Aplikácia modifikovaného procesu AAO pri čistení domácich odpadových vôd v uhoľných baniach
Domáce odpadové vody v uhoľných baniach pochádzajú predovšetkým zo zamestnaneckých jedální, ubytovní, kancelárií, práčovní a kúpeľní, pričom kanalizácia na kúpanie predstavuje viac ako 55 % z celkového objemu. Vypúšťanie vody na kúpanie je pomerne koncentrované, čo vedie k značným výkyvom prietoku. Drenáž na kúpanie, ktorá sa vyznačuje nižšou koncentráciou organických látok a vyšším obsahom nerozpustných látok (SS), sa značne líši od bežnej domácej odpadovej vody. Jeho striedavý priebeh vypúšťania s inými tokmi odpadových vôd prispieva k značnej variabilite kvality vody.
Väčšina uhoľných baní v Číne sa nachádza v odľahlých oblastiach, kde sú náklady na prepravu kalu vysoké. Preto by sa mali zvoliť procesy úpravy s nižšou výťažnosťou kalu. Ako sa bane rozvíjajú a počet zamestnancov rastie, prietok odpadovej vody často presahuje pôvodnú projektovú kapacitu, čo si vyžaduje procesy so silnou prispôsobivosťou zmenám v kvalite a kvantite vody v rámci rovnakej stopy. Podľa čoraz prísnejších environmentálnych politík vyžadujúcich úplné opätovné použitie vyčistených odpadových vôd s nulovým vypúšťaním musia procesy poskytovať vysokú a stabilnú kvalitu odpadových vôd.
V súčasnosti je pri čistení komunálnych odpadových vôd preferovanou voľbou proces AAO (Anaeróbny-Anoxický-Oxický). Tento článok analyzuje účinnosť aplikácie modifikovaného procesu AAO (AAO + proces pozastaveného nosiča) pre domáce odpadové vody uhoľných baní na základe jeho jedinečných vlastností.
1. Upravený proces AAO
Proces AAO je najjednoduchšia konfigurácia prietoku na súčasné odstraňovanie dusíka a fosforu. Vláknité baktérie sa nemôžu extenzívne množiť za striedajúcich sa anaeróbnych, anoxických a aeróbnych podmienok, čo bráni hromadeniu kalu. Nevyžaduje žiadne chemické pridávanie, iba mierne miešanie v anaeróbnych a anoxických nádržiach, čo má za následok nízke prevádzkové náklady. Kal má vysoký obsah fosforu, čo mu dáva dobrú hodnotu hnojiva.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200 %, tento vnútorný recyklát spotrebúva značné množstvo energie. Odpadová voda vstupujúca do sekundárneho čističa musí udržiavať určitú hladinu rozpusteného kyslíka (DO), aby sa zabránilo anaeróbnym podmienkam a uvoľňovaniu fosforu, ale nie príliš vysoká, aby sa zabránilo interferencii s denitrifikáciou v anoxickej nádrži prostredníctvom recyklovaného zmiešaného lúhu.
