Porovnanie dvoj{0}}fázových AO a troj{1}}fázových AO procesov: inžinierstvo Perspektíva
V súčasnosti väčšina čistiarní odpadových vôd (ČOV) v Číne používa procesy na čistenie odpadových vôd{0}}založené na aktivovanom kalu. Spomedzi nich takmer polovica využíva proces Anoxic-Oxic (AO). Proces AO ponúka výhody, ako je stabilná prevádzka a nízke náklady. Avšak jeho celková účinnosť odstraňovania dusíka (TN), typicky v rozsahu od 60 % do 80 %, je obmedzená vnútornými recyklačnými pomermi. S čoraz prísnejšími národnými požiadavkami na odstraňovanie dusíka majú konvenčné jednostupňové procesy AO často problémy splniť požiadavky na úpravu TN. Vznikli tak viacstupňové procesy AO. Spojením dvoch alebo viacerých AO stupňov do série poskytuje dusičnan vyrobený v predchádzajúcom aeróbnom stupni substrát pre denitrifikáciu v nasledujúcom anoxickom stupni. Tým sa dosiahne cieľ zníženia interného recyklačného pomeru pri súčasnom zlepšení celkového odstraňovania TN. Nadmerné stupne však môžu zvýšiť aj prevádzkovú zložitosť. V dôsledku toho sú v súčasnosti v Číne najčastejšie používané konfigurácie dvoj{15}}a troj{16}}stupňové procesy AO. Tento článok predstavuje porovnávaciu analýzu dvoj{18}}a trojstupňových{19}}procesov AO s použitím ČOV v južnej Číne ako prípadovú štúdiu, ktorej cieľom je poskytnúť referenciu pre výber technických trás v podobných projektoch.
1 Prehľad projektu
ČOV v južnej Číne pokrýva celkovú plochu 8 hektárov. Jeho pôvodná projektovaná kapacita bola 90 000 m³/d, pričom kvalita odpadovej vody sa vyžadovala na splnenie štandardu stupňa A „Štandardu vypúšťania znečisťujúcich látok pre komunálne čistiarne odpadových vôd“ (GB 18918-2002) a „Limitov vypúšťania látok znečisťujúcich vodu“ (ďalej len „provincia Guangdong“ 024/D1}){1}1} na „Kvázi trieda V“). Závod fungoval na plný výkon. Podľa príslušného plánovania bolo potrebné rozšírenie. Budúce štandardy odpadových vôd, založené na súčasnom stave, museli zvážiť dlhodobú požiadavku TN menej ako alebo rovnú 10 mg/l. Komplexne zohľadňujúc skutočné podmienky lokality bol rozsah občianskej výstavby pre túto expanziu stanovený na 70 000 m³/d. Zariadenie by v blízkej dobe malo fungovať s 50 000 m³/d a v dlhodobom horizonte by malo dosahovať 70 000 m³/d, čím by sa celková kapacita spracovania zvýšila na 160 000 m³/d. Projektovaná kvalita prítokovej a odpadovej vody je uvedená vTabuľka 1.
Z dôvodu obmedzení na lokalite sa predbežný plán rozšírenia opieral o postup „Viac{0}}etapový AO + periférne-v periférnej-vonkajšej obdĺžnikovej sedimentačnej nádrži + vysoko{5}}účinná sedimentačná nádrž + vláknitá doska-a{8}filter“. Civilné stavby všetkých veľkých blokov boli postavené pre rozsah 70 000 m³/d, zatiaľ čo zariadenia boli inštalované pre kapacitu 50 000 m³/d. Biologická nádrž by v blízkej budúcnosti využívala viacstupňový proces AO. Z dlhodobého hľadiska by pridanie suspendovaných nosičov vytvorilo hybridný biofilmový{17}}proces aktivovaného kalu, ktorý by uspokojil požiadavku na rozšírenie kapacity o 40 %. Pri tomto návrhu boli uvažované hydraulické podmienky pre rozsah 70 000 m³/d, zatiaľ čo biologické čistenie bolo navrhnuté pre rozsah 50 000 m³/d. Keďže cieľom tohto projektu bolo prijať viac{25}}stupňový proces AO, vykonalo sa porovnanie medzi dvoj{26}}a troj{27}}stupňovým AO.
