Aplikácia procesu BIOLAK pri modernizácii čistiarne odpadových vôd na štandardy kvázi{0}}triedy IV
Proces BIOLAK, ktorý bol zavedený v Číne na začiatku 21. storočia, získal široké uplatnenie v čistení komunálnych odpadových vôd vďaka svojej jednoduchej štruktúre a nízkym investičným nákladom. V posledných rokoch, so sprísňovaním noriem vypúšťania a zvyšujúcou sa automatizáciou, väčšina existujúcich závodov BIOLAK čelí modernizácii. Na zlepšenie odstraňovania dusíka a fosforu sú implementované vylepšenia, ako je pridanie zavesených nosičov, dodatočné vybavenie nádrží a predefinovanie funkčných zón. Zatiaľ čo novovybudované závody využívajú prevažne procesy A²/O a oxidačné priekopy, existuje len málo správ o skutočnom výkone BIOLAK, najmä v rámci prísnych emisných noriem. Proces BIOLAK využíva výkyvné prevzdušňovacie reťazce na vytvorenie dočasných anoxických a aeróbnych zón, ktoré v podstate fungujú ako viacstupňový A/O proces. Prostredníctvom prevádzkovej optimalizácie môže kvalita odpadovej vody stabilne spĺňať kvázi-štandard pre povrchové vody IV. triedy.
1 Pozadie projektu
Čistiareň odpadových vôd v provincii Hebei využíva proces BIOLAK ako hlavnú technológiu. Prítok sa pohybuje od 18 000 do 22 000 m³/d, v priemere 19 000 m³/d, čistí predovšetkým mestské domové odpadové vody a malé množstvo odpadových vôd z poľnohospodárskeho spracovania. Navrhnuté kvality prítoku a odtoku sú uvedené vTabuľka 1. Pôvodná norma vypúšťania bola norma stupňa A *"Štandard vypúšťania znečisťujúcich látok pre čističky komunálnych odpadových vôd" (GB 18918-2002)*. Po modernizácii, ktorá zahŕňala rozdelenie anaeróbnej zóny na zlepšenie denitrifikácie a defosforizácie, závod teraz spĺňa kľúčové limity kontrolnej oblasti *"Normy vypúšťania látok znečisťujúcich vodu pre povodie rieky Daqing" (DB13/2795-2018)*. Okrem celkového dusíka všetky ostatné indikátory spĺňajú štandardy triedy IV špecifikované v *"Štandardy kvality životného prostredia pre povrchové vody" (GB 3838-2002)*. Priebeh procesu je znázornený vObrázok 1.
Zariadenie používa na dezinfekciu chlórnan sodný. Kal sa pred transportom na-spracovanie v cementárskych peciach odvodňuje vysokotlakovou doskovou a rámovou filtráciou na obsah vlhkosti pod 60 %.
Príspevok každej čistiacej jednotky k odstraňovaniu znečisťujúcich látok sa vypočítal na základe hmotnostnej bilancie so špecifickými metódami uvedenými v literatúre.
2 Opatrenia na optimalizáciu prevádzkovej kontroly
Počas prevádzky boli implementované viaceré optimalizačné opatrenia na zvýšenie stability odpadových vôd a dosiahnutie úspor energie a nákladov.
2.1 Vylepšená kontrola rozpusteného kyslíka (DO).
Existujúce projekty modernizácie BIOLAK často zaznamenávajú slabé zónovanie ako viacstupňový A/O variant, čo vedie k nízkej účinnosti denitrifikácie. V tomto projekte sa pri zabezpečení zhody s vytekajúcim amoniakovým dusíkom maximálne DO na konci prevzdušňovacej zóny udržiavalo na 0,5 – 1,0 mg/l, čo je nižšie ako konvenčné požiadavky na kontrolu DO.
