Edistyksellinen typenpoisto jätevedenpuhdistamoissa: puhdas biofilmi MBBR-prosessin suunnittelu ja suorituskyvyn analyysi|Tapaustutkimus

Puhtaan biofilmin MBBR-prosessin tekninen suunnittelu ja suorituskyky edistyksellistä typenpoistoa varten

Kiinan ekologisen sivilisaation rakentamisen kattavan edistymisen myötä jätevedenpuhdistamoiden (WWTP) päästöstandardit ovat tiukentuneet jatkuvasti. A-luokan standardi "Yhdyskuntajätevedenkäsittelylaitosten epäpuhtauksien päästöstandardi" (GB 18918-2002) vaatii TN:n enintään 15 mg/l, kun taas paikalliset standardit Pekingin ja Shandongin kaltaisilla alueilla asettavat rajaksi TN:n alle tai yhtä suureksi kuin 10 mg/l. Nämä korkeammat standardit ulottuvat pidemmälle kuin pelkät veden laaturajat ja asettavat tiukempia vaatimuksia jäteveden stabiiliudelle. Tästä johtuen on kipeä tarve parantaa käsittelyprosessien typenpoistokykyä. Yksi lähestymistapa on lisätä hiililähteen annostusta olemassa olevassa prosessissa denitrifikaation parantamiseksi, mutta tämä johtaa korkeisiin käyttökustannuksiin ja lisääntyneisiin hiilipäästöihin. Vaihtoehtoisesti kehittyneiden typenpoistolaitteiden lisääminen, joissa käytetään usein biofilmimenetelmiä denitrifioivien bakteerien tehokkaaseen rikastamiseen, voi tehostaa TN:n poistumista, vähentää ulkoisten hiililähteiden tarvetta ja vähentää hiilidioksidipäästöjä. Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) -reaktoria, jonka etuna on vahva toiminnallinen bakteeririkastus, pieni jalanjälki ja yksinkertainen käyttö ja ylläpito, on käytetty laajasti jätevedenpuhdistamojen rakentamisessa, laajentamisessa ja parantamisessa. Se voi saavuttaa vakaasti päästöstandardit, jotka ovat parempia kuin lähes luokan IV pintaveden laatu, ja sillä on merkittävää potentiaalia ja etuja edistyneessä typenpoistossa jätevedenpuhdistamoissa. Tässä artikkelissa tarkastellaan Shandongin jätevedenpuhdistuslaitosta tapaustutkimuksena, jolla analysoidaan puhtaan biokalvon MBBR-prosessin suunnittelun perusteita ja toiminnallista suorituskykyä edistyneeseen typenpoistoon. Tavoitteena on tarjota tekninen vertailukohta tehokkaalle jäteveden denitrifikaatiolle.

1. Hankkeen yleiskatsaus

1.1 Projektin esittely

Shandongin jätevedenkäsittelylaitos rakennettiin kahdessa vaiheessa. Ensimmäinen BIOLAK-prosessia hyödyntävä vaihe otettiin virallisesti käyttöön marraskuussa 2003 käsittelykapasiteetilla 40 000 m³/d. BIOLAK-prosessin asettelu ja päivitettävä alue on esitetty kohdassaKuva 1. Aluksi jäteveden laatu täytti luokan B standardin GB 18918-2002. Vuoteen 2020 mennessä tehostetun hiilenlähteen annostelun ja edistyneen käsittelyn lisäämisen ansiosta jäteveden laatu parannettiin A-luokan tasolle. Vuoteen 2023 mennessä, kolmen vuoden käytön jälkeen, jäteveden kokonaislaatu saattoi yleensä täyttää A-luokan standardit, mutta typenpoistoon liittyi kaksi suurta haastetta:

Suuri hiililähde annostus: TN-tavoitteen saavuttamiseksi alle tai yhtä suureksi kuin 15 mg/L vaadittiin huomattava määrä ulkoista hiilenlähdettä. Prosessin osuuksiin perustuvat laskelmat osoittivat C/N-suhteeksi jopa 5,9, kun taas AAO-prosessi laitoksen toisessa vaiheessa vaati vain C/N-arvon 4,5–5,0 varmistaakseen vakaan TN-yhteensopivuuden. Suuri hiililähteen lisäys vaikutti myös haitallisesti aerobiseen nitrifikaatioprosessiin, mikä lisäsi hapen tarvetta aerobisella alueella.

