Studija slučaja procesa MBBR+ACCA za nadogradnju i rekonstrukciju gradskog uređaja za pročišćavanje otpadnih voda
U pozadini rastućeg kineskog gospodarstva, tempo industrijalizacije i urbanizacije značajno se ubrzao. Ovaj proces je neizbježno popraćen -{2}}godišnjim povećanjem ispuštanja industrijskih otpadnih voda i kućne kanalizacije, pogoršavajući probleme onečišćenja vode i utječući na izgradnju održive ekološke civilizacije Kine. Sveobuhvatnom provedbom Akcijskog plana za sprječavanje i kontrolu onečišćenja vode, stroži zahtjevi za ispuštanje nametnuti su gradskim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda diljem zemlje. Lokalni standardi u nekim su gradovima dosegli kvazi-klasu IV kvalitete vode, a za otpadne vode koje se ispuštaju u osjetljiva vodna tijela, određeni pojedinačni pokazatelji postupno se približavaju standardu klase III za površinske vode. Međutim, zaostali zagađivači u gradskim otpadnim vodama nakon biološke obrade primarno su ne-biorazgradivi organski spojevi sa slabom biorazgradljivošću. Oslanjanje isključivo na tradicionalne tehnologije biološkog poboljšanja postalo je nedostatno za ispunjavanje sve strožih standarda emisije.
Aktivirani koks posjeduje visokorazvijen mezoporozni sustav koji može adsorbirati makromolekularne zagađivače u vodi. Uz visoku mehaničku čvrstoću, stabilnost, dobru adsorpcijsku učinkovitost i relativno ekonomičnu cijenu, naširoko se primjenjuje u obradi industrijskih otpadnih voda koje je teško biološki razgraditi. Posljednjih godina, tehnologija filtriranja koja koristi aktivni koks kao medij također je pronašla određene primjene u naprednom pročišćavanju komunalnih otpadnih voda, postižući dobre rezultate u konačnom uklanjanju zagađivača. Kombinirajući inženjerski primjer iz projekta nadogradnje na postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda u provinciji Henan, autor je usvojio MBBR+ACCA (Activated Coke Circulating Adsorpcija) proces za nadogradnju pročišćavanja urbanih otpadnih voda. Pokazatelji KPK u otpadnoj vodi, NH3-N i TP zadovoljavaju GB 3838-2002 standard za vodu klase III, što predstavlja referencu za projekte nadogradnje na drugim postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda.
1. Osnovno stanje uređaja za pročišćavanje otpadnih voda
Ukupni projektirani kapacitet ovog uređaja za pročišćavanje otpadnih voda je 50.000 m³/d, uključujući projektirani kapacitet I. faze od 18.000 m³/d i projektirani kapacitet II. faze od 32.000 m³/d. Prvenstveno pročišćava gradsku kućnu kanalizaciju i malu količinu industrijskih otpadnih voda. Nadogradnja je dovršena 2012., pri čemu je otpadna voda udovoljavala standardu razreda 1A standarda za ispuštanje onečišćujućih tvari za komunalna postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda GB 18918-2002. Glavni proces je više-fazni AO + denitrifikacijski filtar + taložnik visoke gustoće. Tijek procesa prikazan je uSlika 1.
Trenutačno uređaj za pročišćavanje otpadnih voda radi gotovo punim kapacitetom. Na temelju trenutnih operativnih podataka, uz dobro održavanje postrojenja, kvaliteta otpadne vode može se stabilno održavati na standardu GB 18918-2002 Grade 1A. Koncentracije u efluentu za COD, BPK5, NH3-N, TN i TP kreću se od 21,77-42,34 mg/L, 1,82-4,15 mg/L, 0,13-1,67 mg/L, 8,86-15,74 mg/L, odnosno 0,19-0,42 mg/L.
