Анализ эффекта модернизации процесса МББР на южной очистной станции
В «Бюллетене о состоянии городского строительства Китая на 2022 год», опубликованном Министерством жилищного строительства и городского-сельского развития Китайской Народной Республики в октябре 2023 года, показано, что к концу 2022 года мощность очистных сооружений Китая достигнет 216 миллионов м³/сут, что соответствует--годовому приросту на 4,04 %. Общий объем очищенных сточных вод имеет тенденцию роста уже 10 лет подряд, начиная с 2013 года. Быстрое развитие городов сопровождается увеличением сбросов сточных вод, и все более заметным становится противоречие между землями, необходимыми для расширения и реконструкции очистных сооружений, и землями под городскую застройку.
Для расширения мощности существующих станций очистки сточных вод в традиционном процессе с активным илом обычно используется метод расширения установки. По мере увеличения объема расширения затраты на приобретение земли постепенно растут, а период строительства продлевается. Углубление использования очистных мощностей существующих очистных сооружений в настоящее время является эффективной мерой для дальнейшего повышения производительности очистки городских сточных вод и смягчения противоречия между городским развитием и землепользованием. Биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR) был изобретен в Норвегии в конце 1980-х годов. Он усиливает обогащение функциональных бактерий и тем самым улучшает эффективность очистки системы за счет добавления в биологический резервуар суспендированных носителей для образования биопленок. Благодаря своей способности «встраиваться» в исходную биологическую систему, он широко используется при модернизации и реконструкции очистных сооружений, обеспечивая повышение производительности на месте без добавления новых земель. Кроме того, по сравнению с другими процессами-экономичной модернизации, такими как мембранный биореактор (MBR) и биологический псевдоожиженный слой с композитным порошковым носителем высокой концентрации (HPB), процесс MBBR не требует периодической замены или пополнения носителей, что делает его более экономически выгодным.
В этой статье в качестве примера рассматривается модернизация расширения мощности с использованием процесса MBBR на станции очистки сточных вод на юге Китая. В нем анализируются эксплуатационные характеристики установки до и после модернизации, показатели нитрификации зоны MBBR и структура микробного сообщества, что поясняет практическую роль процесса MBBR в расширении мощностей in-in situ. Целью является предоставление рекомендаций и предложений по проектированию и эксплуатации аналогичных очистных сооружений.
1 Обзор проекта
Завод по очистке сточных вод на юге Китая имеет общую проектную мощность очистки 7,5×10⁴ м³/сутки, производительность Фазы I — 5×10⁴ м³/сутки, а мощность Фазы II — 2,5×10⁴ м³/сутки. На обоих этапах первоначально использовался модифицированный процесс Барденфо. Основными объектами очистки являются бытовые сточные воды из зоны сбора и частичные промышленные сточные воды из промышленного парка. Качество сточных вод должно соответствовать стандарту класса А, указанному в «Стандартах сброса загрязняющих веществ для городских очистных сооружений» (GB 18918-2002). С быстрым развитием городского строительства и экономики сбросы сточных вод увеличиваются, и проект работает на полную мощность или даже превышает ее. В 2021 году по требованию государственных органов проекту необходимо было увеличить мощность еще на 2,5×10⁴ м³/сутки от первоначального масштаба, достигнув общей производительности очистки 1×10⁵ м³/сутки. Стандартом сточных вод оставался класс A согласно GB 18918-2002. Расчетное качество притока и сточных вод показано на рис.Таблица 1.
