Пекинг и Шандонг експлицитно постављају границу на ТН мање од 10 мг/Л. Ови повишени стандарди превазилазе само границе квалитета воде, постављајући строжије захтеве за стабилност ефлуента. Сходно томе, постоји хитна потреба да се побољша капацитет уклањања азота у процесима третмана. Један приступ је повећање дозе извора угљеника у постојећем процесу како би се побољшала денитрификација, али то доводи до високих оперативних трошкова и повећане емисије угљеника. Алтернативно, додавањем напредних постројења за уклањање азота, често користећи методе биофилма за ефикасно обогаћивање денитрификујућих бактерија, може се побољшати уклањање ТН, смањити потреба за спољним изворима угљеника и смањити емисије угљеника. Биофилмски реактор са покретним креветом (МББР), са својим предностима снажног функционалног обогаћивања бактеријама, малог отиска и једноставног рада и одржавања, широко се примењује у изградњи, проширењу и надоградњи ППОВ. Може стабилно да постигне стандарде испуштања боље од квалитета површинске воде квази класе ИВ и има значајан потенцијал и предности за напредно уклањање азота у ППОВ. Овај чланак узима ППОВ у Шандонгу као студију случаја за анализу образложења дизајна и оперативних перформанси примене чистог биофилмског МББР процеса за напредно уклањање азота, са циљем да пружи техничку референцу за ефикасну денитрификацију отпадних вода.

1. Преглед пројекта

1.1 Увод у пројекат

ППОВ у Шандонгу је изграђена у две фазе. Прва фаза, која користи БИОЛАК процес, званично је пуштена у рад у новембру 2003. са капацитетом пречишћавања од 40.000 м³/д. Приказан је изглед БИОЛАК процеса и доступна област за надоградњуСлика 1. У почетку, квалитет отпадних вода је испуњавао стандард разреда Б од ГБ 18918-2002. До 2020. године, кроз побољшано дозирање извора угљеника и додавање напредног третмана, квалитет отпадних вода је побољшан до стандарда А разреда. До 2023. године, након три године рада, укупни квалитет отпадних вода би генерално могао да задовољи стандард разреда А, али се суочио са два главна изазова у вези са уклањањем азота:

Висока доза извора угљеника: Да би се постигао циљ ТН мањи од или једнак 15 мг/Л, била је потребна значајна количина спољног извора угљеника. Прорачуни засновани на деловима процеса показали су Ц/Н однос чак 5,9, док је ААО процес у другој фази фабрике захтевао само Ц/Н од 4,5–5,0 да би се обезбедила стабилна ТН усклађеност. Додатак великог извора угљеника такође је негативно утицао на процес аеробне нитрификације, повећавајући потребу за кисеоником у аеробној зони.

Лоша стабилност уклањања азота: Пошто су се нитрификација и денитрификација дешавале у истом резервоару под различитим потребним условима, оперативни параметри су захтевали често прилагођавање на основу утицајних промена. Контролисање НХ₃-Н и ТН је било контрадикторно, што је отежавало одржавање стабилне равнотеже између нитрификације и денитрификације. Отпорност система на ударно оптерећење је била просечна, што је довело до лоше стабилности ефлуента.

Стога је неопходна надоградња оригиналног БИОЛАК процеса, са основним циљевима решавања конфликта између нитрификације и денитрификације, смањења оперативних трошкова уклањања азота и побољшања стабилности ефлуента.

1.2 Изазови надоградње

Пошто БИОЛАК процес није био погодан за-измену у резервоару ради побољшања перформанси, план је био да се појача третман конструисањем нове напредне јединице за уклањање азота. Оригинални БИОЛАК процес се првенствено фокусирао на нитрификацију са денитрификацијом као секундарном, док би се нови процес фокусирао на денитрификацију. Имајући у виду стварне потребе за реновирањем, пројекат се суочио са два главна изазова: ограниченим расположивим земљиштем за нови процес и високим захтевима оперативне ефикасности.

Ограничено доступно земљиште за нови процес: Нова изградња је морала да се заврши у оквиру постојеће фабрике, која у суштини није имала резервисано земљиште. Изградња је била могућа само на зеленом појасу поред резервоара БИОЛАК, са расположивом површином од 400 м². То је значило да је отисак новог пројекта по јединици пречишћене воде морао бити мањи или једнак 0,01 м²/(м³·д).

Захтеви високе оперативне ефикасности: Ово није била једноставна надоградња већ даља оптимизација биохемијске функционалне зоне. Очекивало се да ће нова јединица издржати оптерећење уклањања азота од 20 мг/Л. Овај процес не само да је морао да се заврши на ограниченом земљишту, већ је такође требало да се смањи доза извора угљеника у поређењу са оригиналном БИОЛАК денитрификацијом, истовремено обезбеђујући стабилне перформансе денитрификације. Стога су се постављали високи захтеви како за ефикасност уклањања азота тако и за ефикасност коришћења извора угљеника.

