Prípadová štúdia SBR+MBBR Retrofit: Zvýšte odstraňovanie TN z 28,52 % na 69,85 % v A 60 000 M³/d mestskej ČOV

Keď mestská čistiareň odpadových vôd s kapacitou 60 000 m³/d v provincii Zhejiang čelila zimnej kríze dodržiavania predpisov TN – biologické odstraňovanie dusíka sa zrútilo na28.52%keď teplota vody klesla pod 12 stupňov - nebolo možné postaviť ani jednu novú nádrž. Pôda bola rozptýlená, elektráreň bežala na 110 % projektovaného prietoku a starnúce reaktory SBR z ocele Lipp nebolo možné konštrukčne upraviť. Odpoveďou bolo vložiť nosiče biofilmu s pohyblivým lôžkom MBBR priamo do existujúcich nádrží SBR. O 12 mesiacov neskôr sa dosiahlo biologické odstránenie TN69.85%, odstránenie TP sa vyšplhalo zo 70,9 % na 79,3 % a celkové prírastkové prevádzkové náklady boli len0,024 RMB/m³.

Riziko súladu za inováciou

Závod bol postavený v roku 2004 ako I. a II. fáza s projektovou kapacitou 60 000 m³/d a čistí zmes približne 80 % splaškových vôd z domácností a 20 % priemyselných odpadových vôd z textilných a papierenských závodov. Hlavným stupňom biologického čistenia je systém SBR pozostávajúci z 12 oceľových nádržových reaktorov Lipp, každý s priemerom 32 m, s pracovným objemom 5 000 m³ a projektovaným prietokom 5 000 m³/d. Pôvodný liečebný vlak bol:

Surová odpadová voda → Hrubé sito → Primárny usadzovač → Selektor SBR → Nádrž SBR → Vyrovnávacia nádrž → Vysokoúčinný čistič → Denitrifikácia Hlboký filter → Dezinfekcia → Vypúšťanie

V roku 2014 bola elektráreň už modernizovaná, aby spĺňala limity triedy A GB 18918-2002 pridaním vysokoúčinného čističa a denitrifikačného hlbokého filtra. V roku 2018 však provinčná vláda Zhejiang vydala oveľa prísnejšiu normu DB 33/2169-2018, ktorá vyžaduje odpadové vodyTN Menej ako alebo rovné 12 mg/laTP Menšie alebo rovné 0,3 mg/l. Analýza prevádzkových údajov z rokov 2019 – 2020 povedala jasný príbeh: CHSK, NH₃-N a SS neustále prešli, ale TP odpadových vôd sa pohybovali blízko hornej hranice a TN vykazovala v zime riziko sezónneho prekročenia. Keď teplota vody v biologickej nádrži klesla pod 12 stupňov, biologické odstraňovanie TN pomocou SBR kleslo iba na 28,52 %, čo prinútilo zaradený denitrifikačný filter preniesť viac ako 45 % celkového odstraňovania TN prostredníctvom dávkovania zdroja uhlíka – nákladná a krehká barlička.

Prečo nové tanky neboli možnosťou

Upgrade bol obmedzený piatimi tvrdými skutočnosťami, ktoré okamžite vylúčili konvenčnú expanziu aktivovaného kalu:

• Elektráreň už pracovala na projektovanej kapacite alebo nad ňou – špičkový denný prietok dosiahol 67 000 m³/d oproti návrhu 60 000 m³/d – ponechávajúc nulovú hydraulickú rezervu na odstavenie výstavby.
• Nádrže SBR boli 10-ročné oceľové konštrukcie Lipp; ich narezanie alebo vystuženie na štrukturálnu úpravu bolo mimoriadne náročné a riskantné.
• Dostupná pôda v rámci hranice závodu bola roztrúsená, nepravidelne tvarovaná a príliš malá pre nové nádrže na biologické čistenie.
• Konštrukčné okno sa prekrývalo so sezónou záplav a elektráreň nemohla byť odstavená, nemohla znížiť objem čistenia na dlhšie obdobia a nemohla počas výstavby vypúšťať nekvalitné odpadové vody.
• Existujúce zariadenia na odvodňovanie kalu neboli rozšírené, čo obmedzovalo schopnosť závodu plytvať prebytočným kalom z biologických nádrží.