Typenpoiston huono stabiilisuus: Koska nitrifikaatio ja denitrifikaatio tapahtuivat samassa säiliössä erilaisissa vaadituissa olosuhteissa, toimintaparametreja tarvittiin usein säädettäväksi vaikuttavien muutosten perusteella. NH₃-N:n ja TN:n hallinta oli ristiriitaista, mikä vaikeutti vakaan tasapainon ylläpitämistä nitrifikaation ja denitrifikaation välillä. Järjestelmän iskukuormituksen kestävyys oli keskimääräinen, mikä johti huonoon jäteveden vakauteen.

Siksi alkuperäisen BIOLAK-prosessin päivittäminen oli tarpeen, ja sen ydintavoitteena oli ratkaista nitrifikaation ja denitrifikaation välinen ristiriita, vähentää typenpoiston käyttökustannuksia ja parantaa jätevesien vakautta.

1.2 Päivityshaasteet

Koska BIOLAK-prosessi ei sovellu säiliön{0}}muokkaukseen suorituskyvyn parantamiseksi, suunnitelmana oli vahvistaa käsittelyä rakentamalla uusi edistyksellinen typenpoistoyksikkö. Alkuperäinen BIOLAK-prosessi keskittyi ensisijaisesti nitrifikaatioon denitrifikaatiolla toissijaisena, kun taas uusi prosessi keskittyi denitrifikaatioon. Kun otetaan huomioon todelliset peruskorjaustarpeet, hankkeessa oli kaksi suurta haastetta: uudelle prosessille käytettävissä oleva maa-alue on rajallinen ja toiminnan tehokkuusvaatimukset ovat korkeat.

Rajoitettu maa-alue uudelle prosessille: Uusi rakentaminen oli saatava päätökseen olemassa olevalla tehdasalueella, jolla ei käytännössä ollut varattua maata. Rakentaminen oli mahdollista vain BIOLAK-säiliöiden viereiselle vihervyöhykkeelle, jonka vapaata pinta-alaa oli 400 m². Tämä tarkoitti, että uuden projektin jalanjäljen käsiteltyä vesiyksikköä kohti oli oltava pienempi tai yhtä suuri kuin 0,01 m²/(m³·d).

Korkeat toiminnan tehokkuusvaatimukset: Tämä ei ollut yksinkertainen päivitys, vaan biokemiallisen toiminnallisen alueen lisäoptimointi. Uuden yksikön odotettiin käsittelevän 20 mg/l typenpoistokuormaa. Tämä prosessi ei täytynyt suorittaa vain rajoitetulla maalla, vaan sen oli myös vähennettävä hiilen lähteen annostusta alkuperäiseen BIOLAK-denitrifikaatioon verrattuna ja samalla varmistettava vakaa denitrifikaatiokyky. Siten sekä typenpoistoteholle että hiilenlähteen hyötysuhteelle asetettiin korkeat vaatimukset.

