Primerjava dvo{0}}stopenjskih in tri-stopenjskih procesov AO: inženiring Perspektiva
Trenutno večina čistilnih naprav (ČN) na Kitajskem uporablja postopke za čiščenje odpadne vode,-ki temeljijo na aktivnem blatu. Med temi jih skoraj polovica uporablja anoksični-oksični (AO) postopek. Postopek AO ponuja prednosti, kot sta stabilno delovanje in nizki stroški. Vendar je njegova skupna učinkovitost odstranjevanja dušika (TN), ki se običajno giblje od 60 % do 80 %, omejena z notranjimi razmerji recikliranja. Z vedno strožjimi nacionalnimi zahtevami za odstranjevanje dušika običajni eno-stopenjski AO procesi pogosto težko izpolnjujejo zahteve po obdelavi s TN. Tako so se pojavili več{10}}stopenjski procesi AO. S povezovanjem dveh ali več stopenj AO v seriji nitrat, proizveden v predhodni aerobni stopnji, zagotavlja substrat za denitrifikacijo v naslednji anoksični stopnji. S tem je dosežen cilj zmanjšanja notranjega deleža recikliranja ob hkratnem povečanju skupne odstranitve TN. Vendar lahko čezmerne stopnje tudi povečajo kompleksnost delovanja. Posledično so na Kitajskem trenutno najpogosteje uporabljene konfiguracije dvo- in tri-stopenjski AO procesi. Ta članek predstavlja primerjalno analizo dvo{18}} in tri{19}}faznih procesov AO z uporabo čistilne naprave za odpadno vodo na južnem Kitajskem kot študijo primera, s ciljem zagotoviti referenco za izbiro tehničnih poti v podobnih projektih.
1 Pregled projekta
ČN na južnem Kitajskem pokriva skupno površino 8 hektarjev. Njegova prvotna projektirana zmogljivost je bila 90.000 m³/d, kakovost odplak pa je zahtevala izpolnjevanje standarda stopnje A "Standarda izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave" (GB 18918-2002) in "Mejnih vrednosti izpusta onesnaževal v vodo" province Guangdong (DB 44/26-2001) (v nadaljevanju "kvazirazred V"). Obrat je deloval s polno zmogljivostjo. Po ustreznem načrtu je bila potrebna širitev. Prihodnji standardi za odpadne vode, ki temeljijo na trenutnem stanju, so morali upoštevati dolgoročno zahtevo TN manj kot ali enako 10 mg/L. Ob celovitem upoštevanju dejanskih pogojev lokacije je bil obseg civilne gradnje za to širitev določen na 70.000 m³/d. Obrat bi v kratkem deloval s 50.000 m³/d, dolgoročno pa bi dosegel obseg 70.000 m³/d, s čimer bi skupna zmogljivost čiščenja v obratu dosegla 160.000 m³/d. Projektirana kakovost dotočne in odpadne vode je prikazana vTabela 1.
Zaradi omejitev lokacije je predhodni načrt za širitev sprejel procesno pot "Več-stopenjski AO + periferni-vhodni periferni-zunanji pravokotni usedalnik + visoko{5}}učinkoviti usedalni rezervoar + vlaknena plošča-in-ogrodni filter". Gradbeni objekti vseh večjih enot so bili zgrajeni za kapaciteto 70.000 m³/d, oprema pa je bila vgrajena za kapaciteto 50.000 m³/d. Biološki rezervoar bi v kratkem uporabljal več{15}}stopenjski AO proces. Dolgoročno bi dodajanje visečih nosilcev ustvarilo hibridni biofilm-postopek z aktivnim blatom, ki bi izpolnil povpraševanje po 40-odstotni širitvi zmogljivosti. Pri tej zasnovi so bili upoštevani hidravlični pogoji za obseg 70.000 m³/d, medtem ko je bila biološka obdelava zasnovana za obseg 50.000 m³/d. Ker je bil ta projekt namenjen sprejetju več-stopenjskega postopka AO, je bila izvedena primerjava med dvo- in tri-stopenjskim AO.
