Študija primera procesa MBBR+ACCA za nadgradnjo in rekonstrukcijo komunalne čistilne naprave
V ozadju cvetočega kitajskega gospodarstva sta se hitrost industrializacije in urbanizacije znatno pospešila. Ta proces neizogibno spremlja vsakoletno-{2}}letno povečanje izpustov industrijske odpadne vode in gospodinjskih odplak, kar poslabšuje težave z onesnaževanjem vode in vpliva na trajnostno gradnjo ekološke civilizacije Kitajske. S celovitim izvajanjem Akcijskega načrta za preprečevanje in obvladovanje onesnaževanja voda so bile za mestne čistilne naprave po vsej državi uvedene strožje zahteve glede izpustov. Lokalni standardi v nekaterih mestih so dosegli kvazi-razred IV. kakovosti vode in za odpadne vode, izpuščene v občutljiva vodna telesa, se nekateri posamezni kazalniki postopoma približujejo standardu III. razreda za površinsko vodo. Vendar pa so ostanki onesnaževal v komunalni odpadni vodi po biološkem čiščenju predvsem ne-biorazgradljive organske spojine s slabo biorazgradljivostjo. Zanašanje zgolj na tradicionalne tehnologije biološkega izboljšanja je postalo nezadostno za izpolnjevanje vse strožjih emisijskih standardov.
Aktivirani koks ima visoko razvit mezoporozni sistem, ki lahko adsorbira makromolekularna onesnaževala v vodi. Z visoko mehansko trdnostjo, stabilnostjo, dobro adsorpcijsko učinkovitostjo in relativno ekonomičnimi stroški se pogosto uporablja pri čiščenju industrijske odpadne vode, ki jo je težko biološko razgraditi. V zadnjih letih je filtracijska tehnologija z uporabo aktiviranega koksa kot medija našla določene aplikacije tudi pri naprednem čiščenju komunalnih odpadnih voda in dosegla dobre rezultate pri končnem odstranjevanju onesnaževal. S kombinacijo inženirskega primera iz projekta nadgradnje čistilne naprave v provinci Henan je avtor sprejel postopek MBBR+ACCA (Activated Coke Circulating Adsorpcija) za nadgradnjo čiščenja komunalne odpadne vode. Indikatorji KPK v iztoku, NH3-N in TP so izpolnjevali vodni standard GB 3838-2002 razreda III, kar je referenca za projekte nadgradnje na drugih čistilnih napravah.
1. Osnovna situacija čistilne naprave
Skupna projektirana zmogljivost te čistilne naprave je 50.000 m³/d, od tega projektirana zmogljivost I. faze 18.000 m³/d in projektirana zmogljivost II. faze 32.000 m³/d. Predvsem čisti mestne gospodinjske odplake in manjšo količino industrijske odpadne vode. Nadgradnja je bila zaključena leta 2012, pri čemer je odplaka ustrezala standardu stopnje 1A standarda za izpust onesnaževal za komunalne čistilne naprave GB 18918-2002. Glavni proces je več-stopenjski AO + denitrifikacijski filter + usedalni rezervoar visoke gostote. Potek procesa je prikazan vSlika 1.
Trenutno čistilna naprava obratuje s skoraj polno zmogljivostjo. Na podlagi trenutnih operativnih podatkov je mogoče ob dobrem vzdrževanju naprave kakovost odplak stabilno vzdrževati na ravni standarda GB 18918-2002 stopnje 1A. Koncentracije v iztoku za KPK, BPK5, NH3-N, TN in TP se gibljejo med 21,77–42,34 mg/L, 1,82–4,15 mg/L, 0,13–1,67 mg/L, 8,86–15,74 mg/L oziroma 0,19–0,42 mg/L.
