Kahden-vaiheen AO- ja kolmivaiheisen-AO-prosessin vertailu: suunnittelu Perspektiivi
Tällä hetkellä suurin osa Kiinan jätevedenpuhdistamoista (WWTP) käyttää aktiiviliete{0}}pohjaisia prosesseja jäteveden käsittelyyn. Näistä lähes puolet käyttää AO-prosessia. AO-prosessi tarjoaa etuja, kuten vakaan toiminnan ja alhaiset kustannukset. Sisäiset kierrätyssuhteet rajoittavat kuitenkin sen kokonaistypen (TN) poistotehokkuutta, joka on tyypillisesti 60–80 %. Koska typenpoistoa koskevat kansalliset vaatimukset kiristyvät, tavanomaisten yksivaiheisten AO-prosessien on usein vaikea täyttää TN-käsittelyn vaatimukset. Monivaiheiset AO-prosessit ovat näin syntyneet. Yhdistämällä kaksi tai useampi AO-vaihe sarjaan, edellisessä aerobisessa vaiheessa tuotettu nitraatti muodostaa substraatin denitrifikaatiolle seuraavassa hapettomassa vaiheessa. Tällä saavutetaan tavoite vähentää sisäistä kierrätyssuhdetta ja tehostaa TN:n kokonaispoistoa. Liialliset vaiheet voivat kuitenkin myös lisätä toiminnan monimutkaisuutta. Tämän vuoksi Kiinassa yleisimmin käytetyt kokoonpanot ovat tällä hetkellä kaksi{15}}ja kolmivaiheiset AO-prosessit. Tässä artikkelissa esitetään vertaileva analyysi kaksivaiheisista ja kolmivaiheisista AO-prosesseista, joissa käytetään Etelä-Kiinan jätevedenpuhdistamoon tapaustutkimuksena. Tavoitteena on tarjota vertailukohta teknisten reittien valinnassa vastaavissa projekteissa.
1 Hankkeen yleiskatsaus
Etelä-Kiinan jätevedenkäsittelylaitoksen pinta-ala on 8 hehtaaria. Sen alkuperäinen suunniteltu kapasiteetti oli 90 000 m³/d, ja jäteveden laadun edellytettiin täyttävän sekä A-luokan standardin "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002) että "Water Pollutant Discharge Limits" (DB:n Guangdongin provinssi) 44/26-2001) (jäljempänä "Quasi-luokka V"). Tehdas toimi täydellä kapasiteetilla. Suunnitelman mukaan laajennus oli tarpeen. Tulevissa jätevesistandardeissa, jotka perustuvat nykyiseen tilaan, piti ottaa huomioon pitkän aikavälin TN-vaatimus, joka on pienempi tai yhtä suuri kuin 10 mg/l. Kokonaisvaltaisesti kohteen todelliset olosuhteet huomioon ottaen tämän laajennuksen siviilirakentamisen mittakaavaksi asetettiin 70 000 m³/d. Laitos toimisi nopeudella 50 000 m³/d lyhyellä aikavälillä ja saavuttaisi 70 000 m³/d mittakaavan pitkällä aikavälillä, jolloin laitoksen kokonaiskäsittelykapasiteetti olisi 160 000 m³/d. Suunniteltu tulo- ja jäteveden laatu on esitetty kuvassaTaulukko 1.
Paikan rajoituksista johtuen alustavassa laajennussuunnitelmassa käytettiin prosessireittiä "Moni{0}}AO + Perifeerinen-In Perifeerinen-Out suorakulmainen sedimentaatiosäiliö + Tehokas sedimentaatiosäiliö + Kuitusuodatin{-F{-". Kaikkien pääyksiköiden rakennusrakenteet rakennettiin 70 000 m³/d mittakaavaan ja laitteet 50 000 m³/d kapasiteettiin. Biologinen säiliö käyttäisi monivaiheista AO-prosessia lähitulevaisuudessa. Pitkällä aikavälillä ripustettujen kantoaineiden lisääminen loisi hybridibiofilmi{17}}aktiivilieteprosessin, joka vastaa 40 %:n kapasiteetin laajentamistarpeeseen. Tässä suunnittelussa hydrauliset olosuhteet otettiin huomioon asteikolla 70 000 m³/d, kun taas biologinen käsittely suunniteltiin 50 000 m³/d asteikolla. Koska tämän projektin tarkoituksena oli ottaa käyttöön monivaiheinen AO-prosessi, tehtiin vertailu kaksi-- ja kolmivaiheista{27}}AO-prosessia.