Prije nadogradnje, postrojenje se suočilo sa sljedećim problemima: 1) starenje i oštećeni zasloni u odjeljku za prethodnu obradu dopuštali su plutajućim ostacima u biološke spremnike, lako začepljujući pumpe i utječući na kasniju obradu; 2) Nestabilno uklanjanje TN tijekom niskih zimskih temperatura i značajnih oscilacija u kvaliteti i količini vode; 3) Nedovoljan volumen spremnika u biološkim spremnicima faze I i nerazumno dijeljenje anoksične zone, što dovodi do slabe učinkovitosti uklanjanja TN i visoke doze kemikalija za naknadno dodavanje izvora ugljika; 4) Izvorni sustav prozračivanja koristio je zastarjele tradicionalne centrifugalne puhala s velikom potrošnjom energije; 5) Teška začepljenja filterskog medija u denitrifikacijskim filterima, nepotpuno ispiranje i poteškoće u stabilnom radu; 6) Česti kvarovi opreme za miješanje i miješanje u tankovima za taloženje visoke-gustoće; 7) Česti kvarovi na dvije postojeće trakaste filter preše za odvodnjavanje mulja, visok sadržaj vlage u odvodnjenom mulju, veliki volumen mulja i visoki troškovi zbrinjavanja mulja; 8) Nedostatak opreme za kontrolu mirisa za sustave za prethodnu obradu i obradu mulja; 9) Zastarjeli središnji kontrolni sustav s ograničenim kapacitetom pohrane podataka i gubitkom većine funkcija daljinskog upravljanja.
2. Projektiranje kvalitete vode
Uzimajući u obzir godine operativnih podataka o kvaliteti vode iz postrojenja, s razinom pouzdanosti od 90% i uključujući određenu marginu, određena je projektirana utjecajna kvaliteta. Na temelju zahtjeva za kvalitetu okoliša primajućeg vodnog tijela, poboljšani efluent COD, BPK5, NH₃-N i TP moraju zadovoljiti standard vode GB 3838-2002 klase III, dok će se TN i SS pridržavati izvornog standarda. Projektne kvalitete dotoka i odvoda prikazane su uTablica 1.
3. Nadogradnja koncepta i tijeka procesa
3.1 Koncept nadogradnje
U skladu s projektiranom kvalitetom otpadnih voda, ova nadogradnja postavlja veće zahtjeve za COD, BPK5, NH₃-N i TP. Uzimajući u obzir trenutni proces postrojenja, karakteristike kvalitete vode i postojeće probleme, fokus je na poboljšanom uklanjanju KPK, NH3-N i TP uz osiguranje stabilnog uklanjanja TN. Nadalje, ograničeni raspoloživi prostor unutar postojećeg postrojenja zahtijeva potpuno iskorištavanje potencijala postojećih struktura kroz obnovu opreme, intenziviranje procesa i obnovu, s ciljem učinkovitog uklanjanja KPK, NH₃-N, TN i TP. Stoga korištenje izvornih više{6}}stupanjskih AO spremnika i dodavanje suspendiranih nosača za formiranje hibridnog biofilm-aktivnog mulja MBBR procesa može učinkovito poboljšati stabilnost tretmana i otpornost na udarna opterećenja. Duga starost mulja biofilma na nosačima pogodna je za rast nitrifikatora i održavanje visokih koncentracija nitrifikatora, značajno povećavajući kapacitet nitrifikacije sustava. Gusti biofilm unutar nosača ima dugu starost mulja, ugošćuje značajne populacije nitrifikacijskih i denitrifikacijskih bakterija, omogućujući istovremenu nitrifikaciju-denitrifikaciju (SND) i time pojačavajući uklanjanje TN. Stoga je MBBR proces-prikladan za nadogradnju ovog postrojenja.
Na temelju sličnog iskustva s projektom nadogradnje, kako bi se osigurala stabilna usklađenost za COD i TP, i dalje su potrebni dodatni zaštitni uređaji za obradu povrh postojećeg procesa u kombinaciji s MBBR-om. Aktivirani koks, kao porozni materijal, pokazuje značajniju adsorpcijsku izvedbu u usporedbi s aktivnim ugljenom, učinkovito uklanja KPK, SS, TP, boju, itd. Štoviše, biološki aktivirani koks može koristiti vezane mikroorganizme za razgradnju organske tvari, omogućujući regeneraciju adsorpcijskih mjesta dok adsorbira onečišćujuće tvari. Ovaj dinamički mehanizam ravnoteže omogućuje trajan i stabilan rad sustava. Proces cirkulirajuće adsorpcije aktiviranog koksa (ACCA) koristi aktivni koks kao medij, integrirajući filtraciju i adsorpciju. Koristi komprimirani zrak za podizanje i čišćenje medija filtera. Preko obrnutog-zoniranja protoka i jedinstvenog dizajna protoka, osigurava potpuni kontakt između aktiviranog koksa i otpadne vode, postižući krajnje poboljšanje kvalitete vode i jamčeći stabilnu usklađenost efluenta.