2 Porovnanie dvoch-fázových a trojfázových-procesov AO
2.1 Priebeh procesu
Základným princípom viacstupňového procesu AO je využitie dusičnanov vyrobených v predchádzajúcom aeróbnom štádiu na denitrifikáciu v nasledujúcom anoxickom štádiu, čím sa zníži vnútorný pomer recyklácie. Teoreticky viac stupňov vedie k lepšiemu odstráneniu TN, ale kontrola sa stáva zložitejšou. V inžinierskej praxi prevláda dvoj-a troj{4}}stupňová AO. Ich procesné toky sú znázornené vObrázok 1. Pre dvoj-stupňový AO je interný recyklačný proces zvyčajne navrhnutý v rámci prvého stupňa AO. Pri trojstupňovom AO sa interná recyklácia vo všeobecnosti nepoužíva. ČOV v Pekingu, ktoré využívajú dvojstupňový proces AO, zahŕňajú Qinghe (400 000 m³/d), Xiaohongmen (500 000 m³/d), Gao'antun (400 000 m³/d), Dingfuzhuang (200 000 m³, 000 m³ a 60 m³ 000 m³ m³/d). Tento proces ponúka výhody, ako je jednoduché zariadenie, nízke prevádzkové a údržbové náklady, silná odolnosť voči nárazovému zaťaženiu a vysoká kompatibilita s inými procesmi, čo uľahčuje budúce inovácie, aby spĺňali vyššie štandardy odpadových vôd. Teoreticky môže troj{18}}stupňové AO eliminovať potrebu interného recyklačného zariadenia, umožniť racionálnejšie prideľovanie zdrojov uhlíka a znížiť investičné a prevádzkové náklady. Tento proces sa primárne uplatňuje v scenároch s dostatočnými zdrojmi uhlíka a vysokými nárokmi na odstraňovanie dusíka. Typické prípady zahŕňajú ČOV Qujing v Yunnane (80 000 m³/d), mestskú ČOV okresu Ninghe v Tianjine (90 000 m³/d), ČOV Zhangguizhuang v Tianjine (200 000 m³/d) a ČOV Daoxianghu v Beijingu (0800 Reclamation).
2.2 Porovnanie procesov
Vzhľadom na to, že na tomto mieste nie je k dispozícii žiadna ďalšia pôda pre budúce modernizácie a že niektoré nové miestne projekty už implementujú štandard TN pre odpadovú vodu menší alebo rovný 10 mg/l, pri porovnávaní procesu sa uvažovalo s odpadom z biologickej nádrže s hodnotou TN menší alebo rovný 10 mg/l, aby sa vyhovelo možnosti ďalších prísnych požiadaviek na odpadovú vodu v budúcnosti. Ostatné ukazovatele sa držali projektovanej kvality odpadovej vody. Na základe usporiadania, pre krátkodobú-rozsah 50 000 m³/d, bola maximálna doba zdržania hydrauliky (HRT) pre biologickú nádrž 18 hodín. Kombináciou skutočných podmienok projektu, výsledkov simulácie BioWin a pohodlia spojenia so zavesenými nosičmi sa vykonalo porovnanie medzi dvoj- a troj{10}}fázovými procesmi AO.
2.2.1 Simulácia BioWin
Počiatočná HRT bola nastavená na 18 hodín a postupne znižovaná. Minimálna HRT na dosiahnutie požiadavky TN odtoku bola 14 hodín. Pre dva-stupne AO boli miestami distribúcie prítoku anaeróbna zóna, prvá-etapa anoxická zóna a druhá-etapa anoxická zóna. Pre tri-štádium AO boli vstupnými bodmi anaeróbna zóna, druhá-etapa anoxická zóna a tretia-etapa anoxická zóna.
① Štúdia s fixným pomerom distribúcie vplyvu
Nastavenie pomeru distribúcie prítoku na 4:3:3 pre obe, simulácie porovnávali tri schémy: dvoj-stupňový AO (pomer recyklácie 200 %), troj{5}}stupňový AO s celkovým pomerom recyklácie 200 % (100 % recyklácia v rámci prvého stupňa AO + 100 % recyklácia z tretej oxickej zóny s prvou 9) a{} AO{9} a{}} pomer 100 % (recyklujte len v rámci prvého stupňa AO). Simulačné toky sú zobrazené vObrázok 2.
Tabuľka 2ukazuje výsledky simulácie pre fixný pomer prítoku pri HRT=14 h.
