Täiustatud lämmastiku eemaldamine reoveepuhastites: puhas biokile MBBR protsesside kavandamine ja toimivuse analüüs|Juhtumiuuring

Täiustatud lämmastiku eemaldamiseks mõeldud puhta biokile MBBR protsessi tehniline projekteerimine ja jõudlus

Hiina ökoloogilise tsivilisatsiooni ehituse laiaulatusliku edenemisega on reoveepuhastite väljalaskestandardid muutunud järjest rangemaks. A-klassi standard "Saasteainete heitestandard olmereoveepuhastusjaamades" (GB 18918-2002) nõuab TN-i, mis on väiksem või võrdne 15 mg/l, samas kui kohalikud standardid sellistes piirkondades nagu Peking ja Shandong määravad piiriks TN-i, mis on väiksem või võrdne 10 mg/l. Need kõrgendatud standardid ulatuvad kaugemale veekvaliteedi piiridest, seades heitvee stabiilsusele rangemad nõuded. Sellest tulenevalt on tungiv vajadus suurendada puhastusprotsesside lämmastiku eemaldamise võimet. Üks lähenemisviis on suurendada süsinikuallika annust olemasolevas protsessis, et parandada denitrifikatsiooni, kuid see toob kaasa kõrgeid tegevuskulusid ja süsinikdioksiidi heitkoguseid. Alternatiivina võib täiustatud lämmastiku eemaldamise rajatiste lisamine, mis sageli kasutab biokile meetodeid denitrifitseerivate bakterite tõhusaks rikastamiseks, tõhustada TN eemaldamist, vähendada vajadust väliste süsinikuallikate järele ja vähendada süsinikdioksiidi heitkoguseid. Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), mille eelisteks on tugev funktsionaalne bakterite rikastamine, väike jalajälg ning lihtne kasutamine ja hooldus, on laialdaselt kasutatud reoveepuhastite ehitamisel, laiendamisel ja uuendamisel. See suudab stabiilselt saavutada paremaid heitestandardeid kui kvaasiklassi IV pinnavee kvaliteet ning sellel on märkimisväärne potentsiaal ja eelised lämmastiku täiustatud eemaldamiseks reoveepuhastites. Selles artiklis käsitletakse juhtumiuuringuna Shandongi reoveepuhastusjaama, et analüüsida puhta biokile MBBR-protsessi konstruktsioonipõhimõtteid ja toimivust täiustatud lämmastiku eemaldamiseks, eesmärgiga pakkuda tehnilist võrdlusmaterjali tõhusaks reovee denitrifikatsiooniks.

1. Projekti ülevaade

1.1 Projekti tutvustus

Shandongi reoveepuhastusjaam ehitati kahes etapis. Esimene etapp, milles kasutati BIOLAK-i protsessi, võeti ametlikult kasutusele 2003. aasta novembris puhastusvõimsusega 40 000 m³/d. BIOLAK-i protsessi paigutus ja uuendamiseks saadaolev ala on näidatudJoonis 1. Esialgu vastas heitvee kvaliteet B-klassi standardile GB 18918-2002. Aastaks 2020 parandati süsihappegaasiallika doseerimise ja täiustatud puhastuse lisamisega heitvee kvaliteet A-klassi standardile. Aastaks 2023, pärast kolme aastat töötamist, võib heitvee üldine kvaliteet üldiselt vastata A-klassi standardile, kuid see seisis silmitsi kahe suure lämmastiku eemaldamisega seotud väljakutsega:

Suure süsinikuallika annus: Et saavutada eesmärk TN alla 15 mg/l või sellega võrdne, oli vaja märkimisväärset kogust välist süsinikuallikat. Protsessi osadel põhinevad arvutused näitasid C/N suhet koguni 5,9, samas kui AAO protsess tehase teises faasis nõudis stabiilse TN-i järgimise tagamiseks ainult C/N väärtust 4,5–5,0. Suure süsinikuallika lisamine mõjutas negatiivselt ka aeroobset nitrifikatsiooniprotsessi, suurendades hapnikuvajadust aeroobses tsoonis.

Lämmastiku eemaldamise halb stabiilsus: Kuna nitrifikatsioon ja denitrifikatsioon toimusid samas paagis erinevates nõutavates tingimustes, vajasid tööparameetrid sagedast reguleerimist vastavalt mõjutavatele muutustele. NH₃-N ja TN reguleerimine oli vastuoluline, muutes nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni vahel stabiilse tasakaalu säilitamise keeruliseks. Süsteemi löökkoormuse vastupidavus oli keskmine, mis põhjustas heitvee halva stabiilsuse.