2.2 Zvýšené monitorovanie procesných údajov
Na usmernenie kontroly DO a dávkovania externého zdroja uhlíka sa na konci anaeróbnej zóny a v nádrži BIOLAK monitoroval dusičnanový dusík a amoniakálny dusík, aby sa určili optimálne kontrolné rozsahy. Počas prevádzky sa dávkovanie externého zdroja uhlíka znížilo alebo zastavilo, keď bol dusičnanový dusík na konci anaeróbnej zóny<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Nastavenie vnútorných cieľov kontroly odpadových vôd
Na zabezpečenie stabilného súladu boli ciele vnútornej kontroly stanovené na 30 % – 80 % limitov vypúšťania na základe obtiažnosti kontroly každej znečisťujúcej látky. Prekročenie týchto vnútorných limitov vyvolalo okamžité úpravy parametrov procesu, aby sa koncentrácie odpadových vôd vrátili do prijateľného rozsahu. Ročné ciele vnútornej kontroly pre CHSK, amoniakálny dusík, celkový dusík a celkový fosfor boli 15 mg/l, 0,5 mg/l, 12 mg/l a 0,12 mg/l.
2.4 Udržiavanie vhodnej koncentrácie kalu
Plytvanie kalom bolo upravené na základe prietoku, zaťaženia a sezóny. Retenčný čas kalu (SRT) sa udržiaval na 15 až 25 dňoch a koncentrácia suspendovaných pevných látok v zmiešanom lúhu (MLSS) na 2 500 až 4 500 mg/l. Konkrétne bola MLSS kontrolovaná na 2 500 – 3 500 mg/l v lete a na jeseň, s kalovým zaťažením približne 0,06 kg COD/(kgMLSS·d) a na 3 500 – 4 500 mg/l v zime a na jar, s kalovým zaťažením približne 0,04 kg COD/(kgMLSS·d).
2.5 Úprava prevádzky jednotiek pokročilej liečby
Nízke teploty v zime ovplyvnili flokuláciu a sedimentáciu. Predčasné spätné preplachovanie filtrov typu V- môže viesť k zvýšeným množstvám nerozpustených látok a CHSK. Preto sa počas zimnej prevádzky frekvencia spätného preplachovania zvýšila na základe koagulačného výkonu a zintenzívnilo sa vypúšťanie kalu z koagulačnej-sedimentačnej nádrže, aby sa znížila koncentrácia nerozpustených látok v odpadovej vode.
3 Výkon liečby
Ročný prítok CHSK sa pohyboval od 109 do 248 mg/l, v priemere 176 mg/l. CHSK v odpadovej vode sa pohybovala od 9,5 do 20,1 mg/l, v priemere 12,1 mg/l. Keď CHSK odpadových vôd prekročila interný kontrolný cieľ (15 mg/l), frekvencia spätného preplachovania filtra sa zvýšila, aby sa znížili nerozpustné pevné látky. Pre lepšiu účinnosť koagulácie sa odporúča inovovať koagulačnú-sedimentačnú nádrž na usadzovaciu nádrž s vysokou{11}}hustotou alebo magnetickou koaguláciou{12}}.
Ročný prítok amoniakálneho dusíka sa pohyboval od 17,8 do 54,9 mg/l, v priemere 31,9 mg/l. Výtokový amoniakálny dusík sa pohyboval od 0,12 do 1,30 mg/l, v priemere 0,5 mg/l. Pri prekročení interného kontrolného cieľa sa prevzdušňovanie upravilo podľa optimalizačných opatrení. Kvalita odpadových vôd stabilne počas celého roka spĺňala kľúčové limity kontrolnej oblasti *DB13/2795-2018*.
Kvôli nízkej koncentrácii zdroja uhlíka sa pozornosť sústredila na optimalizáciu podmienok procesu na zlepšenie odstraňovania dusíka a fosforu s cieľom úspory energie a nákladov.
