Анализа ефекта ретрофитирања МББР процеса у јужном постројењу за пречишћавање отпадних вода
„Билтен о статусу градске изградње у Кини 2022.“ који је објавило Министарство становања и урбаног{1}}руралног развоја Народне Републике Кине у октобру 2023. показује да је до краја 2022. капацитет пречишћавања отпадних вода у Кини достигао 216 милиона м³/д, што је годишње{5}0}% повећање од{6} годишње{5}04%.{6} Укупна запремина пречишћених отпадних вода је у тренду раста већ 10 узастопних година од 2013. Брзи развој градова прати и повећање испуштања отпадних вода, а контрадикторност између земљишта потребног за проширење и реновирање постројења за пречишћавање отпадних вода и урбанистичког земљишта постаје све израженија.
За проширење капацитета постојећих постројења за пречишћавање отпадних вода, конвенционални процес активног муља генерално усваја метод проширења постројења. Како се обим проширења повећава, трошкови стицања земљишта постепено расту, а период изградње се продужава. Продубљивање капацитета за пречишћавање у оквиру постојећег постројења за пречишћавање отпадних вода је тренутно ефикасна мера за даље унапређење капацитета за пречишћавање градских отпадних вода и ублажавање контрадикторности између урбаног развоја и коришћења земљишта. Биофилмски реактор са покретним креветом (МББР) настао је у Норвешкој касних 1980-их. Побољшава обогаћивање функционалних бактерија и на тај начин побољшава капацитет третмана система додавањем суспендованих носача у биолошки резервоар како би се формирали биофилмови. Због своје карактеристике да се може „уградити“ у оригинални биолошки систем, широко се користи у надоградњи и реновирању постројења за пречишћавање отпадних вода, постижући ин-ситу повећање капацитета без додавања новог земљишта. Штавише, у поређењу са другим процесима{8}}ретрофита који штеде земљиште, као што су мембрански биореактор (МБР) и биолошки флуидизовани слој са носачем композитног праха високе концентрације (ХПБ), МББР процес не захтева периодичну замену или допуњавање носача, што га чини економски повољнијим.
Овај чланак узима као пример реконструкцију проширења капацитета коришћењем МББР процеса у постројењу за пречишћавање отпадних вода у јужној Кини. Анализира оперативне перформансе постројења пре и после реконструкције, перформансе нитрификације МББР зоне и структуру микробне заједнице, појашњавајући практичну улогу МББР процеса у-проширењу капацитета ин ситу. Циљ је да се дају референце и сугестије за пројектовање и рад сличних постројења за пречишћавање отпадних вода.
1 Преглед пројекта
Постројење за пречишћавање отпадних вода у јужној Кини има укупан пројектовани капацитет пречишћавања од 7,5×10⁴ м³/д, са капацитетом фазе И од 5×10⁴ м³/д и фазе ИИ од 2,5×10⁴ м³/д. Обе фазе су у почетку користиле модификовани Барденпхо процес. Главни циљеви третмана су кућне отпадне воде са подручја сакупљања и делимичне индустријске отпадне воде из индустријског парка. Квалитет ефлуента мора бити у складу са стандардом разреда А специфицираним у „Стандарду за испуштање загађујућих материја из комуналних постројења за пречишћавање отпадних вода“ (ГБ 18918-2002). Са брзим развојем урбане изградње и привреде, испуштање отпадних вода се повећава, а пројекат је радио пуним капацитетом или преко њега. У 2021. години, према захтеву државних органа, пројекат је морао да прошири свој капацитет за додатних 2,5×10⁴ м³/д на основу првобитне скале, достижући укупан капацитет третмана од 1×10⁵ м³/д. Стандард за отпадне воде остао је степен А од ГБ 18918-2002. Дизајнирани доток и квалитет ефлуента су приказани уТабела 1.
