Сравнение двух-этапных и трех-этапных процессов АО: инженерное решение Перспектива
В настоящее время на большинстве станций очистки сточных вод (СОС) в Китае применяются процессы очистки сточных вод, основанные на использовании-активированного ила. Среди них почти половина использует бескислородный-оксидный (АО) процесс. АО-процесс предлагает такие преимущества, как стабильная работа и низкая стоимость. Однако общая эффективность удаления азота (TN), обычно составляющая от 60% до 80%, ограничена внутренними коэффициентами рециркуляции. В условиях все более строгих национальных требований к удалению азота традиционные одностадийные процессы АО часто с трудом удовлетворяют требованиям очистки TN. Таким образом, возникли многоэтапные процессы АО. При последовательном соединении двух или более стадий АО нитрат, образующийся на предыдущей аэробной стадии, обеспечивает субстрат для денитрификации на последующей бескислородной стадии. Это позволяет достичь цели снижения коэффициента внутренней переработки при одновременном повышении общего удаления TN. Однако чрезмерное количество этапов также может увеличить сложность эксплуатации. Следовательно, наиболее часто применяемыми конфигурациями в Китае в настоящее время являются двух- и трех-этапные процессы АО. В этом документе представлен сравнительный анализ двух-этапных и трех-этапных процессов АО с использованием очистных сооружений в Южном Китае в качестве примера, целью которого является предоставление справочной информации для выбора технических маршрутов в аналогичных проектах.
1 Обзор проекта
СОСВ в Южном Китае занимает общую площадь 8 гектаров. Его первоначальная проектная производительность составляла 90 000 м³/сутки, при этом качество сточных вод должно было соответствовать как стандарту класса А «Стандарта сброса загрязняющих веществ для муниципальных очистных сооружений» (GB 18918-2002), так и «Пределам сброса загрязняющих веществ в воду» провинции Гуандун (DB 44/26-2001) (далее именуемый как «Квази-класс V»). Завод работал на полную мощность. Согласно соответствующему планированию, требовалось расширение. Будущие стандарты сточных вод, основанные на текущем состоянии, должны учитывать долгосрочную потребность в TN менее или равном 10 мг/л. С учетом реальных условий объекта масштаб гражданского строительства для этого расширения был установлен на уровне 70 000 м³/сутки. В ближайшем будущем установка будет работать с производительностью 50 000 м³/сут, а в долгосрочной перспективе достигнет уровня 70 000 м³/сут, в результате чего общая производительность установки достигнет 160 000 м³/сут. Расчетное качество приходящей и сточной воды показано на рис.Таблица 1.
Из-за ограничений на объекте в предварительном плане расширения был принят технологический маршрут «Много-этапный АО + периферийный-внутри периферийный-внешний прямоугольный отстойник + высокоэффективный отстойник + волокнистая пластина-и-рамный фильтр». Строительные конструкции всех основных энергоблоков были построены на производительность 70 000 м³/сутки, а оборудование установлено на производительность 50 000 м³/сутки. В ближайшем будущем в биологическом резервуаре будет использоваться многоэтапный АО-процесс. В долгосрочной перспективе добавление суспендированных носителей приведет к созданию гибридного процесса с использованием биопленки-активированного ила, что позволит удовлетворить потребность в расширении мощностей на 40 %. В этом проекте гидравлические условия рассматривались для масштаба 70 000 м³/сутки, а биологическая очистка проектировалась для масштаба 50 000 м³/сутки. Поскольку в этом проекте предполагалось внедрить много-процесс АО, было проведено сравнение между двух-этапным и трех-этапным АО.
2 Сравнение двух-этапных и трёх-этапных процессов АО
2.1 Ход процесса
Основной принцип многоэтапного процесса АО заключается в использовании нитратов, полученных на предыдущей аэробной стадии, для денитрификации на последующей бескислородной стадии, тем самым снижая коэффициент внутренней рециркуляции. Теоретически, чем больше стадий, тем лучше удаляется TN, но контроль становится более сложным. В инженерной практике преобладают двух- и трёх- ступенчатые АО. Их технологические потоки показаны наРисунок 1. Для двух-этапного АО внутренняя рециркуляция обычно разрабатывается в рамках первого этапа АО. Для трех-этапного АО внутренняя рециркуляция обычно не используется. КОС в Пекине, использующие двухэтапный процесс АО, включают Цинхэ (400 000 м³/сут), Сяохунмэнь (500 000 м³/сут), Гаоаньтунь (400 000 м³/сут), Динфучжуан (200 000 м³/сут) и Хуайфан (600 000 м³/сут). Этот процесс предлагает такие преимущества, как простое оборудование, низкие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание, высокую устойчивость к ударным нагрузкам и высокую совместимость с другими процессами, что облегчает будущую модернизацию для соответствия более высоким стандартам очистки сточных вод. Теоретически, трехступенчатый последовательный АО может устранить необходимость во внутреннем рециркуляционном оборудовании, обеспечить более рациональное распределение источников углерода и снизить инвестиционные и эксплуатационные затраты. Этот процесс в первую очередь применяется в сценариях с достаточным количеством источников углерода и высокими требованиями к удалению азота. Типичные случаи включают очистные сооружения Цюйцзин в Юньнани (80 000 м³/сутки), городские очистные сооружения района Нинхэ в Тяньцзине (90 000 м³/сутки), очистные сооружения Чжангуйчжуан в Тяньцзине (200 000 м³/сутки) и рекультивационную установку Даосянху в Пекине (80 000 м³/сутки).