Pred nadgradnjo se je obrat soočal z naslednjimi težavami: 1) staranje in poškodovani zasloni v delu za predobdelavo so omogočili nekaj plavajočih odpadkov v biološke rezervoarje, kar je zlahka zamašilo črpalke in vplivalo na naknadno obdelavo; 2) Nestabilen odvzem TN med nizkimi zimskimi temperaturami in znatnimi nihanji kakovosti in količine vode; 3) Nezadostna prostornina rezervoarja v bioloških rezervoarjih faze I in nerazumna razdelitev anoksičnih območij, kar vodi do slabe učinkovitosti odstranjevanja TN in visokega odmerjanja kemikalij za naknadno dodajanje vira ogljika; 4) Prvotni prezračevalni sistem je uporabljal zastarela tradicionalna centrifugalna puhala z visoko porabo energije; 5) Močna zamašitev filtrirnega medija v denitrifikacijskih filtrih, nepopolno povratno pranje in težave pri stabilnem delovanju; 6) Pogoste okvare opreme za mešanje in mešanje v sedimentacijskih posodah z visoko-gostoto; 7) Pogoste okvare obeh obstoječih tračnih filtrirnih stiskalnic za odvodnjavanje blata, visoka vsebnost vlage v odvodnjenem blatu, velika prostornina blata in visoki stroški odstranjevanja blata; 8) Pomanjkanje naprav za nadzor vonjav za sisteme za predobdelavo in obdelavo blata; 9) Zastarel centralni nadzorni sistem z omejeno zmogljivostjo shranjevanja podatkov in izgubo večine funkcij oddaljenega upravljanja.
2. Načrtovanje kakovosti vode
Ob upoštevanju letnih obratovalnih podatkov o kakovosti vode iz naprave, z 90-odstotno stopnjo zaupanja in vključno z določeno rezervo, je bila določena projektna vplivna kakovost. Na podlagi zahtev okoljske kakovosti sprejemnega vodnega telesa morajo nadgrajene odpadne vode KPK, BPK₅, NH₃-N in TP izpolnjevati vodni standard GB 3838-2002 razreda III, medtem ko bosta TN in SS upoštevala izvirni standard. Projektne lastnosti dotoka in odtoka so prikazane vTabela 1.
3. Nadgradnja koncepta in poteka procesa
3.1 Koncept nadgradnje
V skladu s projektno kakovostjo odpadne vode ta nadgradnja postavlja višje zahteve za COD, BPK5, NH₃-N in TP. Glede na trenutni proces obrata, značilnosti kakovosti vode in obstoječe težave je poudarek na povečanem odstranjevanju KPK, NH3-N in TP ob zagotavljanju stabilnega odstranjevanja TN. Poleg tega je zaradi omejenega razpoložljivega prostora v obstoječem obratu treba v celoti izkoristiti potencial obstoječih struktur z obnovo opreme, intenzifikacijo procesov in prenovo, s ciljem učinkovite odstranitve KPK, NH₃-N, TN in TP. Zato lahko uporaba prvotnih več-stopenjskih rezervoarjev AO in dodajanje visečih nosilcev za oblikovanje hibridnega biofilm-postopka MBBR z aktivnim blatom učinkovito izboljša stabilnost obdelave in odpornost na udarne obremenitve. Dolga starost blata biofilma na nosilcih je primerna za rast nitrifikatorja in vzdrževanje visokih koncentracij nitrifikatorja, kar bistveno poveča zmogljivost nitrifikacije sistema. Gost biofilm znotraj nosilcev ima dolgo starost blata, gosti znatne populacije nitrifikacijskih in denitrifikacijskih bakterij, kar omogoča hkratno nitrifikacijo-denitrifikacijo (SND) in s tem krepitev odstranjevanja TN. Zato je postopek MBBR zelo-primeren za nadgradnjo tega obrata.
Na podlagi podobnih izkušenj s projektom nadgradnje so za zagotovitev stabilne skladnosti za COD in TP poleg obstoječega procesa v povezavi z MBBR še vedno potrebni dodatni zaščitni objekti za obdelavo. Aktivni koks kot porozen material kaže pomembnejšo adsorpcijsko učinkovitost v primerjavi z aktivnim ogljem, saj učinkovito odstranjuje COD, SS, TP, barvo itd. Poleg tega lahko biološko aktiviran koks uporabi pritrjene mikroorganizme za razgradnjo organske snovi, kar omogoča regeneracijo adsorpcijskih mest ob adsorpciji onesnaževal. Ta mehanizem dinamičnega ravnovesja omogoča trajno in stabilno delovanje sistema. Postopek adsorpcije v obtoku z aktiviranim koksom (ACCA) uporablja kot medij aktivirani koks, ki združuje filtracijo in adsorpcijo. Uporablja stisnjen zrak za dvigovanje in čiščenje filtrskega medija. Z razporeditvijo povratnega-toka na cone in enotno zasnovo toka zagotavlja popoln stik med aktiviranim koksom in odpadno vodo, s čimer doseže končno izboljšanje kakovosti vode in zagotavlja stabilno skladnost odtoka.
