Применение процесса BIOLAK при модернизации очистных сооружений до стандартов квази-класса IV
Процесс BIOLAK, представленный в Китае в начале 21 века, получил широкое применение при очистке городских сточных вод благодаря своей простой конструкции и низким инвестиционным затратам. В последние годы, в связи с ужесточением стандартов сброса и ростом автоматизации, большинство существующих установок BIOLAK проходят модернизацию. Для улучшения удаления азота и фосфора реализованы такие усовершенствования, как добавление подвесных носителей, модернизация резервуаров и переопределение функциональных зон. Несмотря на то, что на вновь построенных заводах преимущественно используются процессы A²/O и окислительные канавы, имеется мало отчетов о фактической производительности BIOLAK, особенно при строгих стандартах выбросов. В процессе BIOLAK используются качающиеся цепи аэрации для создания временных бескислородных и аэробных зон, по существу функционирующих как много-этапный процесс A/O. Благодаря оптимизации эксплуатации качество сточных вод может стабильно соответствовать стандарту квази-класса поверхностных вод IV.
1 Предыстория проекта
Завод по очистке сточных вод в провинции Хэбэй использует процесс BIOLAK в качестве основной технологии. Приток колеблется от 18 000 до 22 000 м³/сутки, в среднем 19 000 м³/сутки, очищая в основном городские бытовые сточные воды и небольшое количество сточных вод сельскохозяйственной переработки. Расчетные характеристики притока и стока показаны на рис.Таблица 1. Первоначальным стандартом сброса был стандарт класса А * «Стандарт сброса загрязняющих веществ для муниципальных очистных сооружений» (GB 18918-2002) *. После модернизации, которая включала разделение анаэробной зоны для улучшения денитрификации и дефосфорации, завод теперь соответствует основным ограничениям зоны контроля * «Стандартов сброса загрязняющих веществ в воду для бассейна реки Дацин» (DB13/2795-2018) *. За исключением общего азота, все остальные показатели соответствуют стандартам класса IV, указанным в *"Экологических стандартах качества поверхностных вод" (GB 3838-2002)*. Ход процесса показан наРисунок 1.
Для дезинфекции на заводе используется гипохлорит натрия. Осадок обезвоживается с помощью плит высокого-давления и рамной фильтрации до содержания влаги ниже 60 % перед транспортировкой для совместной-переработки в цементных печах.
Вклад каждой очистной установки в удаление загрязняющих веществ рассчитывался на основе массового баланса с использованием конкретных методов, указанных в литературе.
2 Мероприятия по оптимизации оперативного управления
Во время эксплуатации были реализованы многочисленные меры по оптимизации для повышения стабильности сточных вод и достижения экономии энергии и затрат.
2.1 Улучшенный контроль растворенного кислорода (DO)
В существующих проектах модернизации БИОЛАК часто отмечается его слабое зонирование как многоступенчатого варианта А/О, что приводит к низкой эффективности денитрификации. В этом проекте, обеспечивая соблюдение требований по содержанию аммиачного азота в сточных водах, максимальное содержание растворенного кислорода в конце зоны аэрации поддерживалось на уровне 0,5–1,0 мг/л, что ниже обычных требований по контролю растворенного кислорода.
2.2 Расширенный мониторинг технологических данных
Для контроля содержания растворенного кислорода и дозирования внешнего источника углерода в конце анаэробной зоны и резервуаре BIOLAK контролировали нитратный азот и аммиачный азот для определения оптимальных диапазонов регулирования. Во время работы дозирование внешнего источника углерода было уменьшено или прекращено, когда нитратный азот в конце анаэробной зоны был исчерпан.<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Установление целевых показателей внутреннего контроля выбросов
Чтобы обеспечить стабильное соблюдение требований, цели внутреннего контроля были установлены на уровне 30–80% от пределов сбросов, в зависимости от сложности контроля каждого загрязняющего вещества. Превышение этих внутренних пределов приводило к немедленной корректировке параметров процесса для возвращения концентрации сточных вод в приемлемый диапазон. Ежегодные целевые показатели внутреннего контроля по ХПК, аммиачному азоту, общему азоту и общему фосфору составляли 15 мг/л, 0,5 мг/л, 12 мг/л и 0,12 мг/л соответственно.
2.4 Поддержание соответствующей концентрации осадка
Потери ила корректировались в зависимости от расхода, нагрузки и сезона. Время удерживания ила (SRT) поддерживали на уровне 15–25 дней, а концентрацию взвешенных веществ в смешанной жидкости (MLSS) – на уровне 2500–4500 мг/л. В частности, MLSS контролировался на уровне 2500–3500 мг/л летом и осенью при нагрузке ила около 0,06 кг ХПК/(кгMLSS·сут) и на уровне 3500–4500 мг/л зимой и весной при нагрузке ила около 0,04 кгХПК/(кгMLSS·сут).
