Uporaba postopka BIOLAK pri nadgradnji čistilne naprave na kvazi-standarde razreda IV
Postopek BIOLAK, ki je bil predstavljen na Kitajskem v zgodnjem 21. stoletju, je dobil široko uporabo pri čiščenju komunalne odpadne vode zaradi svoje preproste strukture in nizkih investicijskih stroškov. V zadnjih letih se s poostritvijo standardov praznjenja in vse večjo avtomatizacijo večina obstoječih naprav BIOLAK sooča s posodobitvami. Za izboljšanje odstranjevanja dušika in fosforja so uvedene izboljšave, kot so dodajanje visečih nosilcev, naknadno opremljanje rezervoarjev in redefiniranje funkcionalnih con. Medtem ko novozgrajene naprave pretežno uporabljajo postopke A²/O in oksidacijski jarek, je le malo poročil o dejanski učinkovitosti BIOLAK-a, zlasti pod strogimi emisijskimi standardi. Postopek BIOLAK uporablja nihajoče prezračevalne verige za ustvarjanje časovnih anoksičnih in aerobnih con, ki v bistvu delujejo kot več-stopenjski A/O proces. Z optimizacijo delovanja lahko kakovost odplak stabilno ustreza kvazi-standardu površinske vode razreda IV.
1 Ozadje projekta
Čistilna naprava v provinci Hebei uporablja postopek BIOLAK kot svojo temeljno tehnologijo. Dotok se giblje od 18.000 do 22.000 m³/d, v povprečju 19.000 m³/d, pri čemer čisti predvsem mestne gospodinjske odplake in majhno količino odpadne vode kmetijske predelave. Načrtovane dotočne in odpadne kakovosti so prikazane vTabela 1. Prvotni standard izpusta je bil standard razreda A *"Standard izpusta onesnaževal za komunalne čistilne naprave" (GB 18918-2002)*. Po nadgradnji, ki je vključevala razdelitev anaerobne cone za izboljšanje denitrifikacije in defosforizacije, je obrat zdaj v skladu z mejami ključnih nadzornih območij *"Standardov za izpust onesnaževal v vodo za porečje reke Daqing" (DB13/2795-2018)*. Razen skupnega dušika vsi drugi indikatorji izpolnjujejo standarde razreda IV, navedene v *"Okoljskih standardih kakovosti za površinsko vodo" (GB 3838-2002)*. Potek procesa je prikazan vSlika 1.
Za dezinfekcijo obrat uporablja natrijev hipoklorit. Blato se z visoko{1}}tlačno ploščo in filtracijo okvirja odstrani do vsebnosti vlage pod 60 %, preden se odpelje v so-predelavo v cementne peči.
Prispevek vsake čistilne enote k odstranitvi onesnaževal je bil izračunan na podlagi masne bilance s posebnimi metodami, navedenimi v literaturi.
2 Ukrepi za optimizacijo nadzora delovanja
Med delovanjem je bilo izvedenih več optimizacijskih ukrepov za izboljšanje stabilnosti iztoka ter doseganje prihrankov energije in stroškov.
2.1 Izboljšan nadzor raztopljenega kisika (DO).
Obstoječi projekti nadgradnje BIOLAK pogosto opažajo njegovo šibko coniranje kot več-stopenjsko A/O različico, kar vodi do nizke učinkovitosti denitrifikacije. V tem projektu je bil ob zagotavljanju skladnosti dušika iz amonijaka v iztoku najvišji DO na koncu območja prezračevanja ohranjen pri 0,5–1,0 mg/L, kar je nižje od običajnih zahtev za nadzor DO.
2.2 Povečano spremljanje procesnih podatkov
Za usmerjanje nadzora DO in odmerjanja zunanjega vira ogljika sta bila na koncu anaerobne cone in rezervoarja BIOLAK nadzorovana nitratni dušik in dušik iz amonijaka, da se določijo optimalna območja nadzora. Med delovanjem je bilo doziranje zunanjega vira ogljika zmanjšano ali ustavljeno, ko je bil nitratni dušik na koncu anaerobne cone<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Določanje ciljev notranjega nadzora odplak
Da bi zagotovili stabilno skladnost, so bili cilji notranjega nadzora določeni na 30 %–80 % mejnih vrednosti izpustov, ki temeljijo na težavnosti nadzora posameznega onesnaževala. Preseganje teh notranjih omejitev je sprožilo takojšnjo prilagoditev procesnih parametrov, da se koncentracije iztoka vrnejo v sprejemljivo območje. Letni cilji notranjega nadzora za KPK, dušik v amonijaku, skupni dušik in skupni fosfor so bili 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L oziroma 0,12 mg/L.
2.4 Vzdrževanje ustrezne koncentracije blata
Poraba blata je bila prilagojena glede na pretok, obremenitev in sezono. Zadrževalni čas blata (SRT) je bil vzdrževan pri 15–25 dneh, koncentracija suspendiranih trdnih snovi v mešani tekočini (MLSS) pa pri 2500–4500 mg/L. Natančneje, MLSS je bil nadzorovan pri 2.500–3.500 mg/L poleti in jeseni, z obremenitvijo blata približno 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d) in pri 3.500–4.500 mg/L pozimi in spomladi, z obremenitvijo blata približno 0,04 kgCOD/(kgMLSS·d).