Z tabuľky 2 je zrejmé, že pre dvoj-a troj{2}}stupňovú AO sa odporúča nastaviť internú recykláciu v prvom stupni AO s cieľom maximalizovať denitrifikáciu v prvej anoxickej zóne využitím zdroja uhlíka v surovom prítoku. V prípade trojstupňového AO nastavenie internej recyklácie z konca tretieho stupňa do prvej anoxickej zóny mierne zlepšilo odstraňovanie TN a TP, ale účinnosť odstraňovania organickej hmoty sa znížila. Ide o špekuláciu pripisovanú zvýšenému celkovému prietoku v biologickej nádrži v dôsledku recyklácie, ktorá prenášala rozpustený kyslík do anoxickej zóny, čo ovplyvňuje anoxické prostredie. Okrem toho sa skutočná HRT v každej zóne skrátila a prechod medzi prevádzkovými podmienkami sa urýchlil, čo viedlo k zníženiu účinnosti. Pre charakteristiky prítoku, ako sú tie v tomto projekte v južnej Číne, kde koncentrácia TN nie je príliš vysoká, môže dvoj-stupňový AO plne spĺňať požiadavky na odtok, pričom pre troj-stupňový AO nevykazuje žiadnu výraznú výhodu. Pre scenáre s vysokým COD a vysokým vplyvom TN môže byť vhodnejšia trojstupňová AO.
② Štúdia o úprave pomerov distribúcie vplyvu
Dvoj{0}}aj troj{1}}stupňový AO bol nastavený so 100 % interným recyklačným pomerom v prvom stupni AO. Štúdie sa uskutočnili na viac{4}}bodových pomeroch distribúcie prítoku (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Tu 1:0:0 znamená, že všetok vplyv vstupuje úplne vpredu; 3:7:0 pre tri-stupne AO znamená, že prítok je distribuovaný iba do anaeróbnej zóny a druhého stupňa AO. Výsledky simulácie pre upravené distribučné pomery sú uvedené vTabuľka 3.
Z tabuľky 3 je zrejmé, že distribučný pomer má mierny vplyv na kvalitu odpadovej vody. Všeobecným trendom je, že so zvyšujúcim sa podielom prítoku distribuovaného do neskorších štádií stúpajú koncentrácie TN, NH₃-N a TP v odpadových vodách a postupne sa zvyšuje aj potreba prevzdušňovania. Keď bol pomer prítoku 3:7:0, trojstupňový AO vykazoval o niečo lepšie odstraňovanie TN a mierne nižší pomer vzduchu-k-vode ako dvojstupňový AO. V skutočnej prevádzke je však tento rozdiel vo všeobecnosti zanedbateľný. Okrem toho zvýšenie podielu prítoku do neskorších štádií, zatiaľ čo je prospešné pre využitie zdroja uhlíka pri denitrifikácii, nevyhnutne zvyšuje zaťaženie biochemických reakcií v dôsledku vstupu NH3-N, organickej hmoty a TP. Preto sa odporúča zachovať konfiguráciu viacbodového prítoku a počas prevádzky vykonávať postupné úpravy na základe skutočnej kvality vody. Stojí za zmienku, že hoci trojstupňová AO vykazovala lepšie odstraňovanie TN ako dvojstupňová AO pri pomere prítoku 2:4:4, keď sa prítok do neskorších štádií zvyšoval, odpadová voda NH₃-N vykazovala stúpajúci trend, v ktorom už NH₃-N nemohlo spĺňať normu odtoku.
③ Liečebný výkon v dvoch-a trojstupňových-stupňoch AO
Trojstupňová konfigurácia AO bola simulovaná pomocou HRT=14 h, rovnakých objemových pomerov pre každý stupeň (1:1:1), 100 % interného recyklovania nastaveného v prvom stupni AO a pomeru prítoku 4:3:3 za dvoch podmienok: so 100 % recyklovaním a s uzavretým recyklovaním. Dvojstupňová konfigurácia AO bola simulovaná pomocou HRT{12}} h, 100 % internej recyklačnej sady a pomeru prítoku 4:3:3. Výsledky ukázali, že dvojstupňová AO dosiahla optimálnu TN odtoku pri 6,29 mg/l; trojstupňový AO so 100 % internou recykláciou vpredu dosiahol ďalší najlepší výsledok s 7,51 mg/l; trojstupňový AO bez interného recyklovania mal horšie výsledky pri 8,52 mg/l. Všetky tri scenáre by mohli spĺňať požiadavku na overenie odpadových vôd (TN menej ako alebo rovné 10 mg/l).