Modifikovaný proces AAO (AAO + proces pozastaveného nosiča) účinne zmierňuje tieto nevýhody. Zvyšuje mikrobiálnu hmotu v biologických nádržiach, zvyšuje objemové zaťaženie, dosahuje úplné oddelenie hydraulického retenčného času (HRT) a retenčného času kalu (SRT), posilňuje odolnosť voči hydraulickému a organickému rázovému zaťaženiu, poskytuje dobrú kvalitu odpadovej vody aj pri zdrojoch s nízkym obsahom uhlíka, produkuje menej a stabilnejšie kaly (zníženie požiadaviek na kapacitu spracovania kalu). Odpadová voda môže spĺňať normy kvality vody „Opätovné použitie mestskej recyklovanej vody-Štandard kvality vody pre mestskú vodu“ (GB/T 18920-2020) a „Kódex pre návrh inžinierstva prípravy uhlia“ (GB 50359-2016) na umývanie uhlia. Hou Feng a kol. aplikoval proces AAO+suspendovaného nosiča v podzemnej čistiarni odpadových vôd, čím sa dosiahol stupeň 1A noriem podľa „Štandardu vypúšťania znečisťujúcich látok z čističiek komunálnych odpadových vôd“ (GB 18918-2002), pričom kľúčové ukazovatele (CHSK, BSK5, NH3-N, TP) dosiahli štandardy triedy IV podľa noriem kvality „Environmental Water“ (203 GB pre povrchovú vodu). Hao Ruigang a kol. použila "A/O Bio-kontaktná oxidácia + perforovaná vírivá flokulácia + sedimentácia so sklonenou rúrkou + aktívna piesková filtrácia" pri rozšírení čistiarne odpadových vôd z domácich uhoľných baní, čím sa dosiahla kvalita odpadových vôd lepšia ako stupeň 1A. Yan Ziyu a kol. tiež dosiahli dobré výsledky pomocou biofilmových procesov na modernizáciu existujúceho domáceho čistenia odpadových vôd uhoľných baní. Modifikovaný proces AAO umožňuje zvýšenie kapacity a zlepšenie kvality odpadovej vody v existujúcich zariadeniach s minimálnymi úpravami.
Tento proces zahŕňa pridávanie suspendovaných nosičov do anoxických a aeróbnych nádrží, čím sa spájajú výhody procesov aktivovaného kalu a biofilmu. Vyznačuje sa vysokým objemovým zaťažením, veľkou biomasou, vysokou účinnosťou spracovania, silnou prispôsobivosťou 水质和水量的变化, zvýšenou stabilitou procesu a dobrým odstraňovaním živín. Vytvára vysoko špecializované aktívne biofilmy, čím sa zvyšuje účinnosť na objem reaktora a stabilita, čo umožňuje menšie reaktory. Odpadnutý biofilmový kal obsahuje viac prvokov/metazoí, má vyššiu hustotu a väčšiu veľkosť častíc, čo má za následok dobrú usadzovateľnosť a ľahkú separáciu-kvapalín. Umožňuje úplnú separáciu SRT-HRT, eliminuje hromadenie kalu a je vhodný pre odpadové vody bohaté na rozpustné organické látky.
2.1 Prípadová štúdia
Uhoľná baňa v meste Yan'an, približne 16 km od mesta Zichang, má domácu čističku odpadových vôd s projektovanou kapacitou 1200 m³/d. Postup je: „Obrazovka + vyrovnávacia nádrž + AAO so zavesenými nosičmi + pokročilá liečba (koagulácia-sedimentácia-filtrácia) + dezinfekcia“. Kal sa spracuje pomocou "Gravitačného zahusťovania + odvodnenia pomocou skrutkového lisu". Odpadová voda spĺňa prísnejšie limity *GB/T 18920-2020* a GB 50359-2016 pre vodu na umývanie uhlia. Vyčistená voda sa opätovne používa pre banskú zeleň a ako doplnková voda v úpravni uhlia. Dizajnová kvalita prítoku/odtoku je inTabuľka 1. Priebeh procesu je znázornený vObrázok 1.
Odpadová voda prechádza cez sito (medzera 5 mm, uhol inštalácie 75 stupňov) do vyrovnávacej nádrže (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, efektívna hĺbka 2,95 m, objem 247,8 m³, HRT 4,13 h), ktorá spĺňa požiadavky GB 50810-2012. Dva mixéry zabraňujú usadzovaniu. Tri ponorné čerpadlá (2 prevádzkové +1 pohotovostný režim, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) čerpajú vodu do biologických nádrží.
