Pažangus azoto šalinimas NV: gryna bioplėvelė MBBR proceso projektavimas ir našumo analizė|Atvejo analizė

Grynos bioplėvelės MBBR proceso, skirto pažangiam azoto pašalinimui, inžinerinis projektavimas ir veikimas

Visapusiškai tobulėjant Kinijos ekologinės civilizacijos statybai, nuotekų valymo įrenginių (NVĮ) išleidimo standartai tapo vis griežtesni. „Komunalinių nuotekų valymo įrenginių teršalų išleidimo standarto“ (GB 18918-2002 m.) A klasės standartas reikalauja, kad TN būtų mažesnis arba lygus 15 mg/l, o vietiniai standartai tokiuose regionuose kaip Pekinas ir Šandongas aiškiai nustato TN ribą, mažesnę nei 10 mg/l arba lygią. Šie aukštesni standartai apima ne tik vandens kokybės ribas, todėl keliami griežtesni reikalavimai nuotekų stabilumui. Todėl yra neatidėliotinas poreikis didinti apdorojimo procesų azoto šalinimo pajėgumus. Vienas iš būdų yra padidinti anglies šaltinio dozę esamame procese, siekiant pagerinti denitrifikaciją, tačiau tai lemia dideles veiklos sąnaudas ir padidina anglies emisiją. Arba pridedant pažangių azoto šalinimo įrenginių, dažnai taikant bioplėvelės metodus, siekiant veiksmingai praturtinti denitrifikuojančias bakterijas, galima pagerinti TN pašalinimą, sumažinti išorinių anglies šaltinių poreikį ir sumažinti anglies emisiją. Judančio sluoksnio bioplėvelės reaktorius (MBBR), pasižymintis stiprių funkcinių bakterijų sodrinimo, mažo ploto ir paprasto naudojimo bei priežiūros pranašumais, buvo plačiai taikomas statant, plečiant ir atnaujinant NV. Jis gali stabiliai pasiekti geresnius išleidimo standartus nei beveik IV klasės paviršinio vandens kokybė ir turi didelį potencialą bei pranašumus pažangiam azoto pašalinimui NVĮ. Šiame straipsnyje Šandonge esantis NVĮ naudojamas kaip atvejo tyrimas, siekiant išanalizuoti grynos bioplėvelės MBBR proceso, skirto pažangiam azoto pašalinimui, projektavimo pagrindimą ir eksploatacines charakteristikas, siekiant pateikti technines nuorodas efektyviam nuotekų denitrifikavimui.

1. Projekto apžvalga

1.1 Projekto įvadas

Šandongo NV buvo pastatyta dviem etapais. Pirmasis etapas, kuriame naudojamas BIOLAK procesas, buvo oficialiai pradėtas eksploatuoti 2003 m. lapkritį, jo valymo pajėgumas yra 40 000 m³/d. BIOLAK proceso išdėstymas ir galimos atnaujinimo vietos parodytos1 pav. Iš pradžių nuotekų kokybė atitiko GB 18918-2002 B klasės standartą. Iki 2020 m. patobulinus anglies šaltinio dozavimą ir pažangų valymą, nuotekų kokybė buvo pagerinta iki A klasės standarto. Iki 2023 m., po trejų veiklos metų, bendra nuotekų kokybė iš esmės atitiktų A klasės standartą, tačiau susidūrė su dviem pagrindiniais iššūkiais, susijusiais su azoto pašalinimu:

Didelės anglies šaltinio dozės: Norint pasiekti tikslą, kad TN būtų mažesnis arba lygus 15 mg/L, reikėjo didelio kiekio išorinio anglies šaltinio. Skaičiavimai, pagrįsti proceso dalimis, parodė, kad C/N santykis yra net 5,9, o AAO procesui antroje gamyklos fazėje reikėjo tik 4,5–5,0 C/N, kad būtų užtikrintas stabilus TN atitikimas. Didelis anglies šaltinio papildymas taip pat neigiamai paveikė aerobinį nitrifikacijos procesą, padidindamas deguonies poreikį aerobinėje zonoje.

