Usporedba dvo-faznih i tro-faznih AO procesa: Inženjerski Perspektiva
Trenutačno većina postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda (WWTP) u Kini usvaja procese za pročišćavanje otpadnih voda-temeljene na aktivnom mulju. Među njima, gotovo polovica koristi anoksični-oksični (AO) proces. AO proces nudi prednosti kao što su stabilan rad i niska cijena. Međutim, njegova ukupna učinkovitost uklanjanja dušika (TN), koja se obično kreće od 60% do 80%, ograničena je unutarnjim omjerima recikliranja. Sa sve strožim nacionalnim zahtjevima za uklanjanje dušika, konvencionalni jedno-fazni AO procesi često se bore da zadovolje zahtjeve za tretman TN. Tako su se pojavili više{10}}fazni AO procesi. Povezivanjem dvaju ili više AO stupnjeva u nizu, nitrat proizveden u prethodnom aerobnom stupnju osigurava supstrat za denitrifikaciju u sljedećem anoksičnom stupnju. Time se postiže cilj smanjenja unutarnjeg omjera recikliranja uz povećanje ukupnog uklanjanja TN. Međutim, prekomjerni stupnjevi također mogu povećati operativnu složenost. Posljedično, najčešće primjenjivane konfiguracije u Kini trenutno su dvo-fazni i tro-fazni AO procesi. Ovaj rad predstavlja komparativnu analizu dvo{18}} i tro{19}}faznih AO procesa koristeći UPOV u južnoj Kini kao studiju slučaja, s ciljem pružanja reference za odabir tehničkih ruta u sličnim projektima.
1 Pregled projekta
UPOV u južnoj Kini pokriva ukupnu površinu od 8 hektara. Njegov izvorni projektirani kapacitet bio je 90 000 m³/d, s kvalitetom efluenta koja je zahtijevala ispunjavanje standarda razreda A "Standarda ispuštanja onečišćujućih tvari za komunalna postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda" (GB 18918-2002) i "Granice ispuštanja onečišćujućih tvari u vodu" provincije Guangdong (DB 44/26-2001) (u daljnjem tekstu "kvaziklasa V"). Tvornica je radila punim kapacitetom. Prema relevantnom planu, bilo je potrebno proširenje. Budući standardi otpadnih voda, temeljeni na trenutnom statusu, morali su uzeti u obzir dugoročne zahtjeve TN manje od ili jednako 10 mg/L. Sveobuhvatno uzimajući u obzir stvarne uvjete lokacije, opseg gradnje za ovo proširenje postavljen je na 70.000 m³/d. Postrojenje bi radilo s 50.000 m³/d u bliskoj budućnosti i dosegnulo ljestvicu od 70.000 m³/d dugoročno, čime bi ukupni kapacitet postrojenja za pročišćavanje iznosio 160.000 m³/d. Projektirana kvaliteta ulazne i otpadne vode prikazana je uTablica 1.
Zbog ograničenja lokacije, preliminarni plan za proširenje usvojio je rutu procesa "Više{0}}fazni AO + periferni-ulazni periferni-vanjski pravokutni taložni spremnik + visoko-učinkoviti sedimentacijski spremnik + vlaknasta ploča-i-okvirni filtar". Građevinski objekti svih većih jedinica izgrađeni su za kapacitet od 70.000 m³/d, dok je oprema ugrađena za kapacitet od 50.000 m³/d. Biološki spremnik bi u bliskoj budućnosti koristio više-fazni AO proces. Dugoročno gledano, dodavanjem suspendiranih nosača stvorio bi se hibridni biofilm-proces s aktivnim muljem kako bi se zadovoljila potreba za povećanjem kapaciteta od 40%. Za ovaj dizajn, hidraulički uvjeti su uzeti u obzir za ljestvicu od 70.000 m³/d, dok je biološka obrada projektirana za ljestvicu od 50.000 m³/d. Kako je ovaj projekt namjeravao usvojiti više-fazni AO proces, provedena je usporedba između dvo-faze i tri-faze AO.