Biologický systém pozostáva z dvoch paralelných vlakov. Na vlak:
- Anaeróbna nádrž: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, efektívna hĺbka 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Anoxická nádrž: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, efektívna hĺbka 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Aerobic Tank: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, efektívna hĺbka 4,0 m, HRT 10,0 h. Celková systémová HRT je 15,75 h. V aeróbnej nádrži sú inštalované závesné nosiče (pomer plnenia 80 %, špecifický povrch 600 m²/m³). Dizajnový pomer vzduchu-k{12}}vode je 13,7:1. Používajú sa tri Rootsove dúchadlá (2 prevádzkové +1 pohotovostný režim, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). Pomer recyklácie kalu je 100%, pomer recyklácie zmiešaného lúhu je 200%.
Dva obdĺžnikové periférne-vstupné/výstupné sekundárne čističky (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m každý) majú plošné zaťaženie 1,2 m³/(m²·h) a HRT 2,5 h.
Integrovaný čistič vody (kombinujúci koaguláciu, sedimentáciu, filtráciu) poskytuje pokročilú úpravu pre ďalšie odstraňovanie SS a fosforu.
Spracovanie kalu zahŕňa gravitačné zahusťovanie (Φ2,5 m × 5,0 m nádrž z uhlíkovej ocele) s následným odvodnením pomocou závitovkového lisu. Polyakrylamid (PAM) sa dávkuje v množstve 3,0 – 5,0 kg/t suchých pevných látok pred odvodnením. Denný koláč odvodneného kalu je menší alebo rovný 150 kg s obsahom vlhkosti menším alebo rovným 80 %, prepravovaný mimo-miesta.
Dezinfekcia využíva -miestny generátor ClO2 (účinná dávka chlóru 120 g/h) dávkovaný na vstupe do priehľadnej studne. Priehľadná studňa má efektívny objem 250 m³ s dobou kontaktu 4,2 hodiny.
Zariadenie je vybavené rozsiahlym online monitorovaním (prietokomery, zvyškový chlór, pH, DO, CHSK, zákal, hladina/koncentrácia kalu) a automatizovanými riadiacimi systémami pre čerpadlá, dúchadlá, spätné preplachovanie, dávkovanie chemikálií a miešanie, ktoré zabezpečujú inteligentnú bezobslužnú prevádzku.
2.2 Analýza výkonnosti
Závod dokončili uvedenie do prevádzky v roku 2021 a funguje už viac ako dva roky. Aktuálna kvalita prítoku/odtoku z roku 2024 je uvedená vTabuľka 2.
Prítokový pomer BSK5/N je 5,5, čo naznačuje pomer odpadových vôd s nízkym obsahom uhlíka-k-dusíku (C/N), ktorý sa v lete ďalej znižuje v dôsledku infiltrácie zrážok a zmien návykov. Extrémne zimné teploty v Yan'ane môžu dosiahnuť -21 stupňov. Skutočná kvalita odpadovej vody je lepšia ako dizajn, s mierami odstraňovania dosahujúcimi: CHSK 97,8 %, BSK5 99.7 %, SS 99,7 %, NH3-N 93,5 %, TP 87,10 %, spĺňajúce normy pre 绿化 a umývanie uhlia.
Aktívna hmota biofilmu v anoxických/aeróbnych nádržiach dosahuje až 125 g/m² nosiča, čo zodpovedá MLSS 13 g/l-, čo je štvornásobok konvenčného aktivovaného kalu. Mikroorganizmy sú vo fáze endogénneho dýchania, čo vedie k dennej produkcii kalu asi 1/3 konvenčných metód, s lepšou usadzovateľnosťou, čo umožňuje menšie zariadenia na úpravu kalu.
Hoci bio{0}}kontaktná oxidácia môže fungovať bez recyklácie kalu, výskum Xiong Rena a kol. ukazuje, že systémy s recykláciou dosahujú vyššie rýchlosti odstraňovania pre CHSK, TN, NH3-N, SS a znižujú výťažnosť kalu o 29,6 %. Tento dizajn zahŕňa recykláciu zmiešaného lúhu s prevádzkovou flexibilitou založenou na kvalite odpadovej vody.