Территория вокруг этого проекта представляет собой сельскохозяйственные угодья, и на первоначальной территории завода было недостаточно зарезервированных земель для расширения. Кроме того, во время первоначального строительства Фазы II уже были построены установки предварительной очистки производительностью 5×10⁴ м³/сутки. Таким образом, целью этого проекта модернизации было полностью раскрыть потенциал очистки существующих биологических резервуаров и свести к минимуму занятие земель для модификации биологических резервуаров. Процесс MBBR широко используется при-расширении мощностей и реконструкции очистных сооружений на месте благодаря своим «встроенным» характеристикам. Например, на станции очистки сточных вод в северном Китае технология MBBR использовалась для увеличения производительности, максимально используя существующие объемы резервуаров и технологический поток, добившись 20 % увеличения производительности на месте, при этом стоки стабильно соответствуют стандартам класса А. Другой завод в Гуандуне использовал процесс MBBR для повышения эффективности биологической очистки на месте, добившись хорошего эффекта в виде 50 % увеличения производительности на месте, при этом стоки стабильно превышали стандартный уровень сброса. Таким образом, учитывая фактические потребности станции очистки сточных вод и всестороннюю оценку таких факторов, как землепользование и эксплуатация, процесс MBBR в конечном итоге был выбран в качестве процесса очистки для этой модернизации расширения мощности.
2 Проектирование процесса
2.1 Ход процесса
Сутью этой модернизации по расширению мощностей было повышение производительности биологических резервуаров на месте-с помощью MBBR, обеспечивающее стабильное соблюдение стандартов сточных вод, несмотря на 100% увеличение расхода. Поскольку первоначальные установки предварительной очистки и усовершенствованной очистки уже были построены с производительностью 5×10⁴ м³/сутки, эта модернизация была направлена на повторное использование существующих мощностей. Основной модификацией стали биологические резервуары, а также строительство нового вторичного отстойника, предназначенного для удовлетворения потребностей в очистке после увеличения расхода. Ход процесса после модернизации показан на рис.Рисунок 1. Сток проходит предварительную очистку через грубые/тонкие сита и песколовку, а затем поступает в модифицированный резервуар Барденфо-MBBR для удаления углерода, азота, фосфора и других загрязняющих веществ. Сточные воды из биологических резервуаров проходят через отстойники и высокоэффективный отстойник, что обеспечивает стабильное соответствие стандартам SS и TP. После обеззараживания конечные сточные воды сбрасываются в принимающую реку для экологического пополнения воды.
2.2 Модернизация биологических резервуаров
План модернизации биологического резервуара показан на рис.Рисунок 2. При удвоении потока обработки объемы исходной анаэробной и бескислородной зон остались неизменными.. 20 % объема исходной аэробной зоны был разделен для создания дополнительной бескислородной зоны, расширяя общий объем бескислородной зоны для удовлетворения потребностей в денитрификации. Суспендированные носители добавляли к оставшемуся объему аэробной зоны для формирования аэробной зоны MBBR. Были установлены вспомогательные системы входного/выходного грохочения и специальные смесители MBBR-. Первоначальная цепная система аэрации была заменена донной перфорированной системой аэрации, чтобы обеспечить хорошее псевдоожижение взвешенных носителей и предотвратить их потерю с потоком воды. После модернизации общее время гидравлического удержания (HRT) биологических резервуаров составляет 8,82 часа, с HRT анаэробной зоны - 1,13 часа, HRT бескислородной зоны - 3,05 часа и HRT аэробной зоны - 4,64 часа. Общий коэффициент внутренней рециркуляции системы составляет 150%, а возраст осадка составляет 16 дней.
Regarding equipment, 4 sets of submersible mixers were added to the anoxic zone (Power P = 4 kW, Impeller Diameter D = 620 mm). SPR-III type suspended carriers were added to the aerobic MBBR zone, with a diameter of (25.0 ± 0.5) mm, height of (10.0 ± 1.0) mm, effective specific surface area >800 м²/м³, плотность 0,94 ~ 0,97 г/см³. Плотность приближается к плотности воды после прикрепления биопленки, что соответствует отраслевому стандарту «Взвешенные наполнители-носители из полиэтилена высокой-плотности для очистки воды» (CJ/T 461-2014). Коэффициент заполнения составляет 45%. Были добавлены два комплекта погружных миксеров для подвесных-специальных носителей (P=5.5 кВт). Были добавлены двадцать два комплекта подъемных систем аэрации, 4 комплекта стационарных систем аэрации и 45 комплектов мелкопузырчатых аэраторов. Были заменены два внутренних рециркуляционных насоса (расход Q=1600 м³/ч, напор H=0.60 м, P=7.5 кВт).