2.2 Сравнение процессов
Учитывая, что на этом объекте нет дополнительной земли для будущей модернизации и что в некоторых новых местных проектах уже применяется стандарт TN сточных вод менее или равный 10 мг/л, при сравнении процессов рассматривалось значение TN сточных вод биологического резервуара менее или равное 10 мг/л, чтобы учесть возможность дальнейших жестких требований к сточным водам в будущем. Остальные показатели соответствовали проектному качеству сточных вод. Исходя из схемы, для ближайшего-масштаба 50 000 м³/сут максимальное время гидравлического удержания (HRT) для биологического резервуара составило 18 часов. С учетом реальных условий проекта, результатов моделирования BioWin и удобства соединения с подвешенными носителями было проведено сравнение двух- и трех-этапных процессов АО.
2.2.1 Моделирование BioWin
Была установлена первоначальная продолжительность ЗГТ в размере 18 часов, которая постепенно уменьшалась. Минимальное время HRT, необходимое для достижения требуемого TN в сточных водах, составляло 14 часов. Для двух-стадий АО точками распределения притока были анаэробная зона, первая-бескислородная зона и вторая-бескислородная зона. Для трех-стадий АО точками влияния были анаэробная зона, вторая-бескислородная зона и третья-бескислородная зона.
① Исследование с фиксированным коэффициентом распределения притока
Установив для обеих коэффициент распределения притока 4:3:3, моделирование сравнило три схемы: двух-этапный АО (коэффициент рециркуляции 200 %), трех-этапный АО с общим коэффициентом рециркуляции 200 % (100 % рециркуляция на первом этапе АО + 100 % рециркуляции из третьей кислородной зоны в первую бескислородную зону) и трех-ступенчатый АО с коэффициентом рециркуляции 100% (переработка только в пределах первой ступени АО). Потоки моделирования показаны наРисунок 2.
Таблица 2показаны результаты моделирования для фиксированного коэффициента притока при HRT=14 ч.
Из Таблицы 2 видно, что как для двух-этапных, так и для трех-этапных АО рекомендуется установить внутреннюю рециркуляцию на первой стадии АО, чтобы максимизировать денитрификацию в первой бескислородной зоне за счет использования источника углерода в исходном потоке. Для трех-этапной АО настройка внутренней рециркуляции от конца третьей стадии до первой бескислородной зоны немного улучшила удаление TN и TP, но эффективность удаления органических веществ снизилась. Это предположение объясняется увеличением общего потока в биологическом резервуаре из-за рециркуляции, в результате которой растворенный кислород переносился в бескислородную зону, влияя на бескислородную среду. Кроме того, фактическая HRT в каждой зоне сократилась, а переход между эксплуатационными условиями ускорился, что привело к снижению эффективности. Для характеристик притока, подобных характеристикам этого проекта в Южном Китае, где концентрация TN не очень высока, двух-ступенчатый АО может полностью удовлетворить требования к сточным водам, не показывая явного преимущества для трех-ступенчатого АО. Для сценариев с высоким уровнем ХПК и высоким влиянием TN трехэтапный АО может оказаться более подходящим.
② Исследование по корректировке коэффициентов распределения притоков
И двух-, и трех-ступенчатых АО были настроены со 100 % коэффициентом внутренней рециркуляции на первой ступени АО. Исследования проводились по многоточечным коэффициентам распределения притоков (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Здесь 1:0:0 означает, что все входящие потоки входят в самом начале; 3:7:0 для трех-стадий АО означает, что приток распространяется только в анаэробную зону и вторую стадию АО. Результаты моделирования для скорректированных коэффициентов распределения показаны на рисунке.Таблица 3.