2 Kahden-vaiheen ja kolmivaiheisen-vaiheen AO-prosessin vertailu
2.1 Prosessin kulku
Monivaiheisen AO-prosessin ydinperiaate on käyttää edellisessä aerobisessa vaiheessa tuotettua nitraattia denitrifikaatioon seuraavassa hapettomassa vaiheessa, mikä vähentää sisäistä kierrätyssuhdetta. Teoriassa useampi vaihe johtaa parempaan TN:n poistoon, mutta ohjauksesta tulee monimutkaisempaa. Insinöörikäytännössä kaksi-- ja kolmi-vaiheinen AO ovat vallitsevia. Niiden prosessivirrat on esitettyKuva 1. Kaksi-vaiheisen AO:n tapauksessa sisäinen kierrätys suunnitellaan tyypillisesti ensimmäisen AO-vaiheen aikana. Kolmi-vaiheen AO:ssa sisäistä kierrätystä ei yleensä käytetä. Pekingin kaksivaiheista AO-prosessia käyttävät jätevedenpuhdistamot ovat Qinghe (400 000 m³/d), Xiaohongmen (500 000 m³/d), Gao'antun (400 000 m³/d), Dingfuzhuang (200 000 m³/d), ja 0,00 m³/d (0,00 m³/d). Tämä prosessi tarjoaa etuja, kuten yksinkertaiset laitteet, alhaiset käyttö- ja ylläpitokustannukset, vahvan iskukuormituksen kestävyyden ja hyvän yhteensopivuuden muiden prosessien kanssa, mikä helpottaa tulevia päivityksiä korkeampien jätevesistandardien täyttämiseksi. Teoreettisesti kolmivaiheinen AO sarjassa voi poistaa sisäisen kierrätyslaitteiston tarpeen, mahdollistaa hiililähteiden järkevämmän allokoinnin ja vähentää investointi- ja käyttökustannuksia. Tätä prosessia sovelletaan ensisijaisesti skenaarioissa, joissa on riittävät hiililähteet ja korkeat vaatimukset typenpoistolle. Tyypillisiä tapauksia ovat Qujingin jätevedenpuhdistamo Yunnanissa (80 000 m³/d), Ninghen piirin kaupunkipuhdistamo Tianjinissa (90 000 m³/d), Zhangguizhuangin jätevedenpuhdistamo Tianjinissa (200 000 m³/d) ja Daoxianghu Reclamation Plan (80,0 m³d/d).
2.2 Prosessien vertailu
Ottaen huomioon, että tällä alueella ei ole saatavilla lisämaata tulevia päivityksiä varten ja joissakin uusissa paikallisissa hankkeissa on jo otettu käyttöön jäteveden TN-standardi, joka on pienempi tai yhtä suuri kuin 10 mg/l, prosessivertailussa otettiin huomioon biologisen säiliön jäteveden TN, jonka TN on enintään 10 mg/l, jotta voidaan ottaa huomioon mahdollisuus tiukempiin jätevesivaatimuksiin tulevaisuudessa. Muut indikaattorit noudattivat jätevesien suunnittelua. Asettelun perusteella biologisen säiliön suurin hydraulinen retentioaika (HRT) oli 18 tuntia lähiajan asteikolla 50 000 m³/d. Yhdistämällä projektin todelliset olosuhteet, BioWin-simulaatiotulokset ja ripustettuihin kantoalustaan kytkemisen helppous, suoritettiin vertailu kaksivaiheisen ja kolmivaiheisen AO-prosessin välillä.
