Učinek delovanja projekta nadgradnje čistilne naprave v Tianjinu
Naprava za čiščenje odpadne vode v Tianjinu je bila podvržena projektu nadgradnje in prenove, ki je sprejel modificirani postopek Bardenpho-MBBR, s čimer se je kakovost odplak dvignila s standarda razreda A, določenega v "Standardu izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave" (GB 18918-2002), na standard razreda A lokalnega standarda DB Tianjina 12/599-2015. Postopek reaktorja z biofilmom z gibljivo posteljo (MBBR) vključuje dodajanje suspendiranih nosilcev MBBR v reaktor, zagotavljanje mest za pritrditev mikrobov in oblikovanje pritrjenih biofilmov, s čimer se poveča učinkovita biomasa v sistemu in doseže odstranitev onesnaževal. Postopek MBBR ponuja prednosti, kot so visoka obremenitev pri obdelavi, močna odpornost na udarne obremenitve, stabilna učinkovitost obdelave, preprosto operativno upravljanje in prilagodljivo delovanje procesa. Vse več čistilnih naprav na Kitajskem za prenovo uporablja postopek MBBR. Ta prispevek analizira operativno delovanje čistilne naprave Tianjin po njeni nadgradnji, s ciljem zagotoviti referenco za podobne projekte nadgradnje.
1. Trenutni biološki postopek odstranjevanja dušika in fosforja
Prvotni biološki rezervoar je uporabljal postopek A²/O z zmogljivostjo čiščenja 12.500 t/d. Načrtovana skupna starost blata je bila 14 dni, koncentracija suspendiranih trdnih snovi mešane tekočine (MLSS) je bila 3500 mg/L, projektna temperatura vode je bila 10 stopinj, izkoristek blata je bil 0,936 kgSS/kgBOD, obremenitev blata pa 0,082 kgBOD/kgMLSS. Učinkovita globina vode biološkega rezervoarja je bila 6 m, s skupno prostornino rezervoarja 9.052,2 m³ in skupnim hidravličnim zadrževalnim časom (HRT) 17,4 ure. Porazdelitev HRT je bila: izbirno območje 0,58 ure, anaerobno območje 1,38 ure, anoksično območje 2,85 ure, območje nihanja 0,92 ure in aerobno območje 11,67 ure. Recikliranje blata je bilo 100 %, notranje recikliranje mešane tekočine pa 300 %. Prvotni biološki rezervoar je bil sestavljen predvsem iz anaerobnih-anoksičnih-aerobnih delov. Delovne parametre je mogoče prilagoditi glede na dotočne pogoje in zahteve po iztoku, da se doseže odstranitev dušika in fosforja, pri čemer kakovost iztoka ustreza standardu razreda A GB 18918-2002.
2. Pregled projekta nadgradnje in prenove
Namen te nadgradnje je bil izboljšati kakovost odplak, da bi izpolnili standard razreda A lokalnega standarda Tianjin "Standard izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave" (DB 12/599-2015). Projektirana kakovost dotoka in odtoka je prikazana vTabela 1. Glede na projektirane vrednosti TN dotoka in iztoka je za doseganje TN iztoka pod 10 mg/L potrebna stopnja denitrifikacije 75,6 % v sistemu bioloških rezervoarjev. Prvotni biološki rezervoar je uporabljal konfiguracijo A²/O. Izračuni, ki so temeljili na prvotni konfiguraciji rezervoarja, so pokazali, da bi se moralo notranje razmerje recikliranja povečati s prvotnih 200 % na 310 %, skupaj z dodatkom velike količine zunanjega vira ogljika. To ne bi samo povečalo obratovalnih stroškov, ampak bi lahko tudi velik obseg notranjega recikliranega toka motil anoksično okolje. To bi lahko povzročilo, da je dejanski HRT v anoksičnem območju manjši od minimalne zahteve, kar vpliva na učinkovitost denitrifikacije. Postopek MBBR poveča sposobnost denitrifikacije sistema in izboljša kakovost odplak z dodajanjem suspendiranih nosilcev za povečanje koncentracije biomase v rezervoarju, s čimer izpolnjuje zahteve nadgradnje.
Brez spreminjanja obstoječe prostornine biološkega rezervoarja so bile rekonfigurirane notranje funkcionalne cone biološkega rezervoarja. Prvotna konfiguracija A²/O (anaerobno-anoksično-aerobno) je bila spremenjena v Bardenpho 6-stopenjsko konfiguracijo: anaerobno območje, anoksično območje, območje nihanja, aerobno območje, post-anoksično območje in post-aerobno območje. Natančneje, prvotno izbirno območje je bilo pretvorjeno v anaerobno območje. Prvotno anaerobno območje, območje nihanja (sprednji del) in anoksično območje so bile uporabljene kot pred-anoksično območje. Sprednja polovica prvega koridorja v prvotni aerobni coni je bila prilagojena v cono nihanja. Prvotni prvi, drugi in tretji aerobni koridorji so bili spremenjeni v cono MBBR, kjer so bili dodani viseči nosilci, skupaj z vstopnimi/izstopnimi sistemi za pregledovanje in spodnjim pomožnim prezračevalnim sistemom. Četrti aerobni koridor je bil spremenjen v post{14}}anoksično cono. Prvotno območje nihanja je bilo funkcionalno razdeljeno in prilagojeno na post{15}}anoksično in postaerobno cono. Parametri prenovljenega biološkega rezervoarja so prikazani vTabela 2.
