Napredno uklanjanje dušika u uređajima za pročišćavanje otpadnih voda: dizajn MBBR procesa s čistim biofilmom i analiza performansi|Studija slučaja

Inženjerski dizajn i izvedba MBBR procesa s čistim biofilmom za napredno uklanjanje dušika

Sa sveobuhvatnim napretkom izgradnje ekološke civilizacije u Kini, standardi ispuštanja za postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda (WWTP) postali su sve stroži. Norma stupnja A "Standarda ispuštanja zagađivača za komunalna postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda" (GB 18918-2002) zahtijeva TN manje od ili jednako 15 mg/L, dok lokalni standardi u regijama poput Pekinga i Shandonga izričito postavljaju granicu na TN manje od ili jednako 10 mg/L. Ovi povišeni standardi nadilaze samo ograničenja kvalitete vode, postavljajući strože zahtjeve za stabilnost efluenta. Posljedično, postoji hitna potreba za povećanjem kapaciteta uklanjanja dušika u procesima obrade. Jedan pristup je povećanje doze izvora ugljika u postojećem procesu kako bi se poboljšala denitrifikacija, ali to dovodi do visokih operativnih troškova i povećanih emisija ugljika. Alternativno, dodavanje naprednih postrojenja za uklanjanje dušika, često korištenjem metoda biofilma za učinkovito obogaćivanje denitrifikacijskih bakterija, može poboljšati uklanjanje TN, smanjiti potrebu za vanjskim izvorima ugljika i smanjiti emisije ugljika. Biofilmski reaktor s pokretnim slojem (MBBR), sa svojim prednostima snažnog funkcionalnog obogaćivanja bakterijama, malog otiska i jednostavnog rada i održavanja, naširoko se primjenjuje u izgradnji, proširenju i nadogradnji postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda. Može stabilno postići standarde ispuštanja bolje od kvalitete površinske vode kvaziklase IV i ima značajan potencijal i prednosti za napredno uklanjanje dušika u uređajima za pročišćavanje otpadnih voda. Ovaj članak uzima UPOV u Shandongu kao studiju slučaja za analizu obrazloženja dizajna i operativne izvedbe primjene MBBR procesa s čistim biofilmom za napredno uklanjanje dušika, s ciljem pružanja tehničke reference za učinkovitu denitrifikaciju otpadnih voda.

1. Pregled projekta

1.1 Uvod u projekt

Postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda u Shandongu izgrađeno je u dvije faze. Prva faza, koja koristi proces BIOLAK, službeno je puštena u rad u studenom 2003. s kapacitetom obrade od 40.000 m³/d. Izgled procesa BIOLAK i dostupno područje za nadogradnju prikazani su uSlika 1. U početku je kvaliteta otpadnih voda zadovoljavala standard razreda B GB 18918-2002. Do 2020. godine, kroz poboljšano doziranje izvora ugljika i dodavanje naprednog tretmana, kvaliteta otpadnih voda poboljšana je na standard razreda A. Do 2023., nakon tri godine rada, ukupna kvaliteta otpadnih voda općenito bi mogla zadovoljiti standard razreda A, ali se suočila s dva velika izazova u vezi s uklanjanjem dušika:

Visoka doza izvora ugljika: Za postizanje cilja TN manjeg ili jednakog 15 mg/L bila je potrebna znatna količina vanjskog izvora ugljika. Izračuni temeljeni na sekcijama procesa pokazali su C/N omjer čak 5,9, dok je AAO proces u drugoj fazi postrojenja zahtijevao samo C/N od 4,5–5,0 kako bi se osigurala stabilna usklađenost s TN. Dodatak velikog izvora ugljika također je negativno utjecao na proces aerobne nitrifikacije, povećavajući potrebu za kisikom u aerobnoj zoni.

Slaba stabilnost uklanjanja dušika: Budući da su se nitrifikacija i denitrifikacija dogodile u istom spremniku pod različitim zahtijevanim uvjetima, radni parametri su morali često prilagođavati na temelju utjecajnih promjena. Kontrola NH3-N i TN bila je kontradiktorna, što je otežavalo održavanje stabilne ravnoteže između nitrifikacije i denitrifikacije. Otpornost sustava na udarno opterećenje bila je prosječna, što je dovelo do loše stabilnosti efluenta.

Stoga je bila nužna nadogradnja originalnog BIOLAK procesa, s osnovnim ciljevima rješavanja sukoba između nitrifikacije i denitrifikacije, smanjenja operativnih troškova uklanjanja dušika i poboljšanja stabilnosti efluenta.

