Усъвършенствано отстраняване на азот в ПСОВ: Проектиране на процес с чист биофилм MBBR и анализ на ефективността|Казус от практиката

Инженерен дизайн и изпълнение на процес MBBR с чист биофилм за разширено отстраняване на азот

С всеобхватния напредък на изграждането на екологична цивилизация в Китай, стандартите за заустване на пречиствателните станции за отпадъчни води (ПСОВ) стават все по-строги. Стандартът от клас А на „Стандарт за изхвърляне на замърсители за общински пречиствателни станции за отпадъчни води“ (GB 18918-2002) изисква TN по-малко или равно на 15 mg/L, докато местните стандарти в региони като Пекин и Шандонг изрично определят границата на TN по-малко или равно на 10 mg/L. Тези повишени стандарти надхвърлят само границите на качеството на водата, като поставят по-строги изисквания към стабилността на отпадъчните води. Следователно има належаща необходимост от подобряване на капацитета за отстраняване на азот от процесите на обработка. Един подход е да се увеличи дозата на въглеродния източник в съществуващия процес, за да се подобри денитрификацията, но това води до високи оперативни разходи и увеличени въглеродни емисии. Алтернативно, добавянето на усъвършенствани съоръжения за отстраняване на азот, често използващи методи за биофилм за ефективно обогатяване на денитрифициращи бактерии, може да подобри отстраняването на TN, да намали нуждата от външни източници на въглерод и да намали въглеродните емисии. Реакторът с биофилм с подвижно легло (MBBR), със своите предимства на силно функционално обогатяване на бактерии, малък отпечатък и лесна работа и поддръжка, е широко прилаган при изграждането, разширяването и надграждането на ПСОВ. Той може стабилно да постигне стандарти за заустване, по-добри от квази-клас IV качество на повърхностните води и притежава значителен потенциал и предимства за усъвършенствано отстраняване на азот в ПСОВ. Тази статия разглежда ПСОВ в Шандонг като казус за анализ на обосновката на дизайна и оперативната ефективност на прилагането на процес MBBR с чист биофилм за усъвършенствано отстраняване на азот, с цел да предостави техническа справка за ефективна денитрификация на отпадъчни води.

1. Преглед на проекта

1.1 Въведение в проекта

ПСОВ в Шандонг е изградена на две фази. Първата фаза, използваща процеса BIOLAK, беше официално пусната в експлоатация през ноември 2003 г. с капацитет за пречистване от 40 000 m³/ден. Оформлението на процеса BIOLAK и наличната област за надграждане са показани вФигура 1. Първоначално качеството на отпадъчните води отговаря на стандарта за степен B на GB 18918-2002. До 2020 г., чрез подобрено дозиране на въглероден източник и добавяне на усъвършенствано пречистване, качеството на отпадъчните води беше подобрено до стандарта за клас А. До 2023 г., след три години експлоатация, цялостното качество на отпадъчните води като цяло може да отговаря на стандарта за клас А, но се изправя пред две големи предизвикателства по отношение на отстраняването на азот:

Дозировка с източник на високи въглеродни емисии: За постигане на целта за TN по-малко или равно на 15 mg/L, беше необходимо значително количество външен източник на въглерод. Изчисленията, базирани на секциите на процеса, показаха съотношение C/N до 5,9, докато AAO процесът във втората фаза на завода изискваше само C/N от 4,5–5,0, за да се осигури стабилно съответствие с TN. Голямото добавяне на източник на въглерод също повлия неблагоприятно на процеса на аеробна нитрификация, увеличавайки търсенето на кислород в аеробната зона.

Лоша стабилност на отстраняването на азот: Тъй като нитрификацията и денитрификацията са настъпили в един и същи резервоар при различни необходими условия, работните параметри се нуждаят от честа корекция въз основа на влиятелни промени. Контролирането на NH3-N и TN е противоречиво, което затруднява поддържането на стабилен баланс между нитрификация и денитрификация. Устойчивостта на системата на ударно натоварване е средна, което води до лоша стабилност на отпадните води.

Следователно беше необходимо надграждане на оригиналния процес BIOLAK с основните цели за разрешаване на конфликта между нитрификация и денитрификация, намаляване на оперативните разходи за отстраняване на азот и подобряване на стабилността на отпадъчните води.