Tabuľka 4zobrazuje porovnanie parametrov návrhu medzi dvoj{0}}fázovým a trojstupňovým{1}} AO. Je možné vidieť, že pre oba procesy je HRT potrebná na dosiahnutie požiadavky TN odpadovej vody menej ako 18 hodín. Hlavné rozdiely medzi týmito dvoma procesmi sú nasledovné:
a. Teoreticky, troj{0}}stupňový AO má vyššiu hornú hranicu; tj pri správnej prevádzke môžu byť investičné aj prevádzkové náklady nižšie. Dvoj-stupňový AO má menej položiek a stupňov vybavenia, čo vedie k nižším nákladom na vybavenie a nižším ťažkostiam pri prevádzke.
b. Pre tento konkrétny projekt, keďže sa uvažovalo o dlhodobom horizonte a objem nádrže bol navrhnutý na 18-hodinovú HRT, civilná investícia by bola identická bez ohľadu na to, či by sa použila dvoj-alebo troj-stupňová AO. Náklady na vybavenie pre troj-stupňový AO sú vyššie. Preto je z investičného hľadiska prijatie dvojstupňového AO hospodárnejšie.
c. Čo sa týka prevádzkových nákladov, trojstupňový AO by mohol ušetriť približne 0,002 CNY/m³ odstránením 100 % nákladov na recykláciu zmiešaného likéru. Ak vezmeme do úvahy potenciálne zníženie efektívnosti využitia zdroja uhlíka v skutočnej prevádzke v dôsledku striedania anoxických/oxických podmienok v troch-stupňoch AO, skutočný rozdiel v prevádzkových nákladoch by bol pravdepodobne ešte menší.
2.2.2 Analýza scenára dlhodobého-pozastaveného prepravcu
Vzhľadom na jedinečné požiadavky tohto projektu musela biologická nádrž zvážiť uskutočniteľnosť a pohodlie dlhodobého{0}}plánu rozšírenia kapacity, tj vplyv pridania zavesených nosičov.
Jadrom procesu MBBR je zvýšenie biomasy v reaktore pridaním suspendovaných nosičov. Môžu byť pridané do aeróbnych, anoxických alebo anaeróbnych nádrží. Avšak vzhľadom na fluidizáciu nosiča by ich pridanie do anaeróbnych alebo anoxických nádrží výrazne zvýšilo požiadavky na miešaciu silu. Preto sa prednostne odporúča pridávanie do aeróbnych nádrží. Objem pre anaeróbne/anoxické zóny je možné doplniť vyčlenením z aeróbnej zóny, pričom nedostatok aeróbneho objemu je kompenzovaný pridanými nosičmi. Inými slovami, nedostatočný aeróbny objem je znášaný zväčšenou povrchovou plochou zavesených nosičov, ktorá sa vypočítava na základe konverzie zaťaženia znečisťujúcimi látkami, aby sa určilo požadované množstvo nosiča, riadením určitého plniaceho pomeru na získanie pridaného objemu.
Na základe výpočtov, ak by sme prijali dvoj{0}}proces AO a pridali všetky pozastavené nosiče do prvej{1}}aeróbnej zóny z dlhodobého hľadiska, požadovaná plocha nosiča MBBR by bola 2 597 708 m², čo by stálo 12,99 milióna CNY. Ostatné súvisiace náklady na fixné zariadenia (vrátane fluidizačných systémov MBBR, jednoúčelových mixérov, triediacich systémov a inteligentných riadiacich systémov) by boli 6,15 milióna CNY. Ak sa použije trojfázový proces AO, z dôvodu väčšieho počtu rozptýlených zón by sa zóna MBBR musela rozdeliť na 2 časti (prvá-etapa a druhá{12}}aeróbna fáza). V dôsledku toho by sa náklady na inštaláciu zodpovedajúceho pevného zariadenia MBBR (okrem samotných dopravcov) mierne zvýšili na 7,77 milióna CNY, pričom náklady na prepravu zostávajú rovnaké. To znamená, že prijatie trojstupňového{16} AO by zvýšilo budúce investície do renovácie o 1,62 milióna CNY a tiež by zvýšilo zložitosť renovácie. Okrem toho je skríningový systém oblasťou najviac náchylnou na problémy po pridaní nosiča. Troj-stupňový AO pridáva ďalšiu časť obrazoviek, čím zvyšuje prevádzkovú náročnosť.