1.2 Izazovi nadogradnje

Budući da postupak BIOLAK nije bio prikladan za modifikaciju u -spremniku radi poboljšanja performansi, plan je bio ojačati tretman izgradnjom nove napredne jedinice za uklanjanje dušika. Izvorni BIOLAK proces prvenstveno se fokusirao na nitrifikaciju s denitrifikacijom kao sekundarnom, dok bi se novi proces fokusirao na denitrifikaciju. S obzirom na stvarne potrebe obnove, projekt se suočio s dva velika izazova: ograničeno dostupno zemljište za novi proces i visoki zahtjevi operativne učinkovitosti.

Ograničeno dostupno zemljište za novi proces: Nova gradnja je morala biti dovršena unutar postojeće tvornice, koja u biti nije imala rezervirano zemljište. Izgradnja je bila moguća samo na zelenom pojasu uz spremnike BIOLAK, s raspoloživom površinom od 400 m². To je značilo da je otisak novog projekta po jedinici pročišćene vode morao biti manji ili jednak 0,01 m²/(m³·d).

Zahtjevi visoke operativne učinkovitosti: Ovo nije bila jednostavna nadogradnja, već daljnja optimizacija biokemijske funkcionalne zone. Očekivalo se da će nova jedinica podnijeti opterećenje uklanjanja dušika od 20 mg/L. Ovaj proces ne samo da je morao biti dovršen na ograničenom zemljištu, već je također trebao smanjiti dozu izvora ugljika u usporedbi s izvornom BIOLAK denitrifikacijom, a istovremeno osigurati stabilne performanse denitrifikacije. Stoga su postavljeni visoki zahtjevi kako za učinkovitost uklanjanja dušika tako i za učinkovitost iskorištavanja izvora ugljika.

2. Usporedba procesa i odabir

Nakon obrade postupkom BIOLAK, efluent TN sastoji se uglavnom od nitratnog dušika. Trenutno zreli napredni procesi uklanjanja dušika primarno koriste metode biofilma, koje karakteriziraju mikroorganizmi koji se učinkovito obogaćuju na površinama nosača u pričvršćenom stanju, nudeći znatno veću funkcionalnu učinkovitost obogaćivanja bakterijama od konvencionalnih procesa s aktivnim muljem. Procesi biofilma mogu se dalje podijeliti na tipove fiksnog-sloja i pokretnog-sloja na temelju fluidizacije nosača, kao što je prikazano uSlika 2.Denitrifikacijski filtri, tipični-postupci biofilma s fiksnim slojem, koriste fiksne zrnate medije za filtriranje kao nosače rasta mikroba. Dodavanjem vanjskog izvora ugljika, oni iskorištavaju denitrifikaciju biofilma i filtraciju medija kako bi postigli istovremeno uklanjanje NO₃^--N, SS i drugi zagađivači. Prednosti uključuju stabilnu kvalitetu pročišćene vode, nema potrebe za sekundarnim taložnicima i kompaktan raspored, što ih čini naširoko korištenim u nadogradnji uređaja za pročišćavanje otpadnih voda kao naprednu jedinicu za pročišćavanje za jačanje uklanjanja TN iz sekundarnog efluenta. Međutim, operativni fokus mora biti na utjecaju C/N na naprednu učinkovitost denitrifikacije. Projekt nadogradnje I. faze PPOV-a Pingtang, također s kapacitetom od 40 000 m³/d, koristio je denitrifikacijski filtar + visoko-efikasnu flotaciju otopljenog zraka (DAF) kao napredni proces obrade za podizanje TN otpadnih voda na kvazi-standarde površinske vode klase IV, postižući otisak od oko 0,045 m²/(m³·d), čime se štedi zemljište i omogućuje učinkovit tretman, ali s C/N čak 18,34. Kako bi zadovoljio nove lokalne standarde za otpadnu vodu TN, Chengdu No. 9 Water Reclamation Plant usvojio je taložnik visoke-gustoće i denitrifikacijski duboko-filtar kao proces nadogradnje, s C/N od 5,7, postižući naprednu obradu prema visokim standardima. Postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda Dingqiao u Hainingu nije moglo zadovoljiti standarde za ispuštanje stupnja A koji su potrebni za sliv rijeke Qiantang. Gao Feiya i sur. upotrijebio denitrifikacijski duboki-filtar za naprednu obradu TN, istovremeno uklanjajući SS i TP, čime je kvaliteta otpadne vode blizu kvazi{19}}standarda klase IV, ali s visokim C/N od 15,68, što dovodi do visokih troškova uklanjanja dušika. Osim toga, procesi filtra zahtijevaju redovito ispiranje, obično ispiranjem zrakom-vodom, što može utjecati na radnu stabilnost.