3.1 Optimalizácia DO Control a celkové odstránenie dusíka
Ročný prítok celkového dusíka (TN) sa pohyboval od 20,3 do 55,6 mg/l (viď.Obrázok 2), v priemere 42,1 mg/l. TN odtoku sa pohybovala od 2,5 do 14,2 mg/l, v priemere 8,8 mg/l, v rámci interného kontrolného cieľa (12 mg/l). Priemerná rýchlosť odstraňovania TN bola 79,1 %. Pri pomere recyklácie kalu 90 % (žiadna vnútorná recyklácia zmiešaného lúhu) bola teoretická denitrifikačná účinnosť 47,4 %, čo naznačuje, že denitrifikácia sa vyskytla aj v iných procesných zónach za anaeróbnym selektorom. Zmeny dusíka pozdĺž liečebného cyklu v typickom cykle sú znázornené vObrázok 3.
V typickom cykle bol prítok TN 42,0 mg/l, pričom súčet amoniaku a dusičnanového dusíka bol 35,2 mg/l. Po anaeróbnom selektore bola TN 16,7 mg/l, čo viedlo k 43,5 % rýchlosti odstraňovania prostredníctvom hmotnostnej bilancie, čo je v súlade s teoretickou hodnotou. Nádrž BIOLAK prispela k odstráneniu TN 24,0 %. Odtok TN sa ďalej znížil v sekundárnej sedimentačnej nádrži, čo prispelo k ďalšiemu odstráneniu o 11,3 %, najmä v dôsledku jeho dlhého hydraulického retenčného času (8,6 hodiny), ktorý umožňuje denitrifikáciu{10}}poháňanú endogénnym zdrojom uhlíka. Ostatné jednotky prispeli k odstráneniu 1,9 %. Konečný výtok TN bol 8,1 mg/l, s celkovou rýchlosťou odstraňovania 80,7 %.
Prevádzkové skúsenosti ukazujú, že kontrola DO je rozhodujúca pre odstránenie TN v procese BIOLAK. V konvenčných procesoch sa DO zvyčajne meria na konci aeróbnej zóny v štruktúre kanála, kde je DO relatívne rovnomerné v priereze-. V nádrži BIOLAK je však koniec prevzdušňovacej zóny široký takmer 70 metrov, pričom DO stúpa od okraja svahu k stredu, pričom sa líši o 0,5–1,0 mg/l. Preto si umiestnenie DO sond vyžaduje starostlivú pozornosť.
Prísnou kontrolou maximálneho DO na konci prevzdušňovacej zóny BIOLAK bolo efektívne zabezpečené anoxické prostredie potrebné na denitrifikáciu. Dosiahla sa simultánna nitrifikácia a denitrifikácia (SND) s využitím endogénnych zdrojov uhlíka, výsledkom čoho je efektívne odstraňovanie TN.
3.2 Celkové odstránenie fosforu a prevádzková optimalizácia
Ročný prítok celkového fosforu (TP) sa pohyboval od 1,47 do 4,80 mg/l (pozriObrázok 4), v priemere 2,99 mg/l. TP výtoku sa pohybovala od 0,04 do 0,17 mg/l. Dávkovanie činidla na odstraňovanie fosforu bolo upravené na základe cieľa vnútornej kontroly (0,12 mg/l). Priemerná koncentrácia TP vo výtoku bola 0,07 mg/l, stabilne spĺňala normu vypúšťania, s priemernou rýchlosťou odstraňovania TP 98,3 %.
Zmeny vo fosfátoch počas liečebného cyklu v typickom cykle sú znázornené vObrázok 5.
Prítok fosforečnanu bol 2,70 mg/l a fosforečnan vratného kalu bol 0,58 mg/l, čím bol teoretický fosforečnan vstupujúci do anaeróbneho selektora 1,70 mg/l. Po uvoľnení anaeróbneho fosforu organizmami akumulujúcimi polyfosforečnany (PAO) dosiahla koncentrácia fosforečnanov 3,2 mg/l. Pomer koncentrácie fosforečnanov (maximum v anaeróbnej zóne / prítok) bol 1,9, čo naznačuje významné uvoľňovanie. Hlavným dôvodom bola efektívna denitrifikácia pri nízkych podmienkach DO, čo viedlo k nízkej koncentrácii dusičnanov vo vratnom kale do anaeróbnej zóny, udržaniu dobrého anaeróbneho prostredia (ORP všeobecne pod -200 mV) a podpore uvoľňovania fosforu.