Z vyššie uvedeného porovnania vyplýva, že v dôsledku nadmerného rozdelenia na trojstupňový AO, pričom každý oddiel má podobný objem, je jeho náročnosť dodatočného vybavenia vyššia ako obtiažnosť dvojstupňového AO. Konštrukcia, prevádzková zložitosť a pridanie skríningového zariadenia tiež vedú k vyšším investíciám ako pri dvoj-stupňovom AO. Prijatie dvoj{5}}stupňového AO je preto vhodnejšie pre budúce spojenie so zavesenými nosičmi.
2.3 Výsledok porovnania
Na základe vyššie uvedenej analýzy môžu dvoj{0}}aj trojstupňové{1}}procesy AO dosiahnuť cieľovú hodnotu TN v odpadovej vode nižšiu alebo rovnú 10 mg/l. Za okrajových podmienok tohto projektu-obmedzený priestor, potreba maximalizovať-objem nádrže v krátkom čase a dlhodobý-plán pridať pozastavené nosiče-dvoj-úrovni AO prinášajú výhody z hľadiska-krátkodobej investície a pohodlia správy/údržby vybavenia. Ponúka tiež vyššiu kompatibilitu pre budúcu modernizáciu so zavesenými nosičmi, čo vedie k nižším celkovým investíciám a zníženiu dodatočných a prevádzkových ťažkostí. Po komplexnom zvážení sme preto pre tento návrh odporučili{12}}dvojstupňový proces AO.
3 Prevádzkový výkon
Celková odhadovaná investícia do tohto projektu je 304,5721 milióna CNY, so stavebnými nákladmi 243,6019 milióna CNY, čo predstavuje jednotkové stavebné náklady 3 480,03 CNY/m³. Náklady na ošetrenie sú 1,95 CNY/m³ a prevádzkové náklady sú 1,20 CNY/m³.
Pre tento projekt má biologická nádrž celkovú HRT 18 hodín (zahŕňa: anaeróbna zóna 2 h, prvá-etapa anoxická zóna 3,5 h, prvá{4}}etapa aeróbna zóna 7,5 h, odplyňovacia zóna 0,5 h, druhá-etapa anoxická zóna 2,5}}efektívna vodná zóna 2 h, druhá hĺbka vody{{9 h 8,6 m. Implementovaný je nastaviteľný sekčný prívod vody, ktorý umožňuje podľa potreby upravovať pomer distribúcie prítoku v 20% prírastkoch. V skutočnej prevádzke sa koncentrácia suspendovaných pevných látok zmiešaného výluhu (MLSS) v biologickej nádrži pohybuje od 3 500 do 4 000 mg/l, pomer návratnosti kalu sa pohybuje od 40 % do 100 % a vnútorný recyklačný pomer zmiešaného výluhu sa pohybuje od 100 % do 200 %. Skutočná kvalita prítoku a odtoku je uvedená vTabuľka 5, ktorý je v podstate v súlade s výsledkami simulácie.
4 Záver
Pomocou ČOV v južnej Číne ako prípadovej štúdie sa vykonalo technické a ekonomické porovnanie medzi dvoj{0}}a troj{1}}stupňovými procesmi AO pomocou simulácie BioWin. Dvojstupňová AO s menším počtom položiek a štádií vybavenia, nižšími nákladmi na vybavenie a nižšou obtiažnosťou prevádzkového riadenia je vhodnejšia pre podmienky v južnej Číne, kde vplyv TN nie je príliš vysoký. V prípade trojstupňového AO nastavenie internej recyklácie od konca tretej etapy do prvej anoxickej zóny negatívne ovplyvnilo efektivitu odstraňovania TN, zvýšilo náročnosť prevádzkového riadenia a zvýšilo investičné náklady. Dizajn súčasne spĺňa požiadavky na krátkodobú úpravu 50 000 m³/d a TN menší alebo rovný 10 mg/l, zatiaľ čo dlhodobý-rozsah 70 000 m³/d možno dosiahnuť spojením so zavesenými nosičmi. Skutočné prevádzkové výsledky sú do značnej miery v súlade s výsledkami simulácie BioWin, s priemernou TN odtoku 6,86 mg/l, čo spĺňa konštrukčné požiadavky.