Подручје око овог пројекта је пољопривредно земљиште, а није било довољно резервисаног земљишта за проширење у оквиру првобитне локације фабрике. Поред тога, током почетне изградње фазе ИИ, јединице за предтретман су већ изграђене према капацитету од 5×10⁴ м³/д. Стога је фокус овог пројекта реконструкције био да се у потпуности искористи потенцијал третмана постојећих биолошких резервоара и минимизира заузимање земљишта ради модификације биолошких резервоара. МББР процес се широко користи у ин-проширењу капацитета и реновирању постројења за пречишћавање отпадних вода због своје „уграђене“ карактеристике. На пример, постројење за пречишћавање отпадних вода у северној Кини користило је МББР процес за повећање капацитета, максимизирајући коришћење постојећих запремина резервоара и протока процеса, постижући 20% ин{8}}проширења капацитета на лицу места са ефлуентом који стабилно испуњава стандарде А разреда. Друго постројење у Гуангдонгу користило је МББР процес за-ин ситу побољшање перформанси биолошког третмана, постижући добар ефекат од 50% ин{12}}проширења капацитета на лицу места са ефлуентом који је стабилно бољи од стандарда за испуштање. Стога, узимајући у обзир стварне потребе постројења за пречишћавање отпадних вода и свеобухватну процену фактора као што су коришћење земљишта и рад, МББР процес је на крају изабран као процес третмана за ову реконструкцију проширења капацитета.
2 Дизајн процеса
2.1 Ток процеса
Суштина ове реконструкције проширења капацитета била је да се побољша капацитет третмана биолошких резервоара ин-на лицу места преко МББР-а, обезбеђујући стабилну усклађеност са стандардима за отпадне воде упркос повећању протока од 100%. Пошто су првобитне јединице за претходни третман и напредне јединице за третман већ биле изграђене за капацитет од 5×10⁴ м³/д, ова реконструкција се фокусирала на поновно коришћење постојећих објеката. Основна модификација су били биолошки резервоари, заједно са изградњом новог секундарног таложника постављеног да задовољи потребе за третманом након повећања протока. Ток процеса након накнадне уградње приказан је уСлика 1. Инфлуент се подвргава претходном третману кроз груба/фина сита и комору за пескарење, а затим улази у модификовани Барденпхо-МББР резервоар за уклањање угљеника, азота, фосфора и других загађивача. Отпад из биолошких резервоара пролази кроз таложне резервоаре и високоефикасни-пречистач да би се обезбедила стабилна усклађеност са СС и ТП стандардима. После дезинфекције, коначни ефлуент се испушта у прихватну реку ради допуњавања еколошке воде.
2.2 Биолошка реконструкција резервоара
План реконструкције биолошког резервоара је приказан уСлика 2. Док је проток третмана удвостручен, запремине првобитне анаеробне и аноксичне зоне остале су непромењене. 20% запремине првобитне аеробне зоне је подељено да би се створила додатна аноксична зона, проширујући укупну запремину аноксичне зоне како би се задовољила потражња за денитрификацијом. Суспендовани носачи су додати у преосталу запремину аеробне зоне да би се формирала аеробна МББР зона. Инсталирани су помоћни системи за прочишћавање улаза/излаза и МББР-специфични миксери. Оригинални ланчани систем за аерацију замењен је системом за аерацију са доњем перфорацијом како би се обезбедила добра флуидизација суспендованих носача и спречио њихов губитак током протока воде. Након реконструкције, укупно време хидрауличког задржавања (ХРТ) биолошких резервоара је 8,82 х, са анаеробном зоном ХРТ у 1,13 х, аноксичном зоном ХРТ у 3,05 х и аеробном зоном ХРТ у 4,64 х. Укупан интерни однос рециклирања система је 150%, а старост муља је 16 дана.
Regarding equipment, 4 sets of submersible mixers were added to the anoxic zone (Power P = 4 kW, Impeller Diameter D = 620 mm). SPR-III type suspended carriers were added to the aerobic MBBR zone, with a diameter of (25.0 ± 0.5) mm, height of (10.0 ± 1.0) mm, effective specific surface area >800 м²/м³, и густина од 0,94 ~ 0,97 г/цм³. Густина се приближава оној у води након причвршћивања биофилма, у складу са индустријским стандардом „Полиетиленски суспендовани носач пунила високе-високе густине за третман воде“ (ЦЈ/Т 461-2014). Однос пуњења је 45%. Додата су два сета потопљених миксера специфичних за носач-(П=5.5 кВ). Додата су 22 сета система за аерацију који се могу подићи, 4 сета фиксних система за аерацију и 45 комплета аератора са финим мехурићима. Замењене су две унутрашње пумпе за рециклажу (Проток К=1600 м³/х, Напон Х=0.60 м, П=7.5 кВ).