2. Поређење и одабир процеса

Након третмана БИОЛАК процесом, ефлуент ТН се састоји углавном од нитратног азота. Тренутно, зрели напредни процеси уклањања азота првенствено користе методе биофилма, које карактеришу микроорганизми који се ефикасно обогаћују на површини носача у везаном стању, нудећи знатно већу ефикасност обогаћивања функционалних бактерија од конвенционалних процеса активног муља. Процеси биофилма се могу даље поделити на типове фиксног-слоја и покретног-слоја на основу флуидизације носача, као што је приказано уСлика 2.Денитрификујући филтери, типични процеси{0}}биофилма у фиксном слоју, користе фиксни грануларни филтер као носач микробног раста. Додавањем екстерног извора угљеника, они користе денитрификацију биофилма и филтрацију медија да би постигли истовремено уклањање НО₃^--Н, СС и други загађивачи. Предности укључују стабилан квалитет пречишћене воде, нема потребе за секундарним пречистачима и компактан распоред, што их чини широко коришћеним у надоградњи ППОВ као напредне јединице за третман за јачање уклањања ТН из секундарног ефлуента. Међутим, оперативни фокус мора бити на утицају Ц/Н на напредну ефикасност денитрификације. Пројекат надоградње ППОВ у Пингтангу, такође са капацитетом од 40.000 м³/д, користио је филтер за денитрификацију + високо{7}}ефикасну флотацију раствореног ваздуха (ДАФ) као напредни процес пречишћавања за подизање ефлуентног ТН на квази{8}}класу ИВ о стандардима површинске воде, а405. м²/(м³·д), штеди земљиште и омогућава ефикасан третман, али са Ц/Н чак 18,34. Да би се испунили нови локални стандарди за отпадни ТН, постројење за рекултивацију воде у Ченгдуу Но{11}} усвојило је седиментациони резервоар велике густине и денитрификујући дубок-филтер{13}} као процес надоградње, са Ц/Н од 5,7, чиме је постигнут напредни третман по високим стандардима. Постројење за пречишћавање отпадних вода Дингкиао у Хаинингу није могло да испуни стандарде за испуштање степена А који су потребни за слив реке Киантанг. Гао Феииа и др. користио денитрификујући дубок-филтер за напредни третман ТН, истовремено уклањајући СС и ТП, приближавајући квалитет отпадних вода квази-стандардима класе ИВ, али са високим Ц/Н од 15,68, што доводи до високих трошкова уклањања азота. Поред тога, процеси филтера захтевају редовно испирање, обично коришћењем ваздушне{22}}воде, што може утицати на стабилност рада.

нестабилност филтера за денитрификацију, истраживање о примени аутотрофне денитрификације на бази сумпора (САД) на филтерима за денитрификацију је привукло пажњу. САД користи елементарни сумпор или једињења сумпора као донаторе електрона у анаеробним или аноксичним условима да би смањио НО₃^--Н до Н₂. Нуди предности као што су добра ефикасност денитрификације, нема потребе за извором органског угљеника, ниски оперативни трошкови и ниска производња муља. Сонг Кингиуан и др. проучавао ефекат уклањања азота САД филтера на секундарни ефлуент. Након оптимизације пилот услова, уклањање нитрата је остало стабилно изнад 95%, али је стопа потрошње медија достигла 20% годишње, праћено повећаном концентрацијом сулфата у ефлуенту и смањеним пХ. Да би се избегли ризици секундарног загађења од САД, Ли Тианкин ет ал. припремљени медијум пелетизовањем мешавине сумпора и кречњачког праха. Додавање одређене пропорције кречњака у слој филтера неутралисало је створену киселост и произвео талог ЦаСО₄, снижавајући концентрацију сулфата у ефлуенту и ефикасно решавајући проблеме производње киселине и високог нивоа сулфата. Међутим, кречњак је заузимао простор намењен медијима донора електрона унутар система, слабећи напредни капацитет денитрификације, повећавајући тврдоћу ефлуента и подижући оперативне трошкове. Тренутна истраживања САД технологије су првенствено у лабораторијским и пилот размерама, са недовољним инжењерским искуством за референцу. Потребна су даља примењена истраживања пре индустријске{13}}промоције.

МББР је типичан представник процеса биофилма у флуидизованом{0}}слоју и нове технологије за пречишћавање отпадних вода која је привукла значајну пажњу последњих година. Користи суспендоване носаче са густином блиском води за специфично обогаћивање микроорганизама, формирајући биофилм за постизање напредног уклањања азота. Процеси биофилма у флуидизованом{3}}слоју такође избегавају проблеме зачепљења медија и повратног испирања. Тренутно, чисти биофилм МББР за напредну денитрификацију ППОВ има преко 20 година успешног оперативног искуства у иностранству и све ширу примену у Кини. Зхенг Зхијиа и др. користио је двостепени МББР процес са чистим биофилмом-за напредну денитрификацију. На Ц/Н=4.0, ефлуентни нитратни азот система се стабилизовао на (1,87 ± 1,07) мг/Л, са просечном стопом уклањања ТН од 93,3%. Развојна зона ППОВ у одређеном граду конструисала је нови МББР био-резервоар као терцијарни напредни третман за побољшану денитрификацију. Оптерећење уклањања ТН у ​​аноксичном делу чистог биофилма МББР било је 1,1 г/(м²·д), побољшавајући поузданост денитрификације система. Гао Ианбо и сарадници, са циљем да повећају капацитет првобитног постројења, конструисали су нови двостепени АО чист биофилм МББР био-резервоар, постижући стабилан ефлуент ТН испод 5 мг/Л са високом ефикасношћу денитрификације. Стога, чисти биофилм МББР процес показује велики потенцијал за напредно уклањање азота у ППОВ, комбинујући предности као што су висока ефикасност коришћења извора угљеника, велико оптерећење третмана и мали отисак. Међутим, он такође поставља веће захтеве за опрему, захтевајући поуздану опрему која подржава стабилан рад процеса. Поређење уобичајених напредних процеса уклањања азота је приказано уТабела 1.

