Сравнение на дву-етапни AO и три-етапни AO процеси: Инженеринг Перспектива
Понастоящем по-голямата част от пречиствателните станции за отпадъчни води (ПСОВ) в Китай приемат базирани на активна утайка-процеси за пречистване на отпадъчни води. Сред тях почти половината използват аноксичен-кислороден (АО) процес. AO процесът предлага предимства като стабилна работа и ниска цена. Обаче неговата обща ефективност на отстраняване на азот (TN), обикновено варираща от 60% до 80%, е ограничена от вътрешни коефициенти на рециклиране. С все по-строгите национални изисквания за отстраняване на азот, конвенционалните едно-етапни АО процеси често се борят да отговорят на изискванията за обработка с TN. Така се появиха много{10}}етапни AO процеси. Чрез свързване на два или повече етапа на АО последователно, нитратът, произведен в предходния аеробен етап, осигурява субстрата за денитрификация в следващия аноксичен етап. Това постига целта за намаляване на вътрешното съотношение на рециклиране, като същевременно подобрява цялостното отстраняване на TN. Прекомерните етапи обаче могат също да усложнят операцията. Следователно най-често прилаганите конфигурации в Китай понастоящем са дву-етапните и три-етапните AO процеси. Този документ представя сравнителен анализ на дву-етапни и три-етапни AO процеси, като се използва ПСОВ в Южен Китай като казус, целящ да предостави справка за избора на технически маршрути в подобни проекти.
1 Преглед на проекта
ПСОВ в Южен Китай обхваща обща площ от 8 хектара. Неговият първоначален проектен капацитет беше 90 000 m³/d, като качеството на отпадъчните води трябваше да отговаря както на стандарта от степен А на „Стандарта за изхвърляне на замърсители за градски пречиствателни станции за отпадъчни води“ (GB 18918-2002), така и на „Границите за изхвърляне на замърсители на водата“ на провинция Гуангдонг (DB 44/26-2001) (наричан по-долу „Квазиклас V“). Заводът работеше на пълен капацитет. Съгласно съответното планиране е необходимо разширение. Бъдещите стандарти за отпадъчни води, базирани на текущото състояние, трябваше да вземат предвид дългосрочно изискване за TN по-малко или равно на 10 mg/L. Като се вземат под внимание действителните условия на обекта, мащабът на гражданското строителство за това разширение беше определен на 70 000 m³/d. Инсталацията ще работи с 50 000 m³/d в близко бъдеще и ще достигне мащаб от 70 000 m³/d в дългосрочен план, което ще доведе до общия капацитет за пречистване на инсталацията до 160 000 m³/d. Проектираното качество на входящата и изходящата вода е показано вТаблица 1.
Поради ограниченията на площадката, предварителният план за разширяването прие маршрута на процеса на „Много-етапен AO + периферен-вътрешен периферен-извън правоъгълен утаителен резервоар + високо-ефективен утаителен резервоар + влакнеста плоча-и-рамков филтър“. Гражданските конструкции на всички основни блокове са изградени за мащаб от 70 000 m³/d, докато оборудването е инсталирано за капацитет от 50 000 m³/d. Биологичният резервоар ще използва много-етапен AO процес в близко бъдеще. В дългосрочен план добавянето на суспендирани носители би създало хибриден биофилм-процес на активирана утайка, за да отговори на търсенето на 40% разширяване на капацитета. За този проект хидравличните условия бяха взети предвид за скала от 70 000 m³/d, докато биологичното третиране беше проектирано за скала от 50 000 m³/d. Тъй като този проект възнамеряваше да приеме много-етапен AO процес, беше направено сравнение между дву-етап и три-етап AO.
2 Сравнение на дву-етапни и три-етапни AO процеси
2.1 Поток на процеса
Основният принцип на много{0}}етапния АО процес е да се използва нитратът, произведен в предходния аеробен етап, за денитрификация в следващия аноксичен етап, като по този начин се намалява вътрешното съотношение на рециклиране. Теоретично повече етапи водят до по-добро отстраняване на TN, но контролът става по-сложен. В инженерната практика преобладават дву-степенният и три-степенният АО. Техните процесни потоци са показани вФигура 1. За дву-степенен AO вътрешното рециклиране обикновено се проектира в рамките на първия етап на AO. За три-етапен AO вътрешно рециклиране обикновено не се използва. ПСОВ в Пекин, използващи дву-етапния AO процес, включват Qinghe (400 000 m³/ден), Xiaohongmen (500 000 m³/ден), Gao'antun (400 000 m³/ден), Dingfuzhuang (200 000 m³/ден) и Huaifang (600 000 m³/d). Този процес предлага предимства като опростено оборудване, ниски разходи за експлоатация и поддръжка, силна устойчивост на ударни натоварвания и висока съвместимост с други процеси, улесняващи бъдещи надстройки за постигане на по-високи стандарти за отпадъчни води. Теоретично три-етапен AO в серия може да елиминира нуждата от вътрешно оборудване за рециклиране, да позволи по-рационално разпределение на въглеродните източници и да намали инвестиционните и оперативните разходи. Този процес се прилага предимно в сценарии с достатъчно въглеродни източници и високи изисквания за отстраняване на азот. Типичните случаи включват ПСОВ Qujing в Юнан (80 000 m³/ден), градската ПСОВ Ninghe District в Тиендзин (90 000 m³/ден), ПСОВ Zhangguizhuang в Тиендзин (200 000 m³/ден) и завода за рекултивация Daoxianghu в Пекин (80 000 m³/d).