Seetõttu oli vaja BIOLAK-i algset protsessi uuendada, mille põhieesmärk oli lahendada konflikt nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni vahel, vähendada lämmastiku eemaldamise tegevuskulusid ja parandada heitvee stabiilsust.

1.2 Uuendamise väljakutsed

Kuna BIOLAK-i protsess ei sobinud jõudluse suurendamiseks{0}}paagi muutmiseks, oli plaan tugevdada töötlemist uue täiustatud lämmastiku eemaldamise üksuse ehitamisega. Algne BIOLAK-protsess keskendus peamiselt nitrifikatsioonile, kusjuures denitrifikatsioon oli sekundaarne, samas kui uus protsess keskendus denitrifikatsioonile. Arvestades tegelikke renoveerimisvajadusi, seisis projekt silmitsi kahe suure väljakutsega: uue protsessi jaoks piiratud maa-ala ja kõrged tegevustõhususe nõuded.

Piiratud vaba maa uue protsessi jaoks: Uus ehitus tuli lõpule viia olemasolevas tehases, millel sisuliselt polnud reserveeritud maad. Ehitamine oli võimalik ainult BIOLAKi mahutitega külgneval haljasvööndil, mille vaba pindala on 400 m². See tähendas, et uue projekti jalajälg töödeldud veeühiku kohta pidi olema väiksem kui 0,01 m²/(m³·d) või sellega võrdne.

Kõrged töötõhususe nõuded: See ei olnud lihtne uuendus, vaid biokeemilise funktsionaalse tsooni edasine optimeerimine. Uus seade pidi hakkama saama lämmastiku eemaldamise koormusega 20 mg/l. Seda protsessi ei tulnud lõpule viia mitte ainult piiratud maal, vaid ka süsinikuallika annust võrreldes algse BIOLAKi denitrifikatsiooniga, tagades samal ajal stabiilse denitrifikatsiooni. Seega esitati kõrged nõudmised nii lämmastiku eemaldamise tõhususele kui ka süsinikuallika kasutamise efektiivsusele.

2. Protsesside võrdlemine ja valik

Pärast töötlemist BIOLAK protsessiga koosneb heitvesi TN peamiselt nitraatlämmastikust. Praegu kasutavad küpsed arenenud lämmastiku eemaldamise protsessid peamiselt biokile meetodeid, mida iseloomustavad mikroorganismid, mis rikastuvad tõhusalt kinnitatud olekus kandepindadel, pakkudes oluliselt kõrgemat funktsionaalsete bakterite rikastamise efektiivsust kui tavalised aktiivmudaprotsessid. Biokileprotsesse saab kandja keevkihistamise alusel jagada veel fikseeritud-kihtideks ja liikuvateks{3}}kihtideks, nagu on näidatudJoonis 2.Denitrifitseerivad filtrid, tüüpilised fikseeritud{0}}kihiga biokile protsessid, kasutavad mikroobide kasvukandjatena fikseeritud granuleeritud filtrikeskkonda. Välise süsinikuallika lisamisega võimendavad nad biokile denitrifikatsiooni ja keskkonna filtreerimist, et saavutada samaaegne NO₃ eemaldamine^--N, SS ja muud saasteained. Eelised hõlmavad stabiilset töödeldud vee kvaliteeti, sekundaarsete selgitajate vajadust ja kompaktset paigutust, mistõttu neid kasutatakse laialdaselt reoveepuhastite uuendamisel täiustatud puhastusseadmena, et tugevdada TN eemaldamist teisesest heitveest. Siiski peab tegevus keskenduma C/N mõjule täiustatud denitrifikatsioonitõhususele. Pingtangi reoveepuhastusjaama I faasi uuendamisprojektis, mille võimsus on samuti 40 000 m³/d, kasutati täiustatud puhastusprotsessina denitrifitseerivat filtrit + suure -tõhususega lahustatud õhu flotatsiooni (DAF), et tõsta heitvee TN peaaegu -IV klassi pinnaveestandarditele, saavutades umbes 50 a jalajälje. m²/(m³·d), säästes maad ja võimaldades tõhusat töötlemist, kuid C/N on koguni 18,34. Uute kohalike standardite täitmiseks heitvee TN-i osas võttis Chengdu No{11}} veekogumistehas uuendusprotsessina kasutusele suure-tihedusega settepaagi ja denitrifitseeriva süva Hainingis asuv Dingqiao reoveepuhastusjaam ei vastanud Qiantangi jõgikonnas nõutavatele A-klassi heitestandarditele. Gao Feiya jt. kasutas täiustatud TN töötlemiseks denitrifitseerivat süva{18}}filtrit, eemaldades samaaegselt SS ja TP, viies heitvee kvaliteedi peaaegu -IV klassi standarditele, kuid kõrge C/N väärtusega 15,68, mis põhjustab kõrgeid lämmastiku eemaldamise kulusid. Lisaks nõuavad filtriprotsessid regulaarset tagasipesu, kasutades tavaliselt õhu{22}}vee pesemist, mis võib mõjutada töö stabiilsust.