Stara in okvarjena oprema elektrarne bo nadomeščena s tehnološko napredno, energetsko-učinkovito opremo za zmanjšanje obratovalnih stroškov. Natančneje, zasloni za predobdelavo bodo nadomeščeni s finimi zasloni z notranjim napajanjem za prestrezanje dlak in vlaken, s čimer se prepreči zamašitev zaslonov za zadrževanje nosilcev MBBR.
3.2 Potek procesa
Nadgrajen potek procesa je prikazan vSlika 2. Za izpolnjevanje zahtev po višini je bila dodana nova dvižna črpalna postaja. Na novo zgrajen filter tipa V- služi kot enota za predobdelavo za kasnejšo adsorpcijo aktiviranega koksa, kar zagotavlja stabilnost sistema ACCA. Surova voda prehaja skozi sita in komore za pesek, da se odstranijo plavajoče snovi, dlake in delci, preden vstopi v hibridne biološke rezervoarje MBBR za izboljšano odstranjevanje dušika. Mešana tekočina nato vstopi v sekundarne čistilnike za ločevanje trdnih delcev. Supernatant se prek nove črpalne postaje dvigne v denitrifikacijske filtre in sedimentacijske rezervoarje visoke{6}}gostote. Nova črpalna postaja nato dvigne odplake v filter tipa V- in dvo-stopenjske adsorpcijske rezervoarje z aktiviranim koksom za napredno obdelavo, nadaljnje odstranjevanje KPK, TP, SS, barve itd. Končna odplaka se pred izpustom razkuži.
4. Projektni parametri velikih čistilnih enot
4.1 Biološki rezervoarji
Obstoječi biološki rezervoarji faze I so razdeljeni v dve skupini z relativno majhno prostornino rezervoarja, vendar dobro strukturo. Zato so bile za to nadgradnjo, ob izpolnjevanju zahtev glede višine, stene rezervoarja dvignjene za 0,5 m. Po prenovi je skupna efektivna prostornina 10.800 m³, s skupno HRT 14,4 h in HRT anoksične cone 6,4 h, kar poveča anoksični retenzijski čas za izboljšanje odstranitve TN. Obstoječi biološki rezervoarji faze II imajo efektivno prostornino 19.600 m³, skupno HRT 14,7 h in HRT anoksične cone 6,8 h. Ta projekt je vključeval zamenjavo prezračevalnih sistemov in nekaterih starajočih se potopnih mešalnikov v bioloških rezervoarjih faze I in II ter dodajanje visečih nosilcev in zadrževalnih zaslonov. Nosilci so izdelani iz poliuretana ali drugih -kompozitnih materialov z visoko zmogljivostjo, s kubično specifikacijo 24 mm, specifično površino 4.000 m²/m³ in 20-odstotnim razmerjem polnjenja. AOR sistema za biološko čiščenje je 853,92 kg O₂/h, s hitrostjo dovoda zraka 310,36 Nm³/min.
4.2 Dvižna črpalna postaja in rezervoar za odpadno vodo
Zgrajena je bila nova dvižna črpalna postaja za črpanje odplak iz sedimentacijskih rezervoarjev visoke-gostote v filter tipa V-za nadaljnjo obdelavo. Rezervoar za odpadno vodo hrani povratno odpadno vodo iz filtrov. Majhne črpalke se uporabljajo za enakomerno črpanje odpadne vode povratnega izpiranja v biološke rezervoarje faze II, da se prepreči udarna obremenitev. Vgrajene so bile tri sekundarne dvižne črpalke (2 delovni + 1 pripravljenosti, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW), s krmiljenjem pogona s spremenljivo frekvenco (VFD). Rezervoar za odpadno vodo za povratno pranje je opremljen z 2 pretočnima črpalkama (1 delovna + 1 pripravljenost, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) in enim potopnim mešalnikom (N=2.2 kW) za preprečevanje sedimentacije.
4.3 Filter vrste V-
Konstruiran je bil nov filter tipa V- s konstrukcijskimi dimenzijami 36,9 m (D) × 29,7 m (Š) × 8,0 m (V). Uporablja homogeni filtrirni medij iz kremenčevega peska. Filter je razdeljen na 6 celic, razporejenih v dve vrsti. Izhodna cev vsake celice ima električni regulacijski ventil za nadzor konstantnega delovanja nivoja vode. Postopek povratnega pranja je mogoče regulirati preko PLC-ja. Načrtovana hitrost filtracije je 7,0 m/h, prisilna hitrost filtracije je 8,4 m/h, površina eno-celične filtracije pa 49,4 m². Intenzivnost povratne vode je 11 m³/(m²·h), intenzivnost povratnega zraka 55 m³/(m²·h), intenzivnost površinskega pometanja pa 7 m³/(m²·h). Trajanje povratnega izpiranja je 10 minut. Cikel povratnega izpiranja je 24 ur (nastavljiv), s pranjem ene celice naenkrat. Velikost medija kremenčevega peska je 1-1,6 mm s k₈₀ < 1,3. Uporabljajo se ulite-monolitne filtrirne plošče.
