Приложение на модифициран AAO процес при пречистване на битови отпадъчни води от въглищни мини
Битовите отпадъчни води във въглищните мини произхождат основно от столове за персонала, общежития, офиси, перални и бани, като дренажът за къпане представлява над 55% от общия обем. Заустването на водата за къпане е сравнително концентрирано, което води до значителни колебания на потока. Характеризиращ се с по-ниска органична концентрация и по-високи суспендирани твърди вещества (SS), дренажът за къпане се различава значително от типичната битова канализация. Неговият шахматен модел на заустване с други потоци отпадъчни води допринася за значителна променливост на качеството на водата.
Повечето въглищни мини в Китай са разположени в отдалечени райони, където разходите за транспортиране на утайки са високи. Следователно трябва да се изберат процеси на третиране с по-нисък добив на утайки. С развитието на мините и увеличаването на броя на персонала потокът от отпадъчни води често надвишава първоначалния проектен капацитет, което налага процеси със силна адаптивност към промените в качеството и количеството на водата в рамките на същия отпечатък. При все по-строгите екологични политики, изискващи пълно повторно използване на пречистените отпадъчни води с нулево изпускане, процесите трябва да осигуряват високо и стабилно качество на отпадъчните води.
Понастоящем процесът AAO (анаеробен-аноксичен-кислороден) е предпочитаният избор при пречистването на битови отпадъчни води. Тази статия анализира ефективността на приложението на модифициран AAO процес (AAO + процес с окачен носител) за битови отпадъчни води от въглищни мини въз основа на неговите уникални характеристики.
1. Модифициран AAO процес
Процесът AAO е най-простата конфигурация на потока за едновременно отстраняване на азот и фосфор. Нишковидните бактерии не могат да се размножават екстензивно при редуващи се анаеробни, аноксични и аеробни условия, предотвратявайки натрупването на утайки. Не изисква добавяне на химикали, а само леко смесване в анаеробни и аноксични резервоари, което води до ниски оперативни разходи. Утайката има високо съдържание на фосфор, което й придава добра стойност за тор.
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%, това вътрешно рециклиране консумира значителна енергия. Отпадъчните води, влизащи във вторичния пречиствател, трябва да поддържат определено ниво на разтворен кислород (DO), за да се предотвратят анаеробни условия и освобождаване на фосфор, но не твърде високо, за да се избегне намесата в денитрификацията в резервоара за аноксична среда чрез рециклираната смесена течност.
Модифицираният процес на AAO (AAO + процес на преустановен носител) ефективно смекчава тези недостатъци. Увеличава микробната маса в биологичните резервоари, подобрява обемното натоварване, постига пълно разделяне на времето за хидравлично задържане (HRT) и времето за задържане на утайката (SRT), укрепва устойчивостта на хидравлични и органични шокови натоварвания, осигурява добро качество на отпадъчните води дори при нисковъглеродни източници, произвежда по-малко и по-стабилна утайка (намалявайки изискванията за капацитет за обработка на утайките надолу по веригата). Отпадъчните води могат да отговарят на стандартите за качество на водата на „Повторното използване на градската рециклирана вода-Стандарт за качество на водата за различни градски води“ (GB/T 18920-2020) и „Кодекс за проектиране на инженерство за подготовка на въглища“ (GB 50359-2016) за промиване на въглища. Hou Feng и др. приложи процеса на AAO+окачени носители в подземна пречиствателна станция за отпадъчни води, постигайки стандарти от степен 1A според „Стандарт за изхвърляне на замърсители за общински пречиствателни станции за отпадъчни води“ (GB 18918-2002), с ключови показатели (COD, BOD5, NH3-N, TP), достигащи стандарти от клас IV съгласно „Стандарти за качество на околната среда за повърхностни води“ (GB 3838-2002). Hao Ruigang и др. използва "A/O биоконтактно окисляване + перфорирана вихрова флокулация + наклонена тръбна седиментация + активна пясъчна филтрация" при разширяването на инсталация за битови отпадъчни води на въглищна мина, постигайки качество на отпадъчните води по-добро от степен 1A. Ян Зию и др. също така постигна добри резултати, използвайки процеси с биофилм за модернизиране на съществуващо пречистване на битови отпадъчни води от въглищни мини. Модифицираният AAO процес позволява увеличаване на капацитета и подобряване на качеството на отпадните води в съществуващи инсталации с минимални модификации.