Prastas azoto šalinimo stabilumas: Kadangi nitrifikacija ir denitrifikacija įvyko tame pačiame rezervuare skirtingomis reikalaujamomis sąlygomis, eksploatacinius parametrus reikėjo dažnai koreguoti, atsižvelgiant į įtakos pokyčius. NH₃-N ir TN kontrolė buvo prieštaringa, todėl sunku išlaikyti stabilią pusiausvyrą tarp nitrifikacijos ir denitrifikacijos. Sistemos atsparumas smūgiams buvo vidutinis, todėl nuotekų stabilumas buvo prastas.

Todėl buvo būtina atnaujinti pradinį BIOLAK procesą, kurio pagrindiniai tikslai buvo išspręsti konfliktą tarp nitrifikacijos ir denitrifikacijos, sumažinti azoto šalinimo veiklos sąnaudas ir pagerinti nuotekų stabilumą.

1.2 Atnaujinimo iššūkiai

Kadangi BIOLAK procesas buvo netinkamas bako modifikavimui-, siekiant pagerinti našumą, planas buvo sustiprinti apdorojimą pastatant naują pažangų azoto šalinimo įrenginį. Pradiniame BIOLAK procese daugiausia dėmesio buvo skiriama nitrifikacijai, kai denitrifikacija yra antrinė, o naujajame procese dėmesys buvo skirtas denitrifikacijai. Atsižvelgiant į faktinius renovacijos poreikius, projektas susidūrė su dviem pagrindiniais iššūkiais: ribota laisvos žemės plotas naujam procesui ir aukšti veiklos efektyvumo reikalavimai.

Ribotas laisvos žemės sklypas naujam procesui: Nauja statyba turėjo būti baigta esamoje gamyklos vietoje, kurioje iš esmės nebuvo rezervuotos žemės. Statyba buvo įmanoma tik šalia BIOLAK rezervuarų esančioje žaliojoje juostoje, kurios laisvas plotas yra 400 m². Tai reiškė, kad naujojo projekto pėdsakas vienam apdoroto vandens vienetui turėjo būti mažesnis arba lygus 0,01 m²/(m³·d).

Aukšti veiklos efektyvumo reikalavimai: Tai nebuvo paprastas atnaujinimas, o tolesnis biocheminės funkcinės zonos optimizavimas. Buvo tikimasi, kad naujasis įrenginys atlaikys 20 mg/l azoto pašalinimo apkrovą. Šis procesas turėjo būti baigtas ne tik ribotoje žemėje, bet ir sumažinti anglies šaltinio dozę, palyginti su pradine BIOLAK denitrifikacija, tuo pačiu užtikrinant stabilų denitrifikacijos efektyvumą. Taigi buvo keliami aukšti reikalavimai tiek azoto šalinimo efektyvumui, tiek anglies šaltinio panaudojimo efektyvumui.