2.2.1 BioWin-simulaatio
Aluksi asetettiin 18 tunnin hormonikorvaushoito ja sitä vähennettiin asteittain. Pienin HRT, joka saavutti jäteveden TN-vaatimuksen, oli 14 tuntia. Kahden-vaiheen AO:n sisääntulon leviämispisteet olivat anaerobinen vyöhyke, ensimmäinen-vaiheen hapeton vyöhyke ja toinen-vaiheen hapeton vyöhyke. Kolmen-vaiheen AO:n sisääntulopisteet olivat anaerobinen vyöhyke, toisen-vaiheen hapeton vyöhyke ja kolmannen-vaiheen hapeton vyöhyke.
① Tutkimus kiinteällä vaikutusten jakautumissuhteella
Asettamalla molempien sisääntulon jakautumissuhteeksi 4:3:3, simulaatioissa verrattiin kolmea kaaviota: kaksi-vaiheista AO (kierrätyssuhde 200 %), kolmi-vaiheinen AO kokonaiskierrätyssuhteella 200 % (100 % kierrätys ensimmäisessä AO-vaiheessa + 100 % kierrätys ensimmäisestä vyöhykkeestä) ja happikierrätys kolmanteen vyöhykkeeseen kolmi-vaiheinen AO, kierrätyssuhde 100 % (kierrätys vain ensimmäisessä AO-vaiheessa). Simulaatiovirrat on esitetty kohdassaKuva 2.
Taulukko 2näyttää simulaatiotulokset kiinteälle vaikutussuhteelle hormonikorvaushoidon aikana =14 h.
Taulukosta 2 voidaan nähdä, että sekä kaksi-- että kolmi{2}}-vaiheen AO:lle on suositeltavaa asettaa sisäinen kierrätys ensimmäisessä AO-vaiheessa maksimoimaan denitrifikaatio ensimmäisessä hapettomassa vyöhykkeessä hyödyntämällä raakavirtauksen hiililähdettä. Kolmannen -vaiheen AO:ssa sisäisen kierrätyksen asettaminen kolmannen vaiheen lopusta ensimmäiseen hapettomaan vyöhykkeeseen paransi hieman TN:n ja TP:n poistoa, mutta orgaanisen aineksen poistoteho heikkeni. Tämä on spekulaatio, joka johtuu lisääntyneestä kokonaisvirtauksesta biologisessa säiliössä kierrätyksen vuoksi, joka kuljetti liuennutta happea hapettomaan vyöhykkeeseen vaikuttaen hapettomaan ympäristöön. Lisäksi todellinen hormonikorvaushoito kullakin vyöhykkeellä lyheni ja siirtyminen käyttöolosuhteiden välillä kiihtyi, mikä johti tehokkuuden laskuun. Tämän Etelä-Kiinan projektin kaltaisten vaikuttavien ominaisuuksien osalta, missä TN-pitoisuus ei ole kovin korkea, kaksi-vaiheinen AO voi täyttää täysin jäteveden vaatimukset, eikä sillä ole selkeää etua kolmivaiheiselle AO:lle. Kolmivaiheinen AO saattaa olla sopivampi skenaarioihin, joissa COD ja korkea TN-virtaus.
② Tutkimus vaikutusten jakautumissuhteiden säätämisestä
Sekä kaksi-- että kolmi-vaiheinen AO asetettiin 100 %:n sisäisellä kierrätyssuhteella ensimmäisessä AO-vaiheessa. Tutkimukset suoritettiin useiden pisteiden vaikutusten jakautumissuhteista (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Tässä 1:0:0 tarkoittaa, että kaikki vaikuttajat tulevat sisään aivan edestä; 3:7:0 kolmen-vaiheen AO tarkoittaa, että sisäänvirtaus jakautuu vain anaerobiseen vyöhykkeeseen ja toiseen AO-vaiheeseen. Simulaatiotulokset säädetyille jakautumissuhteille on esitetty kohdassaTaulukko 3.