2.5 Prilagoditev delovanja enot za napredno zdravljenje
Nizke temperature pozimi so vplivale na flokulacijo in sedimentacijo. Nepravočasno povratno izpiranje filtrov tipa V- bi lahko povzročilo povišano količino suspendiranih trdnih snovi v odplakah in KPK. Zato je bila med zimskim obratovanjem pogostnost povratnega izpiranja povečana glede na učinkovitost koagulacije, izpust blata iz koagulacijske-sedimentacijske posode pa je bil povečan, da se zmanjša koncentracija suspendiranih trdnih snovi v odpadnih vodah.
3 Učinkovitost zdravljenja
Letna dotočna KPK je bila od 109 do 248 mg/L, v povprečju 176 mg/L. KPK v iztoku je znašala od 9,5 do 20,1 mg/L, v povprečju 12,1 mg/L. Ko je KPK v iztoku presegla cilj notranjega nadzora (15 mg/L), se je pogostnost povratnega izpiranja filtra povečala, da se zmanjšajo suspendirane trdne snovi. Za boljšo učinkovitost koagulacije je priporočljivo nadgraditi koagulacijsko-sedimentacijsko posodo na visoko{11}}gostotno ali magnetno koagulacijsko-sedimentacijsko posodo.
Letni dotok amonijevega dušika je bil od 17,8 do 54,9 mg/L, v povprečju 31,9 mg/L. Amonijakov dušik v iztoku je bil od 0,12 do 1,30 mg/L, v povprečju 0,5 mg/L. Ko je presegel cilj notranjega nadzora, je bilo prezračevanje prilagojeno optimizacijskim ukrepom. Kakovost odplak je vse leto stabilno dosegala meje ključnih nadzornih območij *DB13/2795-2018*.
Zaradi nizke koncentracije vplivnega vira ogljika je bil poudarek na optimizaciji procesnih pogojev za izboljšanje odstranjevanja dušika in fosforja, s ciljem prihranka energije in stroškov.
3.1 Optimizacija nadzora DO in popolna odstranitev dušika
Letni vtočni skupni dušik (TN) je bil od 20,3 do 55,6 mg/L (glejSlika 2), v povprečju 42,1 mg/l. TN v iztoku se je gibal od 2,5 do 14,2 mg/L, v povprečju 8,8 mg/L, znotraj cilja notranje kontrole (12 mg/L). Povprečna stopnja odstranitve TN je bila 79,1 %. Z razmerjem recikliranja blata 90 % (brez notranjega recikliranja mešane tekočine) je bila teoretična učinkovitost denitrifikacije 47,4 %, kar kaže, da je do denitrifikacije prišlo tudi v drugih procesnih conah zunaj anaerobnega selektorja. Spremembe dušika vzdolž niza obdelave v tipičnem ciklu so prikazane vSlika 3.
V tipičnem ciklu je bil vtočni TN 42,0 mg/L, vsota amoniaka in nitratnega dušika pa 35,2 mg/L. Po anaerobnem selektorju je bila TN 16,7 mg/L, kar je povzročilo 43,5-odstotno stopnjo odstranitve prek masne bilance, kar je skladno s teoretično vrednostjo. Rezervoar BIOLAK je prispeval 24,0 % odstranitve TN. Iztočni TN se je dodatno zmanjšal v sekundarnem sedimentacijskem rezervoarju, kar je prispevalo k dodatni 11,3-odstotni odstranitvi, predvsem zaradi njegovega dolgega hidravličnega zadrževalnega časa (8,6 ure), ki omogoča denitrifikacijo, ki jo-poganja endogeni vir ogljika. Druge enote so prispevale 1,9 % odvzema. Končni iztok TN je bil 8,1 mg/L, s skupno stopnjo odstranitve 80,7 %.
Delovne izkušnje kažejo, da je nadzor DO ključnega pomena za odstranitev TN v procesu BIOLAK. Pri običajnih postopkih se DO običajno meri na koncu aerobnega območja v kanalski strukturi, kjer je DO razmeroma enakomeren po prečnem-prerezu. Vendar pa je v rezervoarju BIOLAK konec prezračevalne cone širok skoraj 70 metrov, pri čemer se DO povečuje od roba pobočja proti sredini in se razlikuje za 0,5–1,0 mg/L. Zato lokacija sond DO zahteva posebno pozornost.
S strogim nadzorom najvišjega DO na koncu prezračevalne cone BIOLAK je bilo učinkovito zagotovljeno anoksično okolje, potrebno za denitrifikacijo. Dosežena je bila sočasna nitrifikacija in denitrifikacija (SND) z uporabo endogenih virov ogljika, kar je povzročilo učinkovito odstranitev TN.