Kar zadeva delovanje postopka, se mešana tekočina iz aerobne cone reciklira v anoksično cono, znotraj anoksične cone pa se doda vir ogljika. Denitrifikacijske bakterije uporabljajo vir ogljika za denitrifikacijo, da odstranijo nitratni dušik, proizveden v aerobnem območju. Preostali nitratni dušik vstopi v post-anoksično cono, kjer se doda dodaten vir ogljika za nadaljevanje denitrifikacije. Po prenovi je koncentracija suspendiranih trdnih snovi mešane tekočine (MLSS) 4000 mg/L, reciklaža blata je 50 %–100 %, interna reciklaža mešane tekočine je 200 %–250 %, raztopljeni kisik v coni MBBR pa 2–5 mg/L. Diagram poteka procesa po prenovi je prikazan vSlika 1.
3. Zagon sistema po prenovi biološkega rezervoarja
Po končani prenovi biološkega rezervoarja se je začela faza zagona. V biološki rezervoar je bilo dodano odvodnjeno blato iz druge ČN, kar je v kratkem času hitro povečalo koncentracijo blata nad 3.000 mg/L. To je skrajšalo obdobje gojenja blata in aklimatizacije, kar je omogočilo hiter zagon biološkega rezervoarja in ponovno vzpostavitev njegove zmogljivosti odstranjevanja dušika in fosforja. V obdobju poskusnega obratovanja je bila dejanska obratovalna obremenitev zaradi relativno nizkega dotoka in koncentracij onesnaževal manjša od projektne. Pristop je bil, da se aktivno blato najprej goji in aklimatizira, dokler se biološki sistem ne stabilizira in kakovost odplak ne ustreza standardom, nato se dodajo nosilci MBBR za tvorbo biofilma.
Ko so bili nosilci dodani v aerobni del biološkega rezervoarja, so bili najprej potopljeni. Mikroorganizmi se postopoma pritrdijo na njihovo površino. Vizualno se je barva nosilne površine spremenila iz bele v rahlo zemeljsko rumeno, ko se je več mikroorganizmov pritrdilo in biofilm je postal gostejši. Nosilna barva se postopoma poglablja. Dva meseca po dodatku nosilca je bila tvorba biofilma dobra, površina nosilca je bila videti rumenkasto-rjava, barva pa se je postopoma poglobila. Štiri mesece po dodatku nosilca je bil biofilm na površini nosilca temno rjav in gost. Napredovanje tvorbe biofilma je bilo mogoče intuitivno opaziti na podlagi sprememb v barvi nosilca, kot je prikazano vSlika 2. Decembra 2021 je mikroskopska preiskava aktivnega blata iz biološkega rezervoarja in blata iz nosilcev razkrila kompaktne kosmičaste strukture z dobrimi lastnostmi adsorpcije in usedanja. Vizualno so nosilci pokazali očitno tvorbo biofilma. Z mikroskopskim pregledom so bili identificirani organizmi, kot so Vorticella, Opercularia in Epistylis, z občasnimi opažanji nekaj mobilnih migetalk, kar kaže na zaključek faze tvorbe biofilma.
4. Operativna učinkovitost po prenovi biološkega rezervoarja
4.1 Učinkovitost odstranitve za COD in BOD po prenovi
Vrednosti KPK in BPK v iztoku za leto 2022 so prikazane vSlika 3. KPK v iztoku je znašala od 10,2 do 24,9 mg/L, s povprečjem 18,0 mg/L. BPK v iztoku je znašala od 2,1 do 4,9 mg/L, s povprečjem 3,4 mg/L. Tako KPK kot BPK v iztoku sta stabilno ustrezala lokalnemu standardu razreda A v Tianjinu. Prenovljeni sistem ni le pokazal dobre zmogljivosti odstranjevanja KPK in BPK, temveč je tudi vzdrževal stabilne in skladne ravni KPK in BPK v odpadnih vodah med sezono poplav, tudi ko je dejanska dotočna obremenitev naprave dosegla 110 % projektirane zmogljivosti. To pomeni, da ima sistem dobro odpornost na udarne obremenitve.