Taulukosta 3 voidaan nähdä, että jakosuhteella on lievä vaikutus jäteveden laatuun. Yleinen suuntaus on, että myöhempään vaiheeseen jaetun tuloveden osuuden kasvaessa jäteveden TN-, NH₃-N- ja TP-pitoisuudet nousevat, ja myös ilmastuksen tarve kasvaa vähitellen. Kun sisäänvirtaussuhde oli 3:7:0, kolmi-vaiheen AO osoitti hieman parempaa TN:n poistoa ja hieman alhaisempaa ilman---suhdetta kuin kahden-vaiheen AO. Todellisuudessa tämä ero on kuitenkin yleensä mitätön. Lisäksi influentin osuuden lisääminen myöhempiin vaiheisiin, vaikka se on hyödyllistä hiilen lähteen hyödyntämiselle denitrifikaatiossa, lisää väistämättä biokemiallisten reaktioiden kuormitusta NH₃-N:n, orgaanisen aineen ja TP:n syöttämisen vuoksi. Siksi on suositeltavaa säilyttää usean pisteen sisäänvirtauskokoonpano ja tehdä vaiheittaisia säätöjä todellisen veden laadun perusteella käytön aikana. On syytä huomata, että vaikka kolmi-vaiheinen AO osoitti parempaa TN-poistoa kuin kahden-vaiheen AO sisäänvirtaussuhteella 2:4:4, kun sisäänvirtaus myöhempään vaiheeseen lisääntyi, jäteveden NH₃-N osoitti nousevaa trendiä, jolloin ei enää pystynyt täyttämään standardia{{2NH3}.
③ Kahden-vaiheen ja kolmivaiheen-vaiheen AO:n hoitoteho
Kolmi-vaiheinen AO-konfiguraatio simuloitiin HRT=14 h:lla, samalla tilavuussuhteella jokaisessa vaiheessa (1:1:1), 100 %:n sisäisellä kierrätyksellä ensimmäisessä AO-vaiheessa ja syöttösuhteella 4:3:3 kahdessa tilanteessa: 100 %:n kierrätyksellä ja kierrätyksen ollessa suljettuna. Kaksi-vaiheista AO-konfiguraatiota simuloitiin HRT=14 h:lla, 100 %:n sisäisellä kierrätyssarjalla ja syöttösuhteella 4:3:3. Tulokset osoittivat, että kaksivaiheinen AO saavutti optimaalisen jäteveden TN:n arvolla 6,29 mg/l; kolmi-vaiheinen AO, jossa on 100 % sisäinen kierrätys edessä, saavutti seuraavaksi parhaan arvolla 7,51 mg/l; kolmi-vaiheen AO ilman sisäistä kierrätystä suoriutui huonommin 8,52 mg/l:lla. Kaikki kolme skenaariota voisivat täyttää jäteveden todentamisvaatimuksen (TN pienempi tai yhtä suuri kuin 10 mg/l).
Taulukko 4näyttää suunnitteluparametrien vertailun kaksi{0}}vaiheen ja kolmivaiheisen-vaiheen AO:n välillä. Voidaan nähdä, että molemmissa prosesseissa HRT, joka vaaditaan jäteveden TN-vaatimuksen saavuttamiseksi, on alle 18 tuntia. Tärkeimmät erot näiden kahden prosessin välillä ovat seuraavat:
a. Teoreettisesti, kolmivaiheisella-AO:lla on korkeampi yläraja; eli oikein käytettynä sekä investointi- että käyttökustannukset voivat olla alhaisemmat. Kaksi-vaiheisessa AO:ssa on vähemmän laitteita ja vaiheita, mikä johtaa alhaisempiin laitekustannuksiin ja pienempiin operatiivisen hallinnan vaikeuksiin.
b. Tätä nimenomaista projektia varten, koska pitkiä aikoja harkittiin ja säiliön tilavuus suunniteltiin 18- tunnin HRT:tä varten, siviiliinvestointi olisi sama riippumatta siitä, käytetäänkö kaksi-vai kolmi-vaiheista AO:ta. Kolmivaiheisen-AO:n laitekustannukset ovat korkeammat. Siksi investointien näkökulmasta kaksivaiheisen AO:n käyttöönotto on taloudellisempaa.
c. Mitä tulee käyttökustannuksiin, kolmivaiheinen AO voisi säästää noin 0,002 CNY/m³ eliminoimalla 100 %:n sekalipeän kierrätyksen energiakustannukset. Kun otetaan huomioon hiililähteen käytön tehokkuuden mahdollinen heikkeneminen todellisessa käytössä, joka johtuu vaihtelevista hapettomista ja hapettomista olosuhteista kolmessa -vaiheessa AO, todellinen ero käyttökustannuksissa olisi todennäköisesti vielä pienempi.
