Pokročilé odstraňovanie dusíka v ČOV: Návrh procesu a analýza výkonu čistého biofilmu MBBR|Prípadová štúdia

Technický návrh a výkon čistého biofilmového MBBR procesu na pokročilé odstraňovanie dusíka

S komplexným pokrokom v budovaní ekologickej civilizácie v Číne sú normy vypúšťania pre čistiarne odpadových vôd (ČOV) čoraz prísnejšie. Stupeň A normy „Standard vypúšťania znečisťujúcich látok pre komunálne čističky odpadových vôd“ (GB 18918-2002) vyžaduje TN menší alebo rovný 15 mg/l, zatiaľ čo miestne normy v regiónoch ako Peking a Shandong explicitne stanovujú limit na TN menší alebo rovný 10 mg/l. Tieto zvýšené normy presahujú len limity kvality vody a kladú prísnejšie požiadavky na stabilitu odpadovej vody. V dôsledku toho existuje naliehavá potreba zvýšiť kapacitu odstraňovania dusíka v procesoch úpravy. Jedným prístupom je zvýšiť dávku zdroja uhlíka v existujúcom procese na zlepšenie denitrifikácie, čo však vedie k vysokým prevádzkovým nákladom a zvýšeným emisiám uhlíka. Alternatívne pridanie pokročilých zariadení na odstraňovanie dusíka, ktoré často využívajú metódy biofilmu na efektívne obohatenie denitrifikačných baktérií, môže zlepšiť odstraňovanie TN, znížiť potrebu externých zdrojov uhlíka a znížiť emisie uhlíka. Biofilmový reaktor s pohyblivým lôžkom (MBBR) so svojimi výhodami silného obohacovania funkčnými baktériami, malým pôdorysom a jednoduchou obsluhou a údržbou sa široko používa pri výstavbe, rozširovaní a modernizácii ČOV. Môže stabilne dosahovať štandardy vypúšťania lepšie ako kvalita povrchovej vody kvázi triedy IV a má významný potenciál a výhody pre pokročilé odstraňovanie dusíka v ČOV. Tento článok berie ČOV v Shandongu ako prípadovú štúdiu na analýzu zdôvodnenia návrhu a prevádzkového výkonu aplikácie čistého biofilmového MBBR procesu na pokročilé odstraňovanie dusíka s cieľom poskytnúť technickú referenciu pre efektívnu denitrifikáciu odpadových vôd.

1. Prehľad projektu

1.1 Úvod do projektu

ČOV v Shandongu bola postavená v dvoch fázach. Prvá fáza, využívajúca proces BIOLAK, bola oficiálne uvedená do prevádzky v novembri 2003 s kapacitou úpravy 40 000 m³/d. Rozloženie procesu BIOLAK a dostupná oblasť pre aktualizáciu sú zobrazené vObrázok 1. Spočiatku kvalita odpadovej vody spĺňala štandard triedy B GB 18918-2002. Do roku 2020 sa vďaka lepšiemu dávkovaniu zdroja uhlíka a pridaniu pokročilého spracovania zlepšila kvalita odpadovej vody na štandard triedy A. Do roku 2023, po troch rokoch prevádzky, by celková kvalita odpadových vôd mohla vo všeobecnosti spĺňať normu triedy A, ale čelila dvom veľkým výzvam týkajúcim sa odstraňovania dusíka:

Dávkovanie zdroja vysokého uhlíka: Aby sa dosiahol cieľ TN menší alebo rovný 15 mg/l, bolo potrebné značné množstvo externého zdroja uhlíka. Výpočty založené na úsekoch procesu ukázali pomer C/N až 5,9, zatiaľ čo proces AAO v druhej fáze závodu vyžadoval len C/N 4,5–5,0, aby sa zabezpečila stabilná zhoda TN. Pridanie veľkého zdroja uhlíka tiež nepriaznivo ovplyvnilo proces aeróbnej nitrifikácie, čím sa zvýšila spotreba kyslíka v aeróbnej zóne.

Nízka stabilita odstraňovania dusíka: Keďže nitrifikácia a denitrifikácia prebiehali v tej istej nádrži za rôznych požadovaných podmienok, prevádzkové parametre si vyžadovali časté úpravy na základe zmien prítoku. Riadenie NH₃-N a TN bolo protichodné, čo sťažovalo udržiavanie stabilnej rovnováhy medzi nitrifikáciou a denitrifikáciou. Odolnosť systému voči nárazovému zaťaženiu bola priemerná, čo viedlo k zlej stabilite odpadovej vody.