Из таблицы 3 видно, что коэффициент распределения оказывает незначительное влияние на качество сточных вод. Общая тенденция такова, что по мере увеличения доли притока, распределяемого на более поздние стадии, концентрации TN, NH₃-N и TP в сточных водах растут, а потребность в аэрации также постепенно увеличивается. Когда соотношение притока составляло 3:7:0, трех-ступенчатая АО показала несколько лучшее удаление TN и несколько более низкое соотношение воздуха-к-воды, чем двух-ступенчатая АО. Однако в реальной эксплуатации эта разница, как правило, незначительна. Более того, увеличение доли притока на более поздние стадии, хотя и полезно для использования источника углерода при денитрификации, неизбежно увеличивает нагрузку на биохимические реакции из-за поступления NH₃-N, органического вещества и ТФ. Поэтому рекомендуется сохранить многоточечную конфигурацию притока и вносить поэтапные корректировки в зависимости от фактического качества воды во время эксплуатации. Стоит отметить, что хотя трехэтапная - AO показала лучшее удаление TN, чем двух- ступенчатая AO при соотношении притоков 2:4:4, по мере увеличения притока к более поздним стадиям, сточные воды NH₃-N демонстрировали тенденцию к увеличению, и в этот момент NH₃-N больше не мог соответствовать стандарту сточных вод.
③ Эффективность лечения на двух-этапах и трех-этапах АО
Трех-конфигурация АО была смоделирована с HRT=14 h, равными соотношениями объемов для каждой ступени (1:1:1), 100 % внутренней рециркуляцией, установленной на первой ступени АО, и соотношением притока 4:3:3 при двух условиях: со 100 % рециркуляцией и с закрытой рециркуляцией. Двухступенчатая конфигурация АО была смоделирована с HRT=14 h, 100% внутренней рециркуляцией и соотношением притока 4:3:3. Результаты показали, что двух-ступенчатая АО достигла оптимального TN сточных вод на уровне 6,29 мг/л; трехступенчатый АО со 100 % внутренней рециркуляцией спереди достиг следующего лучшего значения — 7,51 мг/л; трехступенчатый АО без внутренней рециркуляции показал худшие результаты при 8,52 мг/л. Все три сценария могут соответствовать требованиям проверки сточных вод (TN менее или равно 10 мг/л).
Таблица 4показано сравнение конструктивных параметров между двух-этапным и трех-этапным АО. Можно видеть, что для обоих процессов время HRT, необходимое для достижения требуемого TN сточных вод, составляет менее 18 часов. Основные различия между этими двумя процессами заключаются в следующем:
а. Теоретически, трех-этапный АО имеет более высокий верхний предел; т.е. при правильной эксплуатации как инвестиционные, так и эксплуатационные затраты могут быть ниже. Двухэтапный АО имеет меньшее количество единиц оборудования и этапов, что приводит к снижению затрат на оборудование и снижению сложности оперативного управления.
б. Для этого конкретного проекта, поскольку рассматривалась долгосрочная перспектива и объем резервуара был рассчитан на 18-часовую ЗГТ, инвестиции в гражданское строительство будут одинаковыми независимо от того, будет ли принят двух-этапный или трех-ступенчатый АО. Стоимость оборудования для трех-ступенчатой АО выше. Поэтому с инвестиционной точки зрения внедрение двухступенчатого АО более экономично.
в. По поводу эксплуатационных расходов, трехступенчатый-AO может сэкономить примерно 0,002 юаня/м³ за счет устранения 100 % затрат на энергию для переработки смешанного щелока. Учитывая потенциальное снижение эффективности использования источника углерода в реальной эксплуатации из-за чередования бескислородных/кислородных условий на трех-ступенях АО, фактическая разница в эксплуатационных расходах, вероятно, будет еще меньше.
2.2.2 Анализ долгосрочного-сценария приостановки авиаперевозок
Из-за уникальных требований этого проекта при создании биологического резервуара необходимо было учитывать осуществимость и удобство долгосрочного-плана расширения емкости, т. е. влияние добавления подвесных носителей.
Суть процесса MBBR заключается в увеличении биомассы в реакторе за счет добавления взвешенных носителей. Их можно добавлять в аэробные, бескислородные или анаэробные резервуары. Однако, учитывая псевдоожижение носителей, добавление их в анаэробные или бескислородные резервуары значительно увеличит требования к мощности смешивания. Поэтому предпочтительным является добавление к аэробным резервуарам. Объем анаэробных/аноксических зон может быть дополнен за счет отделения от аэробной зоны, а недостаток аэробного объема компенсируется добавлением носителей. Другими словами, недостаточный аэробный объем компенсируется увеличенной площадью поверхности подвешенных носителей, которая рассчитывается на основе преобразования нагрузки загрязняющих веществ для определения необходимого количества носителя, контролируя определенный коэффициент заполнения для получения добавленного объема.
