Усовершенствованное удаление азота на очистных сооружениях: проектирование процесса MBBR с использованием чистой биопленки и анализ производительности|Тематическое исследование

Инженерный дизайн и эффективность процесса MBBR с использованием чистой биопленки для улучшенного удаления азота

По мере всестороннего развития строительства экологической цивилизации в Китае стандарты сброса сточных вод на очистных сооружениях (ОСВ) становятся все более строгими. Стандарт класса А «Стандарта сброса загрязняющих веществ для городских очистных сооружений» (GB 18918-2002) требует TN менее или равного 15 мг/л, в то время как местные стандарты в таких регионах, как Пекин и Шаньдун, явно устанавливают предел TN менее или равный 10 мг/л. Эти повышенные стандарты выходят за рамки ограничений качества воды и предъявляют более строгие требования к стабильности сточных вод. Следовательно, существует острая необходимость в повышении эффективности удаления азота в процессах очистки. Один из подходов заключается в увеличении дозировки источника углерода в существующем процессе для улучшения денитрификации, но это приводит к высоким эксплуатационным затратам и увеличению выбросов углерода. В качестве альтернативы, добавление современных средств удаления азота, часто использующих методы биопленки для эффективного обогащения денитрифицирующих бактерий, может улучшить удаление TN, снизить потребность во внешних источниках углерода и снизить выбросы углерода. Биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR), обладающий преимуществами сильного функционального обогащения бактериями, небольшой занимаемой площади, а также простотой эксплуатации и обслуживания, широко применяется при строительстве, расширении и модернизации очистных сооружений. Он может стабильно достигать стандартов сброса, превышающих качество поверхностных вод квазикласса IV, и обладает значительным потенциалом и преимуществами для более эффективного удаления азота на очистных сооружениях. В этой статье в качестве примера используется очистная станция в Шаньдуне для анализа обоснования конструкции и эксплуатационных характеристик применения процесса MBBR с чистой биопленкой для расширенного удаления азота с целью предоставить техническую ссылку для эффективной денитрификации сточных вод.

1. Обзор проекта

1.1 Введение в проект

Очистные сооружения в Шаньдуне строились в два этапа. Первая очередь, использующая процесс BIOLAK, была официально введена в эксплуатацию в ноябре 2003 года с производительностью очистки 40 000 м³/сутки. Схема процесса БИОЛАК и доступная площадь для модернизации показаны на рис.Рисунок 1. Первоначально качество сточных вод соответствовало стандарту класса B GB 18918-2002. К 2020 году за счет улучшенного дозирования источников углерода и внедрения передовых методов очистки качество сточных вод было улучшено до стандарта класса А. К 2023 году, после трех лет эксплуатации, общее качество сточных вод в целом могло бы соответствовать стандарту класса А, но столкнулись с двумя серьезными проблемами, связанными с удалением азота:

Дозировка источника с высоким содержанием углерода: Для достижения целевого значения TN менее или равного 15 мг/л требовалось значительное количество внешнего источника углерода. Расчеты по участкам процесса показали соотношение C/N до 5,9, тогда как для процесса ААО на второй фазе завода требовалось только соотношение C/N 4,5–5,0 для обеспечения стабильного соответствия TN. Добавление большого количества источника углерода также отрицательно повлияло на процесс аэробной нитрификации, увеличивая потребность в кислороде в аэробной зоне.

Плохая стабильность удаления азота: Поскольку нитрификация и денитрификация происходили в одном и том же резервуаре при разных необходимых условиях, рабочие параметры требовали частой корректировки в зависимости от изменений притока. Контроль NH₃-N и TN был противоречивым, что затрудняло поддержание стабильного баланса между нитрификацией и денитрификацией. Устойчивость системы к ударным нагрузкам была средней, что приводило к плохой стабильности стоков.

Поэтому была необходима модернизация исходного процесса BIOLAK с основной целью разрешения конфликта между нитрификацией и денитрификацией, снижения эксплуатационных затрат на удаление азота и улучшения стабильности сточных вод.