2 Primerjava dvo-stopenjskih in tri-stopenjskih procesov AO
2.1 Potek procesa
Osnovno načelo več-stopenjskega postopka AO je uporaba nitrata, proizvedenega v predhodni aerobni stopnji, za denitrifikacijo v naslednji anoksični stopnji, s čimer se zmanjša interno razmerje recikliranja. Teoretično več stopenj vodi k boljši odstranitvi TN, vendar postane nadzor bolj zapleten. V inženirski praksi prevladujeta dvo- in tri-stopenjski AO. Njihovi procesni tokovi so prikazani vSlika 1. Za dvo-stopenjski AO je notranje recikliranje običajno zasnovano znotraj prve stopnje AO. Za tri-stopenjski AO se notranji recikliranje na splošno ne uporablja. Čistilne naprave v Pekingu, ki uporabljajo dvo{5}}stopenjski proces AO, vključujejo Qinghe (400.000 m³/d), Xiaohongmen (500.000 m³/d), Gao'antun (400.000 m³/d), Dingfuzhuang (200.000 m³/d) in Huaifang (600.000 m³/d). Ta proces ponuja prednosti, kot so preprosta oprema, nizki stroški delovanja in vzdrževanja, močna odpornost na udarne obremenitve in visoka združljivost z drugimi procesi, kar omogoča prihodnje nadgradnje za izpolnjevanje višjih standardov za odpadne vode. Teoretično lahko tri{18}}stopenjski AO v seriji odpravi potrebo po notranji opremi za recikliranje, omogoči racionalnejšo razporeditev virov ogljika ter zmanjša investicijske in operativne stroške. Ta postopek se uporablja predvsem v scenarijih z zadostnimi viri ogljika in visokimi zahtevami po odstranitvi dušika. Tipični primeri vključujejo čistilno napravo Qujing v Yunnanu (80.000 m³/dan), mestno čistilno napravo Ninghe District v Tianjinu (90.000 m³/dan), čistilno napravo Zhangguizhuang v Tianjinu (200.000 m³/dan) in obrat za predelavo Daoxianghu v Pekingu (80.000). m³/d).
2.2 Primerjava procesov
Glede na to, da na tej lokaciji ni na voljo nobenega dodatnega zemljišča za prihodnje nadgradnje in da nekateri novi lokalni projekti že izvajajo standard TN za odpadno vodo manj kot ali enako 10 mg/L, je primerjava postopkov upoštevala TN iztoka iz biološkega rezervoarja manj kot ali enako 10 mg/L, da se prilagodi možnostim nadaljnjih strogih zahtev glede odplak v prihodnosti. Ostali kazalniki so ustrezali projektirani kakovosti odplak. Na podlagi postavitve je za kratkoročno merilo 50.000 m³/d največji hidravlični zadrževalni čas (HRT) za biološki rezervoar znašal 18 ur. S kombinacijo dejanskih pogojev projekta, rezultatov simulacije BioWin in priročnosti spajanja z visečimi nosilci je bila izvedena primerjava med dvo- in tri-stopenjskimi AO procesi.
2.2.1 Simulacija BioWin
Začetno HNZ je bilo določeno na 18 ur in postopno zniževalo. Najmanjše HNZ, ki je doseglo zahtevo po TN v efluentu, je bilo 14 ur. Za dvo-stopenjski AO so bile vplivne distribucijske točke anaerobno območje, prvo-stopenjsko anoksično območje in drugo-stopenjsko anoksično območje. Za tri-stopenjsko AO so bile vplivne točke anaerobno območje, drugo-stopenjsko anoksično območje in tretje-stopenjsko anoksično območje.
① Študija s fiksnim razmerjem porazdelitve vpliva
Z nastavitvijo razmerja porazdelitve vplivov na 4:3:3 za obe so simulacije primerjale tri sheme: dvo-stopenjski AO (reciklirno razmerje 200 %), tri-stopenjski AO s skupnim recikliranim razmerjem 200 % (100 % recikliranje znotraj prve stopnje AO + 100 % recikliranje od tretje oksične cone do prve anoksične cone) in tri-stopenjsko AO s 100-odstotnim deležem recikliranja (recikliraj samo v prvi stopnji AO). Simulacijski tokovi so prikazani vSlika 2.
Tabela 2prikazuje rezultate simulacije za fiksno influenčno razmerje pri HRT=14 h.