Согласно расчетам, если принять двух-процесс АО и добавить все подвешенные носители в аэробную зону первой-этапа в долгосрочной перспективе, требуемая площадь несущей поверхности MBBR составит 2 597 708 м² и будет стоить 12,99 миллиона юаней. Затраты на другое сопутствующее фиксированное оборудование (включая системы псевдоожижения MBBR, специальные смесители, системы просеивания и интеллектуальные системы управления) составят 6,15 миллиона юаней. При использовании трехэтапного-процесса АО из-за более рассредоточенных зон зону MBBR необходимо будет разделить на 2 секции (первая-этап и вторая-аэробная зона). Следовательно, стоимость установки соответствующего стационарного оборудования MBBR (без учета самих операторов связи) немного увеличится до 7,77 млн юаней, а стоимость оператора связи останется прежней. Это означает, что внедрение трех-этапного АО увеличит будущие инвестиции в модернизацию на 1,62 миллиона юаней, а также повысит сложность модернизации. Кроме того, система проверки является областью, наиболее подверженной проблемам после добавления оператора связи. Трехэтапный-AO добавляет дополнительную секцию экранов, что увеличивает сложность работы.
Судя по приведенному выше сравнению, из-за чрезмерного разделения на трех-этапных AO, когда каждый раздел имеет одинаковый объем, сложность его модернизации выше, чем у двух-этапных AO. Конструкция, сложность эксплуатации и добавление сортировочного оборудования также приводят к более высоким инвестициям, чем двух-этапный АО. Таким образом, использование двух-ступенчатого АО более благоприятствует будущему соединению с подвесными носителями.
2.3 Результат сравнения
Основываясь на приведенном выше анализе, как двух-этапные, так и трех-этапные процессы АО могут достичь целевого значения TN сточных вод, меньшего или равного 10 мг/л. В граничных условиях этого проекта-ограниченное пространство, необходимость максимизировать в ближайшем-объеме резервуара и долгосрочный-план по добавлению подвесных носителей-двух-этапный АО имеет преимущества с точки зрения краткосрочных-инвестиций и удобства управления/обслуживания оборудования. Он также обеспечивает более высокую совместимость для будущей модернизации с подвесными носителями, что приводит к снижению общих инвестиций и снижению сложности модернизации и эксплуатации. Поэтому после всестороннего рассмотрения для этой конструкции был рекомендован двухэтапный процесс АО.
3 Эксплуатационные показатели
Общая сметная сумма инвестиций в этот проект составляет 304,5721 млн юаней, а стоимость строительства — 243,6019 млн юаней, что соответствует стоимости единичного строительства 3 480,03 юаней/м³. Стоимость обработки составляет 1,95 юаней/м³, а эксплуатационные расходы — 1,20 юаней/м³.
В этом проекте общая ВВТ биологического резервуара составляет 18 часов (включая: анаэробную зону 2 часа, первую-бескислородную зону 3,5 часа, первую-аэробную зону 7,5 часов, зону дегазации 0,5 часа, вторую-бескислородную зону 2,5 часа, вторую-этап аэробную зону 2 часа) с эффективной глубиной воды 8,6 часа. м. Реализован регулируемый секционный водозабор, позволяющий при необходимости корректировать коэффициент распределения приточной воды с шагом 20%. В реальной эксплуатации концентрация взвешенных твердых веществ в смешанной жидкости (MLSS) в биологическом резервуаре колеблется от 3500 до 4000 мг/л, коэффициент возврата ила составляет от 40% до 100%, а коэффициент внутренней рециркуляции смешанной жидкости составляет от 100% до 200%. Фактическое качество притока и сточных вод показано на рис.Таблица 5, что в основном соответствует результатам моделирования.
4 Заключение
На примере очистных сооружений в Южном Китае с помощью моделирования BioWin было проведено технико-экономическое сравнение двух-и трех-этапных процессов АО. Двухэтапный АО с меньшим количеством единиц оборудования и ступеней, меньшими затратами на оборудование и меньшей сложностью оперативного управления больше подходит для условий Южного Китая, где приток TN не очень высок. Для трех-этапного АО настройка внутренней рециркуляции от конца третьего этапа до первой бескислородной зоны отрицательно повлияла на эффективность удаления TN, увеличила сложность оперативного управления и увеличила инвестиционные затраты. Конструкция одновременно удовлетворяет краткосрочным-требованиям очистки в размере 50 000 м³/сут и TN менее или равным 10 мг/л, а долгосрочные-масштабы в 70 000 м³/сут могут быть достигнуты за счет соединения с подвешенными носителями. Фактические эксплуатационные результаты в значительной степени соответствуют результатам моделирования BioWin: средний TN сточных вод составляет 6,86 мг/л, что соответствует проектным требованиям.