Zastarjelu i neispravnu opremu postrojenja zamijenit će tehnološki napredna, energetski -učinkovita oprema kako bi se smanjili operativni troškovi. Konkretno, sita za prethodnu obradu bit će zamijenjena finim sitima s unutarnjim napajanjem za presretanje dlaka i vlakana, sprječavajući začepljenje sita za zadržavanje MBBR nosača.
3.2 Tijek procesa
Nadograđeni tijek procesa prikazan je uSlika 2. Kako bi se ispunili zahtjevi za visinu, dodana je nova podizna pumpna stanica. Novokonstruirani filtar tipa V- služi kao jedinica za prethodnu obradu za naknadnu adsorpciju aktiviranog koksa, osiguravajući stabilnost ACCA sustava. Sirova voda prolazi kroz sita i komore za pijesak kako bi uklonila plutajuće tvari, kosu i čestice prije ulaska u hibridne MBBR biološke spremnike za poboljšano uklanjanje dušika. Miješana tekućina zatim ulazi u sekundarne taložnike za odvajanje krutih tvari. Supernatant se podiže preko nove crpne stanice u denitrifikacijske filtre i taložne tankove visoke-gustoće. Nova crpna stanica diže otpadnu vodu u filtar V-tipa i dvo-stupanjske adsorpcijske spremnike s aktiviranim koksom za naprednu obradu, daljnje uklanjanje KPK, TP, SS, boje, itd. Konačna otpadna voda se dezinficira prije ispuštanja.
4. Projektni parametri velikih jedinica za obradu
4.1 Biološki spremnici
Postojeći biološki spremnici faze I podijeljeni su u dvije skupine s relativno malim volumenom spremnika, ali zdravom strukturom. Stoga su za ovu nadogradnju, uz ispunjavanje zahtjeva za visinu, zidovi spremnika podignuti za 0,5 m. Nakon renoviranja, ukupni efektivni volumen iznosi 10.800 m³, s ukupnim HRT-om od 14,4 h i HRT-om u anoksičnoj zoni od 6,4 h, povećavajući vrijeme zadržavanja anoksije kako bi se poboljšalo uklanjanje TN. Postojeći biološki spremnici faze II imaju efektivni volumen od 19.600 m³, ukupni HRT od 14,7 h i HRT u anoksičnoj zoni od 6,8 h. Ovaj projekt uključivao je zamjenu sustava prozračivanja i nekih zastarjelih potopnih miješalica u biološkim spremnicima faze I i II, te dodavanje visećih nosača i rešetki za zadržavanje. Nosači su izrađeni od poliuretana ili drugih-kompozitnih materijala visokih performansi, s kubičnom specifikacijom od 24 mm, specifičnom površinom od 4000 m²/m³ i omjerom punjenja od 20%. AOR sustava biološke obrade je 853,92 kg O₂/h, s brzinom dovoda zraka od 310,36 Nm³/min.
4.2 Podizna pumpna stanica i spremnik otpadne vode
Izgrađena je nova podizna crpna stanica za pumpanje otpadnih voda iz taložnih tankova visoke-gustoće u filtar V-tipa za daljnju obradu. Spremnik za otpadnu vodu pohranjuje povratnu otpadnu vodu iz filtara. Male pumpe koriste se za ravnomjerno pumpanje otpadne vode povratnog ispiranja u biološke spremnike faze II kako bi se izbjeglo udarno opterećenje. Instalirane su tri sekundarne crpke (2 radne + 1 pripravne, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW), s regulacijom pogona promjenjive frekvencije (VFD). Spremnik otpadne vode za povratno ispiranje opremljen je s 2 prijenosne pumpe (1 radna + 1 pripravnost, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) i jednom potopnom miješalicom (N=2.2 kW) za sprječavanje taloženja.