Този процес включва добавяне на суспендирани носители към аноксичните и аеробните резервоари, съчетавайки предимствата на процесите с активна утайка и биофилм. Отличава се с високо обемно натоварване, голяма биомаса, висока ефективност на обработка, силна адаптивност към水质和水量的变化, подобрена стабилност на процеса и добро отстраняване на хранителни вещества. Той образува високоспециализирани активни биофилми, повишавайки ефективността на обема на реактора и стабилността, позволявайки по-малки реактори. Утайката от отделящ се биофилм съдържа повече протозои/метазои, има по-висока плътност и по-голям размер на частиците, което води до добра утаяемост и лесно разделяне на твърди-течни вещества. Той позволява пълно разделяне на SRT-HRT, елиминира натрупването на утайки и е подходящ за отпадъчни води, богати на разтворими органични вещества.
2.1 Казус от практиката
Въглищна мина в град Yan'an, приблизително на 16 km от град Zichang, разполага с пречиствателна станция за битови отпадъчни води с проектен капацитет от 1200 m³/d. Процесът е: „Решетка + резервоар за изравняване + AAO с окачени носители + Разширено третиране (коагулация-утаяване-филтриране) + дезинфекция». Утайките се третират чрез „Гравитационно уплътняване + обезводняване с винтова преса“. Отпадъчните води отговарят на по-строгите ограничения на *GB/T 18920-2020* и GB 50359-2016 за вода за промиване на въглища. Пречистената вода се използва повторно за озеленяване на мината и като допълваща вода в обогатяващата инсталация за въглища. Проектното качество на входящите/отточните води е в съответствиеТаблица 1. Потокът на процеса е показан вФигура 1.
Отпадъчните води преминават през решетка (5 mm междина, 75 градуса ъгъл на монтаж) в изравнителен резервоар (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, ефективна дълбочина 2,95 m, обем 247,8 m³, HRT 4,13 h), отговарящ на изискванията на GB 50810-2012. Два миксера предотвратяват утаяването. Три потопяеми помпи (2 работни +1 режим на готовност, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) повдигат вода към биологичните резервоари.
Биологичната система се състои от два паралелни влака. На влак:
- Анаеробен резервоар: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, ефективна дълбочина 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Аноксичен резервоар: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, ефективна дълбочина 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Аеробен резервоар: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, ефективна дълбочина 4,0 m, HRT 10,0 h. Общата системна HRT е 15,75 h. Окачени носачи (коефициент на запълване 80%, специфична повърхност 600 m²/m³) са монтирани в аеробен резервоар. Проектното съотношение-към-вода е 13,7:1. Използват се три вентилатора на Roots (2 работни +1 режим на готовност, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). Коефициентът на рециклиране на утайки е 100%, коефициентът на рециклиране на смесена течност е 200%.
Два правоъгълни периферни-входящи/изходни вторични утаители (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m всеки) имат скорост на повърхностно натоварване от 1,2 m³/(m²·h) и HRT от 2,5 h.
Интегриран пречиствател на вода (комбиниращ коагулация, утаяване, филтриране) осигурява усъвършенствано третиране за по-нататъшно отстраняване на SS и фосфор.
Третирането на утайки включва гравитационно сгъстяване (Φ2,5 m × 5,0 m резервоар от въглеродна стомана), последвано от обезводняване чрез винтова преса. Полиакриламидът (PAM) се дозира при 3,0–5,0 kg/t сухи твърди вещества преди обезводняване. Ежедневната обезводнена утайка е по-малка или равна на 150 kg със съдържание на влага по-малко или равно на 80%, транспортирана извън -площадката.
Дезинфекцията използва -генератор на ClO2 на място (ефективна доза хлор 120 g/h), дозиран на входа на чистия кладенец. Чистият кладенец има ефективен обем от 250 m³, осигуряващ контактно време от 4,2 часа.
Инсталацията е оборудвана с обширно онлайн наблюдение (разходомери, остатъчен хлор, pH, DO, COD, мътност, ниво/концентрация на утайки) и автоматизирани системи за контрол на помпи, вентилатори, обратно промиване, дозиране на химикали и смесване, осигурявайки интелигентна работа без надзор.
2.2 Анализ на ефективността
Заводът е пуснат в експлоатация през 2021 г. и работи повече от две години. Действителното качество на входящите/отточни води за 2024 г. е показано вТаблица 2.
Влиятелното съотношение BOD5/N е 5,5, което показва отпадъчни води с ниско съотношение на въглерод-към-азот (C/N), което намалява допълнително през лятото поради инфилтрация на валежи и промени в навиците. Екстремните зимни температури в Yan'an могат да достигнат -21 градуса. Действителното качество на отпадъчните води е по-добро от проектното, като нивата на отстраняване достигат: COD 97,8%, BOD5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, отговаряйки на стандартите за 绿化 и промиване с въглища.