denitrifitseerivate filtrite ebastabiilsuse tõttu on tähelepanu pälvinud uuringud väävli{0}}põhise autotroofse denitrifikatsiooni (SAD) rakendamise kohta denitrifitseerivates filtrites. SAD kasutab NO3 vähendamiseks anaeroobsetes või anoksilistes tingimustes elektronide doonoritena elementaarset väävlit või väävliühendeid^--N kuni N₂. See pakub selliseid eeliseid nagu hea denitrifikatsioonitõhusus, orgaanilise süsiniku allika puudumine, madalad tegevuskulud ja madal muda tootmine. Song Qingyuan jt. uuris SAD-filtri lämmastiku eemaldamise mõju sekundaarsele heitveele. Pärast piloottingimuste optimeerimist püsis nitraadi eemaldamine stabiilselt üle 95%, kuid söötme tarbimismäär jõudis 20% aastas, millega kaasnes heitvee sulfaadi kontsentratsiooni suurenemine ja pH langus. SAD-i teiseste reostusriskide vältimiseks on Li Tianxin et al. valmistatud sööde väävli ja lubjakivi pulbri segu granuleerimisel. Teatud osa lubjakivi lisamine filtrikihile neutraliseeris tekkinud happesuse ja tekitas CaSO₂ sadet, alandades heitvee sulfaadi kontsentratsiooni ning lahendades tõhusalt happe tootmise ja kõrge sulfaaditaseme probleeme. Kuid lubjakivi hõivas süsteemis elektronide doonoritele mõeldud ruumi, nõrgendades täiustatud denitrifikatsioonivõimet, suurendades heitvee karedust ja suurendades tegevuskulusid. Praegused SAD-tehnoloogia uuringud on peamiselt labori- ja piloottasemel ning võrdluseks puuduvad piisavad insenerikogemused. Enne tööstusliku{13}mahu reklaamimist on vaja täiendavaid rakendusuuringuid.

MBBR on tüüpiline keevkiht-{0}}biokileprotsesside esindaja ja uus reoveepuhastustehnoloogia, millele on viimastel aastatel tähelepanu pööratud. See kasutab veelähedase tihedusega suspendeeritud kandjaid, et spetsiifiliselt rikastada mikroorganisme, moodustades biokile, et saavutada täiustatud lämmastiku eemaldamine. Keevkihi biokile protsessid väldivad ka kandja ummistumist ja tagasipesu. Praegu on puhas biokile MBBR täiustatud reoveepuhastusjaamade denitrifikatsiooniks üle 20 aasta edukas töökogemus välismaal ja seda kasutatakse Hiinas üha laiemalt. Zheng Zhijia et al. kasutas täiustatud denitrifikatsiooniks kahe-etapilist puhast biokile MBBR protsessi. C/N=4.0 juures stabiliseerus süsteemi heitvee nitraatlämmastik tasemel (1,87 ± 1,07) mg/L, keskmise TN-i eemaldamise määraga 93,3%. Teatud linna arendustsooni reoveepuhastusjaamas ehitati uus MBBR bio{15}}mahuti, mis on täiustatud denitrifikatsiooni parandamiseks tertsiaarne täiustatud puhastus. TN eemaldamise koormus puhta biokile MBBR anoksilises osas oli 1,1 g/(m²·d), parandades süsteemi denitrifikatsiooni usaldusväärsust. Gao Yanbo jt, eesmärgiga suurendada algse tehase võimsust, ehitasid uue kahe-astmelise AO puhta biokilega MBBR bio-paagi, mis saavutas stabiilse heitvee TN alla 5 mg/l ja kõrge denitrifikatsioonitõhusus. Seega näitab puhas biokile MBBR protsess suurt potentsiaali täiustatud lämmastiku eemaldamiseks reoveepuhastites, ühendades eelised nagu kõrge süsinikuallika kasutamise efektiivsus, suur töötlemiskoormus ja väike jalajälg. Kuid see seab ka seadmetele kõrgemaid nõudmisi, mis nõuavad töökindlaid seadmeid, mis toetavad protsessi stabiilset toimimist. Tavaliste täiustatud lämmastiku eemaldamise protsesside võrdlus on näidatudTabel 1.