nestabilnosti u filtrima za denitrifikaciju, istraživanje o primjeni autotrofne denitrifikacije (SAD) na bazi -sumpora na filtre za denitrifikaciju privuklo je pažnju. SAD koristi elementarni sumpor ili sumporne spojeve kao donore elektrona u anaerobnim ili anoksičnim uvjetima za smanjenje NO₃^--N do N₂. Nudi prednosti kao što su dobra učinkovitost denitrifikacije, nema potrebe za izvorom organskog ugljika, niski operativni troškovi i niska proizvodnja mulja. Song Qingyuan i sur. proučavali su učinak uklanjanja dušika SAD filtra na sekundarni efluent. Nakon optimizacije pilot uvjeta, uklanjanje nitrata ostalo je stabilno iznad 95%, ali je stopa potrošnje medija dosegla 20% godišnje, popraćena povećanom koncentracijom sulfata u efluentu i smanjenim pH. Kako bi izbjegli sekundarne rizike onečišćenja od SAD-a, Li Tianxin et al. pripremljenog medija peletiranjem mješavine sumpora i vapnenačkog praha. Dodavanje određenog udjela vapnenca u sloj filtera neutraliziralo je generiranu kiselost i proizvelo talog CaSO₄, smanjujući koncentraciju sulfata u otpadnom vodu i učinkovito rješavajući probleme proizvodnje kiseline i visoke razine sulfata. Međutim, vapnenac je zauzimao prostor namijenjen medijima donora elektrona unutar sustava, slabeći napredni kapacitet denitrifikacije, povećavajući tvrdoću efluenta i podižući operativne troškove. Trenutna istraživanja SAD tehnologije primarno su na razini laboratorija i pilota, s nedovoljno inženjerskog iskustva za referencu. Potrebna su daljnja primijenjena istraživanja prije-promidžbe na industrijskoj razini.

MBBR je tipičan predstavnik procesa biofilma s fluidiziranim{0}}slojem i nove tehnologije pročišćavanja otpadnih voda koja je posljednjih godina dobila značajnu pozornost. Koristi suspendirane nosače gustoće bliske vodi za posebno obogaćivanje mikroorganizama, tvoreći biofilm za postizanje naprednog uklanjanja dušika. Postupci biofilma s fluidiziranim-slojem također izbjegavaju probleme začepljenja medija i povratnog ispiranja. Trenutačno čisti biofilm MBBR za naprednu denitrifikaciju uređaja za pročišćavanje otpadnih voda ima preko 20 godina uspješnog operativnog iskustva u inozemstvu i vidi sve širu primjenu u Kini. Zheng Zhijia i sur. koristio je dvo{8}}fazni MBBR proces čistog biofilma za naprednu denitrifikaciju. Na C/N=4.0, nitratni dušik u efluentu sustava stabilizirao se na (1,87 ± 1,07) mg/L, s prosječnom stopom uklanjanja TN od 93,3%. Postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda u razvojnoj zoni u određenom gradu izgradilo je novi MBBR bio-spremnik kao tercijarni napredni tretman za poboljšanu denitrifikaciju. Opterećenje uklanjanja TN u anoksičnom dijelu čistog biofilma MBBR bilo je 1,1 g/(m²·d), poboljšavajući pouzdanost denitrifikacije sustava. Gao Yanbo i dr., s ciljem povećanja kapaciteta izvornog postrojenja, konstruirali su novi dvo-spremnik s AO čistim biofilmom MBBR bio-, postižući stabilan efluent TN ispod 5 mg/L uz visoku učinkovitost denitrifikacije. Stoga, MBBR proces s čistim biofilmom pokazuje veliki potencijal za napredno uklanjanje dušika u uređajima za pročišćavanje otpadnih voda, kombinirajući prednosti poput visoke učinkovitosti iskorištenja izvora ugljika, velikog opterećenja tretmana i malog otiska. Međutim, također postavlja veće zahtjeve za opremu, zahtijevajući pouzdanu opremu za podršku stabilnom radu procesa. Usporedba uobičajenih naprednih procesa uklanjanja dušika prikazana je uTablica 1.