2.3 Изградња нове секундарне таложнице
Због повећаног протока, постојећи секундарни таложници нису могли да испуне потребе за ефлуентом. Нови секундарни таложник је био потребан да би се подржао повећан капацитет третмана. Нови резервоар је конзистентан са оригиналним, користећи правоугаони хоризонтални тип протока. Ефективна запремина резервоара је 4900 м³, са ХРТ=7 х. Додан је један стругач за муљ типа пумпе{6}} (радна брзина В=0.8 м/мин). Додато је шест потопљених аксијалних пумпи (спољне рециклажне пумпе) (К=180 м³/х, Х=4 м, П=5.5 кВ). Додате су две пумпе за отпадни муљ (К=105 м³/х, Х=11 м, П=7.5 кВ).
3 Анализа ефекта МББР ретрофит
Оперативне перформансе пре и после Фазе ИИ реконструкције, истовремене оперативне перформансе Фазе И и Фазе ИИ, промене квалитета воде током процеса у Фази ИИ и капацитет нитрификације фаза биофилма и суспендованог муља у Фази ИИ су анализирани да би се проценио ефекат побољшања ретрофита МББР на капацитет третмана система.
3.1 Поређење оперативних перформанси
Пре реконструкције, фаза ИИ је већ радила изнад пројектованог протока, са стварним просечним протоком од (3,02 ± 0,46) ×10⁴ м³/д. Након реконструкције, проток се даље повећао на (5,31 ± 0,76) ×10⁴ м³/д, стварно повећање од приближно 76%. Максимални радни проток достигао је 7,61×10⁴ м³/д, 1,52 пута више од пројектоване вредности. Утицај и квалитет ефлуента пре и после реконструкције приказан је уТабела 2иСлика 3. Што се тиче инфлуентног оптерећења, након накнадне уградње, оптерећење амонијачним азотом (НХ₃-Н), укупним азотом (ТН), ЦОД и ТП повећало се на 1,61, 1,66, 1,60 и 1,53 пута у односу на нивое пре - ретрофитирања, респективно. Што се тиче стварног квалитета улива/ефлуента, утицајни НХ₃-Н и ТН пре/после реконструкције били су (22,15±3,73)/(20,17±4,74) мг/Л и (26,28±4,07)/(23,19±3,66) мг/Л, респективно Ефлуентни НХ3-Н и ТН пре/после реконструкције били су (0,16±0,14)/(0,14±0,08) мг/Л и (8,62±1,79)/(7,01±1,76) мг/Л, са просечним стопама уклањања од 99,28%/7,6%/76%/96%. односно. Упркос значајном повећању протока и утицаја оптерећења након реконструкције, квалитет ефлуента је и даље био бољи него пре реконструкције. Повећана запремина аноксичне зоне обезбедила је добро уклањање ТН-а, са ефлуентним ТН-ом даље смањеним након реконструкције. Аеробна зона је постигла значајно побољшање капацитета нитрификације кроз биофилм суспендованог носача. Чак и са смањењем запремине аеробне зоне од 20% у поређењу са пре-надоградњом и значајним повећањем протока и утицајног оптерећења, одржано је високо ефикасно уклањање НХ₃-Н. Утицајни ЦОД и ТП пре/после ретрофита били су (106,82±34,37)/(100,52±25,93) мг/Л и (2,16±0,54)/(1,96±0,49) мг/Л, респективно. ЦОД и ТП ефлуента пре/после реконструкције били су (10,76±2,04)/(11,15±3,65) мг/Л и (0,14±0,07)/(0,17±0,05) мг/Л, са просечним стопама уклањања од 89,93%/93,52% и 881% респективно. Након реконструкције, квалитет отпадних вода је остао стабилно бољи од пројектованог стандарда за испуштање.