2. Procesų palyginimas ir atranka

Po apdorojimo BIOLAK procesu, nuotekas TN daugiausia sudaro nitratinis azotas. Šiuo metu brandžiuose pažangiuose azoto šalinimo procesuose pirmiausia naudojami bioplėvelės metodai, kuriems būdingi mikroorganizmai, efektyviai sodrinami ant nešiklio paviršių pritvirtintoje būsenoje, o tai siūlo žymiai didesnį funkcinių bakterijų sodrinimo efektyvumą nei įprasti aktyviojo dumblo procesai. Bioplėvelės procesus galima toliau suskirstyti į stacionarius-sluoksnius ir judančius-sluoksnius, atsižvelgiant į nešiklio skystinimą, kaip parodyta2 pav.Denitrifikuojantys filtrai, tipiški fiksuoto{0}}sluoksnio bioplėvelės procesai, naudoja fiksuotą granuliuotą filtravimo terpę kaip mikrobų augimo nešiklius. Pridedant išorinį anglies šaltinį, jie skatina bioplėvelės denitrifikaciją ir terpės filtravimą, kad tuo pačiu metu būtų pašalintas NO₃^--N, SS ir kiti teršalai. Privalumai yra stabili išvalyto vandens kokybė, antrinių skaidrintuvų nereikalingumas ir kompaktiškas išdėstymas, todėl jie plačiai naudojami NVĮ atnaujinimuose kaip pažangus valymo įrenginys, skirtas sustiprinti TN pašalinimą iš antrinių nuotekų. Tačiau pagrindinis dėmesys turi būti skiriamas C/N poveikiui pažangiam denitrifikacijos efektyvumui. Pingtango NV I fazės atnaujinimo projekte, kurio našumas taip pat yra 40 000 m³/d., buvo naudojamas denitrifikacinis filtras + didelio{7}}efektyvumo ištirpusio oro flotacija (DAF) kaip pažangus valymo procesas, siekiant padidinti nuotekų TN iki beveik -IV klasės paviršinio vandens standartų. m²/(m³·d), taupant žemę ir leidžiant efektyviai apdoroti, tačiau C/N yra net 18,34. Kad atitiktų naujus vietinius nuotekų TN standartus, Čengdu Nr Haininge esanti Dingqiao NV negalėjo atitikti Qiantang upės baseinui reikalingų A klasės išleidimo standartų. Gao Feiya ir kt. pažangiam TN apdorojimui naudojo denitrifikacinį giluminį{18}}sluoksnį filtrą, tuo pačiu pašalindamas SS ir TP, todėl nuotekų kokybė priartėjo prie kvazi{19}}IV klasės standartų, tačiau aukštas C/N koeficientas yra 15,68, todėl azoto šalinimo išlaidos buvo didelės. Be to, filtravimo procesus reikia reguliariai plauti atgal, paprastai naudojant orą{22}}vandenį, o tai gali turėti įtakos veikimo stabilumui.

Dėl denitrifikuojančių filtrų nestabilumo, dėmesio sulaukė tyrimai, susiję su sieros{0}}autotrofinės denitrifikacijos (SAD) taikymu denitrifikuojantiems filtrams. SAD naudoja elementinę sierą arba sieros junginius kaip elektronų donorus anaerobinėmis arba anoksinėmis sąlygomis, kad sumažintų NO3^--N į N₂. Jis turi tokius pranašumus kaip geras denitrifikacijos efektyvumas, nereikia organinės anglies šaltinio, mažos eksploatacinės sąnaudos ir maža dumblo gamyba. Song Qingyuan ir kt. ištyrė SAD filtro azoto šalinimo poveikį antrinėms nuotekoms. Optimizavus bandomąsias sąlygas, nitratų pašalinimas išliko stabilus virš 95%, tačiau terpės suvartojimo lygis kasmet siekė 20%, kartu su padidėjusia nuotekų sulfato koncentracija ir sumažėjusiu pH. Siekiant išvengti antrinės taršos iš BAD rizikos, Li Tianxin ir kt. paruoštos terpės granuliuojant sieros ir kalkakmenio miltelių mišinį. Į filtro sluoksnį įpylus tam tikrą kalkakmenio dalį, susidaręs rūgštingumas buvo neutralizuotas ir susidarė CaSO₂ nuosėdos, todėl sumažėjo nuotekų sulfato koncentracija ir veiksmingai sprendžiamos rūgšties gamybos ir didelio sulfato kiekio problemos. Tačiau kalkakmenis sistemoje užėmė erdvę, skirtą elektronų donorų terpėms, susilpnindama pažangų denitrifikacijos pajėgumą, padidindama nuotekų kietumą ir padidindama eksploatacines išlaidas. Dabartiniai SAD technologijos tyrimai daugiausia atliekami laboratorijos ir bandomojo masto, o inžinerinės patirties nepakanka. Prieš reklamuojant pramoniniu mastu, reikia atlikti tolesnius taikomuosius tyrimus.