2.2.2 Pitkän-operaattorin keskeytysskenaarion analyysi
Tämän projektin ainutlaatuisten vaatimusten vuoksi biologisen säiliön täytyi pohtia pitkän aikavälin{0}}kapasiteetin laajennussuunnitelman toteutettavuutta ja mukavuutta, eli ripustettujen kantoaaltojen lisäämisen vaikutusta.
MBBR-prosessin ydin on lisätä biomassaa reaktorissa lisäämällä suspendoituja kantoaineita. Näitä voidaan lisätä aerobisiin, hapettomiin tai anaerobisiin tankkeihin. Kantajan leijutus huomioon ottaen niiden lisääminen anaerobisiin tai hapettomiin säiliöihin lisäisi kuitenkin merkittävästi sekoitustehovaatimuksia. Siksi aerobisten säiliöiden lisääminen on suositeltavaa. Anaerobisten/anoksisten vyöhykkeiden tilavuutta voidaan täydentää erottamalla aerobisesta vyöhykkeestä, kun taas aerobisen tilavuuden puutetta kompensoidaan lisätyillä kantoaineilla. Toisin sanoen riittämätön aerobinen tilavuus kantaa riippuvien kantoaineiden lisääntynyt pinta-ala, joka lasketaan saastekuormituksen muunnolla tarvittavan kantoainemäärän määrittämiseksi säätämällä tiettyä täyttösuhdetta lisätyn tilavuuden saamiseksi.
Laskelmien perusteella, jos kaksivaiheinen AO-prosessi otetaan käyttöön ja kaikki ripustetut kantolaitteet lisätään ensimmäiseen-vaiheen aerobiseen vyöhykkeeseen pitkällä aikavälillä, vaadittu MBBR-kantoaallon pinta-ala olisi 2 597 708 m², mikä maksaa 12,99 miljoonaa CNY. Muut liittyvät kiinteät laitekustannukset (mukaan lukien MBBR-leijujärjestelmät, erilliset sekoittimet, seulontajärjestelmät ja älykkäät ohjausjärjestelmät) olisivat 6,15 miljoonaa CNY. Jos käytät kolmi-vaiheista AO-prosessia, MBBR-vyöhyke on jaettava kahteen osaan (ensimmäisen-vaiheen ja toisen{12}}vaiheen aerobinen vyöhyke, koska vyöhykkeet ovat hajallaan). Tästä johtuen vastaavien kiinteiden MBBR-laitteiden asennuskustannukset (ilman kantajia itseään) nousisivat hieman 7,77 miljoonaan CNY:iin, kun taas kantoaallon kustannukset pysyvät ennallaan. Tämä tarkoittaa, että kolmivaiheisen AO:n käyttöönotto lisäisi tulevia jälkiasennusinvestointeja 1,62 miljoonalla CNY:lla ja lisäisi jälkiasennuksen monimutkaisuutta. Lisäksi seulontajärjestelmä on alue, jolla on eniten ongelmia kantajan lisäämisen jälkeen. Kolmi-vaiheinen AO lisää ylimääräisen osion näyttöjä, mikä lisää toiminnan vaikeutta.
Yllä olevasta vertailusta johtuen kolmi-vaiheen AO:n liiallisesta osioituksesta, jokaisella osiolla on samanlainen tilavuus, sen jälkiasennusvaikeus on korkeampi kuin kahden-vaiheen AO:n. Rakenne, toiminnan monimutkaisuus ja seulontalaitteiden lisääminen johtavat myös suurempiin investointeihin kuin kaksi-vaiheinen AO. Siksi kaksi-vaiheen AO:n ottaminen käyttöön edistää tulevaa kytkentää ripustettujen kantajien kanssa.