2. Prosessien vertailu ja valinta

BIOLAK-prosessin jälkeen jätevesi TN koostuu pääosin nitraattitypestä. Tällä hetkellä kypsissä kehittyneissä typenpoistoprosesseissa hyödynnetään ensisijaisesti biofilmimenetelmiä, joille on tunnusomaista se, että mikro-organismit rikastuvat tehokkaasti kantajapinnoille kiinnittyneessä tilassa ja tarjoavat huomattavasti paremman toiminnallisen bakteeririkastustehokkuuden kuin perinteiset aktiivilieteprosessit. Biofilmiprosessit voidaan jakaa edelleen kiinteään-peti- ja liikkuvaan-petityyppeihin kantoaineen leijutuksen perusteella, kutenKuva 2.Denitrifiointisuodattimet, tyypilliset kiinteäkerroksiset{0}}biofilmiprosessit, käyttävät kiinteitä rakeista suodatinmateriaaleja mikrobien kasvun kantajina. Lisäämällä ulkoista hiilenlähdettä ne hyödyntävät biokalvon denitrifikaatiota ja väliaineiden suodatusta saavuttaakseen samanaikaisen NO3:n poistamisen.^--N, SS ja muut epäpuhtaudet. Etuja ovat vakaa puhdistetun veden laatu, toissijaisten selkeytinten tarpeeton ja kompakti layout, joten niitä käytetään laajalti jätevedenpuhdistamon päivityksissä kehittyneenä käsittelyyksikkönä TN:n poistamisen tehostamiseksi toissijaisesta jätevedestä. Toiminnassa on kuitenkin keskityttävä C/N:n vaikutukseen kehittyneeseen denitrifikaatiotehokkuuteen. Pingtangin jätevedenpuhdistamon vaiheen I päivitysprojekti, jonka kapasiteetti on myös 40 000 m³/d, käytti denitrifioivaa suodatinta + korkean -tehokkaan liuenneen ilman vaahdotinta (DAF) edistyneenä käsittelyprosessina jäteveden TN:n nostamiseksi lähes -luokan IV pintavesistandardien tasolle. m²/(m³·d), säästää maata ja mahdollistaa tehokkaan käsittelyn, mutta C/N jopa 18,34. Täyttääkseen uudet paikalliset jätevesien TN-standardit Chengdu No{11}} Water Reclamation Plant otti päivitysprosessina käyttöön korkean Hainingin Dingqiaon jätevedenpuhdistamo ei pystynyt täyttämään Qiantang-joen valuma-alueen A-luokan päästöstandardeja. Gao Feiya et ai. käytti denitrifioivaa syvä{18}}petisuodatinta edistyneeseen TN-käsittelyyn, poistaen samanaikaisesti SS:n ja TP:n, mikä nosti jäteveden laadun lähelle lähes -luokan IV standardeja, mutta korkealla C/N-arvolla 15,68, mikä johti korkeisiin typenpoistokustannuksiin. Lisäksi suodatinprosessit vaativat säännöllistä vastahuuhtelua, tyypillisesti käyttämällä ilma-vesipesua, mikä voi vaikuttaa toiminnan vakauteen.

denitrifikaatiosuodattimien epävakaus on saanut huomiota rikki{0}}pohjaisen autotrofisen denitrifikaation (SAD) soveltamisesta denitrifioiviin suodattimiin. SAD käyttää alkuainerikkiä tai rikkiyhdisteitä elektronien luovuttajina anaerobisissa tai hapettomissa olosuhteissa NO3:n pelkistämiseen^--N - N₂. Se tarjoaa etuja, kuten hyvän denitrifikaatiotehokkuuden, ei tarvetta orgaaniseen hiilen lähteeseen, alhaiset käyttökustannukset ja alhainen lietteen tuotanto. Song Qingyuan et ai. tutki SAD-suodattimen typenpoistovaikutusta sekundaariseen jäteveteen. Pilottiolosuhteiden optimoinnin jälkeen nitraatin poisto pysyi vakaana yli 95 %:ssa, mutta väliaineen kulutusaste saavutti 20 % vuodessa, minkä seurauksena jäteveden sulfaattipitoisuus kasvoi ja pH laski. Välttääkseen SAD:n aiheuttamia toissijaisia ​​saastumisriskejä Li Tianxin et al. valmistettu väliaine pelletoimalla rikin ja kalkkikivijauheen seos. Tietyn osuuden kalkkikiveä lisääminen suodatinpetiin neutraloi muodostuneen happamuuden ja tuotti CaS04-saostuman, mikä alensi jäteveden sulfaattipitoisuutta ja ratkaisi tehokkaasti hapon tuotantoon ja korkeisiin sulfaattitasoihin liittyviä ongelmia. Kalkkikivi vei kuitenkin elektroneja luovuttaville väliaineille tarkoitetun tilan järjestelmän sisällä, mikä heikensi kehittynyttä denitrifikaatiokykyä, lisäsi jäteveden kovuutta ja nosti käyttökustannuksia. Nykyinen SAD-teknologian tutkimus on ensisijaisesti laboratorio- ja pilottimittakaavassa, eikä sillä ole riittävästi insinöörikokemusta vertailua varten. Tarvitaan lisää soveltavaa tutkimusta ennen{13}teollisen mittakaavan edistämistä.