1.2 Предизвикателства при надграждане

Тъй като процесът BIOLAK беше неподходящ за модификация в -резервоара за подобряване на производителността, планът беше да се подобри обработката чрез конструиране на нова усъвършенствана единица за отстраняване на азот. Оригиналният процес BIOLAK се фокусира основно върху нитрификация с денитрификация като вторична, докато новият процес ще се фокусира върху денитрификация. Като се имат предвид действителните нужди от обновяване, проектът беше изправен пред две големи предизвикателства: ограничена налична земя за новия процес и високи изисквания за оперативна ефективност.

Ограничена налична земя за нов процес: Новото строителство трябваше да бъде завършено в рамките на съществуващата производствена площадка, която по същество нямаше запазена земя. Строителството беше възможно само на зелен пояс в съседство с резервоарите BIOLAK, с налична площ от 400 m². Това означава, че отпечатъкът на новия проект за единица пречистена вода трябва да бъде по-малък или равен на 0,01 m²/(m³·d).

Високи изисквания за оперативна ефективност: Това не беше просто надграждане, а допълнително оптимизиране на биохимичната функционална зона. Очакваше се новото съоръжение да се справи с натоварване от отстраняване на азот от 20 mg/L. Този процес не само трябваше да бъде завършен на ограничена земя, но също така трябваше да се намали дозата на въглеродния източник в сравнение с оригиналната денитрификация BIOLAK, като същевременно се гарантира стабилна производителност на денитрификация. По този начин бяха поставени високи изисквания както към ефективността на отстраняване на азот, така и към ефективността на използване на източника на въглерод.

2. Сравнение и избор на процеси

След третиране чрез процеса BIOLAK, отпадъчният TN се състои главно от нитратен азот. Понастоящем зрелите усъвършенствани процеси за отстраняване на азот използват предимно методи за биофилм, характеризиращи се с ефективно обогатяване на микроорганизми върху повърхностите на носителя в прикрепено състояние, предлагайки значително по-висока функционална ефективност на обогатяване с бактерии в сравнение с конвенционалните процеси с активна утайка. Процесите с биофилм могат допълнително да бъдат разделени на типове неподвижен-слой и движещ се-слой въз основа на флуидизация на носителя, както е показано вФигура 2.Денитрифициращите филтри, типичните процеси за-биофилм с фиксиран слой, използват фиксирани гранулирани филтърни среди като носители на микробен растеж. Чрез добавяне на външен източник на въглерод те използват денитрификацията на биофилма и филтрирането на средата, за да постигнат едновременно отстраняване на NO₃^--N, SS и други замърсители. Предимствата включват стабилно качество на пречистената вода, липса на нужда от вторични пречистватели и компактно оформление, което ги прави широко използвани в надстройките на ПСОВ като усъвършенствано пречиствателно устройство за подобряване на отстраняването на TN от вторичните отпадъчни води. Оперативният фокус обаче трябва да бъде върху въздействието на C/N върху усъвършенстваната ефективност на денитрификацията. Проектът за надграждане на ПСОВ Фаза I на Pingtang, също с капацитет от 40 000 m³/ден, използва денитрифициращ филтър + високо-ефективна флотация на разтворен въздух (DAF) като усъвършенстван процес на пречистване за повишаване на TN на отпадните води до квази-стандарти за повърхностни води от клас IV, постигайки отпечатък от около 0,045 m²/(m³·d), спестявайки земя и позволявайки ефективно третиране, но с C/N до 18,34. За да отговори на новите местни стандарти за TN на отпадъчни води, заводът за рекултивация на вода No. 9 в Ченгду прие утаителен резервоар с висока-плътност и денитрифициращ дълбок-филтър като процес на надграждане, с C/N от 5,7, постигайки усъвършенствано третиране при високи стандарти. ПСОВ Dingqiao в Haining не можа да изпълни стандартите за заустване от степен A, изисквани за басейна на река Qiantang. Гао Фея и др. използва денитрифициращ филтър с дълбок-слой за усъвършенствано третиране с TN, като едновременно отстранява SS и TP, довеждайки качеството на отпадъчните води до квази{19}}стандартите за клас IV, но с висок C/N от 15,68, което води до високи разходи за отстраняване на азот. Освен това процесите на филтриране изискват редовно обратно промиване, обикновено чрез измиване с въздух-вода, което може да повлияе на работната стабилност.