2.3 Строительство нового вторичного отстойника
Из-за увеличения расхода существующие вторичные отстойники не могли удовлетворить потребности в сточных водах. Для поддержки возросшей мощности очистки потребовался новый вторичный отстойник. Новый резервуар аналогичен исходным и использует прямоугольный тип с горизонтальным потоком. Эффективный объем резервуара 4900 м³, при ХРТ=7 ч. Был добавлен один скребок для ила насосного типа- (рабочая скорость V=0.8 м/мин). Были добавлены шесть погружных осевых насосов (насосы внешней рециркуляции) (Q=180 м³/ч, H=4 м, P=5.5 кВт). Были добавлены два шламовых насоса (Q=105 м³/ч, H=11 м, P=7.5 кВт).
3 Анализ эффекта модернизации MBBR
Эксплуатационные характеристики до и после модернизации Фазы II, одновременная эксплуатационная производительность Фазы I и Фазы II, изменения качества воды в ходе процесса на Фазы II, а также способность к нитрификации на этапах биопленки и взвешенного ила на Фазы II были проанализированы для оценки эффекта повышения эффективности модернизации MBBR на производительность системы очистки.
3.1 Сравнение эксплуатационных характеристик
До модернизации Фаза II уже работала с расходом выше проектного, с фактическим средним расходом (3,02 ± 0,46) × 10⁴ м³/сут. После модернизации расход увеличился до (5,31 ± 0,76) × 10⁴ м³/сут, фактическое увеличение составило примерно 76%. Максимальный эксплуатационный расход достиг 7,61×10⁴ м³/сут, что в 1,52 раза превышает проектное значение. Качество притока и сточных вод до и после модернизации показано на рис.Таблица 2иРисунок 3. Что касается приточной нагрузки, после модернизации нагрузки аммиачного азота (NH₃-N), общего азота (TN), ХПК и TP увеличились в 1,61, 1,66, 1,60 и 1,53 раза по сравнению с уровнями до -модернизации соответственно. Что касается фактического качества притока/сток, приток NH₃-N и TN до/после модернизации составляли (22,15±3,73)/(20,17±4,74) мг/л и (26,28±4,07)/(23,19±3,66) мг/л соответственно. Сточные воды NH₃-N и TN до/после модернизации составляли (0,16±0,14)/(0,14±0,08) мг/л и (8,62±1,79)/(7,01±1,76) мг/л со средней скоростью удаления 99,28%/99,31% и 67,20%/69,77% соответственно. Несмотря на существенное увеличение потока и нагрузки на приточные воды после модернизации, качество сточных вод все равно было лучше, чем до модернизации. Увеличенный объем бескислородной зоны обеспечил хорошее удаление TN, при этом количество TN в сточных водах еще больше уменьшилось после модернизации. Аэробная зона достигла значительного повышения способности нитрификации за счет суспендированной биопленки-носителя. Даже при уменьшении объема аэробной зоны на 20 % по сравнению с состоянием до -модернизации и значительном увеличении потока и нагрузки на приток сохранялось высокоэффективное удаление NH₃-N. Входящий ХПК и TP до/после модернизации составляли (106,82±34,37)/(100,52±25,93) мг/л и (2,16±0,54)/(1,96±0,49) мг/л соответственно. ХПК и TP в сточных водах до/после модернизации составляли (10,76±2,04)/(11,15±3,65) мг/л и (0,14±0,07)/(0,17±0,05) мг/л со средней скоростью удаления 89,93%/93,52% и 88,91%/91,33% соответственно. После модернизации качество стоков оставалось стабильно лучше проектного норматива сброса.
