Napredno odstranjevanje dušika v čistilnih napravah za odpadke: čisti biofilm MBBR zasnova procesa in analiza učinkovitosti|Študija primera

Inženirska zasnova in izvedba procesa MBBR s čistim biofilmom za napredno odstranjevanje dušika

Z obsežnim napredkom gradnje ekološke civilizacije na Kitajskem postajajo standardi izpustov za čistilne naprave (ČN) vse strožji. Standard stopnje A "Standard izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave" (GB 18918-2002) zahteva TN manj kot ali enako 15 mg/L, medtem ko lokalni standardi v regijah, kot sta Peking in Shandong, izrecno določajo mejo na TN manj kot ali enako 10 mg/L. Ti povišani standardi presegajo samo meje kakovosti vode in postavljajo strožje zahteve glede stabilnosti odplak. Posledično obstaja nujna potreba po povečanju zmogljivosti odstranjevanja dušika v procesih obdelave. Eden od pristopov je povečanje odmerka vira ogljika v obstoječem procesu za izboljšanje denitrifikacije, vendar to vodi do visokih operativnih stroškov in povečanih emisij ogljika. Druga možnost je, da dodajanje naprednih naprav za odstranjevanje dušika, ki pogosto uporabljajo metode biofilma za učinkovito obogatitev denitrifikacijskih bakterij, lahko poveča odstranitev TN, zmanjša potrebo po zunanjih virih ogljika in zmanjša emisije ogljika. Biofilmski reaktor s premikajočo se posteljo (MBBR) s svojimi prednostmi močne funkcionalne obogatitve z bakterijami, majhnega odtisa ter enostavnega delovanja in vzdrževanja se pogosto uporablja pri gradnji, širitvi in ​​nadgradnji čistilnih naprav. Stabilno lahko dosega standarde izpusta, ki so boljši od kakovosti površinske vode navideznega razreda IV, ter ima pomemben potencial in prednosti za napredno odstranjevanje dušika v čistilnih napravah. Ta članek obravnava ČN v Shandongu kot študijo primera za analizo utemeljitve zasnove in operativne učinkovitosti uporabe postopka MBBR s čistim biofilmom za napredno odstranjevanje dušika, s ciljem zagotoviti tehnično referenco za učinkovito denitrifikacijo odpadne vode.

1. Pregled projekta

1.1 Predstavitev projekta

ČN v Shandongu je bila zgrajena v dveh fazah. Prva faza, ki uporablja postopek BIOLAK, je bila uradno predana v uporabo novembra 2003 z zmogljivostjo čiščenja 40.000 m³/d. Postavitev postopka BIOLAK in razpoložljivo območje za nadgradnjo sta prikazana vSlika 1. Na začetku je kakovost iztoka ustrezala standardu razreda B GB 18918-2002. Do leta 2020 je bila z izboljšanim doziranjem vira ogljika in dodajanjem naprednega čiščenja kakovost odplak izboljšana na standard razreda A. Do leta 2023, po treh letih delovanja, bi splošna kakovost odplak lahko na splošno ustrezala standardu razreda A, vendar se je soočila z dvema velikima izzivoma glede odstranjevanja dušika:

Visoko odmerjanje vira ogljika: Za dosego cilja TN, manjšega ali enakega 15 mg/L, je bila potrebna znatna količina zunanjega vira ogljika. Izračuni na podlagi procesnih odsekov so pokazali razmerje C/N kar 5,9, medtem ko je postopek AAO v drugi fazi obrata zahteval le C/N 4,5–5,0 za zagotovitev stabilne skladnosti TN. Velik dodatek vira ogljika je prav tako negativno vplival na proces aerobne nitrifikacije, kar je povečalo povpraševanje po kisiku v aerobnem območju.

Slaba stabilnost odstranjevanja dušika: Ker sta nitrifikacija in denitrifikacija potekali v istem rezervoarju pod različnimi zahtevanimi pogoji, je bilo treba operativne parametre pogosto prilagajati na podlagi vplivnih sprememb. Nadzorovanje NH3-N in TN je bilo protislovno, zaradi česar je bilo težko vzdrževati stabilno ravnovesje med nitrifikacijo in denitrifikacijo. Odpornost sistema na udarne obremenitve je bila povprečna, kar je povzročilo slabo stabilnost odplak.

Zato je bila nujna nadgradnja prvotnega procesa BIOLAK z glavnimi cilji razrešitve konflikta med nitrifikacijo in denitrifikacijo, zmanjšanjem operativnih stroškov odstranjevanja dušika in izboljšanjem stabilnosti iztoka.