Оперативни подаци од новембра до јануара следеће године (после-ретрофит) су даље одабрани да би се упоредио учинак Фазе И и Фазе ИИ у условима ниске{1}}температуре (минимална температура 12 степени). Концентрације загађивача у инфлуенту и ефлуенту за обе фазе су приказане уСлика 4. У условима ниске{1}}зимске температуре, ефлуенти из оба процеса су били стабилно бољи од пројектованог стандарда за испуштање. Посебно за уклањање НХ₃-Н, који је подложан ниским температурама, са концентрацијом НХ3-Н од (18,98±4,57) мг/Л, ефлуент фазе И НХ3-Н је био (0,27±0,17) мг/Л, а фаза ИИ је била (0,27±0,17) мг/Л. показују добру отпорност на ниске температуре. Нарочито, након реконструкције МББР-а у фази ИИ, ХРТ аеробне зоне износио је само 66,07% оне у фази И, постижући значајно побољшање у перформансама нитрификације.
3.2 Анализа перформанси МББР зоне
Да би се даље утврдио стварни ефекат сваке функционалне зоне, узорци воде са краја сваке функционалне зоне у Фази И и Фази ИИ су узети за паралелно мерење. Резултати су приказани уСлика 5. Концентрације улазног НХ3-Н биле су 18,85 мг/Л и 18,65 мг/Л, а концентрације НХ₃-Н у ефлуенту биле су 0,35 мг/Л и 0,21 мг/Л, са стопама уклањања НХ3-Н од 98,14%, односно 98,14%. На основу промена профила азота, уклањање НХ₃-Н у фази ИИ се углавном дешавало у аеробној МББР зони. Концентрација НХ₃-Н у ефлуенту зоне МББР била је 0,31 мг/Л, доприносећи 99,46% укупном уклањању НХ₃-Н, што је већ боље од пројектованог стандарда за испуштање. Наредна зона аеробног активног муља имала је заштитну улогу. Штавише, постројења за пречишћавање отпадних вода која користе МББР у аеробној зони обично показују симултану нитрификацију и денитрификацију (СНД). Међутим, у овом пројекту није примећено уклањање укупног неорганског азота (ТИН) у аеробној МББР зони, што може бити повезано са релативно ниском концентрацијом утицајног супстрата у овом пројекту.
Да би се даље истражио ефекат додавања суспендованих носача на перформансе нитрификације система, узет је супернатант из ефлуента аноксичне зоне из фазе И. Тестови перформанси нитрификације су спроведени на чистом муљу фазе И, чистом муљу фазе ИИ, чистом биофилму фазе ИИ и комбинованом систему биофилма-фазе ИИ. Под условима који су у складу са стварним пројектом (однос пуњења носача, концентрација муља, температура воде), са ДО контролисаним на 6 мг/Л да би се одредио оптимални учинак нитрификације. Резултати су приказани уТабела 3. Стопе нитрификације за чисти муљ фазе И, чисти муљ фазе ИИ, чисти биофилм фазе ИИ и комбиновани систем биофилма-муља фазе ИИ биле су 0,104, 0,107, 0,158 и 0,267 кг/(м³·д), респективно. Додавање суспендованих носача побољшало је перформансе система нитрификације. Стопа нитрификације комбинованог система биофилма-фазе ИИ је достигла 2,57 пута више од система чистог активног муља фазе И. Штавише, оптерећење чистог биофилма је већ било веће од оптерећења активног муља, значајно побољшавајући отпорност система на ударно оптерећење. У комбинованом систему фазе ИИ, биофилм је допринео нитрификацији са 59,92%, држећи доминантну позицију.
3.3 Анализа рационалности реконструкције
Да би се анализирала рационалност коришћења комбинованог биофилм-муља МББР процеса за ову реконструкцију, извршени су прорачуни у вези са ефектом додавања носача, отпорношћу система на ударно оптерећење и корелацијом између повећања протока и додавања носача. Да фаза ИИ овог пројекта није накнадно опремљена и није користио традиционални процес активног муља, заснован на пројектованом доводу/ефлуенту НХ₃-Н и оптималној запреминској стопи нитрификације активног муља фазе И (ДО=6 мг/Л), израчунати ефлуент НХ₃{{4}Л5,Н5, концентрацију ефлуента не би достигао стандард/. Ако се израчуна на основу оптималне стопе нитрификације добијене тестом комбинованог система Фазе ИИ, при пројектованом протоку улива, фаза ИИ би могла да толерише максималну концентрацију НХ₃-Н до 55 мг/Л, што је 2,20 пута већа од пројектоване вредности, значајно повећавајући отпорност система на ударно оптерећење. Стога је коришћење МББР-а за ову реконструкцију рационално и ефикасно обезбеђује стабилну усклађеност са стандардима за отпадне воде. Ако би фаза И такође била накнадно опремљена МББР процесом, на основу пројектованих концентрација загађивача довода/ефлуента, проток третмана би се могао повећати за више од 1 пута, пружајући могућност постројењима за пречишћавање отпадних вода да одговарају брзом урбаном развоју и постижу глатку надоградњу.