Po vyhodnotení možností tím dizajnérov vybralSBR+MBBRako hlavné riešenie: vložiť suspendované nosiče biofilmu priamo do existujúcich nádrží SBR bez zmeny konštrukcie nádrže, pridať miešačky špecifické pre MBBR a retenčné sitá na vstupe/výstupe a znova optimalizovať načasovanie cyklu SBR na podporu denitrifikácie. Tým sa zachoval kapitál už investovaný do oceľových nádrží a zároveň sa odblokovala postupná zmena v kapacite biologického odstraňovania dusíka.

Navrhnite ciele kvality vody

Návrhové parametre kvality prítoku a odpadovej vody sú zhrnuté nižšie. Všimnite si, že hodnoty v zátvorkách pre NH₃-N a TN sú zimné limity aplikované, keď je teplota vody nižšia ako 12 stupňov – najnáročnejší prevádzkový režim a presne tam, kde pôvodný systém SBR zlyhal.

Limit 0,3 mg/l TP je obzvlášť náročný pre biologický systém, a preto závod kombinuje biologické vychytávanie fosforu s dávkovaním PAC na vysokoúčinnom čističi ako krok leštenia. Konštrukčné ciele TN medzitým požadovali, aby biologický stupeň robil ťažké zdvíhanie, aby denitrifikačný filter po prúde už nemusel kompenzovať biologické straty v zime.

Dodatočný dizajn: MBBR vo vnútri existujúcich nádrží SBR

Renovácia premenila všetkých 12 existujúcich nádrží SBR na reaktory SBR+MBBR, pričom sa zachovali objemy existujúcej selektorovej zóny a hlavnej reakčnej zóny. V hlavnej reakčnej zóne boli vytvorené zóny MBBR a vybavené zavesenými nosičmi biofilmu plus retenčnými sitovými systémami na vstupe/výstupe, aby sa zabránilo strate nosiča. Na vnútornú stenu každej oceľovej nádrže Lipp bol aplikovaný povlak odolný voči opotrebovaniu, aby sa počas dlhej životnosti chránil oceľový povrch proti oderu od pohybujúcich sa nosičov.

Hlavné konštrukčné parametre systému SBR+MBBR boli: oceľový tankový reaktor s priemerom 32 m a objemom 5 000 m³, efektívny špecifický povrch nosiča MBBRVäčšie alebo rovné 400 m²/m³, rýchlosť toku retenčného sita menšia alebo rovná 0,05 m/s a pórovitosť sita 38 % – 40 %. Existujúci membránový diskový prevzdušňovací systém bol zachovaný a opätovne použitý, čo ďalej znížilo náklady na vybavenie a stavebné práce.

Obrázok 1: Upgradovaný procesný tok

Priebeh procesu po inovácii je zobrazený vyššie. Kľúčovou stavebnou stratégiou bola modernizácia jednej nádrže SBR naraz, koordinácia toku medzi fázou I/II a novším zariadením fázy III počas obdobia výstavby, takže celková kapacita úpravy sa nikdy neznížila. Tento sekvenčný prístup je to, čo umožnilo projektu prebehnúť počas povodňovej sezóny bez odstavenia alebo neštandardného vypúšťania.

Obrázok 2: Usporiadanie rekonštrukcie reaktora SBR+MBBR

Hlavné vybavenie pridané pre systém MBBR je zhrnuté v tabuľke nižšie. Spoločne tieto položky premenili vsádzkovú prevzdušňovaciu nádrž na hybridný zavesený pripojený rastový reaktor schopný nitrifikácie aj denitrifikácie v rámci toho istého cyklu.

Prečo na opätovnom vyladení riadenia procesu záležalo

Samotný hardvér nestačil – logika cyklu SBR sa tiež musela zmeniť, aby sa vytvorilo okno anoxickej denitrifikácie. Pôvodný cyklus SBR bol 6 hodín na dávku: naplňte 1 hodinu (s prevzdušňovaním), nechajte reagovať 2 hodiny, usadzujte 1,5 hodiny, dekantujte 1,5 hodiny. Problém s touto sekvenciou bol v tom, že prevzdušňovanie počas plniacej fázy spotrebovalo zdroj uhlíka oxidáciou, namiesto toho, aby ho šetrilo na denitrifikáciu.