3.2 Popolna odstranitev fosforja in optimizacija delovanja
Letni vstopni skupni fosfor (TP) je bil od 1,47 do 4,80 mg/L (glejSlika 4), v povprečju 2,99 mg/l. TP iztoka je bil od 0,04 do 0,17 mg/L. Odmerjanje sredstva za odstranjevanje fosforja je bilo prilagojeno glede na cilj notranje kontrole (0,12 mg/L). Povprečna koncentracija TP v iztoku je bila 0,07 mg/L, kar je stabilno ustrezalo standardu izpusta, s povprečno stopnjo odstranitve TP 98,3 %.
Spremembe fosfata vzdolž niza zdravljenja v tipičnem ciklu so prikazane vSlika 5.
Dotočni fosfat je bil 2,70 mg/L, fosfat v povratnem blatu pa 0,58 mg/L, zaradi česar je teoretični fosfat, ki vstopa v anaerobni selektor, 1,70 mg/L. Po anaerobnem sproščanju fosforja s polifosfat-akumulacijskimi organizmi (PAO) je koncentracija fosfata dosegla 3,2 mg/L. Razmerje koncentracije fosfata (največja v anaerobnem območju/vtočno) je bilo 1,9, kar kaže na znatno sproščanje. Glavni razlog je bila učinkovita denitrifikacija v pogojih nizkega DO, kar je povzročilo nizko koncentracijo nitratov v povratnem blatu v anaerobno cono, ohranjanje dobrega anaerobnega okolja (ORP na splošno pod -200 mV) in spodbujanje sproščanja fosforja.
Po območju prezračevanja BIOLAK je prišlo do znatnega privzema fosforja, kar je zmanjšalo koncentracijo fosfata na koncu na 0,3 mg/L, kar je doseglo učinkovitost biološkega odstranjevanja fosforja 88,9 %. Po sedimentacijskih in stabilizacijskih rezervoarjih se je koncentracija fosfata povečala na 0,64 mg/L. Analiza kaže, da je bilo to posledica dolgega HRT v usedalniku in strogo nadzorovanega DO v usedalniku, ki ustvarja anaerobne pogoje v usedalniku in povzroča sekundarno sproščanje fosforja. Po kemičnem odmerjanju v koagulacijski enoti se je iztočni fosfat zmanjšal na 0,06 mg/L. Zato je ob upoštevanju ekonomskih stroškov in kompleksnosti delovanja žrtvovanje nekaj učinkovitosti biološkega odstranjevanja fosforja za izboljšanje denitrifikacije izvedljiva strategija optimizacije za podobne obrate.
4 Operativni stroški
Neposredni operativni stroški vključujejo elektriko, kemikalije in odstranjevanje blata. Na podlagi letne statistike je bila specifična poraba električne energije 0,66 kWh/m³. S ceno električne energije 0,65 CNY/kWh (na podlagi sestavljenih stopenj konice/izven-konice) so bili stroški električne energije 0,429 CNY/m³. Ta poraba je glede na "Standard ocenjevanja kakovosti delovanja komunalnih čistilnih naprav" na višji strani, predvsem zaradi nekoliko nižje učinkovitosti izrabe kisika prezračevalnega sistema. Stroški kemikalij, vključno z natrijevim acetatom, sredstvom za odstranjevanje fosforja, PAM, natrijevim hipokloritom in kemikalijami za odstranjevanje vode, so skupaj znašali 0,151 CNY/m³. Posebna uporaba in stroški so prikazani vTabela 2.
Blato izvira predvsem iz bioloških in kemičnih (koagulacijski rezervoar) virov. Visoko{1}}tlačna plošča in okvirna filtracija se uporabljata z apnom in železovim kloridom kot sredstvom za kondicioniranje. Doziranje apna je približno 25 % teže suhega blata. Odvodnjena pogača ima 60 % vsebnost vlage. Dnevna proizvodnja odvodnjenega blata je približno 9 ton, s specifičnim izkoristkom suhega blata približno 0,15 %. Prevoz blata stane 250 CNY/tono, kar povzroči strošek odstranjevanja blata približno 0,118 CNY/m³. Zato je skupni neposredni proizvodni strošek 0,698 CNY/m³.
5 Sklepi
① Čistilna naprava v provinci Hebei, ki je uporabljala postopek BIOLAK za čiščenje komunalne odpadne vode, je neprekinjeno delovala eno leto, pri čemer je kakovost odpadne vode stabilno dosegala ključne omejitve nadzornega območja *DB13/2795-2018* (kvazi-razred IV standard površinske vode).
② Kot različica več-stopenjskega postopka A/O je nadzor največjega DO na koncu prezračevalne cone BIOLAK pri 0,5–1,0 mg/L povzročil stopnjo odstranitve TN 24,0 % v coni BIOLAK in 11,3 % v usedalniku. S tem sta dosegli hkratno nitrifikacijo-denitrifikacijo in denitrifikacijo endogenega vira ogljika, kar dokazuje pomembno sposobnost odstranjevanja dušika.
③ Neposredni operativni stroški za postopek BIOLAK so bili 0,698 CNY/m³. Ukrepi za optimizacijo delovanja, vključno s spremljanjem procesnih podatkov in določanjem razumnih ciljev notranjega nadzora, lahko zagotovijo reference za optimizacijo delovanja in doseganje prihrankov energije/stroškov v podobnih čistilnih napravah.