Na temelju sveobuhvatne usporedbe, iako SAD proces ne zahtijeva dodavanje izvora ugljika, njegova trenutna primjena još nije zrela i nosi sekundarne rizike onečišćenja, pa nije uzet u obzir za ovu nadogradnju. Iako se filtri za denitrifikaciju naširoko koriste, uglavnom se koriste u nadogradnjama postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda gdje je projektirani TN ulaznog/otpadnog voda često 15/12 mg/L, podnoseći relativno malo opterećenje uklanjanja TN. Budući da je ovaj projekt zahtijevao ispunjavanje-dugoročnih, visokih zahtjeva za uklanjanje TN, rad bi značajno skratio ciklus ispiranja filtra, povećavajući operativne poteškoće i nestabilnost. MBBR proces s čistim biofilmom kombinira prednosti poput visoke učinkovitosti iskorištavanja ugljika, nema potrebe za ispiranjem, zrelu primjenu i nema sekundarnog onečišćenja. Uzimajući u obzir izazove procesa i zahtjeve obnove, projekt je na kraju odabrao izgradnju novog MBBR bio-spremnika s čistim biofilmom (u daljnjem tekstu MBBR spremnik) kao naprednog rješenja za uklanjanje dušika za prvu fazu, dizajniranog s C/N=4.5, i planiranim razdobljem povrata ulaganja od 7,37 godina.

3. Novi plan izgradnje

3.1 Tijek procesa

Tijek procesa pročišćavanja otpadnih voda nakon obnove prikazan je naSlika 3. Utjecaj postrojenja prolazi kroz fina sita, vrtložne komore za pijesak i primarne taložne spremnike prije nego što uđe u BIOLAK bio-spremnik za uklanjanje organske tvari, amonijačnog dušika itd. Zatim se pumpama podiže u MBBR spremnik za napredno uklanjanje TN. Spremnik MBBR dizajniran je za ulazni TN od 35 mg/L i otpadni TN manji ili jednak 15 mg/L. MBBR efluent se podiže sekundarnim pumpama do postojećeg naprednog tretmana postrojenja za odvajanje čvrste-tekućine i odlaganje mulja. Konačni efluent se dezinficira prije ispuštanja u prihvatnu rijeku. Višak mulja se zgušnjava, oduzima mu se voda i odvozi izvan-gradilišta na odlaganje.

3.2 Novi tenk MBBR

MBBR spremnik koristi AO proces, konstruiran korištenjem Lipp spremnika za modularnu montažu, dovršen za 30 dana. Ukupno vrijeme hidrauličkog zadržavanja sustava (HRT) je 1,43 sata. Specijalizirani aerobni i anoksični suspendirani nosači tipa SPR-III dodaju se unutar spremnika, s omjerom punjenja od 60% u aerobnoj zoni i 55% u anoksičnoj zoni. Nosači su spljoštenog cilindričnog oblika, promjera 25 mm i visine 10 mm, s učinkovitom specifičnom površinom većom ili jednakom 800 m²/m³. Anoksična zona opremljena je s 4 MBBR-namjenska-mješača s promjenjivom frekvencijom (SPR tip kemijske snage), N=5.5 kW svaki, koji osiguravaju jednoliku i dovoljnu fluidizaciju za nosače. Nakon sazrijevanja biofilma, 2 miksera rade rutinski, a druga 2 kao vruća priprava. Aerobna zona koristi puhala za prozračivanje. Pojedinačno puhalo ima kapacitet zraka od 14,50 m³/min, tlak 90 kPa, N=22 kW. Instaliran je jedan set difuzora s perforiranom cijevi za aerobnu zonu (tip SPR). Zbog malog potrebnog volumena prozračivanja, postojeći puhači faze I obično se mogu koristiti, s novim puhalom i puhalima faze I koji služe kao međusobna pomoć. U aerobnoj i anoksičnoj zoni ugrađene su nove rešetke za prihvat materijala (tip SPR), debljine 12 mm, s projektiranim vijekom trajanja od 30 godina.

3.3 Novi prateći objekti

• Sustav utjecaja: Efluent iz bio{0}}spremnika BIOLAK podiže se u MBBR spremnik. 4 ugrađene su ulazne pumpe (2 radne, 2 pripravne), svaka s Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Sustav doziranja izvora ugljika: Efluent iz bio-spremnika faze I BIOLAK sadrži samo KPK koji je teško iskoristiti. Kako bi se osigurala napredna denitrifikacija u anoksičnoj zoni MBBR spremnika, natrijev acetat se koristi kao vanjski izvor ugljika. 4 instalirane su mjerne pumpe (2 radne, 2 pripravne), svaka s Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.