1.2 Izzivi nadgradnje

Ker postopek BIOLAK ni bil primeren za-spreminjanje posode za izboljšanje učinkovitosti, je bil načrt izboljšati obdelavo z izgradnjo nove napredne enote za odstranjevanje dušika. Prvotni postopek BIOLAK se je osredotočal predvsem na nitrifikacijo z denitrifikacijo kot sekundarno, medtem ko bi se novi postopek osredotočal na denitrifikacijo. Glede na dejanske potrebe po prenovi se je projekt soočil z dvema velikima izzivoma: omejeno razpoložljivo zemljišče za nov proces in visoke zahteve glede operativne učinkovitosti.

Omejeno razpoložljivo zemljišče za nov proces: Novogradnjo je bilo treba dokončati v okviru obstoječega obrata, ki praktično ni imel rezerviranega zemljišča. Gradnja je bila možna samo na zelenem pasu ob rezervoarjih BIOLAK, z razpoložljivo površino 400 m². To je pomenilo, da mora biti odtis novega projekta na enoto obdelane vode manjši ali enak 0,01 m²/(m³·d).

Visoke zahteve glede operativne učinkovitosti: To ni bila preprosta nadgradnja, temveč nadaljnja optimizacija biokemične funkcionalne cone. Nova enota naj bi obvladovala obremenitev odstranjevanja dušika 20 mg/l. Ta postopek ni bilo treba izvesti samo na omejenem zemljišču, temveč je bilo treba tudi zmanjšati dozo vira ogljika v primerjavi z originalno denitrifikacijo BIOLAK, hkrati pa zagotoviti stabilno delovanje denitrifikacije. Tako so bile postavljene visoke zahteve glede učinkovitosti odstranjevanja dušika in učinkovitosti izrabe vira ogljika.

2. Primerjava in izbira procesov

Po čiščenju s postopkom BIOLAK je efluent TN sestavljen predvsem iz nitratnega dušika. Trenutno zreli napredni postopki odstranjevanja dušika uporabljajo predvsem metode biofilma, za katere je značilno, da mikroorganizmi učinkovito obogatijo nosilne površine v pritrjenem stanju, kar ponuja bistveno večjo funkcionalno učinkovitost obogatitve z bakterijami kot običajni postopki z aktivnim blatom. Postopke z biofilmom lahko nadalje razdelimo na tipe s fiksno-plastjo in premikajočo se-plastjo, ki temeljijo na fluidizaciji nosilca, kot je prikazano vSlika 2.Denitrifikacijski filtri, značilni-postopki biofilma s fiksno posteljo, uporabljajo fiksne zrnate filtrirne medije kot nosilce rasti mikrobov. Z dodajanjem zunanjega vira ogljika izkoristijo denitrifikacijo biofilma in filtracijo medija, da dosežejo hkratno odstranitev NO₃^--N, SS in druga onesnaževala. Prednosti vključujejo stabilno kakovost obdelane vode, ni potrebe po sekundarnih čistilnikih in kompaktno postavitev, zaradi česar se široko uporabljajo v nadgradnjah čistilnih naprav kot napredna čistilna enota za izboljšanje odstranjevanja TN iz sekundarne odpadne vode. Vendar mora biti operativni poudarek na vplivu C/N na napredno učinkovitost denitrifikacije. Projekt nadgradnje prve faze čistilne naprave Pingtang, prav tako z zmogljivostjo 40.000 m³/d, je uporabil denitrifikacijski filter + visoko-učinkovito flotacijo raztopljenega zraka (DAF) kot napreden postopek čiščenja za dvig TN odpadne vode na kvazi-standarde površinske vode razreda IV, s čimer je dosegel odtis približno 0,045 m²/(m³·d), kar prihrani zemljo in omogoči učinkovito obdelavo, vendar s C/N kar 18,34. Za izpolnjevanje novih lokalnih standardov za TN odpadne vode je tovarna za predelavo vode Chengdu No. 9 sprejela sedimentacijski rezervoar z visoko-gostoto in denitrifikacijski globok{13}}filter kot postopek nadgradnje s C/N 5,7, s čimer je dosegla napredno čiščenje po visokih standardih. ČN Dingqiao v Hainingu ni mogla izpolniti standardov za izpuste stopnje A, ki se zahtevajo za porečje reke Qiantang. Gao Feiya idr. uporabil denitrifikacijski globok{18}}filter za napredno obdelavo s TN, ki je hkrati odstranjeval SS in TP, s čimer je kakovost odplak približala kvazi{19}}standardom razreda IV, vendar z visokim C/N 15,68, kar je povzročilo visoke stroške odstranjevanja dušika. Poleg tega je za filtrirne procese potrebno redno povratno pranje, običajno s čiščenjem z zrakom-vodo, kar lahko vpliva na stabilnost delovanja.