4.2 Učinkovitost odstranjevanja TN in NH3-N po prenovi
Vrednosti TN in NH₃-N za leto 2022 so prikazane vSlika 4. TN je znašal od 3,72 do 8,74 mg/L, s povprečjem 6,43 mg/L. NH3-N je bil v razponu od 0,02 do 1,25 mg/L, s povprečjem 0,12 mg/L. Med zimskim obratovanjem sta se zaradi nižjih temperatur zmanjšali stopnji nitrifikacije in denitrifikacije. V praksi je bila koncentracija blata povečana nad 6.000 mg/L. Delovanje pri visoki koncentraciji blata je koristno za izboljšanje odpornosti biološkega sistema na udarne obremenitve, zlasti pri nizkih temperaturah. Sinergija med visoko koncentracijo blata in biofilmom, pritrjenim na nosilce MBBR, poveča učinek čiščenja biološkega sistema.
Nosilci MBBR zagotavljajo ugodno okolje za mikrobne skupnosti ter podpirajo njihovo rast in razmnoževanje. Po privajanju in zorenju se nitrifikacijska in denitrifikacijska sposobnost biofilma okrepita. Mikroorganizmi se pritrdijo in rastejo v plasteh na površini nosilca, povečujejo gostoto zoogloe in tvorijo velike, goste in hitro stabilne strukture blata. Ko se soočajo z zunanjimi spremembami kakovosti vode, mikroorganizmi na površini nosilca izločajo zunajcelične polimerne snovi (EPS) za samo-zaščito, s čimer zmanjšajo vpliv nenadnih sprememb kakovosti vode na mikroorganizme notranje-plasti.
V čistilnih napravah, ki uporabljajo postopek MBBR, so opazili hkratne pojave nitrifikacije in denitrifikacije (SND) v območju aerobnega nosilca. Testiranje vrednosti TN dotoka in iztoka iz aerobne nosilne cone je pokazalo razliko 2–6 mg/L. Ta razlika je bila izrazitejša, zlasti ko je bil raztopljeni kisik v aerobnem rezervoarju nadzorovan pod 2 mg/L, kar kaže na pomembnejšo SND v pogojih z nizko vsebnostjo raztopljenega kisika. Iztok TN iz sekundarnega usedalnika je v celoti ustrezal standardom, kar pomeni, da je bila odstranitev TN zaključena v fazi biološkega čiščenja. Med dejanskim delovanjem denitrifikacijski globok-filter deluje kot zaščitni postopek. V normalnih pogojih deluje kot običajni filter, ki zagotavlja, da indikatorji SS izpolnjujejo standarde.
4.3 Učinkovitost odstranitve za TP in SS po prenovi
Vrednosti TP in SS iztoka za leto 2022 so prikazane vSlika 5. TP iztoka ČN se giblje od 0,04 do 0,22 mg/L, s povprečjem 0,10 mg/L. SS v iztoku je bil od 1 do 4 mg/L, s povprečjem 2,2 mg/L. Po nadgradnji je bil iztok iz sekundarnega usedalnika TP okoli 1,0 mg/L in SS okoli 26 mg/L. Z dodajanjem železovega klorida in PAM v visoko{12}}učinkovitem sedimentacijskem rezervoarju za izboljšanje koagulacije in z nadaljnjim čiščenjem v denitrifikacijskem globok-filtru sta iztočna voda TP in SS stabilno dosegala lokalni standard razreda A v Tianjinu, vrednost barve pa je bila znatno zmanjšana.
5. Zaključek
Za izpolnitev lokalnega standarda razreda A v Tianjinu je bil prvotni postopek A²/O na čistilni napravi za odpadke spremenjen v pet-stopenjsko konfiguracijo Bardenpho, ki vključuje postopek MBBR v aerobnem delu za izboljšanje biološkega odstranjevanja dušika, zmanjšanje TN in NH3-N v iztoku. Med poplavno sezono s preobremenitvenim tokom so vsi kazalniki stabilno izpolnjevali standarde in pokazali dobro odpornost na udarce. Po prenovi biološkega rezervoarja je bilo notranje reciklažno razmerje 200 %–300 %, zunanje recikliranje blata 50 %–100 %, koncentracija blata je bila 4000–6000 mg/L, raztopljeni kisik v aerobni coni je bil nadzorovan pri 3–5 mg/L, raztopljeni kisik v anaerobni coni pa pri 0,2–0,5 mg/L. V letu 2022 je bila kakovost iztoka ČN: KPK 10,2–24,9 mg/L, povprečno 18,0 mg/L; BPK 2,1–4,9 mg/L, povprečno 3,4 mg/L; NH3-N 0,02–1,25 mg/L, povprečno 0,12 mg/L; TN 3,72–8,74 mg/L, povprečje 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, povprečno 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, povprečno 2,2 mg/L. Vse so stabilno izpolnjevale standard razreda A lokalnega standarda Tianjin "Standard izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave" (DB 12/599-2015).