1.2 Проблемы обновления

Поскольку процесс BIOLAK не подходил для модификации-в резервуаре с целью повышения производительности, планировалось усилить очистку путем строительства новой усовершенствованной установки для удаления азота. Первоначальный процесс BIOLAK был ориентирован в первую очередь на нитрификацию, а денитрификация была второстепенной, тогда как новый процесс был сосредоточен на денитрификации. Учитывая реальные потребности в реконструкции, проект столкнулся с двумя основными проблемами: ограниченность доступной земли для нового процесса и высокие требования к операционной эффективности.

Ограниченная доступная земля для нового процесса: Новое строительство должно было быть завершено на существующей территории завода, на которой практически не было зарезервированной земли. Строительство было возможно только на зеленой полосе, прилегающей к резервуарам БИОЛАК, доступной площадью 400 м². Это означало, что воздействие нового проекта на единицу очищенной воды должно было быть меньше или равно 0,01 м²/(м³·сут).

Требования высокой операционной эффективности: Это была не простая модернизация, а дальнейшая оптимизация биохимической функциональной зоны. Ожидалось, что новая установка будет справляться с нагрузкой по удалению азота в размере 20 мг/л. Этот процесс не только необходимо было выполнить на ограниченной площади, но также необходимо было снизить дозировку источника углерода по сравнению с исходной денитрификацией BIOLAK, обеспечивая при этом стабильные характеристики денитрификации. Таким образом, высокие требования предъявлялись как к эффективности удаления азота, так и к эффективности использования источников углерода.

2. Сравнение процессов и выбор

После обработки методом БИОЛАК сточные воды TN состоят в основном из нитратного азота. В настоящее время в зрелых усовершенствованных процессах удаления азота в основном используются методы биопленки, характеризующиеся эффективным обогащением микроорганизмов на поверхностях носителя в прикрепленном состоянии, что обеспечивает значительно более высокую эффективность обогащения функциональными бактериями, чем традиционные процессы с активным илом. Процессы создания биопленок можно разделить на типы с фиксированным-слоем и подвижным-слоем в зависимости от псевдоожижения носителя, как показано на рис.Рисунок 2.Денитрифицирующие фильтры, типичные процессы биопленки с фиксированным-слоем, используют фиксированный гранулированный фильтрующий материал в качестве носителей роста микроорганизмов. Добавляя внешний источник углерода, они усиливают денитрификацию биопленки и фильтрацию среды для одновременного удаления NO₃.^--N, SS и другие загрязнители. Преимущества включают стабильное качество очищенной воды, отсутствие необходимости во вторичных осветлителях и компактную компоновку, что делает их широко используемыми при модернизации очистных сооружений в качестве усовершенствованной установки очистки для усиления удаления TN из вторичных сточных вод. Однако основное внимание необходимо уделять влиянию C/N на повышенную эффективность денитрификации. В проекте модернизации первой очереди очистных сооружений в Пинтанге, также производительностью 40 000 м³/день, использовался денитрифицирующий фильтр + высокоэффективная флотация растворенным воздухом (DAF) в качестве передового процесса очистки для повышения TN сточных вод до стандартов квази-класса поверхностных вод IV, достигая площади воздействия около 0,045 м²/(м³·сут), экономя землю и обеспечивая эффективную очистку, но с C/N достигает 18,34. Чтобы соответствовать новым местным стандартам по TN сточных вод, на заводе по очистке воды №. 9 в Чэнду в качестве процесса модернизации был установлен отстойник высокой-плотности и денитрифицирующий фильтр с глубоким-слоем, с коэффициентом C/N 5,7, что позволило обеспечить улучшенную очистку в соответствии с высокими стандартами. Станция очистки сточных вод Динцяо в Хайнине не могла соответствовать стандартам сброса класса А, требуемым для бассейна реки Цяньтан. Гао Фейя и др. использовали денитрифицирующий фильтр с глубоким-слоем для усовершенствованной очистки TN, одновременно удаляя SS и TP, приближая качество сточных вод к квази-стандартам класса IV, но с высоким соотношением C/N 15,68, что приводило к высоким затратам на удаление азота. Кроме того, процессы фильтрации требуют регулярной обратной промывки, обычно с использованием очистки воздухом-водой, что может повлиять на стабильность работы.