Po pridaní denitrifikačných mixérov sa plniaca fáza prepne na neprevzdušňované (anoxické) miešanie. Optimalizovaný cyklus bol: naplniť 1 h (anoxické miešanie), zreagovať 1 h, usadiť 1 h, dekantovať 1 h. Toto jednoduché opätovné sekvenovanie vytvorilo anoxickú zónu, kde by heterotrofné denitrifikátory mohli redukovať dusičnany na plynný dusík pomocou pritekajúceho zdroja uhlíka, čím sa dramaticky znížila potreba externého uhlíka v smere prúdenia.

Počas zimy (od polovice novembra do polovice marca), keď priemerná teplota vody v biologickej nádrži klesla pod 12 stupňov, sa cyklus predĺžil na viac ako 6 hodín, aby sa kompenzovala znížená mikrobiálna aktivita. Okrem toho sa magneticky koagulovaný kal z terciárneho stupňa čistenia dávkoval späť do nádrží SBR, aby sa zlepšila usadzovateľnosť kalu a zlepšila sa kapacita odstraňovania dusíka – šikovné opätovné využitie vedľajšieho produktu, ktorý tiež stabilizoval sedimentáciu kalu v chladnom období.

Prevádzkové výsledky a výkonnosť

Modernizácia SBR+MBBR bola dokončená a uvedená do prevádzky v decembri 2022. Údaje o výkonnosti nižšie porovnávajú biologický stav pred a po modernizácii – a zlepšenie je najviditeľnejšie práve v zimných mesiacoch, ktoré predtým spôsobovali nedodržiavanie predpisov.

Celkové odstránenie dusíka: od 28,52 % do 69,85 %

Po modernizácii sa účinnosť odstraňovania TN biologického štádia SBR zvýšila z približne 28,52 % na69.85%. Toto zlepšenie poháňajú dva mechanizmy. Po prvé, anoxické miešanie počas plniacej fázy poskytlo optimálne podmienky pre denitrifikáciu tým, že umožnilo redukciu dusičnanov z pritekajúceho uhlíkového paliva. Po druhé, nosiče MBBR fixovali a obohacovali pomaly rastúce nitrifikačné baktérie na ich chránenom povrchu, čím zosilňovali nitrifikáciu aj pri nízkej teplote, kde nitrifikátory so suspendovaným rastom zápasia. V optimalizovanom dvojstupňovom denitrifikačnom systéme (biologický stupeň SBR + následný denitrifikačný filter) teraz biologický stupeň predstavuje približne85 % celkového odstránenia dusíkav porovnaní s menej ako 24 % pred modernizáciou – preto spotreba zdroja uhlíka na denitrifikačnom filtri tak prudko klesla.

Obrázok 3: Effluent TN pred a po inovácii

Celkové odstránenie fosforu: 70,9 % až 79,3 %

Bez pridania chemických činidiel na odstraňovanie fosforu v biologickom štádiu sa biologické odstraňovanie TP SBR zlepšilo zo 70,9 % (prítok 2,86 mg/l, výtok 0,81 mg/l) na79.3%(prítok 3,05 mg/L, výtok 0,63 mg/L) - medziročné zlepšenie o 8,4 %. K tomuto zisku prispela hustejšia, stabilnejšia biomasa podporovaná nosičmi v kombinácii so zlepšenou usadzovateľnosťou kalu. V kombinácii s dávkovaním PAC vo vysokoúčinnej čističke konečný odpadový odpad TP spoľahlivo spĺňal prísnu normu 0,3 mg/l alebo menej.

Obrázok 4: Odtoková TP pred a po inovácii

Technické a ekonomické porovnanie

Celková investícia do rekonštrukcie SBR+MBBR bola približne19 miliónov RMBa priamy nárast prevádzkových nákladov bol len0,024 RMB/m³. Nižšie uvedená tabuľka porovnáva proces SBR+MBBR s dvoma hlavnými alternatívnymi technológiami modernizácie: konvenčným A²/O aktivovaným kalom a membránovým bioreaktorom MBR.