4.4 Adsorpcijski rezervoarji z aktivnim koksom
Zgrajen je bil nov adsorpcijski rezervoar za aktivirani koks s strukturnimi merami 49,5 m (D) × 30,15 m (Š) × 11,0 m (V). Uporablja dvo-stopenjsko konfiguracijo filtracije s skupno 36 celicami, 18 celic na stopnjo. Največja stopnja filtracije je 6,02 m³/(m²·h), s povprečjem 4,63 m³/(m²·h). Mere eno{12}}celice prve -stopnje so D׊×V=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, s kontaktnim časom prazne postelje (EBCT) 1,4 ure. Mere eno{19}}celice druge{18}}stopnje so D × Š × V=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, z EBCT 1,08 h. Sistem uporablja 2.000 ton aktiviranega koksa z velikostjo delcev 2-8 mm, opremljen z mobilnimi pralniki koksa, razdelilniki vode, dovodno/izstopnimi jezovi itd.
4.5 Gradnja z aktiviranim koksom
Zgrajena je bila nova stavba aktiviranega koksa za skladiščenje aktiviranega koksa in njegovo dovajanje v adsorpcijske rezervoarje. Strukturne dimenzije so 33,5 m (D) × 13,0 m (Š) × 6,5 m (V). Glavna pomožna oprema vključuje: 1 aktivirano vibracijsko sito za odvodnjavanje koksa, 3 črpalke za dovajanje koksa (2 delovni + 1 v pripravljenosti, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 črpalki za izpust filtrata (1 delovni + 1 v pripravljenosti, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 zračna kompresorja (1 delovni + 1 pripravljenost, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) in posoda za sprejem zraka (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Prostor za odvodnjavanje plošče-in-ogrodja
Poleg obstoječe sobe za odvodnjavanje blata je bila zgrajena nova soba za odvodnjavanje plošč-in-ogrodja. Zaradi prostorskih omejitev je bil konfiguriran en komplet plošč-in-ogrodne filtrirne stiskalnice (površina filtra 300 m²), ki služi kot rezerva tračni filtrirni stiskalnici. Pomožni objekti vključujejo en rezervoar za kondicioniranje (efektivna prostornina 80 m³). Količina blata je 6.150 kg DS/d, z vsebnostjo vlage zgoščenega dovodnega blata 97 % in vsebnostjo vlage izsušene pogače 60 %. Glavna pomožna oprema vključuje: 2 dovodni črpalki (1 delovna + 1 pripravljenost, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 črpalki za tlačno vodo (1 delovna + 1 pripravljenost, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 črpalka za pranje (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 dozirni črpalki (1 delovna + 1 pripravljenost, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 zračni kompresor (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 komplet posode za sprejem zraka (V=5 m³, P=1.0 MPa) in 1 sklop enote za pripravo PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Sistem za nadzor vonjav
Dodan je bil nov biofiltracijski sistem za nadzor neprijetnih vonjav z načrtovanim pretokom zraka 12.000 m³/h. Cevi iz plastike, ojačane s steklom (GRP), se uporabljajo za zbiranje in obdelavo vonjav iz sistemov za predobdelavo in obdelavo blata. Za tesnjenje opreme za predobdelavo se uporabljajo okvirji iz nerjavečega jekla in trpežne PC plošče.
4.8 Druge posodobitve opreme
- Nadomeščen z 2 notranjima finima zaslonoma s 5 mm odprtino, z vijačnimi transporterji in rezervoarjem za pralno vodo, V=10 m³ in 2 črpalkama za pralno vodo (1 delovna + 1 pripravljenost, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Zamenjani s 4 učinkovitejšimi puhali z zračnim vzmetenjem, krmiljeni VFD (3 delovni časi + 1 v pripravljenosti, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Zamenjali filtrirne medije v obstoječih denitrifikacijskih filtrih s 1.800 m³ keramičnih medijev (velikost delcev 3-5 mm).