2.2 Сравнение на процесите
Като се има предвид, че няма налична допълнителна земя за бъдещи надстройки на този обект и че някои нови местни проекти вече прилагат стандарт за TN на отпадъчни води от по-малко или равно на 10 mg/L, сравнението на процеса разглежда TN на отпадъчни води в биологичен резервоар с TN по-малко или равно на 10 mg/L, за да се приеме възможността за допълнителни строги изисквания за отпадъчни води в бъдеще. Други показатели са съобразени с проектното качество на отпадъчните води. Въз основа на плана, за -близкия мащаб от 50 000 m³/d, максималното хидравлично време на задържане (HRT) за биологичния резервоар е 18 часа. Комбинирайки действителните условия на проекта, резултатите от симулацията на BioWin и удобството на свързване с окачени носачи, беше направено сравнение между дву-етапни и три-етапни AO процеси.
2.2.1 Симулация на BioWin
Начална ХЗТ от 18 часа беше определена и постепенно намалена. Минималната ХЗТ, постигаща изискването за TN на ефлуента, е 14 часа. За два-етапа на АО, влиятелните точки на разпределение бяха анаеробната зона, първият-етап аноксична зона и вторият-етап аноксична зона. За три-етапа на AO точките на влияние бяха анаеробната зона, вторият-етап аноксична зона и третият-етап аноксична зона.
① Изследване с фиксиран коефициент на разпределение на влиянието
Задавайки коефициента на разпределение на влиянието на 4:3:3 и за двете, симулациите сравняват три схеми: дву-етапна АО (коефициент на рециклиране 200%), три-етапна АО с общ коефициент на рециклиране 200% (100% рециклиране в рамките на първия АО етап + 100% рециклиране от третата кислородна зона до първата аноксична зона) и три-етап AO с коефициент на рециклиране 100% (рециклирайте само в рамките на първия етап на AO). Симулационните потоци са показани вФигура 2.
Таблица 2показва резултатите от симулацията за фиксирано съотношение на влияние при HRT=14 h.
От таблица 2 може да се види, че както за два-етапа, така и за три-етапа AO, се препоръчва да се настрои вътрешен рецикл в първия етап на AO, за да се увеличи максимално денитрификацията в първата аноксична зона чрез използване на източника на въглерод в суровия входящ поток. За три-степенния AO, настройката на вътрешния рецикл от края на третия етап до първата аноксична зона леко подобри отстраняването на TN и TP, но ефективността на отстраняване на органични вещества намаля. Това е спекулация, приписвана на увеличения общ поток в биологичния резервоар поради рециклирането, което пренася разтворения кислород в аноксичната зона, засягайки аноксичната среда. Освен това действителната ХЗТ във всяка зона се скъси и преходът между работните условия се ускори, което доведе до намалена ефективност. За влиятелни характеристики като тези в този проект в Южен Китай, където концентрацията на TN не е много висока, дву-етапният АО може напълно да отговори на изискванията за отпадъчни води, като не показва ясно предимство за три-етапния АО. За сценарии с висок COD и висок TN влияние, три-степенният AO може да е по-подходящ.
② Проучване за коригиране на коефициентите на разпределение на влиянието
И дву{0}}етапният, и три-етапният AO бяха зададени със 100% вътрешно съотношение на рециклиране в първия етап на AO. Бяха проведени проучвания върху коефициенти на разпределение на много-влияние (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Тук 1:0:0 означава, че всички влиятелни влизат най-отпред; 3:7:0 за три-етапа на АО означава, че инфлуентът се разпределя само към анаеробната зона и втория етап на АО. Резултатите от симулацията за коригирани съотношения на разпределение са показани вТаблица 3.