2.5 Корректировка работы установок усовершенствованного лечения
Низкие температуры зимой повлияли на флокуляцию и седиментацию. Несвоевременная обратная промывка фильтров типа В- может привести к повышенному содержанию взвешенных веществ в сточных водах и ХПК. Поэтому во время зимней эксплуатации частота обратной промывки была увеличена в зависимости от эффективности коагуляции, а слив ила из коагуляционного-отстойника был усилен для снижения концентрации взвешенных веществ в сточных водах.
3 Эффективность лечения
Годовой приток ХПК колебался от 109 до 248 мг/л, составляя в среднем 176 мг/л. ХПК в сточных водах колебался от 9,5 до 20,1 мг/л, составляя в среднем 12,1 мг/л. Когда ХПК сточных вод превышал целевой показатель внутреннего контроля (15 мг/л), частоту обратной промывки фильтра увеличивали для уменьшения содержания взвешенных твердых частиц. Рекомендуется заменить отстойник коагуляции-отстойником на отстойник высокой-плотности или магнитной коагуляции-для повышения эффективности коагуляции.
Годовой приток аммиачного азота колебался от 17,8 до 54,9 мг/л, составляя в среднем 31,9 мг/л. Содержание аммиачного азота в стоках колебалось от 0,12 до 1,30 мг/л, в среднем 0,5 мг/л. Когда она превышала цель внутреннего контроля, аэрацию корректировали в соответствии с мерами по оптимизации. Качество сточных вод стабильно соответствовало основным ограничениям зоны контроля *DB13/2795-2018* на протяжении всего года.
Из-за низкой концентрации поступающего источника углерода основное внимание уделялось оптимизации условий процесса для улучшения удаления азота и фосфора с целью экономии энергии и затрат.
3.1 Оптимизация контроля растворенного кислорода и полное удаление азота
Годовой приток общего азота (TN) колебался от 20,3 до 55,6 мг/л (см.Рисунок 2), в среднем 42,1 мг/л. TN в сточных водах колебался от 2,5 до 14,2 мг/л, в среднем 8,8 мг/л, в пределах целевого показателя внутреннего контроля (12 мг/л). Средняя скорость удаления TN составила 79,1%. При коэффициенте рециркуляции ила 90% (без внутренней рециркуляции смешанного раствора) теоретическая эффективность денитрификации составила 47,4%, что указывает на то, что денитрификация также происходила в других технологических зонах за пределами анаэробного селектора. Изменения содержания азота в ходе обработки в типичном цикле показаны на рис.Рисунок 3.
В типичном цикле TN входящего потока составлял 42,0 мг/л, сумма аммиачного и нитратного азота - 35,2 мг/л. После анаэробного селектора TN составил 16,7 мг/л, что привело к степени удаления 43,5% по массовому балансу, что соответствует теоретическому значению. Бак БИОЛАК способствовал удалению 24,0% TN. TN сточных вод еще больше снизился во вторичном отстойнике, что способствовало дополнительному удалению 11,3%, в основном из-за длительного времени гидравлического удерживания (8,6 часов), что позволило провести денитрификацию, вызванную эндогенным источником углерода-. На долю других подразделений пришлось удалить 1,9%. Конечный показатель TN в сточных водах составил 8,1 мг/л, при общей степени удаления 80,7%.
Опыт эксплуатации показывает, что контроль растворенного кислорода имеет решающее значение для удаления TN в процессе BIOLAK. В традиционных процессах содержание растворенного кислорода обычно измеряется в конце аэробной зоны в структуре каналов, где содержание растворенного кислорода относительно однородно по поперечному-сечению. Однако в резервуаре БИОЛАК ширина конца зоны аэрации составляет около 70 метров, при этом РК увеличивается от края склона к центру и отличается на 0,5–1,0 мг/л. Поэтому расположение зондов DO требует пристального внимания.
Путем строгого контроля максимального содержания растворенного кислорода в конце зоны аэрации BIOLAK эффективно обеспечивалась бескислородная среда, необходимая для денитрификации. Была достигнута одновременная нитрификация и денитрификация (SND) с использованием эндогенных источников углерода, что привело к эффективному удалению TN.