На основу свеобухватног поређења, иако ЈЦД процес не захтева додавање извора угљеника, његова тренутна примена још није зрела и носи секундарне ризике од загађења, тако да није узет у обзир за ову надоградњу. Иако су филтери за денитрификацију широко коришћени, они се углавном користе у надоградњи ППОВ где је пројектовани улазни/ефлуентни ТН често 15/12 мг/Л, подносећи релативно мало оптерећење уклањања ТН. Пошто је овај пројекат захтевао испуњавање дугорочних- високих захтева за уклањањем ТН-а, рад би значајно скратио циклус повратног испирања филтера, повећавајући потешкоће у раду и нестабилност. Чисти биофилмски МББР процес комбинује предности као што су висока ефикасност искоришћења угљеника, нема потребе за повратним испирањем, зрела примена и нема секундарног загађења. Узимајући у обзир изазове процеса и захтеве за реновирање, пројекат је на крају изабрао изградњу новог чистог биофилмског МББР био-резервоара (у даљем тексту МББР резервоар) као напредног решења за уклањање азота за прву фазу, пројектованог са Ц/Н=4.5, и планираним периодом поврата инвестиције од 7,37 година.

3. Нови план изградње

3.1 Ток процеса

Ток процеса пречишћавања отпадних вода након реновирања приказан је уСлика 3. Утицај постројења пролази кроз фина сита, коморе са вртложним песком и примарне резервоаре за седиментацију пре него што уђе у БИОЛАК био-резервоар за уклањање органске материје, амонијачног азота итд. Затим се пумпама подиже у МББР резервоар за напредно уклањање ТН. Резервоар МББР је дизајниран за доводни ТН од 35 мг/Л и ефлуент ТН мањи или једнак 15 мг/Л. МББР ефлуент се подиже секундарним пумпама до постојећег напредног третмана постројења за одвајање чврсте-течности и расипање муља. Коначни ефлуент се дезинфикује пре испуштања у прихватну реку. Вишак муља се згушњава, одводњава и транспортује са{10}}локације ради одлагања.

3.2 Нови МББР тенк

МББР резервоар користи АО процес, направљен коришћењем Липп резервоара за модуларну монтажу, завршен за 30 дана. Укупно време хидрауличног задржавања система (ХРТ) је 1,43 сата. Унутар резервоара се додају специјализовани аеробни и аноксични суспендовани носачи типа СПР-ИИИ, са односом пуњења од 60% у аеробној зони и 55% у аноксичној зони. Носачи су спљоштени цилиндрични, пречника 25 мм и висине 10 мм, са ефективном специфичном површином већом или једнаком 800 м²/м³. Аноксична зона је опремљена са 4 МББР-наменске мешалице променљиве-фреквенције (СПР хемијски тип снаге), Н=5.5 кВ сваки, обезбеђујући уједначену и довољну флуидизацију за носаче. Након сазревања биофилма, 2 миксера су рутински у функцији, а друга 2 као врућа приправност. Аеробна зона користи пужне дуваљке за аерацију. Једна дуваљка има капацитет ваздуха од 14,50 м³/мин, притисак 90 кПа, Н=22 кВ. Инсталиран је један сет перфорираних цевних дифузора намењених аеробној зони (тип СПР). Због мале потребне запремине аерације, постојеће дуваљке Фазе И обично се могу користити, а нови дуваљке и дуваљке Фазе И служе као узајамна резерва. У аеробну и аноксичну зону уграђују се нова сита за пресретање материјала (тип СПР), дебљине 12 мм, са пројектованим веком трајања од 30 година.

3.3 Нови пратећи објекти

• Инфлуент Систем: Отпад из БИОЛАК био-резервоара се подиже у МББР резервоар. 4 су инсталиране улазне пумпе (2 радне, 2 приправне), свака са К=840 м³/х, Х=65 кПа, Н=30 кВ.
• Систем за дозирање извора угљеника: Отпад из био{0}}резервоара фазе И БИОЛАК садржи само ЦОД који је тешко искористити. Да би се обезбедила напредна денитрификација у аноксичној зони резервоара МББР, натријум ацетат се користи као екстерни извор угљеника. 4 пумпе за дозирање су инсталиране (2 радне, 2 приправне), свака са К=300 Л/х, Х=200 кПа, Н=0.37 кВ.