Эксплуатационные данные с ноября по январь следующего года (после-модернизации) были дополнительно отобраны для сравнения производительности Фазы I и Фазы II в условиях низких-температур (минимальная температура 12 градусов). Концентрации приходящих и отходящих загрязняющих веществ для обеих фаз показаны на рис.Рисунок 4. В зимних условиях низких-температур стоки обоих процессов стабильно превышали расчетный норматив сброса. В частности, при удалении NH₃-N, который чувствителен к низким температурам, с концентрацией входящего NH₃-N (18,98±4,57) мг/л, выходящий поток фазы I NH₃-N составлял (0,27±0,17) мг/л, а поток II фазы составлял (0,29±0,15) мг/л, причем оба они демонстрируют хорошую устойчивость к низким температурам. температуры. Примечательно, что после модернизации MBBR на этапе II HRT аэробной зоны составила только 66,07% от показателя на этапе I, что привело к значительному улучшению показателей нитрификации.
3.2 Анализ производительности зоны MBBR
Для дальнейшего определения фактического эффекта каждой функциональной зоны пробы воды из конца каждой функциональной зоны в Фазе I и Фазе II были взяты для параллельного измерения. Результаты показаны вРисунок 5. Концентрации NH₃-N на входе составляли 18,85 мг/л и 18,65 мг/л, а концентрации NH₃-N на выходе составляли 0,35 мг/л и 0,21 мг/л, при этом степень удаления NH₃-N составляла 98,14% и 98,87% соответственно. Судя по изменениям профиля азота, удаление NH₃-N в фазе II преимущественно происходило в аэробной зоне МББР. Концентрация NH₃-N в стоках зоны МББР составила 0,31 мг/л, что составляет 99,46% от общего удаления NH₃-N, что уже превышает расчетный стандарт сброса. Последующая зона аэробного активного ила выполняла защитную роль. Кроме того, очистные сооружения, использующие MBBR в аэробной зоне, обычно демонстрируют одновременную нитрификацию и денитрификацию (SND). Однако в этом проекте не наблюдалось удаления общего неорганического азота (TIN) в аэробной зоне MBBR, что может быть связано с относительно низкой концентрацией поступающего субстрата в этом проекте.
Для дальнейшего исследования влияния добавления суспендированных носителей на эффективность нитрификации системы был взят супернатант из стоков бескислородной зоны Фазы I. Испытания эффективности нитрификации проводились на чистом иле фазы I, чистом иле фазы II, чистой биопленке фазы II и комбинированной биопленочной-системе ила фазы II. В условиях, соответствующих реальному проекту (коэффициент заполнения носителя, концентрация ила, температура воды), при содержании растворенного кислорода, контролируемом на уровне 6 мг/л, для определения оптимальной эффективности нитрификации. Результаты показаны вТаблица 3. Скорости нитрификации для чистого ила фазы I, чистого ила фазы II, чистой биопленки фазы II и комбинированной биопленочной системы ила фазы II составляли 0,104, 0,107, 0,158 и 0,267 кг/(м³·сут) соответственно. Добавление суспендированных носителей повысило эффективность системы нитрификации. Скорость нитрификации в комбинированной системе биопленочного ила Фазы II достигла в 2,57 раза большей, чем в системе чистого активного ила Фазы I. Более того, нагрузка чистой биопленки уже была выше, чем нагрузка активного ила, что значительно улучшало устойчивость системы к ударным нагрузкам. В комбинированной системе фазы II вклад биопленки в нитрификацию составил 59,92%, занимая доминирующее положение.
3.3 Анализ рациональности модернизации
Чтобы проанализировать рациональность использования комбинированного процесса MBBR с биопленкой-илом для этой модернизации, были выполнены расчеты относительно эффекта добавления носителя, устойчивости системы к ударной нагрузке и корреляции между увеличением потока и добавлением носителя. Если бы Фаза II этого проекта не была модернизирована и использовала традиционный процесс с активным илом, основанный на расчетном притоке/стоках NH₃-N и оптимальной объемной скорости нитрификации активного ила Фазы I (DO=6 мг/л), расчетная концентрация NH₃-N в сточных водах составила бы 5,55 мг/л, что не соответствовало бы стандарту сточных вод. Если рассчитать на основе оптимальной скорости нитрификации, полученной в ходе испытания комбинированной системы Фазы II, при расчетном расходе притока, Фаза II может выдерживать максимальную концентрацию притока NH₃-N до 55 мг/л, что в 2,20 раза превышает расчетное значение, что значительно повышает устойчивость системы к ударным нагрузкам. Таким образом, использование МББР для данной модернизации является рациональным и эффективно обеспечивает стабильное соблюдение норм по очистке сточных вод. Если бы Фаза I была также модернизирована с использованием процесса MBBR на основе расчетных концентраций приходящих/выходящих загрязняющих веществ, поток очистки мог бы быть увеличен более чем в 1 раз, предоставляя возможность станциям очистки сточных вод соответствовать быстрому развитию городов и осуществлять плавную модернизацию.