nestabilnosti v denitrifikacijskih filtrih, je pozornost pritegnila raziskava o uporabi -avtotrofne denitrifikacije (SAD) na osnovi žvepla za denitrifikacijske filtre. SAD uporablja elementarno žveplo ali žveplove spojine kot donorje elektronov v anaerobnih ali anoksičnih pogojih za zmanjšanje NO3^--N do N₂. Ponuja prednosti, kot so dobra učinkovitost denitrifikacije, ni potrebe po viru organskega ogljika, nizki operativni stroški in nizka proizvodnja blata. Song Qingyuan et al. proučevali učinek odstranjevanja dušika filtra SAD na sekundarne odpadne vode. Po optimizaciji pilotnih pogojev je odstranitev nitratov ostala stabilna nad 95 %, vendar je stopnja porabe medija dosegla 20 % letno, skupaj s povečano koncentracijo sulfata v iztoku in znižanim pH. Da bi se izognili sekundarnemu tveganju onesnaženja zaradi SAD, Li Tianxin et al. pripravljene medije s peletiranjem mešanice žvepla in apnenčastega prahu. Dodajanje določenega deleža apnenca v filtrirno plast je nevtraliziralo ustvarjeno kislost in povzročilo oborino CaSO₄, kar je znižalo koncentracijo sulfata v iztoku in učinkovito rešilo težave s proizvodnjo kisline in visokimi nivoji sulfata. Vendar pa je apnenec zasedel prostor, namenjen donorskim medijem elektronov znotraj sistema, kar je oslabilo napredno denitrifikacijsko zmogljivost, povečalo trdoto iztoka in povečalo operativne stroške. Sedanje raziskave tehnologije SAD potekajo predvsem v laboratoriju in pilotnem obsegu, z nezadostnimi inženirskimi izkušnjami za referenco. Pred promocijo-v industrijskem obsegu so potrebne nadaljnje uporabne raziskave.

MBBR je tipičen predstavnik postopkov z zvrtinčeno{0}}plastjo biofilma in nove tehnologije čiščenja odpadne vode, ki je v zadnjih letih prejela veliko pozornosti. Uporablja suspendirane nosilce z gostoto, ki je blizu vodi, da posebej obogati mikroorganizme in tvori biofilm, da doseže napredno odstranjevanje dušika. Postopki biofilma z zvrtinčeno{3}}plastjo prav tako preprečujejo težave z zamašitvijo medija in povratnim izpiranjem. Trenutno ima čisti biofilm MBBR za napredno denitrifikacijo čistilnih naprav za čiščenje čistilnih naprav že več kot 20 let uspešnih operativnih izkušenj v tujini in se na Kitajskem vedno bolj uporablja. Zheng Zhijia et al. uporabil dvo{8}}stopenjski postopek MBBR s čistim biofilmom za napredno denitrifikacijo. Pri C/N=4.0 se je nitratni dušik iz sistema stabiliziral pri (1,87 ± 1,07) mg/L, s povprečno stopnjo odstranitve TN 93,3 %. ČN za razvojno območje v določenem mestu je zgradila nov bio-zalogovnik MBBR kot terciarno napredno čiščenje za izboljšano denitrifikacijo. Obremenitev odstranjevanja TN v anoksičnem delu čistega biofilma MBBR je bila 1,1 g/(m²·d), kar je izboljšalo zanesljivost denitrifikacije sistema. Gao Yanbo et al., ki so želeli povečati zmogljivost prvotne tovarne, so izdelali nov dvo-stopenjski AO čisti biofilm MBBR bio-cisterne, ki je dosegel stabilno TN iztoka pod 5 mg/L z visoko učinkovitostjo denitrifikacije. Tako postopek MBBR s čistim biofilmom kaže velik potencial za napredno odstranjevanje dušika v napravah za čiščenje odpadnih voda, saj združuje prednosti, kot so visoka učinkovitost izkoriščanja vira ogljika, velika obremenitev pri obdelavi in ​​majhen odtis. Vendar pa postavlja tudi višje zahteve za opremo, ki zahteva zanesljivo opremo za podporo stabilnemu delovanju procesa. Primerjava običajnih naprednih postopkov odstranjevanja dušika je prikazana vTabela 1.