Porovnanie objasňuje hodnotovú ponuku. MBR poskytuje vynikajúcu kvalitu odpadovej vody, ale pri 3- až 4-násobku investície do zariadenia a približne 10-násobku prevádzkových nákladov oproti SBR+MBBR, plus náročnú údržbu pri čistení membrán. Konvenčný A²/O je lacný na výstavbu, ale vyžaduje si veľkú plochu pozemku – presne taký zdroj, aký tento závod nemal. SBR+MBBR sedí vo vyváženom strede: mierne investície, približne o 30 % menej pôdy ako konvenčné, relatívne nízke prevádzkové náklady a jednoduchá údržba. V prípade modernizácie existujúcich zariadení, kde je pozemok obmedzený a narušenie výstavby sa musí minimalizovať, je to pragmatický víťaz.

Závery a dôsledky pre priemysel

Táto inžinierska prípadová štúdia demonštruje niekoľko záverov, ktoré sú dôležité pre širší priemysel úpravy vody:

• SBR+MBBR rieši odstránenie TN v systémoch SBR.Začlenením nosičov MBBR do existujúcich reaktorov SBR a optimalizáciou cyklu prevzdušňovania/miešania sa biologické odstraňovanie TN zvýšilo z 28,52 % na 69,85 %. Tým sa eliminovala potreba nadmerného dávkovania zdroja uhlíka na zaradenom denitrifikačnom filtri a zabezpečila sa zhoda aj počas zimných nízkoteplotných podmienok.
• Nevyžadujú sa žiadne nové štruktúry.Celá biologická modernizácia bola dosiahnutá bez výstavby akýchkoľvek nových nádrží - rozhodujúca výhoda pre rastliny s obmedzeným priestorom. Existujúca konštrukcia oceľovej nádrže Lipp bola zachovaná len s malými úpravami: náter odolný proti opotrebovaniu, pridané miešačky a retenčné sitá.
• Nízke prírastkové prevádzkové náklady.Celková investícia vo výške 19 miliónov RMB a zvýšenie prevádzkových nákladov len o 0,024 RMB/m³ robí tento systém vysoko nákladovo efektívnym v porovnaní s alternatívami, ako je MBR pri 0,7–0,8 RMB/m³.
• Overený zimný výkon.Proces priniesol robustné odstraňovanie pri teplotách vody pod 12 stupňov, čo je bežná výzva pre biologické odstraňovanie dusíka v miernom podnebí.
• Škálovateľné a replikovateľné.Sekvenčný prístup modernizácie jednej nádrže umožňuje implementáciu bez odstavenia závodu, vďaka čomu je vhodný pre iné starnúce závody založené na SBR, ktoré čelia podobným požiadavkám na modernizáciu.

Naše riešenia MBBR a naklonených rúrok

Táto prípadová štúdia zdôrazňuje rozhodujúcu úlohu, ktorú zohrávajú integrované biologické a fyzikálne procesy čistenia pri modernizácii moderných čistiarní odpadových vôd. Naša spoločnosť ponúka kompletný rad doplnkových produktov presne pre tento druh projektu:

• MBBR nosiče biofilmu- polyuretánové a HDPE médiá so špecifickým povrchom od 400 do 800 m²/m³, aby vyhovovali rôznym procesným konfiguráciám a cieľom úpravy;
• Retenčné obrazovky a systémy MBBR- na mieru navrhnuté SS304 vstupné/výstupné tienenie, aby sa zabránilo strate nosiča;
• Sklonené rúrkové usadzovače- PP/PVC voštinové rúrkové médium na vysokoúčinnú separáciu tuhých látok a kvapalín v čističkách a sedimentačných nádržiach, ktoré dopĺňajú biologické čistenie MBBR;
• Jemné bublinkové diskové difúzory- EPDM membránové diskové difúzory s veľkosťou pórov 20–50 μm pre vysokoúčinné prevzdušňovanie v biologických reaktoroch;
• Technická podpora- kompletná pomoc s návrhom pre retrofity MBBR, vrátane výberu nosiča, návrhu prevzdušňovania, veľkosti retenčného sita a optimalizácie procesu.