нестабилност в денитрифициращите филтри, изследванията за прилагане на-базирана на сяра автотрофна денитрификация (SAD) към денитрифициращи филтри привлякоха внимание. SAD използва елементарна сяра или серни съединения като донори на електрони при анаеробни или аноксични условия за намаляване на NO₃^--N до N₂. Той предлага предимства като добра ефективност на денитрификация, липса на нужда от източник на органичен въглерод, ниски оперативни разходи и ниско производство на утайки. Song Qingyuan и др. изследва ефекта на премахване на азота от филтър за SAD върху вторичните отпадъчни води. След оптимизиране на пилотните условия отстраняването на нитрати остава стабилно над 95%, но степента на потребление на среда достига 20% годишно, придружено от повишена концентрация на сулфат в отпадъчния поток и понижено pH. За да се избегнат рисковете от вторично замърсяване от SAD, Li Tianxin et al. приготвена среда чрез пелетизиране на смес от сяра и варовик на прах. Добавянето на определена пропорция варовик към филтърния слой неутрализира генерираната киселинност и произведе CaSO₄ утайка, намалявайки концентрацията на сулфат в изтичащия поток и ефективно решавайки проблемите с производството на киселина и високите нива на сулфат. Въпреки това, варовикът заема пространство, предназначено за електронни донорни среди в системата, отслабвайки усъвършенствания капацитет за денитрификация, увеличавайки твърдостта на отпадъчните води и повишавайки оперативните разходи. Настоящите изследвания на технологията на SAD са предимно в лабораторен и пилотен мащаб, с недостатъчен инженерен опит за справка. Необходими са по-нататъшни приложни изследвания преди популяризиране-в индустриален мащаб.

MBBR е типичен представител на процесите с-биофилм в кипящ слой и нова технология за пречистване на отпадъчни води, която получи значително внимание през последните години. Той използва суспендирани носители с плътност, близка до водата, за специфично обогатяване на микроорганизми, образувайки биофилм за постигане на напреднало отстраняване на азота. Процесите на-биофилм във флуидизиран слой също така избягват проблеми със запушване на медиите и обратно промиване. В момента чистият биофилм MBBR за усъвършенствана денитрификация на ПСОВ има над 20 години успешен оперативен опит в чужбина и вижда все по-широко приложение в Китай. Zheng Zhijia и др. използва дву-етапен MBBR процес с чист биофилм за усъвършенствана денитрификация. При C/N=4.0 изходящият нитратен азот от системата се стабилизира при (1,87 ± 1,07) mg/L, със среден процент на отстраняване на TN от 93,3%. ПСОВ в зона за развитие в определен град изгради нов био-резервоар MBBR като третично усъвършенствано третиране за подобрена денитрификация. Натоварването за отстраняване на TN в аноксичната секция на чистия биофилм MBBR беше 1,1 g/(m²·d), което подобрява надеждността на денитрификацията на системата. Gao Yanbo et al., с цел да увеличат първоначалния капацитет на завода, изградиха нов дву-етапен AO чист биофилм MBBR био-резервоар, постигайки стабилни отпадъчни води TN под 5 mg/L с висока ефективност на денитрификация. По този начин процесът MBBR с чист биофилм показва голям потенциал за усъвършенствано отстраняване на азот в ПСОВ, съчетавайки предимства като висока ефективност на оползотворяване на източника на въглерод, високо натоварване при обработка и малък отпечатък. Въпреки това, той също така поставя по-високи изисквания към оборудването, изисквайки надеждно оборудване за поддържане на стабилна работа на процеса. Сравнение на обичайните усъвършенствани процеси за отстраняване на азот е показано вТаблица 1.