Na podlagi celovite primerjave, čeprav postopek SAD ne zahteva dodajanja vira ogljika, njegova trenutna uporaba še ni zrela in predstavlja tveganje sekundarnega onesnaženja, zato ni bil upoštevan pri tej nadgradnji. Čeprav se denitrifikacijski filtri pogosto uporabljajo, se večinoma uporabljajo pri nadgradnjah čistilnih naprav, kjer je načrtovana TN vtoka/iztoka pogosto 15/12 mg/L, kar obvladuje razmeroma majhno obremenitev odstranitve TN. Ker je ta projekt zahteval izpolnjevanje dolgoročnih-zahtev po odstranitvi TN, bi delovanje znatno skrajšalo cikel povratnega izpiranja filtra, kar bi povečalo težave pri delovanju in nestabilnost. Postopek MBBR s čistim biofilmom združuje prednosti, kot so visoka učinkovitost izkoriščanja ogljika, ni potrebe po povratnem pranju, zrel nanos in ni sekundarnega onesnaženja. Glede na procesne izzive in zahteve po prenovi je projekt na koncu izbral gradnjo novega bio- rezervoarja MBBR s čistim biofilmom (v nadaljevanju rezervoar MBBR) kot napredno rešitev za odstranjevanje dušika za prvo fazo, zasnovano s C/N=4.5 in načrtovano dobo povračila naložbe 7,37 leta.

3. Načrt nove gradnje

3.1 Potek procesa

Potek procesa čiščenja odpadne vode po prenovi je prikazan naSlika 3. Vtok iz naprave gre skozi fina sita, vrtinčne komore za pesek in primarne sedimentacijske rezervoarje, preden vstopi v bio-rezervoar BIOLAK za odstranjevanje organskih snovi, dušika iz amoniaka itd. Nato ga črpalke dvignejo v rezervoar MBBR za napredno odstranjevanje TN. Rezervoar MBBR je zasnovan za TN vtoka 35 mg/L in TN iztoka, ki je manjši ali enak 15 mg/L. Odpadno vodo MBBR dvignejo sekundarne črpalke v obstoječo napredno obdelavo naprave za ločevanje trdnih-tekočin in odpadno blato. Končna odplaka se pred izpustom v sprejemno reko razkuži. Odvečno blato se zgosti, odstrani voda in odpelje iz-kraja na odlaganje.

3.2 Nov rezervoar MBBR

Rezervoar MBBR uporablja postopek AO, izdelan z uporabo rezervoarjev Lipp za modularno sestavo, dokončan v 30 dneh. Skupni sistemski hidravlični retenzijski čas (HRT) je 1,43 ure. Specializirani aerobni in anoksični viseči nosilci tipa SPR-III so dodani znotraj rezervoarjev s 60-odstotnim razmerjem polnjenja v aerobnem območju in 55-odstotnim v anoksičnem območju. Nosilci so sploščeno cilindrični, premera 25 mm in višine 10 mm, z efektivno specifično površino, večjo ali enako 800 m²/m³. Anoksična cona je opremljena s 4 MBBR-namenskimi-mešalniki s spremenljivo frekvenco (vrsta kemične moči SPR), N=5.5 kW vsak, ki zagotavljajo enotno in zadostno fluidizacijo za nosilce. Po zorenju biofilma sta 2 mešalnika v rutinskem obratovanju, druga 2 pa v vročem stanju. Aerobna cona za prezračevanje uporablja puhala. Posamezno puhalo ima zmogljivost zraka 14,50 m³/min, tlak 90 kPa, N=22 kW. Nameščen je en komplet perforiranih cevnih difuzorjev (tipa SPR) za aerobno cono. Zaradi nizkega zahtevanega prezračevalnega volumna se običajno lahko uporabijo obstoječa puhala I. faze, pri čemer novo puhalo in puhala I. faze služijo kot medsebojna podpora. Tako v aerobni kot v anoksični coni so nameščeni novi prestrezniki za prestrezanje materiala (tip SPR), debeline 12 mm, s projektirano življenjsko dobo 30 let.

3.3 Nove podporne zmogljivosti

• Vplivni sistem: Efluent iz bio{0}}rezervoarja BIOLAK se dvigne v rezervoar MBBR. 4 nameščene so vstopne črpalke (2 delovni, 2 v pripravljenosti), vsaka s Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Sistem za doziranje vira ogljika: Iztok iz bio-cisterne faze I BIOLAK vsebuje samo KPK, ki jo je težko uporabiti. Za zagotovitev napredne denitrifikacije v anoksičnem območju rezervoarja MBBR se kot zunanji vir ogljika uporablja natrijev acetat. 4, nameščene so merilne črpalke (2 delovni, 2 pripravljeni), vsaka s Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.