Iz tabele 2 je razvidno, da je za dvo-stopenjsko in tri-stopenjsko AO priporočljivo vzpostaviti notranji recikliranje v prvi stopnji AO, da se poveča denitrifikacija v prvi anoksični coni z uporabo vira ogljika v surovem dotoku. Za tri-stopenjski AO je nastavitev notranjega recikliranja od konca tretje stopnje do prve anoksične cone nekoliko izboljšala odstranjevanje TN in TP, vendar se je učinkovitost odstranjevanja organskih snovi zmanjšala. To je špekulacija, ki jo pripisujejo povečanemu skupnemu pretoku v biološkem rezervoarju zaradi recikliranja, ki prenaša raztopljeni kisik v anoksično območje, kar vpliva na anoksično okolje. Poleg tega se je dejansko HRT v vsakem območju skrajšalo, prehod med delovnimi pogoji pa pospešil, kar je povzročilo zmanjšano učinkovitost. Za vplivne značilnosti, kot so tiste v tem projektu na južnem Kitajskem, kjer koncentracija TN ni zelo visoka, lahko dvo-stopenjski AO v celoti izpolni zahteve po iztoku, pri čemer ne kaže izrazite prednosti za tri-stopenjski AO. Za scenarije z visokim COD in visokim TN dotokom je morda bolj primeren tri-stopenjski AO.
② Študija o prilagajanju razmerij porazdelitve vplivov
Tako dvo{0}}stopenjski kot tri-stopenjski AO sta bila nastavljena s 100-odstotnim notranjim razmerjem recikliranja v prvi stopnji AO. Študije so bile izvedene na več{4}}razmerjih vplivne porazdelitve (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Tu 1:0:0 pomeni, da vsi vplivni vstopijo na samem čelu; 3:7:0 za tri-stopenjsko AO pomeni, da se dotok porazdeli le v anaerobno območje in drugo stopnjo AO. Rezultati simulacije za prilagojena porazdelitvena razmerja so prikazani vTabela 3.
Iz tabele 3 je razvidno, da porazdelitveno razmerje rahlo vpliva na kakovost iztoka. Splošni trend je, da se z večanjem deleža dotoka, porazdeljenega v kasnejše stopnje, koncentracije TN, NH3-N in TP v iztoku povečujejo, postopoma pa se povečuje tudi potreba po prezračevanju. Ko je bilo vtočno razmerje 3:7:0, je tri-stopenjski AO pokazal nekoliko boljše odstranjevanje TN in nekoliko nižje razmerje-z-vodo kot dvo-stopenjski AO. Vendar pa je v dejanskem delovanju ta razlika na splošno zanemarljiva. Poleg tega povečanje deleža influenta v poznejših fazah, čeprav je koristno za uporabo vira ogljika pri denitrifikaciji, neizogibno poveča obremenitev biokemičnih reakcij zaradi vnosa NH3-N, organske snovi in TP. Zato je priporočljivo ohraniti konfiguracijo več-dovodnega toka in izvajati postopne prilagoditve glede na dejansko kakovost vode med delovanjem. Treba je omeniti, da čeprav je tri-stopenjski AO pokazal boljšo odstranitev TN kot dvo-stopenjski AO pri vtočnem razmerju 2:4:4, ko se je dotok v kasnejše stopnje povečal, je iztočni NH₃-N pokazal trend naraščanja, na kateri točki NH3-N ni več mogel izpolnjevati standarda za iztoke.
③ Uspešnost zdravljenja dvo-stopenjskega in treh-stopenjskega AO
Tri{0}}stopenjska konfiguracija AO je bila simulirana s HRT=14 h, enakimi volumskimi razmerji za vsako stopnjo (1:1:1), 100-odstotnim notranjim recikliranjem, nastavljenim v prvi stopnji AO, in vplivnim razmerjem 4:3:3, pod dvema pogojema: s 100-odstotnim recikliranjem in zaprtim recikliranjem. Dvo{11}}konfiguracija AO je bila simulirana s HRT=14 h, 100-odstotnim notranjim sklopom za recikliranje in vplivnim razmerjem 4:3:3. Rezultati so pokazali, da je dvo{17}}stopenjski AO dosegel optimalno TN iztoka pri 6,29 mg/L; tri-stopenjski AO s 100-odstotnim notranjim recikliranjem spredaj je dosegel naslednjo najboljšo vrednost pri 7,51 mg/L; tri-stopenjski AO brez notranjega recikliranja je deloval slabše pri 8,52 mg/L. Vsi trije scenariji bi lahko izpolnjevali zahteve glede preverjanja odplak (TN manj kot ali enako 10 mg/L).