MBBR on leijupetibiofilmiprosessien tyypillinen edustaja ja uusi jätevedenkäsittelytekniikka, joka on saanut viime vuosina paljon huomiota. Se käyttää suspendoituneita kantoaineita, joiden tiheys on lähellä vettä mikro-organismien rikastamiseksi ja muodostaa biokalvon edistyneen typenpoiston saavuttamiseksi. Leijupeti-biofilmiprosessit välttävät myös materiaalin tukkeutumisen ja takaisinhuuhtelun. Tällä hetkellä puhtaalla biofilmillä MBBR edistykselliseen jätevedenpuhdistamon denitrifikaatioon on yli 20 vuoden menestyksekäs käyttökokemus ulkomailla, ja sitä käytetään yhä laajemmin Kiinassa. Zheng Zhijia et ai. käytti kaksi-vaiheista puhdasta biofilmi-MBBR-prosessia edistyneeseen denitrifikaatioon. C/N=4.0:ssa järjestelmän jäteveden nitraattityppi stabiloitui arvoon (1,87 ± 1,07) mg/L, ja TN:n keskimääräinen poistoaste oli 93,3 %. Tietyn kaupungin kehitysvyöhykkeen jätevedenpuhdistamo rakensi uuden MBBR-bio{15}}-säiliön tertiääriseksi edistykselliseksi käsittelyksi tehostaakseen denitrifikaatiota. TN-poistokuorma puhtaan biofilmin MBBR:n hapettomassa osassa oli 1,1 g/(m²·d), mikä paransi järjestelmän denitrifikaatiovarmuutta. Gao Yanbo et al. pyrkivät lisäämään alkuperäisen laitoksen kapasiteettia ja rakensivat uuden kaksivaiheisen AO puhtaan biofilmin MBBR bio-säiliön, joka saavutti vakaan jäteveden TN:n alle 5 mg/l korkealla denitrifikaatiotehokkuudella. Siten puhdas biofilmi MBBR-prosessi tarjoaa suuren potentiaalin edistyneen typenpoistoon jätevedenkäsittelylaitoksissa, ja siinä yhdistyvät edut, kuten korkea hiililähteen hyötysuhde, korkea käsittelykuormitus ja pieni jalanjälki. Se asettaa kuitenkin myös korkeampia vaatimuksia laitteille, mikä edellyttää luotettavaa laitteistoa tukemaan vakaata prosessin toimintaa. Yleisten edistyneiden typenpoistoprosessien vertailu on esitetty kohdassaTaulukko 1.

Kattavan vertailun perusteella voidaan todeta, että vaikka SAD-prosessi ei vaadi hiililähteen lisäämistä, sen nykyinen sovellus ei ole vielä kypsä ja sisältää toissijaisia ​​saastumisriskejä, joten sitä ei harkittu tässä päivityksessä. Vaikka denitrifioivia suodattimia käytetään laajalti, niitä käytetään enimmäkseen jätevedenpuhdistamon päivityksissä, joissa suunniteltu tulo-/jätevesi TN on usein 15/12 mg/L, mikä käsittelee suhteellisen pienen TN-poistokuorman. Koska tämä projekti edellytti pitkäaikaisten, korkeiden TN-poistovaatimusten täyttämistä{4}}, toiminta lyhentäisi merkittävästi suodattimen vastahuuhtelujaksoa, mikä lisäisi toimintavaikeuksia ja epävakautta. Puhdas biofilmi MBBR-prosessissa yhdistyvät edut, kuten korkea hiilen hyödyntämistehokkuus, ei tarvetta vastapesulle, kypsä sovellus ja ei toissijaista saastumista. Prosessin haasteet ja saneerausvaatimukset huomioiden hankkeessa valittiin lopulta uuden puhtaan biofilmin MBBR bio-säiliön (jäljempänä MBBR-säiliö) rakentaminen edistyneeksi typenpoistoratkaisuksi ensimmäiseen vaiheeseen, joka on suunniteltu C/N=4.5:lla ja investointien suunniteltu takaisinmaksuaika on 7,37 vuotta.