4 Статус везивања биофилма и микробна анализа
Причвршћивање биофилма на висећим носачима у овом пројекту је приказано уСлика 6. Биофилм је равномерно обложио унутрашњу површину носача, будући да је густ без флокулантног материјала у порама носача. Просечна дебљина износила је (345,78 ± 74,82) μм. Просечна биомаса биофилма је била (18,87 ± 0,93) г/м², однос испарљивих суспендованих чврстих супстанци (ВСС)/СС је био стабилан на 0,68 ± 0,02, а просечни ВСС је био (12,77 ± 0,61) г/м².
Да би се даље истражио ефекат побољшања МББР ретрофита на капацитет третмана система из микроскопске перспективе, узорци активног муља фазе И, активног муља фазе ИИ и биофилма су узети за секвенционирање високог{1}}пропустљивости 16С ампликона. Релативна бројност микроорганизама на нивоу рода унутар система приказана је уСлика 7.
Доминантни нитрификујући родови на биофилму суспендованог носача били су Нитроспира и Нитросомонас, са релативном заступљеношћу од 7,98% и 1,01%, респективно. Насупрот томе, доминантни нитрификујући род у активном муљу фазе И и фазе ИИ био је Нитроспира, са релативном заступљеношћу од 1,05% и 1,27%, респективно. Нитроспира је најчешћи нитрификујући род у постројењима за пречишћавање отпадних вода. За многе од његових врста је доказано да поседују потпуну способност оксидације амонијака (комамокс), што значи да један микроорганизам може да заврши процес од амонијака до нитрата. МББР процес, у облику биофилма, постигао је ефикасно обогаћивање Нитроспире, са релативном заступљеношћу 7,58 пута у односу на активни муљ, пружајући микроскопску основу за побољшање перформанси система нитрификације. Такође се може приметити да је релативна количина нитрификујућих бактерија у активном муљу из истог система као и биофилм (фаза ИИ) била нешто већа него у систему чистог активног муља фазе И. Ово може бити зато што је одвајање биофилма са суспендованих носача инокулисало активни муљ током динамичког обнављања, повећавајући релативну количину нитрификујућих бактерија у муљу.
Доминантни денитрификујући родови у оба система су углавном били обогаћени активним муљем и били су релативно слични по саставу, укључујући Терримонас, Флавобацтериум, Децхлоромонас, Хипхомицробиум, итд. Релативна заступљеност денитрификујућих родова у Фази И и Фази ИИ износила је 8,76%, односно 7,52%, респективно. Са функционалне перспективе, поред денитрификације, неке врсте унутар Теримонаса могу разградити супстанце сличне антрацену-; Флавобацтериум може разградити биоразградиву пластику (нпр. ПХБВ); Хипхомицробиум може да користи различита токсична и тешко{7}}-разградива органска једињења за денитрификацију, као што су дихлорометан, диметил сулфид, метанол, итд. Утицај овог пројекта садржи неке индустријске отпадне воде, што доводи до специјализације функционалних микробних заједница под дуготрајном- Иако овај пројекат није показао значајне макроскопске СНД ефекте, неке денитрификујуће функционалне групе су и даље пронађене на биофилму суспендованог носача, укључујући Хипхомицробиум, Децхлоромонас, Терримонас и ОЛБ13, са укупним уделом од 2,78%. Ово указује да након што биофилм достигне одређену дебљину, аноксична/анаеробна микроокружења која се формирају унутра могу да обезбеде услове за обогаћивање денитрификујућих бактерија, нудећи и могућност појаве СНД у аеробној МББР зони. Штавише, Протеиницластицум је детектован у муљу фазе И и фазе ИИ, са релативним садржајем од 1,09% и 1,18%, респективно. Овај род има добру способност разлагања и трансформације протеинских супстанци. Његово обогаћивање може бити повезано са присуством бројних предузећа за млечне производе у зони сакупљања овог пројекта.