2 Usporedba dvo-faznih i tro-faznih AO procesa
2.1 Tijek procesa
Temeljni princip više{0}}stupanjskog AO procesa je korištenje nitrata proizvedenog u prethodnoj aerobnoj fazi za denitrifikaciju u narednoj anoksičnoj fazi, čime se smanjuje interni omjer recikliranja. Teoretski, više stupnjeva dovodi do boljeg uklanjanja TN, ali kontrola postaje složenija. U inženjerskoj praksi prevladavaju dvo- i tro-stupanjski AO. Njihovi tokovi procesa prikazani su uSlika 1. Za dvo-fazni AO, unutarnja reciklaža obično je dizajnirana unutar prve AO faze. Za tro-fazni AO, interni recikliranje općenito se ne koristi. Postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda u Pekingu koja koriste dvo-fazni AO proces uključuju Qinghe (400 000 m³/d), Xiaohongmen (500 000 m³/d), Gao'antun (400 000 m³/d), Dingfuzhuang (200 000 m³/d) i Huaifang (600 000 m³/d). Ovaj proces nudi prednosti kao što su jednostavna oprema, niski troškovi rada i održavanja, jaka otpornost na udarna opterećenja i visoka kompatibilnost s drugim procesima, olakšavajući buduće nadogradnje kako bi se zadovoljili viši standardi otpadnih voda. Teoretski, tri-stupanjski AO u seriji može eliminirati potrebu za unutarnjom opremom za recikliranje, omogućiti racionalniju raspodjelu izvora ugljika i smanjiti investicijske i operativne troškove. Ovaj se proces prvenstveno primjenjuje u scenarijima s dovoljno izvora ugljika i visokim zahtjevima za uklanjanje dušika. Tipični slučajevi uključuju Qujing WWTP u Yunnanu (80.000 m³/d), Ninghe District Urban WWTP u Tianjinu (90.000 m³/d), Zhangguizhuang WWTP u Tianjinu (200.000 m³/d) i Daoxianghu Reclamation Plant u Pekingu (80.000 m³/d).
2.2 Usporedba procesa
Uzimajući u obzir da nema dodatnog zemljišta za buduće nadogradnje na ovoj lokaciji i da neki novi lokalni projekti već provode standard TN efluenta manji od ili jednak 10 mg/L, usporedba procesa je uzela u obzir TN efluenta biološkog spremnika manjeg ili jednakog 10 mg/L kako bi se prilagodila mogućnost daljnjih strožih zahtjeva za efluent u budućnosti. Ostali pokazatelji su u skladu s projektiranom kvalitetom otpadnih voda. Na temelju rasporeda, za -kratkoročnu skalu od 50 000 m³/d, maksimalno vrijeme hidrauličkog zadržavanja (HRT) za biološki spremnik bilo je 18 sati. Kombinirajući stvarne uvjete projekta, rezultate BioWin simulacije i pogodnost spajanja s visećim nosačima, provedena je usporedba između dvo-faznih i tro-faznih AO procesa.
2.2.1 BioWin simulacija
Početni HRT od 18 sati je postavljen i postupno smanjen. Minimalni HRT koji je postigao zahtjev za TN efluenta bio je 14 sati. Za dvo-fazni AO, utjecajne distribucijske točke bile su anaerobna zona, prva-fazna anoksična zona i druga-fazna anoksična zona. Za tri-stupnja AO, točke utjecaja bile su anaerobna zona, drugi-fazni anoksični pojas i treći-fazni anoksični pojas.
① Studija s fiksnim omjerom raspodjele utjecaja
Postavljanjem omjera distribucije utjecaja na 4:3:3 za obje, simulacije su usporedile tri sheme: dvo-fazni AO (omjer recikliranja 200%), tri-fazni AO s ukupnim omjerom recikliranja od 200% (100% recikliranje unutar prve AO faze + 100% recikliranje od treće oksične zone do prve anoksične zone) i tri-faza AO s omjerom recikliranja od 100% (reciklirajte samo unutar prve AO faze). Tokovi simulacije prikazani su uSlika 2.
Tablica 2prikazuje rezultate simulacije za fiksni omjer utjecaja na HRT=14 h.