От таблица 3 може да се види, че коефициентът на разпределение има леко влияние върху качеството на отпадъчните води. Общата тенденция е, че с нарастването на дела на входящия поток, разпределен към по-късните етапи, концентрациите на TN, NH3-N и TP в отпадъчните води нарастват и търсенето на аерация също постепенно се увеличава. Когато входящото съотношение беше 3:7:0, три-етапният АО показа малко по-добро отстраняване на TN и малко по-ниско съотношение въздух-към-вода от дву-степенния АО. Въпреки това, при реална работа, тази разлика обикновено е незначителна. Освен това, увеличаването на съотношението на вливането към по-късните етапи, макар и полезно за оползотворяването на източника на въглерод при денитрификация, неизбежно увеличава натоварването върху биохимичните реакции поради въвеждането на NH3-N, органична материя и TP. Поради това се препоръчва да се запази много{15}}влиятелната конфигурация и да се правят поетапни корекции въз основа на действителното качество на водата по време на работа. Струва си да се отбележи, че въпреки че три-етапната АО показа по-добро отстраняване на TN от дву-етапната АО при съотношение на вливане 2:4:4, тъй като вливането към по-късните етапи се увеличи, отпадъчният NH₃-N показа тенденция на нарастване, в който момент NH3-N вече не можеше да отговаря на стандарта за отпадъчни води.
③ Ефективност на лечението на дву-етап и три-етап AO
Три{0}}етапна AO конфигурация беше симулирана с HRT=14 h, равни обемни съотношения за всеки етап (1:1:1), 100% вътрешно рециклиране, зададено в първия AO етап, и съотношение на влияние 4:3:3, при две условия: със 100% рециклиране и със затворен рецикл. Дву{11}}етапна AO конфигурация беше симулирана с HRT=14 h, 100% вътрешен комплект за рециклиране и съотношение на влияние 4:3:3. Резултатите показаха, че дву-етапната AO постига оптималната TN на отпадъчните води при 6,29 mg/L; три-етапният AO със 100% вътрешен рециклиране отпред постигна следващото най-добро ниво при 7,51 mg/L; три-степенният АО без вътрешен рецикл се представи по-зле при 8,52 mg/L. И трите сценария биха могли да изпълнят изискването за проверка на отпадните води (TN по-малко или равно на 10 mg/L).
Таблица 4показва сравнението на проектните параметри между дву-етап и три-етап AO. Може да се види, че и за двата процеса HRT, необходима за постигане на изискването за TN на отпадъчните води, е по-малко от 18 часа. Основните разлики между двата процеса са следните:
а. Теоретично, три{0}}етапният AO има по-висока горна граница; т.е., ако се експлоатира правилно, както инвестиционните, така и оперативните разходи могат да бъдат по-ниски. Дву-етапният AO има по-малко оборудване и етапи, което води до по-ниски разходи за оборудване и по-малко трудности при оперативното управление.
b. За този конкретен проект, тъй като дългосрочният план беше взет предвид и обемът на резервоара беше проектиран за 18-часов HRT, гражданската инвестиция щеше да бъде идентична, независимо дали се използва дву-етап или три-етапен AO. Цената на оборудването за три-стъпалния AO е по-висока. Следователно, от инвестиционна гледна точка, приемането на двустепенния AO е по-икономично.
c. Относно оперативните разходи, три{0}}етапният AO може да спести приблизително 0,002 CNY/m³ чрез елиминиране на 100% разходите за енергия за рециклиране на смесен алкохол. Като се има предвид потенциалното намаляване на ефективността на оползотворяване на източника на въглерод при действителна работа поради редуващи се аноксични/кислородни условия в три-етапа AO, действителната разлика в оперативните разходи вероятно ще бъде още по-малка.
2.2.2 Анализ на сценарий за дългосрочен-спрян превозвач
Поради уникалните изисквания на този проект, биологичният резервоар трябваше да вземе предвид осъществимостта и удобството на дългосрочния-план за разширяване на капацитета, т.е. въздействието от добавянето на окачени носители.
Ядрото на процеса MBBR е да се увеличи биомасата в реактора чрез добавяне на суспендирани носители. Те могат да се добавят към аеробни, аноксични или анаеробни резервоари. Въпреки това, като се има предвид флуидизацията на носителя, добавянето им към анаеробни или аноксични резервоари значително би увеличило изискванията за мощност на смесване. Поради това се препоръчва добавянето към аеробни резервоари за предпочитане. Обемът за анаеробни/аноксични зони може да бъде допълнен чрез разделяне от аеробната зона, докато дефицитът на аеробния обем се компенсира от добавените носители. С други думи, недостатъчният аеробен обем се поема от увеличената повърхностна площ на окачените носители, която се изчислява въз основа на преобразуване на натоварването на замърсителите, за да се определи необходимото количество носител, като се контролира определено съотношение на пълнене, за да се получи добавеният обем.
