Применение модифицированного процесса AAO при очистке бытовых сточных вод угольных шахт
Бытовые сточные воды угольных шахт поступают в основном из столовых для персонала, общежитий, офисов, прачечных и ванных комнат, причем на долю купальных стоков приходится более 55% общего объема. Сброс воды для купания относительно концентрированный, что приводит к значительным колебаниям расхода. Купальный дренаж, характеризующийся более низкой концентрацией органических веществ и более высоким содержанием взвешенных веществ (ВВ), значительно отличается от типичных бытовых сточных вод. Ступенчатая схема сброса с другими потоками сточных вод способствует существенной изменчивости качества воды.
Большинство угольных шахт в Китае расположены в отдаленных районах, где затраты на транспортировку шлама высоки. Поэтому следует выбирать процессы очистки с более низким выходом осадка. По мере развития шахт и увеличения численности персонала поток сточных вод часто превышает первоначальную проектную мощность, что требует применения процессов с высокой адаптируемостью к изменениям качества и количества воды в пределах одного и того же объекта. В условиях все более строгой экологической политики, требующей полного повторного использования очищенных сточных вод с нулевым сбросом, процессы должны обеспечивать высокое и стабильное качество сточных вод.
В настоящее время процесс AAO (анаэробный-бескислородный-кислородный) является предпочтительным выбором при очистке городских сточных вод. В этой статье анализируется эффективность применения модифицированного процесса AAO (процесс AAO + суспендированный носитель) для бытовых сточных вод угольных шахт на основе его уникальных характеристик.
1. Модифицированный процесс AAO
Процесс ААО представляет собой простейшую схему потока для одновременного удаления азота и фосфора. Нитчатые бактерии не могут активно размножаться в чередующихся анаэробных, бескислородных и аэробных условиях, что предотвращает накопление осадка. Он не требует добавления химикатов, а только мягкое смешивание в анаэробных и бескислородных резервуарах, что приводит к низким эксплуатационным расходам. Осадок имеет высокое содержание фосфора, что делает его хорошим удобрением.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, эта внутренняя переработка потребляет значительное количество энергии. Сточные воды, поступающие во вторичный отстойник, должны поддерживать определенный уровень растворенного кислорода (РК) для предотвращения анаэробных условий и выделения фосфора, но не слишком высокий, чтобы не мешать денитрификации в бескислородном резервуаре через переработанную смешанную жидкость.
Модифицированный процесс AAO (AAO + процесс приостановления несущей) эффективно устраняет эти недостатки. Он увеличивает микробную массу в биологических резервуарах, увеличивает объемную загрузку, обеспечивает полное разделение времени гидравлического удержания (HRT) и времени удерживания ила (SRT), повышает устойчивость к гидравлическим и органическим ударным нагрузкам, обеспечивает хорошее качество сточных вод даже при использовании источников с низким содержанием углерода, производит меньше и более стабильный ил (снижая требования к производительности последующей обработки ила). Сточные воды могут соответствовать стандартам качества воды «Повторное использование городских оборотных вод-Стандарт качества городской разной воды» (GB/T 18920-2020) и «Правил проектирования технологий подготовки угля» (GB 50359-2016) для промывки угля. Хоу Фэн и др. применил процесс AAO + суспендированный носитель на подземной очистной станции, достигнув стандартов класса 1A в соответствии с «Стандартами сброса загрязняющих веществ для городских очистных сооружений» (GB 18918-2002), с ключевыми показателями (COD, BOD5, NH3-N, TP), достигающими стандартов класса IV в соответствии с «Стандартами качества окружающей среды для поверхностных вод» (GB 3838-2002). Хао Жуйган и др. использовала «Биоконтактное окисление A/O + Перфорированная вихревая флокуляция + Седиментация в наклонных трубах + Активная песчаная фильтрация» при расширении станции бытовых сточных вод угольной шахты, добившись качества сточных вод выше, чем у класса 1А. Ян Цзию и др. также добились хороших результатов, используя процессы биопленки для модернизации существующей системы очистки бытовых сточных вод угольных шахт. Модифицированный процесс AAO позволяет увеличить производительность и улучшить качество сточных вод на существующих установках с минимальными модификациями.
Этот процесс включает добавление взвешенных носителей в бескислородные и аэробные резервуары, сочетая преимущества процессов с активным илом и биопленкой. Он отличается высокой объемной загрузкой, большой биомассой, высокой эффективностью очистки, высокой адаптируемостью к механическому воздействию, повышенной стабильностью процесса и хорошим удалением питательных веществ. Он образует узкоспециализированные активные биопленки, повышая эффективность и стабильность объема реактора, что позволяет использовать реакторы меньшего размера. Ил, образующийся в виде биопленки, содержит больше простейших/многоклеточных организмов, имеет более высокую плотность и больший размер частиц, что приводит к хорошей осаждаемости и легкому отделению твердой-жидкости. Он обеспечивает полную сепарацию SRT-HRT, устраняет набухание осадка и подходит для сточных вод, богатых растворимыми органическими веществами.
2.1 Практический пример
Угольная шахта в городе Яньань, примерно в 16 км от города Цзычан, имеет установку по очистке бытовых сточных вод проектной производительностью 1200 м³/сутки. Процесс таков: «Сетка + Уравнительный резервуар + ААО со суспендированными носителями + Расширенная обработка (коагуляция-Седиментация-Фильтрация) + Дезинфекция». Осадок обрабатывается методом «гравитационного сгущения + обезвоживания шнековым прессом». Сточные воды соответствуют более строгим ограничениям *GB/T 18920-2020* и GB 50359-2016 для воды для промывки угля. Очищенная вода повторно используется для шахтных озеленений и в качестве подпиточной воды на углеобогатительной фабрике. Расчетное качество притока/сточных вод находится вТаблица 1. Ход процесса показан наРисунок 1.
Сточные воды проходят через сито (зазор 5 мм, угол установки 75 градусов) в уравнительную емкость (Д×Ш×В=14.0 м×6,0 м×6,0 м, эффективная глубина 2,95 м, объем 247,8 м³, время работы 4,13 ч), соответствующий требованиям GB 50810-2012. Два миксера предотвращают осаждение. Три погружных насоса (2 рабочих +1 резервных, Q=32.5 м³/ч, H=17 м, Н=4 кВт) подают воду в биологические резервуары.
Биологическая система состоит из двух параллельных цепочек. За поезд:
- Анаэробный резервуар: Д×Ш×В=2.0 м×5,0 м×5,0 м, эффективная глубина 4,5 м, время заживления 1,5 часа.
- Бескислородный резервуар: Д×Ш×В=4.0 м×5,0 м×5,0 м, эффективная глубина 4,25 м, время всасывания 2,83 часа.
- Аэробный резервуар: Д×Ш×В=15.0 м×5,0 м×5,0 м, эффективная глубина 4,0 м, HRT 10,0 ч. Общая продолжительность HRT системы составляет 15,75 ч. В аэробном резервуаре установлены подвесные носители (коэффициент заполнения 80%, удельная площадь 600 м²/м³). Расчетное соотношение воздуха-к-воды составляет 13,7:1. Используются три воздуходувки Рутса (2 режима работы +1 резерва, Q=6.84 м³/мин, Н=11 кВт, P=44.1 кПа). Коэффициент переработки осадка составляет 100%, коэффициент переработки смешанного щелока составляет 200%.
Два прямоугольных периферийных-вторичных отстойника с входом/выходом (Д×Ш×В=5.0 м×5,0 м×3,5 м каждый) имеют скорость поверхностной загрузки 1,2 м³/(м²·ч) и время наработки в течение 2,5 часов.
Встроенный очиститель воды (сочетающий коагуляцию, седиментацию и фильтрацию) обеспечивает расширенную очистку для дальнейшего удаления нержавеющих кислот и фосфора.
Обработка осадка включает гравитационное сгущение (резервуар из углеродистой стали диаметром 2,5 м × 5,0 м) с последующим обезвоживанием шнековым прессом. Полиакриламид (ПАМ) дозируют в количестве 3,0–5,0 кг/т сухого вещества перед обезвоживанием. Ежедневно обезвоженный осадок весом менее или равный 150 кг с содержанием влаги менее или равным 80 % вывозится за пределы-площадки.
Для дезинфекции используется генератор ClO2, установленный на объекте-(эффективная дозировка хлора 120 г/ч), дозируемый на входе в чистый колодец. Чистый колодец имеет эффективный объем 250 м³, обеспечивающий время контакта 4,2 часа.
Завод оснащен обширным онлайн-мониторингом (расходомеры, остаточный хлор, pH, DO, ХПК, мутность, уровень/концентрация осадка) и автоматизированными системами управления насосами, воздуходувками, обратной промывкой, дозированием химикатов и смешиванием, что обеспечивает интеллектуальную автоматическую работу.
2.2 Анализ производительности
Завод завершил ввод в эксплуатацию в 2021 году и проработал более двух лет. Фактическое качество притоков/стоков в 2024 году показано на рисунке.Таблица 2.
Соотношение БПК5/N на входе составляет 5,5, что указывает на низкое соотношение углерода-к-азоту (C/N) в сточных водах, которое еще больше снижается летом из-за инфильтрации осадков и изменения привычек. Экстремальные зимние температуры в Яньани могут достигать -21 градуса. Фактическое качество сточных вод лучше проектного, при этом степень удаления достигает: ХПК 97,8%, БПК5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, что соответствует стандартам по очистке угля и промывке угля.
Масса активной биопленки в бескислородных/аэробных резервуарах достигает 125 г/м² носителя, что эквивалентно MLSS 13 г/л-в четыре раза больше, чем у обычного активного ила. Микроорганизмы находятся в фазе эндогенного дыхания, в результате чего ежедневно образуется осадок, составляющий около 1/3 от обычных методов, с лучшей осаждаемостью, что позволяет использовать меньшее оборудование для обработки осадка.
Хотя био-контактное окисление может осуществляться без переработки осадка, исследования Xiong Ren et al. показывает, что системы с рециркуляцией достигают более высоких показателей удаления ХПК, TN, NH3-N, SS и снижают выход осадка на 29,6%. Эта конструкция включает рециркуляцию смешанного щелока с эксплуатационной гибкостью, основанной на качестве сточных вод.
Завод (1200 м³/день) занимает площадь 1350,3 м², капитальные вложения составляют 20 миллионов юаней, эксплуатационные расходы составляют 1,05 юаней/м³.
По сравнению с обычным AAO, который требует расширенного SRT для эффективной работы при низких-температурах, этот модифицированный процесс сохраняет простоту одновременного удаления питательных веществ, одновременно обогащая биологическое сообщество носителями. Разделение SRT-HRT повышает био-стабильность, обеспечивая надежную работу в условиях низкого C/N и низких-температур. Стабильные стоки могут поддерживаться при незначительной переработке осадка или вообще без него, что позволяет сократить количество осадка на-на месте и снизить затраты на его обработку. Его простота и отсутствие объема делают его очень подходящим для очистки бытовых сточных вод угольных шахт.
3. Исследование оптимизации процесса AAO.
Модифицированные процессы AAO обычно разрабатываются в соответствии с параметрами «Стандарта проектирования систем наружной канализации» (GB 50014-2021). Однако оптимизация эксплуатационных параметров (HRT, SRT, аэрация, коэффициенты рециркуляции, MLSS), характерных для сточных вод угольных шахт, необходима для определения оптимальных условий для будущего проектирования и эксплуатации.
При обычном AAO осадок перерабатывается из аэробного в анаэробный резервуар, содержащий нитраты и высокое содержание кислорода, что может ухудшить биологическое удаление фосфора. Можно рассмотреть процесс Кейптаунского университета (UCT), где ил перерабатывается в бескислородный резервуар, нитрифицированный щелок — в бескислородный резервуар, а для улучшения удаления био-P добавляется дополнительная рециркуляция из бескислородного резервуара в анаэробный.
Обработка осадка может составлять 50–60% эксплуатационных затрат предприятия. Необходимо внедрить технологии уменьшения образования осадка на-на месте. Высокий MLSS в модифицированных био-танках AAO приводит к высокому соотношению F/M, при котором может произойти нарушение метаболизма, что способствует уменьшению количества осадка и снижению затрат на его обработку. В будущем следует сосредоточить внимание на применении технологий сокращения in-на месте, таких как загадочный рост посредством микро-лиза, кислородного-осадочного-анаэробного процесса (OSA) и разделения метаболизма при очистке сточных вод угольных шахт.
Этот процесс подходит для модернизации существующих установок AAO на угольных шахтах. Добавление носителей в бескислородные/аэробные резервуары может улучшить качество сточных вод, увеличить производительность и повысить стабильность системы. Для заводов с более строгими требованиями к сточным водам замена вторичного осветлителя системой MBR может еще больше повысить качество воды.
4. Заключение
- Модифицированный процесс AAO подходит для модернизации существующих систем AAO на угольных шахтах для повышения стабильности, увеличения производительности или соответствия более строгим стандартам.
- При очистке бытовых сточных вод угольных шахт сточные воды могут одновременно соответствовать стандартам *GB/T 18920-2002* для полива дорог и зелени и стандартам GB 50359-2016 для воды для промывки угля, демонстрируя высокую адаптируемость к изменениям качества и количества воды.
- В результате этого процесса образуется стабильный ил с хорошей осаждаемостью и легкостью разделения, образуется меньше осадка и снижаются затраты на его обработку.