2.3 Vertailutulos
Yllä olevan analyysin perusteella sekä kaksi{0}}- että kolmivaiheisilla-AO-prosesseilla voidaan saavuttaa jäteveden TN-tavoite, joka on pienempi tai yhtä suuri kuin 10 mg/l. Tämän projektin -rajallisen tilan rajallisissa ehdoissa, tarve maksimoida lähes-säiliövolyymi ja pitkän-suunnitelma lisätä keskeytettyjä lentoyhtiöitä-kaksi-vaiheen AO tarjoaa etuja lähi-investointien ja laitteiden hallinnan/ylläpidon mukavuuden kannalta. Se tarjoaa myös paremman yhteensopivuuden tulevaa jälkiasennusta varten ripustettujen kannattimien kanssa, mikä vähentää kokonaisinvestointeja ja vähentää jälkiasennuksen ja käyttövaikeuksia. Siksi perusteellisen harkinnan jälkeen tälle suunnittelulle suositeltiin kaksi{12}}vaiheista AO-prosessia.
3 Toiminnallinen suorituskyky
Tämän projektin arvioitu kokonaisinvestointi on 304,5721 miljoonaa CNY ja rakennuskustannukset 243,6019 miljoonaa CNY, mikä tarkoittaa 3 480,03 CNY/m³:n yksikkörakennuskustannuksia. Hoidon hinta on 1,95 CNY/m³ ja käyttökustannukset 1,20 CNY/m³.
Tässä projektissa biologisen säiliön HRT on yhteensä 18 tuntia (sisältää: anaerobinen vyöhyke 2 h, ensimmäinen-vaiheen hapeton vyöhyke 3,5 h, ensimmäinen-vaihe aerobinen vyöhyke 7,5 h, kaasuvyöhyke 0,5 h, toinen-vaiheen anoksinen vyöhyke 2,5 h, 2 h vyöhyke, aerobinen vyöhyke 2,5 h, toinen vyöhyke 8,6 m. Säädettävä poikkipintainen vedenotto mahdollistaa sisääntulon jakautumissuhteen säätämisen 20 %:n välein tarpeen mukaan. Todellisuudessa MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) -pitoisuus biologisessa säiliössä on 3 500 - 4 000 mg/L, lietteen palautussuhde on 40 % - 100 % ja sekalipeän sisäinen kierrätyssuhde on 100 % - 200 %. Todellinen sisään- ja jäteveden laatu on esitetty kohdassaTaulukko 5, joka on periaatteessa yhdenmukainen simulointitulosten kanssa.
4 Johtopäätös
Etelä-Kiinassa sijaitsevan jätevedenpuhdistamon tapaustutkimuksena tehtiin tekninen ja taloudellinen vertailu kaksi{0}}- ja kolmivaiheisten-vaiheisten AO-prosessien välillä BioWin-simuloinnin avulla. Kaksi-vaiheinen AO, jossa on vähemmän laitteita ja vaiheita, pienemmät laitekustannukset ja alhaisemmat toiminnan hallinnan vaikeudet, sopii paremmin Etelä-Kiinan olosuhteisiin, joissa influenttinen TN ei ole kovin korkea. Kolmannen -vaiheen AO:ssa sisäisen kierrätyksen käyttöönotto kolmannen vaiheen lopusta ensimmäiseen hapettomaan vyöhykkeeseen vaikutti negatiivisesti TN:n poistotehokkuuteen, lisäsi toiminnan hallinnan vaikeuksia ja lisäsi investointikustannuksia. Suunnittelu täyttää samanaikaisesti lyhyen -ajan käsittelyvaatimukset 50 000 m³/d ja TN alle tai yhtä suuri kuin 10 mg/l, kun taas pitkän ajan -asteikko 70 000 m³/d voidaan saavuttaa kytkemällä ripustettujen kannattimien kanssa. Todelliset käyttötulokset ovat suurelta osin yhtenevät BioWin-simulaatiotulosten kanssa, jolloin keskimääräinen jäteveden TN on 6,86 mg/L, mikä täyttää suunnitteluvaatimukset.