нестабильность денитрифицирующих фильтров, исследования по применению автотрофной денитрификации на основе серы-(SAD) к денитрифицирующим фильтрам привлекли внимание. SAD использует элементарную серу или соединения серы в качестве доноров электронов в анаэробных или бескислородных условиях для снижения NO₃.^--От N до N₂. Он предлагает такие преимущества, как хорошая эффективность денитрификации, отсутствие необходимости в источнике органического углерода, низкие эксплуатационные расходы и низкое образование осадка. Сун Цинъюань и др. изучили влияние удаления азота фильтром SAD на вторичные сточные воды. После оптимизации пилотных условий удаление нитратов оставалось стабильным на уровне выше 95%, но скорость потребления среды достигла 20% в год, что сопровождалось увеличением концентрации сульфатов в сточных водах и снижением pH. Чтобы избежать рисков вторичного загрязнения от SAD, Ли Тяньсинь и др. готовят среды путем гранулирования смеси серы и известнякового порошка. Добавление определенной доли известняка в слой фильтра нейтрализовало образовавшуюся кислотность и образовало осадок CaSO₄, что снизило концентрацию сульфатов в сточных водах и эффективно решило проблемы образования кислоты и высокого уровня сульфатов. Однако известняк занимал место, предназначенное для электронодонорной среды внутри системы, ослабляя передовую способность денитрификации, увеличивая жесткость сточных вод и увеличивая эксплуатационные расходы. Текущие исследования технологии SAD проводятся в основном в лабораторных и пилотных масштабах, при этом инженерного опыта недостаточно для использования. Прежде чем продвигать технологию в промышленных-масштабах, необходимы дальнейшие прикладные исследования.

MBBR — типичный представитель биопленочных процессов с псевдоожиженным-слоем и новой технологии очистки сточных вод, которая в последние годы привлекла значительное внимание. В нем используются суспендированные носители с плотностью, близкой к воде, для специфического обогащения микроорганизмов, формирования биопленки для более эффективного удаления азота. Процессы биопленки с псевдоожиженным-слоем также позволяют избежать проблем, связанных с засорением среды и обратной промывкой. В настоящее время чистая биопленка MBBR для усовершенствованной денитрификации очистных сооружений имеет более чем 20-летний успешный опыт эксплуатации за рубежом и находит все более широкое применение в Китае. Чжэн Чжицзя и др. использовали двухэтапный процесс MBBR с использованием чистой биопленки для усовершенствованной денитрификации. При C/N=4.0 содержание нитратного азота в сточных водах системы стабилизировалось на уровне (1,87 ± 1,07) мг/л при средней степени удаления TN 93,3%. На очистных сооружениях зоны развития в одном городе был построен новый биоаккумулятор MBBR в качестве третичной усовершенствованной очистки для усиленной денитрификации. Нагрузка по удалению TN в бескислородной секции чистой биопленки MBBR составляла 1,1 г/(м²·сут), что повышало надежность системы денитрификации. Гао Янбо и др., стремясь увеличить производительность первоначальной установки, построили новый двухступенчатый-резервуар MBBR с чистой биопленкой АО-, обеспечивающий стабильное TN сточных вод ниже 5 мг/л с высокой эффективностью денитрификации. Таким образом, процесс MBBR с использованием чистой биопленки демонстрирует большой потенциал для более эффективного удаления азота на очистных сооружениях, сочетая в себе такие преимущества, как высокая эффективность использования источника углерода, высокая нагрузка на очистку и небольшая занимаемая площадь. Однако это также предъявляет более высокие требования к оборудованию, требуя надежного оборудования для обеспечения стабильной работы процесса. Сравнение распространенных современных процессов удаления азота показано на рис.Таблица 1.