Масата на активния биофилм в аноксичните/аеробните резервоари достига 125 g/m² носител, което е еквивалентно на MLSS от 13 g/L-четири пъти повече от тази на конвенционалната активна утайка. Микроорганизмите са във фаза на ендогенно дишане, което води до ежедневно производство на утайка около 1/3 от конвенционалните методи, с по-добра способност за утаяване, което позволява по-малко оборудване за обработка на утайки.
Въпреки че био{0}}контактното окисление може да работи без рециклиране на утайки, изследването на Xiong Ren et al. показва, че системите с рециклиране постигат по-високи нива на отстраняване на COD, TN, NH3-N, SS и намаляват добива на утайки с 29,6%. Този дизайн включва рециклиране на смесена течност, с оперативна гъвкавост, базирана на качеството на отпадъчните води.
Заводът (1200 m³/d) заема 1350,3 m², с капиталова инвестиция от 20 милиона CNY и оперативни разходи от 1,05 CNY/m³.
В сравнение с конвенционалната AAO, която изисква разширена SRT за ефективна работа при ниски -температури, този модифициран процес запазва простотата на едновременното отстраняване на хранителни вещества, като същевременно обогатява биологичната общност с носители. Разделянето на SRT-HRT подобрява био-стабилността, осигурявайки надеждна работа при ниски C/N и ниски-температурни условия. Стабилни отпадъчни води могат да се поддържат с малко или никакво рециклиране на утайки, което позволява-намаляване на утайките на място и по-ниски разходи за обработка на утайки. Неговата простота и липсата на натрупване го правят изключително подходящ за пречистване на битови отпадъчни води от въглищни мини.
3. Изследване на оптимизацията за AAO процес
Модифицираните AAO процеси обикновено се проектират по параметри в „Стандарт за проектиране на външно инженерство за отпадъчни води“ (GB 50014-2021). Необходима е обаче оптимизация на оперативните параметри (HRT, SRT, аерация, коефициенти на рециклиране, MLSS), специфични за отпадъчните води от въглищни мини, за да се идентифицират оптималните условия за бъдещо проектиране и експлоатация.
При конвенционалната AAO утайката се рециклира от аеробния в анаеробния резервоар, пренасяйки нитрати и висок DO, което може да наруши биологичното отстраняване на фосфора. Може да се вземе предвид процесът на университета в Кейптаун (UCT), при който утайката се рециклира в аноксичния резервоар, нитрифицираната луга в аноксичния резервоар и се добавя допълнително рециклиране от аноксичния към анаеробния резервоар, за да се подобри отстраняването на био-P.
Третирането на утайки може да представлява 50–60% от оперативните разходи на инсталацията. Трябва да се възприемат технологии за намаляване на утайките на място. Високият MLSS в модифицирани AAO био-резервоари води до високо съотношение F/M, където може да възникне отделяне на метаболизма, насърчавайки намаляването на утайките и понижаването на разходите за обработка на утайки. Бъдещият фокус трябва да бъде върху прилагането на-технологии за редуциране на място, като загадъчен растеж чрез микро-лиза, кислородно-утаяване-анаеробен процес (OSA) и прекъсване на метаболизма при пречистването на отпадъчни води от въглищни мини.
Този процес е подходящ за преоборудване на съществуващи AAO инсталации във въглищни мини. Добавянето на носители към аноксични/аеробни резервоари може да подобри качеството на отпадъчните води, да увеличи капацитета и да подобри стабилността на системата. За инсталации с по-строги изисквания за отпадъчни води, замяната на вторичния пречиствател с MBR система може допълнително да подобри качеството на водата.
4. Заключение
- Модифицираният AAO процес е подходящ за надграждане на съществуващи AAO системи във въглищни мини за подобряване на стабилността, увеличаване на капацитета или отговаряне на по-строги стандарти.
- При третиране на битови отпадъчни води от въглищни мини, отпадъчните води могат едновременно да отговарят на стандартите *GB/T 18920-2002* за напояване на пътища/зелени насаждения и стандартите GB 50359-2016 за вода за миене на въглища, демонстрирайки силна адаптивност към промените в качеството и количеството на водата.
- Процесът произвежда стабилна утайка с добра утаимост и лесно отделяне, генерира по-малко утайка и намалява разходите за обработка на утайката.