Въз основа на изчисленията, ако приемем дву-етапния AO процес и добавим всички окачени носители към първата-етапна аеробна зона в дългосрочен план, необходимата повърхност на MBBR носителя ще бъде 2 597 708 m², струвайки 12,99 милиона CNY. Други свързани разходи за фиксирано оборудване (включително MBBR системи за флуидизация, специални миксери, системи за скрининг и интелигентни системи за управление) биха били 6,15 милиона CNY. Ако приемете три-етапния AO процес, поради по-разпръснатите зони, MBBR зоната ще трябва да бъде разделена на 2 секции (първи-етап и втори-етап аеробни зони). Следователно разходите за инсталиране на съответното фиксирано оборудване MBBR (с изключение на самите превозвачи) биха се увеличили леко до 7,77 милиона CNY, докато разходите за превозвач остават същите. Това означава, че приемането на три-степенния AO ще увеличи бъдещите инвестиции за модернизация с 1,62 милиона CNY и също ще увеличи сложността на модернизация. Освен това системата за скрининг е зоната, която е най-податлива на проблеми след добавянето на оператор. Три-степенният AO добавя допълнителен раздел от екрани, увеличавайки оперативната трудност.
От горното сравнение, поради прекомерното разделяне в три-степенния AO, като всяко разделение има подобен обем, трудността му при модернизиране е по-висока от тази на дву-степенния AO. Конструкцията, оперативната сложност и добавянето на оборудване за скрининг също водят до по-висока инвестиция в сравнение с дву-етапния AO. Следователно, приемането на дву-степенния AO е по-благоприятно за бъдещо свързване с окачени носачи.
2.3 Резултат от сравнението
Въз основа на горния анализ, както дву{0}}етапните, така и три-етапните AO процеси могат да постигнат целта за TN на отпадъчни води по-малко или равно на 10 mg/L. При граничните условия на този проект-ограниченото пространство, необходимостта от максимизиране на-обема на резервоара в-срочен план и дългосрочния-план за добавяне на окачени носители-дву-стъпалата на AO имат предимства по отношение на краткосрочните-инвестиции и удобството при управление/поддръжка на оборудването. Той също така предлага по-висока съвместимост за бъдещо модернизиране с окачени носачи, което води до по-ниска обща инвестиция и намалени модернизации и оперативни трудности. Следователно, след цялостно разглеждане, дву-етапният AO процес беше препоръчан за този дизайн.
3 Оперативна ефективност
Общата прогнозна инвестиция за този проект е 304,5721 милиона CNY, с разходи за строителство от 243,6019 милиона CNY, което се превежда на единична строителна цена от 3480,03 CNY/m³. Цената за обработка е 1,95 CNY/m³, а оперативните разходи са 1,20 CNY/m³.
За този проект биологичният резервоар има общо HRT от 18 часа (включващо: анаеробна зона 2 часа, първи-етап аноксична зона 3,5 часа, първи-етап аеробна зона 7,5 часа, дегазираща зона 0,5 часа, втори-етап аноксична зона 2,5 часа, втори-етап аеробна зона 2 h), с ефективна дълбочина на водата 8,6 m. Вграден е регулируем секционен водоприемник, позволяващ корекции в съотношението на разпределение на входящия поток на стъпки от 20%, ако е необходимо. При реална работа, концентрацията на суспендирани твърди вещества в смесена течност (MLSS) в биологичния резервоар варира от 3500 до 4000 mg/L, съотношението на връщане на утайката варира от 40% до 100%, а вътрешното съотношение на рециклиране на смесена течност варира от 100% до 200%. Действителните входящи и отпадъчни води са показани вТаблица 5, което се привежда основно в съответствие с резултатите от симулацията.
4 Заключение
Използвайки ПСОВ в Южен Китай като казус, беше проведено техническо и икономическо сравнение между дву-етапни и три-етапни AO процеси с помощта на симулация на BioWin. Дву-етапният AO с по-малко оборудване и етапи, по-ниски разходи за оборудване и по-ниски трудности при оперативното управление е по-подходящ за условия в Южен Китай, където влиянието на TN не е много високо. За три-етапния AO, настройката на вътрешното рециклиране от края на третия етап до първата аноксична зона повлия отрицателно на ефективността на отстраняване на TN, увеличи трудностите при оперативното управление и повиши инвестиционните разходи. Дизайнът едновременно отговаря на краткосрочните-изисквания за третиране от 50 000 m³/d и TN по-малко или равно на 10 mg/L, докато дългосрочният-мащаб от 70 000 m³/d може да бъде постигнат чрез свързване с окачени носачи. Действителните оперативни резултати до голяма степен съответстват на резултатите от симулацията на BioWin, със среден TN на отпадъчни води от 6,86 mg/L, което отговаря на проектните изисквания.