Po prevzdušňovacej zóne BIOLAK došlo k podstatnému príjmu fosforu, čím sa koncentrácia fosforečnanov na konci znížila na 0,3 mg/l, čím sa dosiahla biologická účinnosť odstraňovania fosforu 88,9 %. Po sedimentačných a stabilizačných nádržiach sa koncentrácia fosforečnanov zvýšila na 0,64 mg/l. Analýza naznačuje, že to bolo spôsobené dlhou HRT v sedimentačnej nádrži a prísne kontrolovaným DO v nádrži BIOLAK, čím sa vytvorili anaeróbne podmienky v sedimentačnej nádrži a spôsobili sekundárne uvoľňovanie fosforu. Po chemickom dávkovaní v koagulačnej jednotke sa fosfát v odpadovej vode znížil na 0,06 mg/l. Preto, berúc do úvahy ekonomické náklady a prevádzkovú zložitosť, obetovanie určitej účinnosti biologického odstraňovania fosforu na zvýšenie denitrifikácie je životaschopnou optimalizačnou stratégiou pre podobné rastliny.
4 Prevádzkové náklady
Priame prevádzkové náklady zahŕňajú elektrickú energiu, chemikálie a likvidáciu kalov. Na základe ročných štatistík bola merná spotreba energie 0,66 kWh/m³. Pri cene elektriny 0,65 CNY/kWh (na základe kombinácie špičkových/mimo{4}}špičkových sadzieb) boli náklady na elektrinu 0,429 CNY/m³. Táto spotreba je podľa „Štandardu hodnotenia kvality prevádzky komunálnych čistiarní odpadových vôd“ na vyššej strane, a to najmä z dôvodu mierne nižšej účinnosti využitia kyslíka v prevzdušňovacom systéme. Náklady na chemikálie, vrátane octanu sodného, činidla na odstraňovanie fosforu, PAM, chlórnanu sodného a odvodňovacích chemikálií, dosiahli spolu 0,151 CNY/m³. Konkrétne použitie a náklady sú uvedené vTabuľka 2.
Kaly pochádzajú prevažne z biologických a chemických (koagulačná nádrž) zdrojov. Vysokotlaková-dosková a rámová filtrácia sa používa s vápnom a chloridom železitým ako kondicionérmi. Dávkovanie vápna je asi 25% hmotnosti suchého kalu. Odvodnený koláč má obsah vlhkosti 60 %. Denná produkcia odvodneného kalu je asi 9 ton, s mernou výťažnosťou suchého kalu asi 0,15 %. Preprava kalu stojí 250 CNY/tona, čo vedie k nákladom na likvidáciu kalu približne 0,118 CNY/m³. Preto sú celkové priame výrobné náklady 0,698 CNY/m³.
5 Závery
① Čistiareň odpadových vôd v provincii Che-pej, ktorá využíva na čistenie komunálnych odpadových vôd proces BIOLAK, fungovala nepretržite jeden rok a kvalita odpadových vôd stabilne spĺňala kľúčové limity kontrolnej oblasti *DB13/2795-2018* (štandard pre povrchové vody Quasi-Class IV).
② Ako variant viac{0}}stupňového procesu A/O riadenie maximálneho DO na konci prevzdušňovacej zóny BIOLAK na 0,5 – 1,0 mg/l viedlo k rýchlosti odstraňovania TN 24,0 % v zóne BIOLAK a 11,3 % v sedimentačnej nádrži. Tým sa dosiahla súčasná nitrifikačná-denitrifikácia a denitrifikácia endogénneho zdroja uhlíka, čo demonštruje významnú schopnosť odstraňovať dusík.
③ Priame prevádzkové náklady na proces BIOLAK boli 0,698 CNY/m³. Opatrenia na optimalizáciu prevádzky, vrátane monitorovania procesných údajov a stanovenia primeraných cieľov vnútornej kontroly, môžu poskytnúť referencie na optimalizáciu prevádzky a dosiahnutie úspor energie/nákladov v podobných čistiarňach odpadových vôd.