MBBR yra tipiškas skystojo{0} sluoksnio bioplėvelės procesų ir naujos nuotekų valymo technologijos, kuriai pastaraisiais metais buvo skiriamas didelis dėmesys, atstovas. Jame naudojami suspenduoti nešikliai, kurių tankis yra artimas vandeniui, kad specialiai praturtintų mikroorganizmus ir suformuotų bioplėvelę, kad būtų pasiektas pažangus azoto pašalinimas. Suskystinto-sluoksnio bioplėvelės procesai taip pat leidžia išvengti terpės užsikimšimo ir atgalinio plovimo problemų. Šiuo metu gryna bioplėvelė MBBR, skirta pažangiam nuotekų valymo įrenginių denitrifikavimui, turi daugiau nei 20 metų sėkmingos veiklos užsienyje patirtį ir vis plačiau taikoma Kinijoje. Zheng Zhijia ir kt. naudojo dviejų-pakopų grynos bioplėvelės MBBR procesą pažangiam denitrifikavimui. Esant C/N=4.0, sistemos nuotekų nitratinis azotas stabilizavosi ties (1,87 ± 1,07) mg/l, o vidutinis TN pašalinimo greitis buvo 93,3 %. Plėtros zonos NVĮ tam tikrame mieste pastatė naują MBBR bio{15}} rezervuarą kaip tretinį pažangų apdorojimą, kad būtų pagerinta denitrifikacija. TN pašalinimo apkrova grynos bioplėvelės MBBR anoksinėje dalyje buvo 1,1 g/(m²·d), pagerinanti sistemos denitrifikacijos patikimumą. Gao Yanbo ir kt., siekdami padidinti pradinės gamyklos pajėgumą, sukonstravo naują dviejų -pakopų AO grynos bioplėvelės MBBR bio- rezervuarą, pasiekiantį stabilų nuotekų TN žemiau 5 mg/l ir didelį denitrifikacijos efektyvumą. Taigi grynas bioplėvelės MBBR procesas rodo didelį pažangaus azoto pašalinimo NVĮ potencialą, derinant tokius pranašumus kaip didelis anglies šaltinio panaudojimo efektyvumas, didelė apdorojimo apkrova ir nedidelis plotas. Tačiau tai taip pat kelia aukštesnius reikalavimus įrangai, todėl reikia patikimos įrangos, kuri palaikytų stabilų proceso veikimą. Įprastų pažangių azoto šalinimo procesų palyginimas parodytas1 lentelė.

Remiantis išsamiu palyginimu, nors BAD procesas nereikalauja papildomo anglies šaltinio, dabartinis jo taikymas dar nėra subrendęs ir kelia antrinės taršos riziką, todėl nebuvo svarstoma apie šį atnaujinimą. Nors denitrifikaciniai filtrai yra plačiai naudojami, jie dažniausiai naudojami NVĮ modernizavimui, kur projektinis įtekančio / nuotekų TN dažnai yra 15/12 mg/l, o tai yra gana maža TN šalinimo apkrova. Kadangi įgyvendinant šį projektą reikėjo patenkinti ilgalaikius, didelius TN pašalinimo reikalavimus, veikimas žymiai sutrumpintų filtro atgalinio plovimo ciklą, todėl padidėtų veikimo sunkumai ir nestabilumas. Grynos bioplėvelės MBBR procesas apjungia tokius privalumus kaip didelis anglies panaudojimo efektyvumas, nereikalingas atgalinis plovimas, brandus naudojimas ir antrinės taršos nebuvimas. Atsižvelgiant į proceso iššūkius ir atnaujinimo reikalavimus, pagal projektą buvo pasirinkta naujos grynos bioplėvelės MBBR bio- rezervuaro (toliau – MBBR talpykla) statyba kaip pažangus azoto šalinimo sprendimas pirmame etape, sukurtas naudojant C/N=4.5, o investicijų atsipirkimo laikotarpis yra 7,37 metų.