Согласно всестороннему сравнению, хотя процесс SAD не требует добавления источника углерода, его нынешнее применение еще не развито и сопряжено с риском вторичного загрязнения, поэтому он не рассматривался для этой модернизации. Хотя денитрифицирующие фильтры широко используются, они в основном применяются при модернизации очистных сооружений, где расчетное TN притока/стока часто составляет 15/12 мг/л, что обеспечивает относительно небольшую нагрузку по удалению TN. Поскольку этот проект требовал удовлетворения долгосрочных-требований по удалению TN, его эксплуатация значительно сократит цикл обратной промывки фильтра, что увеличит эксплуатационные трудности и нестабильность. Процесс MBBR с использованием чистой биопленки сочетает в себе такие преимущества, как высокая эффективность использования углерода, отсутствие необходимости обратной промывки, зрелое применение и отсутствие вторичного загрязнения. Принимая во внимание технологические проблемы и требования к обновлению, проект в конечном итоге выбрал строительство нового био-резервуара MBBR из чистой биопленки (далее называемого резервуаром MBBR) в качестве усовершенствованного решения для удаления азота для первого этапа, спроектированного с учетом C/N=4.5 и запланированного периода окупаемости инвестиций в 7,37 года.

3. План нового строительства

3.1 Ход процесса

Схема процесса очистки сточных вод после реконструкции представлена ​​на рис.Рисунок 3. Сток растения проходит через тонкие сетки, вихревые песколовки и первичные отстойники, прежде чем попасть в био-танк БИОЛАК для удаления органических веществ, аммиачного азота и т. д. Затем он поднимается насосами в резервуар МББР для более глубокого удаления TN. Резервуар MBBR рассчитан на TN входящего потока 35 мг/л и TN выходящего потока менее или равного 15 мг/л. Сточные воды MBBR перекачиваются вторичными насосами на существующую установку усовершенствованной очистки для отделения твердых-жидкостей и удаления осадка. Конечные сточные воды обеззараживают перед сбросом в принимающую реку. Избыточный ил сгущается, обезвоживается и вывозится-за пределы площадки для утилизации.

3.2 Новый танк МББР

В резервуаре MBBR используется процесс АО, построенный с использованием резервуаров Lipp для модульной сборки, завершенный за 30 дней. Общее время гидравлического удержания системы (HRT) составляет 1,43 часа. Внутри резервуаров добавляются специализированные аэробные и бескислородные подвесные носители типа SPR-III с коэффициентом заполнения 60 % в аэробной зоне и 55 % в бескислородной зоне. Носители имеют сплюснутую цилиндрическую форму диаметром 25 мм и высотой 10 мм с эффективной удельной площадью поверхности не менее 800 м²/м³. Бескислородная зона оборудована 4 MBBR-специализированными-смесителями переменной-частоты (химическая мощность SPR), мощностью N=5.5 кВт каждый, обеспечивающими равномерное и достаточное псевдоожижение носителей. После созревания биопленки два миксера регулярно работают, а два других работают в режиме «горячего» резерва. В аэробной зоне для аэрации используются шнековые воздуходувки. Один воздуходувка имеет производительность по воздуху 14,50 м³/мин, давление 90 кПа, Н=22 кВт. Установлен один комплект диффузоров из перфорированных труб, предназначенных для аэробной зоны (типа SPR). Из-за небольшого требуемого объема аэрации обычно можно использовать существующие воздуходувки фазы I, а новые воздуходувки и воздуходувки фазы I служат в качестве взаимного резерва. Новые экраны улавливания материалов (типа СПР) толщиной 12 мм с расчетным сроком службы 30 лет установлены как в аэробной, так и в бескислородной зоне.

3.3 Новые вспомогательные объекты

• Система влияния: Сточные воды из био-танка БИОЛАК поднимаются в бак МББР.. 4 установлены впускные насосы (2 рабочих, 2 резервных), каждый с производительностью Q=840 м³/ч, H=65 кПа, Н=30 кВт.
• Система дозирования источника углерода: Сточные воды из биорезервуара BIOLAK Фазы I содержат только ХПК, который трудно утилизировать. Для обеспечения ускоренной денитрификации в бескислородной зоне резервуара МББР в качестве внешнего источника углерода используется ацетат натрия. 4, установлены дозирующие насосы (2 рабочих, 2 резервных), каждый мощностью Q=300 л/ч, H=200 кПа, Н=0.37 кВт.