4.3 V-Vrsta filtra
Konstruiran je novi filtar tipa V- sa strukturalnim dimenzijama od 36,9 m (D) × 29,7 m (Š) × 8,0 m (V). Koristi homogeni filterski medij od kvarcnog pijeska. Filtar je podijeljen u 6 ćelija raspoređenih u dva reda. Izlazna cijev svake ćelije ima električni regulacijski ventil za kontrolu rada konstantne razine vode. Proces ispiranja može se regulirati putem PLC-a. Projektirana brzina filtracije je 7,0 m/h, prisilna brzina filtracije je 8,4 m/h, a jedno-ćelijsko područje filtracije je 49,4 m². Intenzitet vode za povratno ispiranje je 11 m³/(m²·h), intenzitet zraka za povratno ispiranje je 55 m³/(m²·h), a intenzitet površinskog čišćenja je 7 m³/(m²·h). Trajanje ispiranja je 10 minuta. Ciklus povratnog ispiranja je 24 sata (podesiv), perući jednu po jednu ćeliju. Veličina medija kvarcnog pijeska je 1-1,6 mm s k₈₀ < 1,3. Koriste se lijevane-monolitne filtarske ploče.
4.4 Adsorpcijski spremnici s aktivnim koksom
Izgrađen je novi adsorpcijski spremnik aktivnog koksa konstrukcijskih dimenzija 49,5 m (D) × 30,15 m (Š) × 11,0 m (V). Koristi dvo-stupanjsku konfiguraciju filtracije s ukupno 36 ćelija, 18 ćelija po stupnju. Maksimalna stopa filtracije je 6,02 m³/(m²·h), s prosjekom od 4,63 m³/(m²·h). Dimenzije jedne-ćelije prve{11}}faze su D׊×V=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, s vremenom kontakta s praznim slojem (EBCT) od 1,4 h. Dimenzije jedne-ćelije drugog-faza su D׊×V=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, s EBCT od 1,08 h. Sustav koristi 2000 tona aktivnog koksa veličine čestica 2-8 mm, opremljen mobilnim ispiračima koksa, razdjelnicima vode, ulazno/izlaznim pregradama itd.
4.5 Izgradnja aktiviranog koksa
Izgrađena je nova zgrada aktivnog koksa za skladištenje aktivnog koksa i dovod u adsorpcijske spremnike. Strukturne dimenzije su 33,5 m (D) × 13,0 m (Š) × 6,5 m (V). Glavna pomoćna oprema uključuje: 1 aktivirano vibrirajuće sito za odvodnjavanje koksa, 3 pumpe za dovod koksa (2 radne + 1 pripravnosti, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 pumpe za pražnjenje filtrata (1 radne + 1 pripravne, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 zračna kompresora (1 radni + 1 pripravni, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) i spremnik za zrak (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Soba za odvodnjavanje ploče-i-okvira
Nova prostorija za odvodnjavanje ploča-i-okvira izgrađena je pored postojeće prostorije za odvodnjavanje mulja. Zbog ograničenja prostora, konfiguriran je jedan set ploča-i-filter preše s okvirom (površina filtra 300 m²) koji služi kao rezerva trakastoj filtar preši. Pomoćni objekti uključuju jedan spremnik za kondicioniranje (efektivni volumen 80 m³). Količina mulja je 6.150 kg DS/d, sa sadržajem vlage zgusnutog mulja od 97% i sadržajem vlage dehidrirane pogače od 60%. Glavna pomoćna oprema uključuje: 2 pumpe za napajanje (1 rad + 1 pripravnost, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 pumpe za prešanje vode (1 rad + 1 pripravnost, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 pumpa za pranje (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 pumpe za doziranje (1 rad + 1 pripravnost, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 zračni kompresor (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 set spremnika zraka (V=5 m³, P=1.0 MPa) i 1 set jedinice za pripremu PAM-a (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Sustav kontrole mirisa
Dodan je novi biofiltracijski sustav za kontrolu mirisa s projektiranom brzinom protoka zraka od 12.000 m³/h. Plastične cijevi ojačane staklom (GRP) koriste se za prikupljanje i obradu neugodnih mirisa iz sustava za prethodnu obradu i obradu mulja. Okviri od nehrđajućeg čelika i PC izdržljive ploče koriste se za brtvljenje opreme za prethodnu obradu.
4.8 Ostala ažuriranja objekata
- Zamijenjen s 2 fina sita s unutarnjim napajanjem s otvorom od 5 mm, s pužnim transporterima i spremnikom vode za pranje, V=10 m³ i 2 pumpe vode za pranje (1 radna + 1 pripravnost, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Zamijenjen s 4 učinkovitija puhala sa zračnim ovjesom, kontrolirana VFD (3 rada + 1 pripravnosti, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Filtarski medij u postojećim denitrifikacijskim filtrima zamijenjen s 1.800 m³ keramičkog medija (veličina čestica 3-5 mm).