Приметно је да је релативна заступљеност Цандидатус Мицротхрик у активном муљу фазе И достигла 3,72%. То је уобичајена филаментозна бактерија у активном муљу, често повезана са нагомилавањем муља. Међутим, његова релативна заступљеност у муљу фазе ИИ и биофилму износила је само 0,57%, односно 1,03%. Након накнадног опремања са МББР процесом, флуидизација суспендованих носача има ефекат смицања на филаментне бактерије, смањујући вероватноћу филаментозног нагомилавања у активном муљу.
5 Економска анализа
Потрошња електричне енергије по кубном метру пре и после ове реконструкције била је 0,227 кВх/м³ и 0,242 кВх/м³, респективно. По цени електричне енергије од 0,66 РМБ/(кВх), оперативни трошкови електричне енергије били су 0,150 РМБ/м³ и 0,160 РМБ/м³. Повећање потрошње електричне енергије је углавном последица новог мешања аноксичних зона и додатне електричне опреме из новог секундарног таложника. Хемикалије за уклањање фосфора које се користе у овом пројекту су полифери хлорид (ПФЦ) и полиакриламид (ПАМ). Дозирање је остало доследно пре и после реконструкције: доза ПФЦ 2,21 т/д, цена 0,014 РМБ/м³; ПАМ доза 17,081 кг/д, цена 0,0028 РМБ/м³. Овај пројекат у потпуности користи извор угљеника у сировом инфлуенту за денитрификацију. Ниједан спољни извор органског угљеника није додат пре или после накнадне уградње. Директни трошкови електричне енергије и хемикалије по кубном метру пре и после реконструкције били су 0,167 РМБ/м³ и 0,177 РМБ/м³, респективно.
6 Закључци и изгледи
(1) Фаза ИИ јужног постројења за пречишћавање отпадних вода користила је МББР процес за реконструкцију проширења капацитета, рјешавајући проблеме као што је недостатак земљишта. Након накнадне уградње, проток третмана се повећао са (3,02±0,46) ×10⁴ м³/д на (5,31±0,76) ×10⁴ м³/д, постигавши 76% ин-проширења капацитета на лицу места. Максимални оперативни проток достигао је 1,52 пута већу од пројектоване вредности, са ефлуентом који је стабилно бољи од пројектованог стандарда за испуштање.
(2) Уграђивањем МББР процеса у биолошку фазу, постигнуто је високо ефикасно и стабилно уклањање НХ₃-Н у зимским условима ниске-температуре, иако је аеробни ХРТ износио само 66,07% оног у процесу активног муља. МББР зона је допринела 99,46% уклањању НХ₃-Н. Да фаза ИИ није накнадно опремљена, под истим протоком и квалитетом воде, ефлуент НХ₃-Н би достигао 5,55 мг/Л. Стога је коришћење МББР-а за ову реконструкцију било неопходно и рационално.
(3) Биофилм суспендованог носача појачао је ефекат обогаћивања језгра нитрификационог рода Нитроспира. Његова релативна заступљеност у биофилму била је 7,58 пута већа од активног муља, пружајући микроскопску основу за побољшање перформанси система нитрификације. Додатно, обогаћивање денитрификујућих родова у биофилму нуди могућност појаве СНД.
Овај пројекат је користио комбиновани биофилм{0}}процес муља да би се постигао-повећање капацитета ин ситу. Међутим, стварни рад је и даље ограничен задржавањем и обнављањем активног муља, спречавајући даље побољшање капацитета третмана. Тренутно, чисти биофилмски процеси се примењују у стварним пројектима, потпуно напуштајући активни муљ и користећи карактеристике високог-оптерећења биофилма за ефикасно уклањање загађивача, неограничено ограничењима активног муља. Ово пружа ново решење за нову изградњу, реновирање или проширење постројења за пречишћавање отпадних вода.