Tabela 4prikazuje primerjavo konstrukcijskih parametrov med dvo-stopenjskim in tri-stopenjskim AO. Vidimo lahko, da je za oba procesa HRT, ki je potreben za doseganje zahteve TN iztoka, krajši od 18 ur. Glavne razlike med obema procesoma so naslednje:
a. Teoretičnoima tri-stopenjski AO višjo zgornjo mejo; to pomeni, da so lahko ob pravilnem upravljanju nižji investicijski in obratovalni stroški. Dvo-stopenjski AO ima manj elementov opreme in stopenj, kar ima za posledico nižje stroške opreme in manjše težave pri operativnem upravljanju.
b. Za ta konkretni projekt, ker se je upoštevalo dolgoročno in je bila prostornina rezervoarja zasnovana za 18-urni HRT, bi bila civilna naložba enaka, ne glede na to, ali bi uporabili dvo- ali tri-stopenjski AO. Stroški opreme za tri-stopenjski AO so višji. Zato je z vidika naložbe sprejem dvostopenjskega AO bolj ekonomičen.
c. Glede obratovalnih stroškov, bi lahko tri{0}}stopenjski AO prihranil približno 0,002 CNY/m³ z odpravo 100-odstotnih stroškov recikliranja mešane tekočine. Ob upoštevanju morebitnega zmanjšanja učinkovitosti izkoriščanja vira ogljika v dejanskem obratovanju zaradi izmeničnih anoksičnih/oksičnih pogojev v tri-stopenjski AO bi bila dejanska razlika v obratovalnih stroških verjetno še manjša.
2.2.2 Analiza dolgoročnega-scenarija začasno ustavljenega nosilca
Zaradi edinstvenih zahtev tega projekta je moral biološki rezervoar upoštevati izvedljivost in priročnost dolgoročnega-načrta za razširitev zmogljivosti, tj. vpliv dodajanja visečih nosilcev.
Jedro procesa MBBR je povečanje biomase v reaktorju z dodajanjem suspendiranih nosilcev. Te je mogoče dodati aerobnim, anoksičnim ali anaerobnim rezervoarjem. Če pa bi upoštevali fluidizacijo nosilca, bi njihovo dodajanje v anaerobne ali anoksične rezervoarje znatno povečalo zahteve po moči mešanja. Zato je prednostno priporočljiv dodatek k aerobnim rezervoarjem. Volumen za anaerobne/anoksične cone lahko dopolnimo z ločitvijo od aerobne cone, primanjkljaj aerobnega volumna pa kompenziramo z dodanimi nosilci. Z drugimi besedami, nezadostna aerobna prostornina je posledica povečane površine visečih nosilcev, ki se izračuna na podlagi pretvorbe obremenitve onesnaževal, da se določi zahtevana količina nosilca, pri čemer se nadzoruje določeno razmerje polnjenja, da se pridobi dodana prostornina.
Če bi na podlagi izračunov sprejeli dvo-stopenjski postopek AO in dolgoročno dodali vse obešene nosilce v prvo-stopenjsko aerobno cono, bi zahtevana površina nosilca MBBR znašala 2.597.708 m², kar bi stalo 12,99 milijona CNY. Drugi povezani stroški fiksne opreme (vključno s fluidizacijskimi sistemi MBBR, namenskimi mešalniki, presejalnimi sistemi in inteligentnimi krmilnimi sistemi) bi znašali 6,15 milijona CNY. Če bi sprejeli tri-stopenjski postopek AO, bi bilo treba zaradi bolj razpršenih območij območje MBBR razdeliti na 2 odseka (prvo-stopenjsko in drugo-stopenjsko aerobno območje). Posledično bi se stroški za namestitev ustrezne fiksne opreme MBBR (brez samih nosilcev) rahlo povečali na 7,77 milijona CNY, medtem ko stroški nosilca ostajajo enaki. To pomeni, da bi sprejetje tri{16}}stopenjskega AO povečalo prihodnjo naložbo v naknadno vgradnjo za 1,62 milijona CNY in povečalo tudi kompleksnost vgradnje. Poleg tega je presejalni sistem področje, ki je po dodajanju prevoznika najbolj nagnjeno k težavam. Tri{20}}stopenjski AO dodaja dodaten del zaslonov, kar povečuje težave pri delovanju.