Въз основа на цялостно сравнение, въпреки че процесът SAD не изисква добавяне на източник на въглерод, текущото му приложение все още не е зряло и носи рискове от вторично замърсяване, така че не е взето предвид за това надграждане. Въпреки че денитрифициращите филтри са широко използвани, те се използват най-вече в надстройки на ПСОВ, където проектният входящ/отходящ TN често е 15/12 mg/L, като се справя с относително малък товар за отстраняване на TN. Тъй като този проект изисква посрещане на дългосрочни-високи изисквания за премахване на TN, операцията значително ще съкрати цикъла на обратно промиване на филтъра, увеличавайки оперативните трудности и нестабилност. Процесът MBBR с чист биофилм комбинира предимства като висока ефективност на оползотворяване на въглерода, липса на необходимост от обратно промиване, зряло приложение и липса на вторично замърсяване. Като се имат предвид предизвикателствата на процеса и изискванията за обновяване, проектът в крайна сметка избра изграждането на нов био-резервоар MBBR с чист биофилм (наричан по-нататък MBBR резервоар) като усъвършенствано решение за отстраняване на азот за първата фаза, проектирано с C/N=4.5 и планиран период на изплащане на инвестицията от 7,37 години.

3. План за ново застрояване

3.1 Поток на процеса

Процесът на пречистване на отпадъчни води след обновяване е показан вФигура 3. Входящият поток от инсталацията преминава през фини сита, вихрови песъчинъчни камери и първични резервоари за утаяване, преди да влезе в био-резервоара BIOLAK за отстраняване на органична материя, амонячен азот и др. След това се издига от помпи в резервоара MBBR за напреднало отстраняване на TN. Резервоарът MBBR е проектиран за входящ TN от 35 mg/L и TN на отпадъчни води по-малък или равен на 15 mg/L. Отпадъчните води от MBBR се издигат от вторични помпи към съществуващото усъвършенствано пречистване на инсталацията за разделяне на твърди-течни вещества и изхвърляне на утайки. Окончателният отпадъчен поток се дезинфекцира преди заустване в приемната река. Излишната утайка се сгъстява, обезводнява и транспортира извън-площадката за изхвърляне.

3.2 Нов MBBR танк

Резервоарът MBBR използва AO процес, конструиран с помощта на резервоари на Lipp за модулно сглобяване, завършен за 30 дни. Общото време на хидравлично задържане на системата (HRT) е 1,43 часа. SPR-III тип специализирани аеробни и аноксични суспендирани носители се добавят вътре в резервоарите, с 60% коефициент на запълване в аеробната зона и 55% в аноксичната зона. Носачите са сплескани цилиндрични, 25 mm в диаметър и 10 mm височина, с ефективна специфична повърхност, по-голяма или равна на 800 m²/m³. Аноксичната зона е оборудвана с 4 MBBR-специализирани-смесители с променлива честота (тип химична мощност SPR), N=5.5 kW всеки, осигуряващи равномерна и достатъчна флуидизация за носителите. След узряването на биофилма, 2 миксера работят рутинно, като другите 2 са в горещ режим. Аеробната зона използва винтови вентилатори за аериране. Единичен вентилатор има въздушен капацитет от 14,50 m³/min, налягане 90 kPa, N=22 kW. Инсталиран е един комплект дифузори с перфорирана тръба за аеробна зона (тип SPR). Поради ниския необходим обем на аериране, съществуващите вентилатори Фаза I обикновено могат да се използват, като новият вентилатор и вентилаторите Фаза I служат като взаимни резервни копия. И в аеробната, и в аноксичната зона са монтирани нови екрани за улавяне на материал (тип SPR) с дебелина 12 мм и с проектиран срок на експлоатация 30 години.

3.3 Нови поддържащи съоръжения

• Влиятелна система: Отпадъчните води от био{0}}резервоара BIOLAK се издигат в резервоара MBBR. 4. Инсталирани са входни помпи (2 работни, 2 резервни), всяка с Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Система за дозиране на въглероден източник: Отпадъчните води от био{0}}резервоара Фаза I BIOLAK съдържат само COD, който е труден за използване. За да се осигури усъвършенствана денитрификация в аноксичната зона на резервоара MBBR, като външен източник на въглерод се използва натриев ацетат. 4, монтирани са измервателни помпи (2 работни, 2 резервни), всяка с Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.