4 Статус прикрепления биопленки и микробный анализ
Крепление биопленки к подвесным носителям в этом проекте показано на рис.Рисунок 6. Биопленка равномерно покрыла внутреннюю поверхность носителей, будучи плотной, без хлопьевидного материала в порах носителя. Средняя толщина составила (345,78 ± 74,82) мкм. Средняя биомасса биопленки составляла (18,87 ± 0,93) г/м², соотношение летучих взвешенных веществ (VSS)/SS было стабильным на уровне 0,68 ± 0,02, а среднее значение VSS составляло (12,77 ± 0,61) г/м².
Для дальнейшего изучения влияния модернизации MBBR на производительность системы очистки с микроскопической точки зрения были взяты образцы активного ила фазы I, активного ила фазы II и биопленки для высокопроизводительного секвенирования 16S-ампликона. Относительная численность микроорганизмов на уровне рода в системе показана на рис.Рисунок 7.
Доминирующими нитрифицирующими родами в биопленке суспендированного носителя были Nitrospira и Nitrosomonas с относительной численностью 7,98% и 1,01% соответственно. Напротив, доминирующим нитрифицирующим родом в активированном иле как фазы I, так и фазы II был Nitrospira с относительной численностью 1,05% и 1,27% соответственно. Nitrospira — наиболее распространенный нитрифицирующий род на очистных сооружениях. Было доказано, что многие из его видов обладают способностью к полному окислению аммиака (comammox), что означает, что один микроорганизм может завершить процесс превращения аммиака в нитрат. Процесс MBBR в форме биопленки позволил добиться эффективного обогащения Nitrospira, относительное содержание которого в 7,58 раз выше, чем в активном иле, что обеспечивает микроскопическую основу для повышения эффективности системы нитрификации. Также можно отметить, что относительная численность нитрифицирующих бактерий в активном иле из той же системы, что и биопленка (Фаза II), была немного выше, чем в системе чистого активного ила Фазы I. Это может быть связано с тем, что отделение биопленки от суспендированных носителей инокулировало активный ил во время динамического обновления, увеличивая относительное количество нитрифицирующих бактерий в иле.
Доминирующие денитрифицирующие роды в обеих системах в основном были обогащены активным илом и были относительно схожи по составу, включая Terrimonas, Flavobacterium, Dechromonas, Hyphomicrobium и др. Относительная численность денитрифицирующих родов в I и II фазах составляла 8,76% и 7,52% соответственно. С функциональной точки зрения, помимо денитрификации, некоторые виды Terrimonas могут разлагать антрацен-подобные вещества; Флавобактерии могут разлагать биоразлагаемые пластмассы (например, ПГБВ); Hyphomicrobium может использовать для денитрификации различные токсичные и трудно-разлагаемые-органические соединения, такие как дихлорметан, диметилсульфид, метанол и т. д. Сточные воды этого проекта содержат некоторое количество промышленных сточных вод, что приводит к специализации функциональных микробных сообществ в условиях длительной-акклиматизации. Хотя этот проект не продемонстрировал значительных макроскопических эффектов SND, некоторые денитрифицирующие функциональные группы все же были обнаружены в биопленке суспендированного носителя, включая Hyphomicrobium, Dechromonas, Terrimonas и OLB13, с общей долей 2,78%. Это указывает на то, что после достижения биопленкой определенной толщины образующаяся внутри нее бескислородная/анаэробная микросреда может создавать условия для обогащения денитрифицирующих бактерий, а также открывает возможность возникновения СНД в аэробной зоне МББР. Кроме того, Proteiniclasticum был обнаружен в иле как фазы I, так и фазы II, с относительной численностью 1,09% и 1,18% соответственно. Этот род обладает хорошей способностью к разложению и преобразованию белковых веществ. Его обогащение может быть связано с наличием многочисленных предприятий по производству молочной продукции в зоне сбора этого проекта.
Примечательно, что относительная численность Candidatus Microthrix в активированном иле фазы I достигла 3,72%. Это обычная нитчатая бактерия в активном иле, часто связанная с набуханием ила. Однако его относительное содержание в иле и биопленке фазы II составляло всего 0,57% и 1,03% соответственно. После модернизации процесса MBBR псевдоожижение суспендированных носителей оказывает сдвиговое воздействие на нитчатые бактерии, снижая вероятность нитевидного набухания в активном иле.
5 Экономический анализ
Потребление электроэнергии на кубический метр до и после модернизации составило 0,227 кВтч/м³ и 0,242 кВтч/м³ соответственно. При цене на электроэнергию 0,66 юаней/(кВтч) эксплуатационные затраты на электроэнергию составили 0,150 юаней/м³ и 0,160 юаней/м³. Увеличение потребления электроэнергии произошло в основном за счет новой бескислородной зоны смешения и дополнительного электрооборудования нового вторичного отстойника. Химическими веществами для удаления фосфора, используемыми в этом проекте, являются хлорид железа (ПФУ) и полиакриламид (ПАМ). Дозировка оставалась неизменной до и после модернизации: дозировка ПФУ 2,21 т/день, стоимость 0,014 юаней/м³; Дозировка ПАМ 17,081 кг/день, стоимость 0,0028 юаней/м³. Этот проект полностью использует источник углерода в неочищенных сточных водах для денитрификации. Никакой внешний источник органического углерода не добавлялся ни до, ни после модернизации. Прямые затраты на электроэнергию и химикаты на кубический метр до и после модернизации составляли 0,167 юаней/м³ и 0,177 юаней/м³ соответственно.
6 Выводы и перспективы
(1) На втором этапе строительства южной станции очистки сточных вод использовался процесс MBBR для модернизации мощностей с целью решения таких проблем, как нехватка земли. После модернизации расход очистки увеличился с (3,02±0,46) ×10⁴ м³/сут до (5,31±0,76) ×10⁴ м³/сут, достигнув 76% увеличения производительности на-пласте. Максимальный эксплуатационный расход превысил проектное значение в 1,52 раза, при этом стоки стабильно превышали расчетный норматив.
(2) Путем внедрения процесса MBBR на биологическую стадию было достигнуто высокоэффективное и стабильное удаление NH₃-N в зимних условиях низкой-температуры, даже несмотря на то, что аэробная HRT составляла только 66,07% от таковой в процессе с активным илом. Зона МББР способствовала удалению NH₃-N 99,46%. Если бы Фаза II не была модернизирована, при том же расходе и качестве воды уровень сточных вод NH₃-N достиг бы 5,55 мг/л. Поэтому использование МББР для данной модернизации было необходимым и рациональным.
(3) Биопленка во взвешенном состоянии усиливала эффект обогащения ядра нитрифицирующего рода Nitrospira. Его относительное содержание в биопленке было в 7,58 раз больше, чем в активном иле, что обеспечивает микроскопическую основу для улучшения характеристик системы нитрификации. Кроме того, обогащение денитрифицирующих родов в биопленке открывает возможность возникновения SND.
В этом проекте использовался комбинированный процесс биопленочного-отстоя для достижения-увеличения производительности на месте. Однако фактическая эксплуатация по-прежнему ограничена удержанием и извлечением активного ила, что препятствует дальнейшему повышению производительности очистки. В настоящее время в реальных проектах применяются процессы создания чистой биопленки, полностью отказывающиеся от активного ила и использующие высокие-нагрузочные характеристики биопленки для эффективного удаления загрязняющих веществ, не ограниченные ограничениями, связанными с активным илом. Это обеспечивает новое решение для нового строительства, реконструкции или расширения очистных сооружений.