Preto bola potrebná modernizácia pôvodného procesu BIOLAK s hlavnými cieľmi vyriešiť konflikt medzi nitrifikáciou a denitrifikáciou, znížiť prevádzkové náklady na odstraňovanie dusíka a zlepšiť stabilitu odpadových vôd.

1.2 Inovačné výzvy

Keďže proces BIOLAK nebol vhodný na{0}}úpravu v nádrži na zvýšenie výkonu, plánom bolo posilniť úpravu skonštruovaním novej pokročilej jednotky na odstraňovanie dusíka. Pôvodný proces BIOLAK bol primárne zameraný na nitrifikáciu s denitrifikáciou ako sekundárnou, zatiaľ čo nový proces by bol zameraný na denitrifikáciu. Vzhľadom na aktuálne potreby renovácie čelil projekt dvom veľkým výzvam: obmedzená dostupná plocha pre nový proces a vysoké požiadavky na prevádzkovú efektívnosť.

Obmedzený dostupný pozemok pre nový proces: Nová výstavba musela byť dokončená v rámci existujúceho areálu závodu, ktorý nemal v podstate žiadne vyhradené pozemky. Výstavba bola možná len na zelenom páse priľahlom k nádržiam BIOLAK s dostupnou plochou 400 m². To znamenalo, že stopa nového projektu na jednotku upravenej vody musela byť menšia alebo rovná 0,01 m²/(m³·d).

Požiadavky na vysokú prevádzkovú účinnosť: Nešlo o jednoduchý upgrade, ale o ďalšiu optimalizáciu biochemickej funkčnej zóny. Očakávalo sa, že nová jednotka zvládne odstraňovanie dusíka 20 mg/l. Tento proces bolo potrebné nielen dokončiť na obmedzenom území, ale bolo tiež potrebné znížiť dávkovanie zdroja uhlíka v porovnaní s pôvodnou denitrifikáciou BIOLAK a zároveň zabezpečiť stabilný výkon denitrifikácie. Boli teda kladené vysoké požiadavky na účinnosť odstraňovania dusíka aj na účinnosť využitia zdroja uhlíka.

2. Porovnanie a výber procesov

Po úprave procesom BIOLAK sa odpadová voda TN skladá hlavne z dusičnanového dusíka. V súčasnosti zrelé pokročilé procesy odstraňovania dusíka primárne využívajú biofilmové metódy, ktoré sa vyznačujú tým, že mikroorganizmy efektívne obohacujú povrchy nosičov v pripojenom stave a ponúkajú výrazne vyššiu účinnosť obohacovania funkčných baktérií ako bežné procesy s aktivovaným kalom. Procesy biofilmu možno ďalej rozdeliť na typy s pevným-lôžkom a pohyblivým-lôžkom na základe fluidizácie nosiča, ako je znázornené naObrázok 2Denitrifikačné filtre, typické procesy s biofilmom s pevným{0}lôžkom, používajú ako nosiče mikrobiálneho rastu pevné granulované filtračné médiá. Pridaním externého zdroja uhlíka využívajú denitrifikáciu biofilmu a filtráciu média na dosiahnutie súčasného odstránenia NO₃^--N, SS a iné znečisťujúce látky. Medzi výhody patrí stabilná kvalita upravenej vody, nie sú potrebné sekundárne čističky a kompaktné usporiadanie, vďaka čomu sú široko používané pri modernizácii ČOV ako pokročilá jednotka na čistenie na posilnenie odstraňovania TN zo sekundárnych odpadových vôd. Prevádzkové zameranie sa však musí zamerať na vplyv C/N na pokročilú účinnosť denitrifikácie. Projekt modernizácie ČOV Pingtang fázy I, tiež s kapacitou 40 000 m³/d, využíval denitrifikačný filter + vysokoúčinnú flotáciu rozpusteným vzduchom (DAF) ako pokročilý proces úpravy na zvýšenie TN odpadových vôd na kvázi{8}}štandardy povrchovej vody triedy IV, čo umožňuje úsporu pôdy približne 5 m² a 04 m²/04. liečby, ale s C/N až 18,34. S cieľom splniť nové miestne normy pre odpadovú vodu TN, závod na rekultiváciu vody v Chengdu č Čistiareň odpadových vôd Dingqiao v Hainingu nemohla spĺňať normy vypúšťania stupňa A požadované pre povodie rieky Qiantang. Gao Feiya a kol. použil denitrifikačný hlboký{18}}filtr na pokročilú úpravu TN, pričom súčasne odstraňuje SS a TP, čím sa kvalita odpadovej vody približuje kvázi{19}}štandardom triedy IV, ale s vysokým C/N 15,68, čo vedie k vysokým nákladom na odstránenie dusíka. Procesy filtrovania si navyše vyžadujú pravidelné spätné preplachovanie, zvyčajne pomocou prania vzduchom{22}}vodou, čo môže ovplyvniť prevádzkovú stabilitu.