Závod (1200 m³/d) zaberá 1350,3 m² s kapitálovou investíciou 20 miliónov CNY a prevádzkovými nákladmi 1,05 CNY/m³.
V porovnaní s konvenčným AAO, ktorý vyžaduje rozšírenú SRT pre efektívnu nízkoteplotnú{0}}prevádzku, si tento upravený proces zachováva jednoduchosť súčasného odstraňovania živín a zároveň obohacuje biologickú komunitu o nosiče. Separácia SRT-HRT zvyšuje biologickú-stabilitu a zaisťuje spoľahlivú prevádzku pri nízkych C/N a nízkych-teplotách. Stabilný odpad je možné udržiavať s malou alebo žiadnou recykláciou kalu, čo umožňuje- znižovanie kalu in situ a nižšie náklady na manipuláciu s kalom. Vďaka svojej jednoduchosti a nedostatku objemu je veľmi vhodný na čistenie domových odpadových vôd uhoľných baní.
3. Výskum optimalizácie pre proces AAO
Modifikované procesy AAO sa zvyčajne navrhujú podľa parametrov v „Štandarde pre návrh inžinierstva vonkajších odpadových vôd“ (GB 50014-2021). Na identifikáciu optimálnych podmienok pre budúci projekt a prevádzku je však potrebná optimalizácia prevádzkových parametrov (HRT, SRT, prevzdušňovanie, recyklačné pomery, MLSS) špecifických pre odpadové vody z uhoľných baní.
V konvenčnom AAO sa kal recykluje z aeróbnej do anaeróbnej nádrže, pričom obsahuje dusičnany a vysoký obsah DO, čo môže zhoršiť biologické odstraňovanie fosforu. Do úvahy prichádza proces University of Cape Town (UCT), kde sa kal recykluje do anoxickej nádrže, nitrifikovaná kvapalina do anoxickej nádrže a pridáva sa dodatočná recyklácia z anoxickej do anaeróbnej nádrže na zlepšenie odstraňovania bio-P.
Spracovanie kalu môže predstavovať 50 – 60 % prevádzkových nákladov závodu. Mali by sa prijať technológie na znižovanie kalu na mieste. Vysoká miera MLSS v modifikovaných AAO bio-nádržiach vedie k vysokému pomeru F/M, kde môže dochádzať k oddeľovaciemu metabolizmu, čo podporuje redukciu kalu a znižuje náklady na manipuláciu s kalom. Budúca pozornosť by sa mala zamerať na uplatňovanie-technológií redukcie in situ, ako je kryptický rast prostredníctvom mikro-lýzy, oxický-anaeróbny{10}}proces usadzovania (OSA) a odpojenie metabolizmu pri čistení odpadových vôd z uhoľných baní.
Tento proces je vhodný na modernizáciu existujúcich zariadení AAO v uhoľných baniach. Pridanie nosičov do anoxických/aeróbnych nádrží môže zlepšiť kvalitu odpadovej vody, zvýšiť kapacitu a zlepšiť stabilitu systému. Pre zariadenia s prísnejšími požiadavkami na odpadovú vodu môže výmena sekundárneho čističa za systém MBR ďalej zlepšiť kvalitu vody.
4. Záver
- Modifikovaný proces AAO je vhodný na modernizáciu existujúcich systémov AAO v uhoľných baniach s cieľom zvýšiť stabilitu, zvýšiť kapacitu alebo splniť prísnejšie normy.
- Pri čistení domových odpadových vôd z uhoľných baní môže odpadová voda súčasne spĺňať normy *GB/T 18920-2002* pre zavlažovanie ciest/zeleň a normy GB 50359-2016 pre vodu na umývanie uhlia, čo preukazuje silnú prispôsobivosť zmenám v kvalite a kvantite vody.
- Proces produkuje stabilný kal s dobrou usadzovateľnosťou a ľahkou separáciou, vytvára menej kalu a znižuje náklady na spracovanie kalu.