- Zamijenjene su 2 mješalice u tankovima za taloženje visoke-gustoće (brzina 60-80 okretaja u minuti, N=5.5 kW), 4 mješalice za flokulaciju (brzina 10-20 okretaja u minuti, N=2.2 kW) i cijevni taložnici (260 m²).
- Zamijenjena preša s trakom za filtar s 2 m širokom trakom i odgovarajućim zračnim kompresorom, 1 set.
- Koristeći izvornu središnju kontrolnu sobu, ažuriranu opremu, instrumente i uspostavljenu centraliziranu kontrolu, uspostavio-sustav podatkovne komunikacije za cijelu tvornicu kako bi se postigla podatkovna komunikacija između središnje kontrolne sobe i podstanica, kao i automatizacija kontrole proizvodnog procesa.
5. Operativni učinak i tehnički-ekonomski pokazatelji
5.1 Operativna izvedba
Nakon završetka ovog projekta nadogradnje sve jedinice za obradu rade stabilno. Podaci praćenja kakvoće ulaznih i otpadnih voda za 2023. godinu prikazani su uTablica 2.
Kao što je prikazano, prosječne koncentracije efluenta za COD, NH3-N, TN, TP i SS bile su 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 i 2,63 mg/L, s prosječnim stopama uklanjanja od 95,16%, 99,45%, 77,31%, 94,75%, odnosno 97,38%. Otpadni KPK, NH3-N i TP dosljedno su zadovoljavali GB 3838-2002 standard za vodu klase III.
Nadograđeni projekt bio je u funkciji gotovo dvije godine. Rezultati pokazuju da je proces MBBR+ACCA stabilan, učinkovit i proizvodi visoko{2}}kvalitetan otpad, pokazujući jaku otpornost na udarna opterećenja i niske-temperaturne uvjete. Čak i uz minimalnu zimsku temperaturu vode od 9,4 stupnja i značajne fluktuacije kvalitete vode, kvaliteta efluenta ostala je stabilna i zadovoljila je standarde ispuštanja. Prije i nakon nadogradnje, doza izvora ugljika nije se povećala, ali je uklanjanje TN-a značajno poboljšano. To je zato što, s jedne strane, nitrifikacijski mikroorganizmi vezani za MBBR nosače rastu i nakupljaju se u stabilnom aerobnom okruženju, što dovodi do potpunije nitrifikacije. S druge strane, nitrati su dodatno uklonjeni u nadograđenim MBBR spremnicima i anoksičnim spremnicima. Konačni ACCA sustav djeluje kao zaštita, dodatno adsorbira i uklanja neposlušne COD, TP, SS, itd., čineći kvalitetu efluenta stabilnijom. Štoviše, nakon implementacije projekta, postrojenje može proizvoditi visoko{12}}kvalitetnu obnovljenu vodu, postavljajući temelj za buduću ponovnu upotrebu vode.
5.2 Tehnički-ekonomski pokazatelji
Ukupna investicija za ovaj projekt bila je 86,937,600 RMB, uključujući troškove izgradnje i instalacije od 74,438,500 RMB, ostale troškove od 7,593,500 RMB, nepredviđene troškove od 4,101,600 RMB, i početni radni kapital od 804,000 RMB. Nakon stabilnog rada sustava, dodatni trošak električne energije za cijelo postrojenje je 0,11 RMB/m³, trošak aktiviranog koksa je 0,39 RMB/m³, što rezultira ukupnim povećanjem operativnih troškova od približno 0,50 RMB/m³.
6. Zaključak
- Ovim projektom implementirana je obnova opreme, intenziviranje procesa i obnova na postojećem postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda i dodana napredna obrada, poboljšavajući učinkovitost uklanjanja KPK, NH₃-N, TN i TP.
- Nakon nadogradnje, upotrebom glavnog procesa "MBBR+ACCA", KPK u efluentu, NH3-N i TP stabilno su poboljšani sa stupnja 1A na standard površinske vode klase III, a uklanjanje TN je značajno poboljšano.
- Praksa pokazuje da ovaj proces radi stabilno i učinkovito, otporan je na udare opterećenja, proizvodi visoko{0}}kvalitetnu otpadnu vodu i dodaje operativni trošak od približno 0,50 RMB/m³. Može poslužiti kao referenca za projekte nadogradnje i inicijative za ponovno korištenje vode u drugim postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda.