Практический пример процесса MBBR+ACCA для модернизации и реконструкции городских очистных сооружений
На фоне бурно развивающейся экономики Китая темпы индустриализации и урбанизации значительно ускорились. Этот процесс неизбежно сопровождается ежегодным-по-годовым увеличением сброса промышленных и бытовых сточных вод, что усугубляет проблемы загрязнения воды и влияет на устойчивое экологическое цивилизованное строительство Китая. В связи с комплексной реализацией Плана действий по предотвращению и контролю загрязнения воды, более строгие требования к сбросам были введены на городских очистных сооружениях по всей стране. Местные стандарты в некоторых городах достигли квази-класса качества воды IV, а для сточных вод, сбрасываемых в чувствительные водные объекты, некоторые отдельные показатели постепенно приближаются к стандарту класса III для поверхностных вод. Однако остаточные загрязняющие вещества в городских сточных водах после биологической очистки представляют собой в основном не-биоразлагаемые органические соединения с плохой биоразлагаемостью. Опираться исключительно на традиционные технологии биологического улучшения стало недостаточно для соответствия все более строгим стандартам выбросов.
Активированный кокс обладает высокоразвитой мезопористой системой, способной адсорбировать макромолекулярные загрязнители в воде. Обладая высокой механической прочностью, стабильностью, хорошими адсорбционными характеристиками и относительно экономичной стоимостью, он широко применяется при очистке промышленных сточных вод, которые трудно поддаются биологическому разложению. В последние годы технология фильтрации с использованием активированного кокса в качестве среды также нашла определенное применение в современной очистке городских сточных вод, достигая хороших результатов в окончательном удалении загрязняющих веществ. Объединив инженерный пример из проекта модернизации станции очистки сточных вод в провинции Хэнань, автор применил процесс MBBR+ACCA (активированная циркулирующая адсорбция кокса) для модернизации очистки городских сточных вод. Показатели COD сточных вод, NH₃-N и TP соответствовали водному стандарту GB 3838-2002 класса III, что обеспечивает основу для проектов модернизации на других очистных сооружениях.
1. Базовая ситуация со станцией очистки сточных вод
Общая проектная мощность этой станции очистки сточных вод составляет 50 000 м³/сутки, включая проектную мощность первой очереди 18 000 м³/сутки и проектную мощность второй очереди 32 000 м³/сутки. В первую очередь он очищает городские бытовые сточные воды и небольшое количество промышленных сточных вод. Модернизация была завершена в 2012 году, и сточные воды стали соответствовать стандарту класса 1А Стандарта сброса загрязняющих веществ для городских очистных сооружений GB 18918-2002. Основной процесс – многоступенчатый АО + денитрификационный фильтр + отстойник высокой плотности. Ход процесса показан наРисунок 1.
В настоящее время очистные сооружения работают практически на полную мощность. Согласно текущим эксплуатационным данным, при хорошем обслуживании установки качество сточных вод может стабильно поддерживаться на уровне стандарта GB 18918-2002, класс 1A. Концентрации в сточных водах ХПК, БПК₅, NH₃-N, TN и TP находятся в пределах 21,77–42,34 мг/л, 1,82–4,15 мг/л, 0,13–1,67 мг/л, 8,86–15,74 мг/л и 0,19–0,42 мг/л соответственно.
До модернизации установка сталкивалась со следующими проблемами: 1) из-за старения и повреждения сеток в секции предварительной очистки некоторое количество мусора попадало в биологические резервуары, легко засоряя насосы и влияя на последующую очистку; 2) Нестабильное удаление ТН при низких зимних температурах и значительных колебаниях качества и количества воды; 3) Недостаточный объем биологических резервуаров Фазы I и необоснованное разделение бескислородных зон, что приводит к низкой эффективности удаления TN и высокой дозировке химикатов для последующего добавления источника углерода; 4) В оригинальной системе аэрации использовались устаревшие традиционные центробежные вентиляторы с высоким энергопотреблением; 5) Сильное засорение фильтрующих материалов в денитрификационных фильтрах, неполная обратная промывка, затруднение стабильной работы; 6) Частые отказы смесительно-перемешивающего оборудования в отстойниках повышенной-плотности; 7) Частые отказы двух существующих ленточных фильтр-прессов по обезвоживанию осадка, высокая влажность обезвоженного осадка, большой объем осадка и высокие затраты на его утилизацию; 8) Отсутствие средств контроля запаха в системах предварительной обработки и обработки осадка; 9) Устаревшая центральная система управления с ограниченной емкостью хранилища данных и потерей большинства функций дистанционного управления.
2. Проектирование качества воды
С учетом многолетних данных о качестве воды со станции с уровнем достоверности 90% и с учетом определенного запаса было определено проектное качество притока. В соответствии с требованиями к качеству окружающей среды принимающего водоема улучшенные сточные воды COD, BOD₅, NH₃-N и TP должны соответствовать водному стандарту GB 3838-2002 класса III, тогда как TN и SS будут соответствовать исходному стандарту. Расчетные характеристики притока и стока показаны на рис.Таблица 1.
3. Концепция обновления и технологический процесс
3.1 Концепция обновления
В соответствии с проектным качеством сточных вод данная модернизация устанавливает более высокие требования к ХПК, БПК₅, NH₃-N и TP. Учитывая текущий технологический процесс завода, характеристики качества воды и существующие проблемы, основное внимание уделяется более эффективному удалению ХПК, NH₃-N и TP, обеспечивая при этом стабильное удаление TN. Кроме того, ограниченное доступное пространство на существующем заводе требует полного использования потенциала существующих структур путем обновления оборудования, интенсификации процессов и реконструкции с целью эффективного удаления ХПК, NH₃-N, TN и TP. Таким образом, использование оригинальных-резервуаров АО и добавление взвешенных носителей для формирования гибридной биопленки-процесса MBBR с активным илом может эффективно улучшить стабильность обработки и устойчивость к ударным нагрузкам. Длительный возраст биопленки на носителях подходит для роста нитрификаторов и поддержания высоких концентраций нитрификаторов, что значительно повышает способность системы к нитрификации. Плотная биопленка внутри носителей имеет длительный возраст ила, в ней содержатся значительные популяции нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий, что обеспечивает одновременную нитрификацию-денитрификацию (SND) и, таким образом, усиливает удаление TN. Следовательно, процесс MBBR хорошо-подходит для модернизации этого завода.
Исходя из опыта аналогичного проекта модернизации, для обеспечения стабильного соблюдения требований по ХПК и ТП по-прежнему требуются дополнительные очистные сооружения в дополнение к существующему процессу в сочетании с MBBR. Активированный кокс, как пористый материал, демонстрирует более значительную адсорбционную эффективность по сравнению с активированным углем, эффективно удаляя ХПК, SS, TP, цвет и т. д. Кроме того, биологически активированный кокс может использовать прикрепленные микроорганизмы для разложения органических веществ, обеспечивая регенерацию мест адсорбции при адсорбции загрязняющих веществ. Этот механизм динамического равновесия обеспечивает устойчивую и стабильную работу системы. В процессе циркулирующей адсорбции активированным коксом (ACCA) в качестве среды используется активированный кокс, объединяющий фильтрацию и адсорбцию. Он использует сжатый воздух для подъема и очистки фильтрующего материала. Благодаря зонированию обратного-потока и равномерной конструкции потока он обеспечивает полный контакт между активированным коксом и сточными водами, обеспечивая максимальное улучшение качества воды и гарантируя стабильное соблюдение требований по очистке сточных вод.
Устаревшее и неисправное оборудование завода будет заменено на технологически современное, энергоэффективное-оборудование для снижения эксплуатационных расходов. В частности, сита предварительной обработки будут заменены тонкими ситами с внутренней подачей для перехвата волос и волокон и предотвращения засорения сит, удерживающих носитель MBBR.
3.2 Ход процесса
Модернизированная последовательность операций показана наРисунок 2. Для удовлетворения требований к напору была добавлена новая подъемная насосная станция. Недавно сконструированный фильтр типа V- служит блоком предварительной очистки для последующей адсорбции активированного кокса, обеспечивая стабильность системы АССА. Сырая вода проходит через сита и песколовки для удаления плавающих частиц, волос и твердых частиц перед поступлением в гибридные биологические резервуары MBBR для более эффективного удаления азота. Затем смешанная жидкость поступает во вторичные осветлители для отделения твердых частиц. Супернатант поднимается через новую насосную станцию в денитрификационные фильтры и отстойники высокой-плотности. Затем сточные воды подаются новой насосной станцией в фильтр типа V- и двухступенчатые адсорбционные резервуары активированного кокса для дальнейшей очистки, дальнейшего удаления ХПК, TP, SS, цвета и т. д. Конечные сточные воды перед сбросом дезинфицируются.
4. Расчетные параметры основных очистных сооружений
4.1 Биологические резервуары
Существующие биологические резервуары Фазы I разделены на две группы с относительно небольшим объемом резервуаров, но прочной конструкцией. Поэтому при данной модернизации, при соблюдении требований по напору, стенки резервуара были подняты на 0,5 м. После реконструкции общий эффективный объем составляет 10 800 м³, при общей продолжительности HRT 14,4 часа и HRT бескислородной зоны 6,4 часа, что увеличивает время бескислородного удерживания для улучшения удаления TN. Существующие биологические резервуары Фазы II имеют эффективный объем 19 600 м³, общую ВРТ 14,7 часов и ВРТ бескислородной зоны 6,8 часов. Этот проект включал замену систем аэрации и некоторых устаревших погружных мешалок в биологических резервуарах I и II этапов, а также установку подвесных носителей и удерживающих экранов. Носители изготавливаются из полиуретана или других высокоэффективных композитных материалов с кубическим размером 24 мм, удельной площадью поверхности 4000 м²/м³ и коэффициентом наполнения 20 %. АОР системы биологической очистки составляет 853,92 кг O₂/ч, при расходе воздуха 310,36 Нм³/мин.
4.2 Подъемная насосная станция и резервуар для сточных вод
Была построена новая подъемно-насосная станция для перекачки сточных вод из отстойников высокой-плотности в фильтр типа В- для дальнейшей очистки. В резервуаре для сточных вод хранятся сточные воды обратной промывки фильтров. Небольшие насосы используются для равномерной перекачки сточных вод обратной промывки в биологические резервуары Фазы II, чтобы избежать ударной нагрузки. Были установлены три насоса вторичного подъема (2 рабочих + 1 резервных, Q=1, 300 м³/ч, H=12 м, Н=75 кВт), с частотно-регулируемым приводом (ЧРП). Резервуар сточных вод обратной промывки оборудован 2 перекачивающими насосами (1 рабочий + 1 резервный, Q=140 м³/ч, H=7 м, Н=5.5 кВт) и одной погружной мешалкой (N=2.2 кВт) для предотвращения образования осадка.
Тип фильтра 4,3 В-
Был сконструирован новый фильтр типа V- с конструктивными размерами 36,9 м (Д) × 29,7 м (Ш) × 8,0 м (В). В нем используется однородный фильтрующий материал из кварцевого песка. Фильтр разделен на 6 ячеек, расположенных в два ряда. Выпускная труба каждой ячейки имеет электрический регулирующий клапан для поддержания постоянного уровня воды. Процесс обратной промывки можно регулировать с помощью ПЛК. Расчетная скорость фильтрации составляет 7,0 м/ч, скорость принудительной фильтрации — 8,4 м/ч, площадь одноячейковой фильтрации — 49,4 м². Интенсивность промывки воды составляет 11 м³/(м²·ч), интенсивность промывки воздуха – 55 м³/(м²·ч), интенсивность поверхностного промыва – 7 м³/(м²·ч). Продолжительность обратной промывки составляет 10 минут. Цикл обратной промывки составляет 24 часа (регулируется), промывка одной ячейки за раз. Размер кварцевого песка 1-1,6 мм с k₈₀ < 1,3. Используются литые-монолитные фильтрующие пластины.
4.4 Адсорбционные резервуары для активированного кокса
Построен новый адсорбционный резервуар активированного кокса, конструктивные размеры которого составляют 49,5 м (Д) × 30,15 м (Ш) × 11,0 м (В). В нем используется двух-конфигурация фильтрации, в общей сложности 36 ячеек, по 18 ячеек на ступень. Максимальная скорость фильтрации составляет 6,02 м³/(м²·ч), средняя – 4,63 м³/(м²·ч). Размеры одной-одиночной-ячейки первой ступени составляют Д×Ш×В=5.0 м × 5,0 м × 11,0 м, время контакта с пустым слоем (EBCT) составляет 1,4 часа. Размеры одиночной-ячейки второго-этапа составляют Д×Ш×В=5.0 м × 5,0 м × 9,5 м, с EBCT 1,08 часа. Система использует 2000 тонн активированного кокса с размером частиц 2-8 мм, оснащена мобильными коксомойками, водораспределителями, входными/выходными водосливами и т.д.
4.5 Производство активированного кокса
Построено новое здание активированного кокса для хранения активированного кокса и подачи его в адсорбционные резервуары. Габаритные размеры составляют 33,5 м (Д) × 13,0 м (Ш) × 6,5 м (В). В состав основного вспомогательного оборудования входят: 1 активный вибрационный грохот для обезвоживания кокса, 3 насоса подачи кокса (2 рабочих + 1 резервных, Q=40 м³/ч, H=25 м, Н=7.5 кВт), 2 насоса отгрузки фильтрата (1 рабочий + 1 резервный, Q=120 м3/ч, H=20 м, Н=18.5 кВт), 2 воздушных компрессора (1 рабочий + 1 резервный, Q=7.1 м³/мин, Н=37 кВт) и ресивер воздуха (В=2 м³, Р=0.8 МПа).
4.6 Пластинчатая-и-камера обезвоживания рамы
Рядом с существующей камерой обезвоживания осадка была построена новая пластинчатая-и-камера обезвоживания. Из-за нехватки места был установлен один комплект пластинчатого-и-рамного фильтр-пресса (площадь фильтра 300 м²), который служил дублером ленточного фильтр-пресса. Вспомогательное оборудование включает в себя один бак-кондиционер (полезный объем 80 м³). Количество осадка составляет 6150 кг сухого вещества/день, при этом влажность сгущенного питающего осадка составляет 97%, а влажность обезвоженного кека - 60%. В состав основного вспомогательного оборудования входят: 2 питательных насоса (1 рабочий + 1 резервный, Q=60 м³/ч, H=120 м, Н=7.5 кВт), 2 насоса напорной воды (1 рабочий + 1 резервный, Q=12 м³/ч, H=187 м, Н=11 кВт), 1 промывочный насос (Q=20 м³/ч, H=70 м, Н=7.5 кВт), 2 насоса-дозатора (1 рабочий + 1 резервный, Q=4 м³/ч, H=60 м, Н=3 кВт), 1 воздушный компрессор (Q=3.45 м³/мин, Н=22 кВт), 1 комплект ресивера воздуха (В=5 м³, P=1.0 МПа) и 1 комплект узла подготовки ПАМ (Q=2 м³/ч, Н=1.5 кВт).
4.7 Система контроля запаха
Добавлена новая биофильтрационная система контроля запаха с расчетным расходом воздуха 12 000 м³/ч. Трубы из армированного стекловолокном пластика (GRP) используются для сбора и удаления запахов из систем предварительной очистки и очистки осадка. Для герметизации оборудования предварительной обработки используются рамы из нержавеющей стали и прочные панели из поликарбоната.
4.8 Другие обновления объекта
- Заменено 2 мелкими ситами с внутренней подачей и диаметром отверстия 5 мм, со шнековыми конвейерами и баком для промывочной воды, V=10 м³ и 2 насосами для промывочной воды (1 рабочий + 1 резервный, Q=25 м³/ч, H=70 м, Н=11 кВт).
- Заменены 4 более эффективными воздуходувками с пневматической подвеской, с ЧРП (3 режима работы + 1 в режиме ожидания, Q=130 м³/мин, P=63 кПа, Н=150 кВт).
- Заменен фильтрующий материал в существующих денитрификационных фильтрах на 1800 м³ керамический материал (размер частиц 3-5 мм).
- Заменены 2 мешалки-смесители в отстойниках высокой-плотности (скорость 60-80 об/мин, Н=5.5 кВт), 4 мешалки-флокулянта (скорость 10-20 об/мин, Н=2.2 кВт) и трубчатые отстойники (260 м²).
- Ленточный фильтр-пресс заменен на ленту шириной 2 м и соответствующий воздушный компрессор, 1 комплект.
- Используя исходную центральную диспетчерскую, обновленное оборудование, приборы и наладив централизованное управление, была создана общезаводская-система передачи данных для обеспечения передачи данных между центральной диспетчерской и подстанциями, а также автоматизации управления производственным процессом.
5. Операционные показатели и технико--экономические показатели
5.1 Эксплуатационные показатели
После завершения проекта модернизации все очистные сооружения работали стабильно. Данные мониторинга качества приточных и сточных вод за 2023 год представлены на рис.Таблица 2.
Как показано, средние концентрации в сточных водах для ХПК, NH₃-N, TN, TP и SS составляли 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 и 2,63 мг/л, со средней скоростью удаления 95,16%, 99,45%, 77,31%, 94,75% и 97,38%. соответственно. ХПК сточных вод, NH₃-N и TP всегда соответствовали водному стандарту GB 3838-2002 класса III.
Модернизированный проект находится в эксплуатации уже почти два года. Результаты показывают, что процесс MBBR+ACCA стабилен, эффективен и производит сточные воды высокого-качества, демонстрируя высокую устойчивость к ударным нагрузкам и низким-температурным условиям. Даже при минимальной зимней температуре воды 9,4 градуса и значительных колебаниях качества воды качество сточных вод оставалось стабильным и соответствовало нормам сброса. До и после модернизации дозировка источника углерода не увеличилась, однако удаление TN было значительно улучшено. Это связано с тем, что, с одной стороны, нитрифицирующие микроорганизмы, прикрепленные к носителям МББР, растут и накапливаются в стабильной аэробной среде, что приводит к более полной нитрификации. С другой стороны, в модернизированных резервуарах МББР и бескислородных резервуарах нитраты дополнительно удалялись. Конечная система ACCA действует как защитная функция, дополнительно адсорбируя и удаляя неподатливые COD, TP, SS и т. д., делая качество сточных вод более стабильным. Более того, после реализации проекта завод сможет производить очищенную воду высокого-качества, закладывая основу для будущего повторного использования воды.
5.2 Технические-экономические показатели
Общий объем инвестиций в этот проект составил 86 937 600 юаней, включая затраты на строительство и монтаж в размере 74 438 500 юаней, другие расходы в размере 7 593 500 юаней, непредвиденные расходы в размере 4 101 600 юаней и первоначальный оборотный капитал в размере 804 000 юаней. После стабильной работы системы дополнительные затраты на электроэнергию для всей установки составляют 0,11 юаней/м³, стоимость активированного кокса - 0,39 юаней/м³, что приводит к общему увеличению эксплуатационных расходов примерно на 0,50 юаней/м³.
6. Заключение
- В рамках этого проекта было осуществлено обновление оборудования, интенсификация процессов и реконструкция существующей станции очистки сточных вод, а также добавлена усовершенствованная очистка, повышающая эффективность удаления ХПК, NH₃-N, TN и TP.
- После модернизации с использованием основного процесса «MBBR+ACCA» содержание COD в сточных водах, NH₃-N и TP стабильно улучшилось с класса 1A до стандарта класса III для поверхностных вод, а удаление TN было значительно улучшено.
- Практика показывает, что этот процесс работает стабильно и эффективно, устойчив к скачкам нагрузки, производит-качественные сточные воды и увеличивает эксплуатационные расходы примерно на 0,50 юаней/м³. Он может служить эталоном для проектов модернизации и инициатив по повторному использованию воды на других очистных сооружениях.