Iz zgornje primerjave je razvidno, da je zaradi pretirane razdelitve v tri-stopenjski AO, pri čemer ima vsaka particija podobno prostornino, težava pri naknadni vgradnji večja kot pri dvo-stopenjskem AO. Konstrukcija, zapletenost delovanja in dodajanje opreme za pregledovanje prav tako povzročijo večjo naložbo kot dvo-stopenjski AO. Zato je uporaba dvo-stopenjskega AO bolj ugodna za prihodnje spajanje z visečimi nosilci.
2.3 Primerjalni rezultat
Na podlagi zgornje analize lahko tako dvo-stopenjski kot tri-stopenjski AO procesi dosežejo cilj TN iztoka, ki je manjši ali enak 10 mg/L. V mejnih pogojih tega projekta-omejen prostor, potreba po povečanju kratkoročne-prostornine rezervoarja in dolgoročni-načrt za dodajanje visečih nosilcev-dvo-stopenjski AO ima prednosti v smislu kratkoročne-naložbe in priročnosti upravljanja/vzdrževanja opreme. Ponuja tudi višjo združljivost za prihodnjo naknadno vgradnjo z visečimi nosilci, kar ima za posledico nižjo skupno naložbo ter zmanjšano naknadno vgradnjo in težave pri delovanju. Zato je bil po celovitem premisleku za to zasnovo priporočen dvo{12}}stopenjski postopek AO.
3 Operativna uspešnost
Celotna ocenjena naložba za ta projekt je 304,5721 milijona CNY, s stroški gradnje 243,6019 milijona CNY, kar pomeni, da stroški gradnje na enoto znašajo 3480,03 CNY/m³. Stroški zdravljenja znašajo 1,95 CNY/m³, operativni stroški pa 1,20 CNY/m³.
Za ta projekt ima biološki rezervoar skupno HRT 18 ur (vključuje: anaerobno območje 2 h, prvo-stopenjsko anoksično območje 3,5 h, prvo-stopenjsko aerobno območje 7,5 h, razplinjevalno območje 0,5 h, drugo-stopenjsko anoksično območje 2,5 h, drugo-stopenjsko aerobno območje 2 h), z efektivno globino vode 8,6 m. Izveden je nastavljiv sekcijski dovod vode, ki omogoča prilagajanje razmerja porazdelitve dotoka v korakih po 20 % po potrebi. Med dejanskim delovanjem se koncentracija suspendiranih trdnih snovi mešane tekočine (MLSS) v biološkem rezervoarju giblje od 3.500 do 4.000 mg/L, razmerje vračanja blata je v razponu od 40 % do 100 %, razmerje notranjega recikliranja mešane tekočine pa je v razponu od 100 % do 200 %. Dejanska kakovost dotoka in iztoka je prikazana vTabela 5, ki je v bistvu skladen z rezultati simulacije.
4 Zaključek
Z uporabo ČN na južnem Kitajskem kot študijo primera je bila izvedena tehnična in ekonomska primerjava med dvo- in tri-stopenjskimi AO procesi s pomočjo simulacije BioWin. Dvo-stopenjski AO z manj predmeti opreme in stopnjami, nižjimi stroški opreme in manjšimi težavami pri operativnem upravljanju je primernejši za razmere na južnem Kitajskem, kjer vplivni TN ni zelo visok. Za tri-stopenjski AO je nastavitev notranjega recikliranja od konca tretje stopnje do prve anoksične cone negativno vplivala na učinkovitost odstranjevanja TN, povečala težave pri operativnem upravljanju in povečala naložbene stroške. Zasnova istočasno izpolnjuje zahteve za kratkoročno-čiščenje 50.000 m³/d in TN manj kot ali enako 10 mg/L, medtem ko je dolgoročno-obseg 70.000 m³/d mogoče doseči s priklopom na viseče nosilce. Dejanski operativni rezultati so v veliki meri skladni z rezultati simulacije BioWin, s povprečnim TN iztoka 6,86 mg/L, kar ustreza zahtevam načrtovanja.