nestability v denitrifikačných filtroch, získal pozornosť výskum aplikácie autotrofnej denitrifikácie na báze síry (SAD)- na denitrifikačné filtre. SAD využíva elementárnu síru alebo zlúčeniny síry ako donory elektrónov v anaeróbnych alebo anoxických podmienkach na zníženie NO3^--N až N₂. Ponúka výhody, ako je dobrá účinnosť denitrifikácie, nie je potrebný zdroj organického uhlíka, nízke prevádzkové náklady a nízka produkcia kalu. Song Qingyuan a spol. študovali účinok odstraňovania dusíka filtrom SAD na sekundárny odpad. Po optimalizácii pilotných podmienok zostalo odstraňovanie dusičnanov stabilné nad 95 %, ale miera spotreby média dosiahla 20 % ročne, sprevádzaná zvýšenou koncentráciou síranu vo výtokovej vode a zníženým pH. Aby sa predišlo sekundárnym rizikám znečistenia zo SAD, Li Tianxin et al. pripravené médiá peletizáciou zmesi síry a vápencového prášku. Pridanie určitého podielu vápenca do filtračného lôžka neutralizovalo vytvorenú kyslosť a vytvorilo sa zrazenina CaSO4, čím sa znížila koncentrácia síranov vo výtokovej vode a účinne sa riešili problémy s produkciou kyseliny a vysokými hladinami síranov. Vápenec však zaberal priestor určený pre elektrónové donorové médiá v rámci systému, čím sa oslabila pokročilá denitrifikačná kapacita, zvýšila sa tvrdosť odpadovej vody a zvýšili sa prevádzkové náklady. Súčasný výskum technológie SAD je primárne v laboratórnom a pilotnom meradle, s nedostatočnými technickými skúsenosťami ako referenciu. Pred propagáciou{13}}v priemyselnom meradle je potrebný ďalší aplikovaný výskum.

MBBR je typickým predstaviteľom procesov biofilmu vo fluidnej{0}lôžke a novej technológie čistenia odpadových vôd, ktorej sa v posledných rokoch venuje veľká pozornosť. Používa suspendované nosiče s hustotou blízkou vode na špecifické obohatenie mikroorganizmov, čím sa vytvorí biofilm na dosiahnutie pokročilého odstraňovania dusíka. Procesy biofilmu vo fluidnej vrstve- tiež zabraňujú problémom s upchávaním médií a spätným preplachovaním. V súčasnosti má čistý biofilmový MBBR pre pokročilú denitrifikáciu ČOV viac ako 20 rokov úspešných prevádzkových skúseností v zahraničí a čoraz širšie uplatnenie v Číne. Zheng Zhijia a kol. použil na pokročilú denitrifikáciu dvojstupňový-proces s čistým biofilmom MBBR. Pri C/N=4.0 sa vypúšťaný dusičnanový dusík systému stabilizoval na (1,87 ± 1,07) mg/l, s priemernou rýchlosťou odstraňovania TN 93,3 %. Rozvojová zóna ČOV v istom meste postavila novú bionádrž MBBR{15}}ako pokročilú terciárnu úpravu na zlepšenie denitrifikácie. Záťaž odstraňovania TN v anoxickej časti čistého biofilmu MBBR bola 1,1 g/(m²·d), čím sa zlepšila spoľahlivosť denitrifikácie systému. Gao Yanbo et al., s cieľom zvýšiť kapacitu pôvodného závodu, skonštruovali novú dvoj-nádrž na biofilm MBBR s čistou biovrstvou AO{21}}, čím dosiahli stabilnú TN v odpade pod 5 mg/l s vysokou účinnosťou denitrifikácie. Čistý biofilmový proces MBBR teda vykazuje veľký potenciál pre pokročilé odstraňovanie dusíka v ČOV, pričom kombinuje výhody, ako je vysoká účinnosť využitia zdroja uhlíka, vysoké zaťaženie čistenia a malá stopa. Kladie však aj vyššie nároky na vybavenie, vyžadujúce spoľahlivé vybavenie na podporu stabilnej prevádzky procesu. Porovnanie bežných pokročilých procesov odstraňovania dusíka je uvedené vTabuľka 1.

Na základe komplexného porovnania, hoci proces SAD nevyžaduje pridávanie zdroja uhlíka, jeho súčasná aplikácia ešte nie je zrelá a nesie so sebou riziká sekundárneho znečistenia, takže sa s ním neuvažovalo pri tejto modernizácii. Hoci denitrifikačné filtre sú široko používané, väčšinou sa používajú pri modernizácii ČOV, kde projektovaný prítok/odtok TN je často 15/12 mg/l, čím sa zvláda relatívne malá záťaž pri odstraňovaní TN. Keďže tento projekt vyžadoval dlhodobé-splnenie vysokých požiadaviek na odstránenie TN, prevádzka by výrazne skrátila cyklus spätného preplachovania filtra, čím by sa zvýšila prevádzková náročnosť a nestabilita. Čistý biofilmový proces MBBR kombinuje výhody, ako je vysoká účinnosť využitia uhlíka, bez potreby spätného preplachovania, zrelá aplikácia a žiadne sekundárne znečistenie. Vzhľadom na procesné výzvy a požiadavky na renováciu si projekt nakoniec vybral výstavbu novej bionádrže MBBR z čistého biofilmu (ďalej len nádrž MBBR) ako pokročilého riešenia na odstraňovanie dusíka pre prvú fázu, navrhnutú s C/N=4.5 a plánovanou dobou návratnosti investície 7,37 roka.

3. Nový stavebný plán

3.1 Priebeh procesu

Priebeh procesu čistenia odpadových vôd po renovácii je znázornený vObrázok 3. Prítok z elektrárne prechádza jemnými sitami, vírivými komorami a primárnymi sedimentačnými nádržami predtým, než vstúpi do bio-nádrže BIOLAK na odstránenie organických látok, amoniakálneho dusíka atď. Potom sa pumpami zdvihne do nádrže MBBR na pokročilé odstraňovanie TN. Nádrž MBBR je navrhnutá pre prítok TN 35 mg/l a výtokový TN menší alebo rovný 15 mg/l. Odpad z MBBR sa pomocou sekundárnych čerpadiel prečerpáva do existujúcej modernej úpravy závodu na separáciu pevných-kvapalín a plytvanie kalom. Konečný odpad sa pred vypustením do prijímajúcej rieky dezinfikuje. Prebytočný kal sa zahusťuje, odvodňuje a odváža{10}}na miesto na likvidáciu.

3.2 Nová nádrž MBBR

Nádrž MBBR využíva proces AO, skonštruovaný pomocou nádrží Lipp na modulárnu montáž, dokončený za 30 dní. Celkový hydraulický retenčný čas systému (HRT) je 1,43 hodiny. Špecializované aeróbne a anoxické nosiče typu SPR{4}}III sa pridávajú do nádrží s pomerom plnenia 60 % v aeróbnej zóne a 55 % v anoxickej zóne. Nosiče sú splošteného valca, s priemerom 25 mm a výškou 10 mm, s efektívnym špecifickým povrchom väčším alebo rovným 800 m²/m³. Anoxická zóna je vybavená 4 MBBR-vyhradenými premenlivými-frekvenčnými mixérmi (typ chemického výkonu SPR), každý N=5.5 kW, ktoré zaisťujú rovnomernú a dostatočnú fluidizáciu pre nosiče. Po dozretí biofilmu sú bežne v prevádzke 2 mixéry, pričom ďalšie 2 sú v pohotovostnom režime. Aeróbna zóna využíva na prevzdušňovanie skrutkové dúchadlá. Jedno dúchadlo má kapacitu vzduchu 14,50 m³/min, tlak 90 kPa, N=22 kW. Je nainštalovaná jedna sada aeróbnych zón vyhradených difúzorov s perforovaným potrubím (typ SPR). Kvôli nízkemu požadovanému prevzdušňovaciemu objemu je zvyčajne možné použiť existujúce dúchadlá I. fázy, pričom nové dúchadlá a dúchadlá I. fázy slúžia ako vzájomné zálohy. V aeróbnej aj anoxickej zóne sú inštalované nové materiálové záchytné clony (typ SPR), hrúbka 12 mm, s projektovanou životnosťou 30 rokov.

3.3 Nové podporné zariadenia

• Vplyvový systém: Odpadová voda z bionádrže BIOLAK-sa zdvíha do nádrže MBBR. 4 sú nainštalované vstupné čerpadlá (2 prevádzkové, 2 pohotovostné), každé s Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Systém dávkovania zdroja uhlíka: Odpadová voda z bionádrže BIOLAK I. fázy-obsahuje iba CHSK, ktorý sa ťažko využíva. Na zabezpečenie pokročilej denitrifikácie v anoxickej zóne nádrže MBBR sa ako externý zdroj uhlíka používa octan sodný, sú nainštalované . 4 dávkovacie čerpadlá (2 prevádzkové, 2 pohotovostné), každé s Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.