Põhjaliku võrdluse põhjal võib öelda, et kuigi SAD-protsess ei nõua süsinikuallika lisamist, ei ole selle praegune rakendus veel küps ja sellega kaasnevad sekundaarsed reostusriskid, mistõttu seda uuendust ei kaalutud. Kuigi denitrifitseerivaid filtreid kasutatakse laialdaselt, kasutatakse neid enamasti reoveepuhastusjaamade uuendamisel, kus kavandatud sisse-/heitvee TN on sageli 15/12 mg/L, mis käsitleb suhteliselt väikest TN eemaldamise koormust. Kuna see projekt nõudis pikaajaliste ja kõrgete TN eemaldamise nõudmiste täitmist, lühendaks toimimine oluliselt filtri tagasipesutsüklit, suurendades sellega tööraskusi ja ebastabiilsust. Puhas biokile MBBR-protsess ühendab endas eelised, nagu kõrge süsiniku kasutamise tõhusus, tagasipesemise puudumine, küps pealekandmine ja sekundaarse reostuse puudumine. Võttes arvesse protsessi väljakutseid ja renoveerimisnõudeid, valiti projekti raames lõpuks uue puhta biokile MBBR bio-paagi (edaspidi MBBR paak) ehitamine esimese etapi täiustatud lämmastiku eemaldamise lahenduseks, mis on kavandatud C/N=4.5 ja mille investeeringu tasuvusaeg on 7,37 aastat.

3. Uus ehitusplaan

3.1 Protsessi voog

Reoveepuhastusprotsessi käik pärast renoveerimist on näidatud jooniselJoonis 3. Tehase sissevool läbib peensõelad, keeristerakambrid ja primaarsed settepaagid enne BIOLAKi bio-paaki sisenemist orgaanilise aine, ammoniaaklämmastiku jne eemaldamiseks. Seejärel tõstetakse see pumpade abil MBBR-mahutisse TN-i täiustatud eemaldamiseks. MBBR-paak on ette nähtud sissevoolu TN-i jaoks 35 mg/L ja heitvee TN-i jaoks, mis on väiksem või võrdne 15 mg/l. MBBR-i heitvesi juhitakse sekundaarsete pumpade abil tehase olemasolevasse täiustatud puhastussüsteemi, et eraldada tahke{7}}vedelik ja muda raisata. Lõppheide desinfitseeritakse enne suublasse laskmist. Üleliigne muda paksendatakse, veetustatakse ja veetakse{10}}kohalt ära kõrvaldamiseks.

3.2 Uus MBBR paak

MBBR-paak kasutab AO-protsessi, mis on ehitatud Lipp-paakide abil modulaarseks kokkupanekuks ja mis valmib 30 päevaga. Süsteemi kogu hüdrauliline retentsiooniaeg (HRT) on 1,43 tundi. Tankidesse lisatakse SPR-III tüüpi spetsialiseerunud aeroobsed ja anoksilised suspendeeritud kandjad, mille täituvus aeroobses tsoonis on 60% ja anoksilises tsoonis 55%. Kandurid on lamedad silindrilised, läbimõõduga 25 mm ja kõrgusega 10 mm, efektiivse eripinnaga 800 m²/m³ või sellega võrdne. Anoksiline tsoon on varustatud 4 MBBR-spetsiaalse muutuva sagedusega-segistiga (SPR keemilise võimsusega), igaüks N=5.5 kW, mis tagab kandjatele ühtlase ja piisava keevkihi. Pärast biokile küpsemist kasutatakse 2 segistit rutiinselt, ülejäänud 2 on kuum ooterežiimis. Aeroobses tsoonis kasutatakse õhutamiseks kruvipuhureid. Ühe puhuri õhuvõimsus on 14,50 m³/min, rõhk 90 kPa, N=22 kW. Paigaldatud on üks aeroobse tsooni jaoks mõeldud perforeeritud toruhajutite komplekt (SPR-tüüpi). Väikese nõutava õhutusmahu tõttu saab tavaliselt kasutada olemasolevaid I faasi puhureid, kusjuures uus puhur ja I faasi puhurid toimivad vastastikuse tagavarana. Nii aeroobses kui ka anoksilises tsoonis on paigaldatud uued materjali pealtkuulamisekraanid (SPR-tüüpi), 12 mm paksused, projekteeritud kasutusiga 30 aastat.

3.3 Uued tugirajatised

• Mõjusüsteem: BIOLAK-i bio-paagi heitvesi tõstetakse MBBR-mahutisse. 4 on paigaldatud sisselaskepumbad (2 töö-, 2 ooterežiimi), igaüks Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Süsinikuallika doseerimissüsteem: I faasi BIOLAK bio{0}}paagi heitvesi sisaldab ainult KHT-d, mida on raske kasutada. MBBR-paagi anoksilises tsoonis täiustatud denitrifikatsiooni tagamiseks kasutatakse välise süsinikuallikana naatriumatsetaati. 4 on paigaldatud doseerimispumbad (2 töö-, 2 ooterežiimi), millest igaüks on Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.