3. Naujas statybos planas

3.1 Proceso eiga

Nuotekų valymo proceso eiga po renovacijos parodyta3 pav. Įrenginio srautas praeina per smulkius sietus, sūkurines smėlio kameras ir pirmines nuosėdų talpyklas, prieš patenkant į BIOLAK bio-talpą, skirtą organinėms medžiagoms, amoniakiniam azotui ir kt. pašalinti. Tada jis siurbliais pakeliamas į MBBR baką, kad būtų galima patobulinti TN pašalinimą. MBBR rezervuaras skirtas 35 mg/L įtekamajam TN ir nuotekų TN mažesniam arba lygiam 15 mg/l. MBBR nuotekos antriniais siurbliais pakeliamos į esamą pažangų gamyklos valymo įrenginį, skirtą kietajam-skysčiui atskirti ir dumblo švaistymui. Galutinės nuotekos dezinfekuojamos prieš išleidžiant į priimančią upę. Perteklinis dumblas sutirštinamas, nusausinamas ir išvežamas{10}}iš aikštelės šalinti.

3.2 Naujas MBBR bakas

MBBR bake naudojamas AO procesas, sukonstruotas naudojant Lipp bakus moduliniam surinkimui, baigtas per 30 dienų. Bendras sistemos hidraulinio sulaikymo laikas (HRT) yra 1,43 valandos. SPR-III tipo specializuoti aerobiniai ir anoksiniai suspenduoti nešikliai pridedami bakų viduje, kurių užpildymo santykis aerobinėje zonoje yra 60%, o anoksinėje zonoje - 55%. Laikikliai yra palenkti cilindriniai, 25 mm skersmens ir 10 mm aukščio, o efektyvusis savitasis paviršiaus plotas didesnis arba lygus 800 m²/m³. Anoksinėje zonoje įrengti 4 MBBR-skirti kintamo-dažnio maišytuvai (SPR cheminės galios tipas), kiekvienas N=5.5 kW, užtikrinantis vienodą ir pakankamą skysčių srautą nešikliais. Po bioplėvelės brandinimo 2 maišytuvai veikia reguliariai, o kiti 2 veikia karštuoju budėjimo režimu. Aerobinėje zonoje aeracijai naudojami sraigtiniai pūstuvai. Vieno orapūtės oro našumas yra 14,50 m³/min, slėgis 90 kPa, N=22 kW. Sumontuotas vienas aerobinei zonai skirtų perforuotų vamzdžių difuzorių komplektas (SPR tipo). Dėl mažo reikalingo aeracijos tūrio paprastai galima naudoti esamus I fazės pūstuvus, o naujasis orapūtės ir I fazės orapūtės tarnauja kaip abipusės atsarginės kopijos. Tiek aerobinėje, tiek anoksinėje zonoje sumontuoti nauji medžiagų perėmimo ekranai (SPR tipo), 12 mm storio, kurių projektinis tarnavimo laikas – 30 metų.

3.3 Naujos pagalbinės priemonės

• Įtakos sistema: Nuotekos iš BIOLAK bio-bako pakeliamos į MBBR baką. 4 sumontuoti įvadiniai siurbliai (2 darbiniai, 2 budėjimo režimai), kurių kiekvienas yra Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Anglies šaltinio dozavimo sistema: I fazės BIOLAK bio{0}} bako nuotekose yra tik COD, kurį sunku panaudoti. Siekiant užtikrinti pažangią denitrifikaciją MBBR rezervuaro anoksinėje zonoje, natrio acetatas naudojamas kaip išorinis anglies šaltinis. 4 sumontuoti dozavimo siurbliai (2 darbiniai, 2 budėjimo režimai), kurių kiekvienas turi Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.