- Zamenjana 2 mešalna mešala v sedimentacijskih posodah z visoko-gostoto (hitrost 60–80 vrt/min, N=5.5 kW), 4 mešala za flokulacijo (hitrost 10–20 vrt/min, N=2.2 kW) in cevni usedalniki (260 m²).
- Stiskalnico s tračnim filtrom smo zamenjali z 2 m širokim jermenom in ustreznim zračnim kompresorjem, 1 komplet.
- Z uporabo prvotne osrednje nadzorne sobe, posodobljene opreme, instrumentov in vzpostavljenega centraliziranega nadzora je bil vzpostavljen -podatkovni komunikacijski sistem za celotno tovarno za dosego podatkovne komunikacije med osrednjo nadzorno sobo in podpostajami ter avtomatizacijo nadzora proizvodnega procesa.
5. Operativna uspešnost in tehnični-ekonomski kazalniki
5.1 Operativna zmogljivost
Po zaključku te nadgradnje vse čistilne enote obratujejo stabilno. Podatki monitoringa kakovosti dotočne in odpadne vode za leto 2023 so prikazani vTabela 2.
Kot je prikazano, so bile povprečne koncentracije iztoka za COD, NH3-N, TN, TP in SS 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 in 2,63 mg/L, s povprečnimi stopnjami odstranitve 95,16 %, 99,45 %, 77,31 %, 94,75 % oziroma 97,38 %. KPK v iztoku, NH3-N in TP so dosledno ustrezali vodnemu standardu GB 3838-2002 razreda III.
Nadgrajeni projekt deluje že skoraj dve leti. Rezultati kažejo, da je postopek MBBR+ACCA stabilen, učinkovit in proizvaja visoko{2}}kakovostno odplako, ki izkazuje močno odpornost na udarne obremenitve in nizke-temperaturne pogoje. Tudi pri minimalni zimski temperaturi vode 9,4 stopinje in znatnih nihanjih kakovosti vode je kakovost odplak ostala stabilna in je izpolnjevala standarde izpusta. Pred in po nadgradnji se doziranje vira ogljika ni povečalo, vendar je bilo odstranjevanje TN znatno povečano. To je zato, ker po eni strani nitrifikacijski mikroorganizmi, pritrjeni na nosilce MBBR, rastejo in se kopičijo v stabilnem aerobnem okolju, kar vodi do popolnejše nitrifikacije. Po drugi strani pa je bil nitrat dodatno odstranjen v nadgrajenih rezervoarjih MBBR in anoksičnih rezervoarjih. Končni sistem ACCA deluje kot zaščita, dodatno adsorbira in odstranjuje neposlušne KPK, TP, SS itd., zaradi česar je kakovost odplak bolj stabilna. Poleg tega lahko obrat po izvedbi projekta proizvede visoko{12}}kakovostno predelano vodo in tako postavi temelje za prihodnjo ponovno uporabo vode.
5.2 Tehnični-ekonomski kazalniki
Celotna naložba za ta projekt je znašala 86 937.600 RMB, vključno s stroški gradnje in namestitve v višini 74.438.500 RMB, drugimi stroški v višini 7.593.500 RMB, nepredvidenimi stroški v višini 4.101.600 RMB in začetnim obratnim kapitalom v višini 804.000 RMB. Po stabilnem delovanju sistema je dodatni strošek električne energije za celotno tovarno 0,11 RMB/m³, strošek aktiviranega koksa 0,39 RMB/m³, kar povzroči skupno povečanje obratovalnih stroškov za približno 0,50 RMB/m³.
6. Zaključek
- Ta projekt je izvajal prenovo opreme, intenzifikacijo procesa in prenovo na obstoječi čistilni napravi ter dodal napredno čiščenje, s čimer se je izboljšala učinkovitost odstranjevanja KPK, NH₃-N, TN in TP.
- Po nadgradnji z uporabo glavnega postopka "MBBR+ACCA" so se KPK v iztoku, NH3-N in TP stabilno izboljšali iz razreda 1A na standard III. razreda površinske vode, odstranitev TN pa je bila znatno izboljšana.
- Praksa kaže, da ta proces deluje stabilno in učinkovito, je odporen na sunke obremenitev, proizvaja visoko{0}}kakovostno odplako in dodaja operativne stroške približno 0,50 RMB/m³. Lahko služi kot referenca za nadgradnjo projektov in pobud za ponovno uporabo vode na drugih čistilnih napravah.