3. Uusi rakennussuunnitelma

3.1 Prosessin kulku

Jäteveden käsittelyprosessin virtaus remontin jälkeen on esitetty kuvassaKuva 3. Laitoksen tulovesi kulkee hienojen seulojen, pyörrehiekokammioiden ja primaaristen sedimentaatiosäiliöiden läpi ennen kuin se menee BIOLAKin bio-säiliöön orgaanisen aineksen, ammoniakkitypen jne. poistamiseksi. Sen jälkeen se nostetaan pumpuilla MBBR-säiliöön edistynyttä TN:n poistoa varten. MBBR-säiliö on suunniteltu tulovirtaukselle, joka on 35 mg/l, ja jätevedelle, jonka TN on pienempi tai yhtä suuri kuin 15 mg/l. MBBR-jätevesi nostetaan toisiopumpuilla laitoksen olemassa olevaan kehittyneeseen käsittelyyn kiinteiden-nesteiden erottelua ja lietteen hukkaamista varten. Lopullinen jätevesi desinfioidaan ennen laskemista vastaanottojokeen. Ylijäämäliete sakeutetaan, siitä poistetaan vesi ja se kuljetetaan pois{10}}työmaalta hävitettäväksi.

3.2 Uusi MBBR säiliö

MBBR-säiliössä käytetään AO-prosessia, joka on rakennettu Lipp-säiliöistä modulaarista kokoonpanoa varten, ja se valmistuu 30 päivässä. Järjestelmän kokonaishydraulinen retentioaika (HRT) on 1,43 tuntia. SPR-III-tyypin erikoistuneita aerobisia ja hapettomia suspendoituneita kantoaineita lisätään säiliöiden sisälle, täyttöaste on 60 % aerobisella alueella ja 55 % hapettomalla alueella. Telineet ovat litteitä lieriömäisiä, halkaisijaltaan 25 mm ja korkeudeltaan 10 mm, ja niiden tehollinen ominaispinta-ala on suurempi tai yhtä suuri kuin 800 m²/m³. Anoksinen vyöhyke on varustettu neljällä MBBR-dedikoidulla muuttuvataajuisella-sekoittimella (kemiallinen tehotyyppi SPR), N=5.5 kW kukin, jotka tarjoavat tasaisen ja riittävän fluidisaation kantoaalloille. Biofilmin kypsymisen jälkeen 2 sekoitinta käytetään rutiininomaisesti ja kaksi muuta kuumavalmiustilassa. Aerobisella alueella käytetään ruuvipuhaltimia ilmastamiseen. Yhden puhaltimen ilmateho on 14,50 m³/min, paine 90 kPa, N=22 kW. Yksi sarja aerobisille alueille tarkoitettuja rei'itettyjä putkihajottimia (SPR-tyyppiä) on asennettu. Pienen ilmastusmäärän vuoksi voidaan yleensä hyödyntää olemassa olevia I vaiheen puhaltimia, jolloin uusi puhallin ja I vaiheen puhaltimet toimivat keskinäisinä varavaroina. Sekä aerobiselle että hapettomalle alueelle asennetaan uusia materiaalin sieppausseuloja (SPR-tyyppiä), 12 mm paksuja, joiden suunniteltu käyttöikä on 30 vuotta.

3.3 Uudet tukipalvelut

• Vaikutusjärjestelmä: BIOLAK-bio--säiliön jätevesi nostetaan MBBR-säiliöön. 4 sisääntulopumput on asennettu (2 käyttö-, 2 valmiustila), kunkin Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Hiililähteen annostelujärjestelmä: Phase I BIOLAK bio{0}}säiliön jätevesi sisältää vain COD:ta, jota on vaikea hyödyntää. Edistyneen denitrifikaation varmistamiseksi MBBR-säiliön hapettomassa vyöhykkeessä natriumasetaattia käytetään ulkoisena hiilenlähteenä. 4 asennetaan annostelupumppuja (2 käyttö-, 2 valmiustilaa), kunkin Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.