3.2 Полное удаление фосфора и оптимизация эксплуатации
Годовой приток общего фосфора (ОФ) колебался от 1,47 до 4,80 мг/л (см.Рисунок 4), в среднем 2,99 мг/л. ПД стоков колебалось от 0,04 до 0,17 мг/л. Дозировку средства для удаления фосфора корректировали на основе целевого показателя внутреннего контроля (0,12 мг/л). Средняя концентрация ТБ в сточных водах составила 0,07 мг/л, что стабильно соответствует нормативу сброса, при этом средняя степень удаления ТБ составила 98,3%.
Изменения уровня фосфатов в ходе лечения в типичном цикле показаны на рис.Рисунок 5.
Входящий фосфат составлял 2,70 мг/л, а фосфат возвратного ила составлял 0,58 мг/л, в результате чего теоретический уровень фосфата, поступающего в анаэробный селектор, составлял 1,70 мг/л. После анаэробного высвобождения фосфора полифосфатаккумулирующими организмами (ПАО) концентрация фосфатов достигала 3,2 мг/л. Коэффициент концентрации фосфатов (максимум в анаэробной зоне/притоке) составил 1,9, что указывает на значительное высвобождение. Основной причиной была эффективная денитрификация в условиях низкого содержания растворенного кислорода, приводящая к низкой концентрации нитратов в возвратном иле в анаэробную зону, поддерживающая хорошую анаэробную среду (ОВП обычно ниже -200 мВ) и способствующая высвобождению фосфора.
После зоны аэрации BIOLAK произошло значительное поглощение фосфора, в результате чего концентрация фосфата в конце снизилась до 0,3 мг/л, достигнув биологической эффективности удаления фосфора 88,9%. После отстойников и стабилизаций концентрация фосфатов увеличилась до 0,64 мг/л. Анализ показывает, что это произошло из-за длительной ЗГТ в отстойнике и строго контролируемого РК в отстойнике БИОЛАК, создающих анаэробные условия в отстойнике и вызывающих вторичное высвобождение фосфора. После дозирования химикатов в установке коагуляции содержание фосфатов в сточных водах снизилось до 0,06 мг/л. Поэтому, учитывая экономические затраты и сложность эксплуатации, принесение в жертву некоторой эффективности биологического удаления фосфора ради улучшения денитрификации является жизнеспособной стратегией оптимизации для аналогичных установок.
4 Эксплуатационные расходы
Прямые эксплуатационные затраты включают электроэнергию, химикаты и утилизацию осадка. По данным годовой статистики, удельный расход электроэнергии составил 0,66 кВтч/м³. При цене на электроэнергию 0,65 юаней/кВтч (на основе совокупных тарифов в пиковую и внепиковую часы) стоимость электроэнергии составила 0,429 юаней/м³. Этот расход находится на более высоком уровне в соответствии с «Стандартом оценки эксплуатационного качества городских очистных сооружений», главным образом из-за несколько более низкой эффективности использования кислорода системой аэрации. Затраты на химикаты, включая ацетат натрия, средство для удаления фосфора, ПАМ, гипохлорит натрия и химикаты для обезвоживания, составили 0,151 юаней/м³. Конкретное использование и затраты показаны наТаблица 2.
Ил образуется в основном из биологических и химических источников (коагуляционный резервуар). В пластинчатой и рамной фильтрации высокого-давления используется известь и хлорид железа в качестве кондиционирующих средств. Дозировка извести составляет около 25% от массы сухого ила. Обезвоженный осадок имеет влажность 60%. Суточная выработка обезвоженного осадка составляет около 9 тонн, удельный выход сухого ила около 0,15%. Транспортировка осадка стоит 250 юаней/тонну, в результате чего затраты на утилизацию осадка составляют около 0,118 юаней/м³. Таким образом, общие прямые производственные затраты составляют 0,698 юаней/м³.
5 выводов
① Станция очистки сточных вод в провинции Хэбэй, использующая процесс BIOLAK для очистки городских сточных вод, работала непрерывно в течение одного года, при этом качество сточных вод стабильно соответствовало основным ограничениям зоны контроля *DB13/2795-2018* (стандарт поверхностных вод квазикласса IV).
② В качестве варианта многоступенчатого процесса A/O контроль максимального содержания растворенного кислорода в конце зоны аэрации BIOLAK на уровне 0,5–1,0 мг/л привел к степени удаления TN 24,0 % в зоне BIOLAK и 11,3 % в отстойнике. Это позволило добиться одновременной нитрификации-денитрификации и денитрификации эндогенного источника углерода, продемонстрировав значительную способность удаления азота.
③ Прямые эксплуатационные затраты процесса BIOLAK составили 0,698 юаней/м³. Меры по оптимизации эксплуатации, включая мониторинг технологических данных и установление разумных целей внутреннего контроля, могут служить ориентиром для оптимизации работы и достижения экономии энергии и затрат на аналогичных очистных сооружениях.