Iz tablice 2 može se vidjeti da se i za dvo-fazu i za tri-fazu AO preporučuje postavljanje unutarnjeg recikliranja u prvoj fazi AO kako bi se maksimizirala denitrifikacija u prvoj anoksičnoj zoni korištenjem izvora ugljika u sirovom dotoku. Za tro-fazni AO, postavljanje unutarnjeg recikliranja od kraja trećeg stupnja do prve anoksične zone malo je poboljšalo uklanjanje TN i TP, ali se učinkovitost uklanjanja organske tvari smanjila. Ovo je nagađanje koje se pripisuje povećanom ukupnom protoku u biološkom spremniku zbog recikliranja, koje je prenosilo otopljeni kisik u anoksičnu zonu, utječući na anoksičnu okolinu. Dodatno, stvarni HRT u svakoj zoni se skratio, a prijelaz između radnih uvjeta ubrzao, što je dovelo do smanjene učinkovitosti. Za karakteristike utjecaja poput onih u ovom projektu u južnoj Kini, gdje koncentracija TN nije jako visoka, dvo-stupanjski AO može u potpunosti ispuniti zahtjeve za otpadnim vodama, ne pokazujući nikakvu posebnu prednost za tro-fazni AO. Za scenarije s visokim COD i visokim TN utjecajem, tro-fazni AO mogao bi biti prikladniji.
② Studija o prilagodbi omjera raspodjele utjecaja
I dvo{0}} i tro-fazni AO postavljeni su sa 100% unutarnjim omjerom recikliranja u prvom AO stupnju. Studije su provedene na omjerima distribucije utjecaja na više-točaka (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Ovdje 1:0:0 znači da svi utjecajni ulaze na samom čelu; 3:7:0 za tri-stupnja AO znači da se utjecaj distribuira samo u anaerobnu zonu i drugi stupanj AO. Rezultati simulacije za prilagođene omjere distribucije prikazani su uTablica 3.
Iz tablice 3 može se vidjeti da omjer distribucije ima blagi utjecaj na kvalitetu efluenta. Opći trend je da kako se udio protoka koji se distribuira u kasnijim fazama povećava, koncentracije TN, NH3-N i TP u efluentu rastu, a potreba za prozračivanjem također postupno raste. Kada je omjer dotoka bio 3:7:0, tro-stupanjski AO pokazao je malo bolje uklanjanje TN i nešto niži omjer zraka-i-vode od dvo-stupanjskog AO. Međutim, u stvarnom radu ta je razlika uglavnom zanemariva. Štoviše, povećanje udjela influenta u kasnijim fazama, iako je korisno za iskorištavanje izvora ugljika u denitrifikaciji, neizbježno povećava opterećenje biokemijskih reakcija zbog unosa NH₃-N, organske tvari i TP. Stoga se preporučuje zadržati konfiguraciju s više-točaka utjecaja i napraviti postupne prilagodbe na temelju stvarne kvalitete vode tijekom rada. Vrijedno je napomenuti da, iako je tro-fazni AO pokazao bolje uklanjanje TN nego dvo-fazni AO pri omjeru dotoka 2:4:4, kako se dotok u kasnije stupnjeve povećavao, efluent NH₃-N pokazao je trend rasta, u kojoj točki NH3-N više nije mogao zadovoljiti standard efluenta.
③ Učinkovitost liječenja dva-faza i tri-faza AO
Konfiguracija AO s tri-stupnja simulirana je s HRT=14 h, jednakim omjerima volumena za svaki stupanj (1:1:1), 100% internim recikliranjem postavljenim u prvom stupnju AO i omjerom utjecaja od 4:3:3, pod dva uvjeta: sa 100% recikliranjem i zatvorenim recikliranjem. Dvo{11}}konfiguracija AO simulirana je s HRT=14 h, 100% internim sklopom za recikliranje i omjerom utjecaja od 4:3:3. Rezultati su pokazali da je dvo-fazni AO postigao optimalni TN efluenta na 6,29 mg/L; tro-stupanjski AO sa 100% unutarnjim recikliranjem na prednjoj strani postigao je sljedeći najbolji rezultat od 7,51 mg/L; tro-fazni AO bez unutarnjeg recikliranja pokazao se lošije na 8,52 mg/L. Sva tri scenarija mogu ispuniti zahtjev za verifikaciju efluenta (TN manji ili jednak 10 mg/L).
Tablica 4prikazuje usporedbu projektnih parametara između dvo-stupanjskog i tro-stupanjskog AO. Može se vidjeti da je za oba procesa HRT potreban za postizanje zahtjeva TN efluenta manji od 18 sati. Glavne razlike između ta dva procesa su sljedeće:
a. Teoretski, tro-stupanjski AO ima višu gornju granicu; tj. ako se pravilno koristi, i investicijski i operativni troškovi mogu biti niži. Dvo-stupanjski AO ima manje stavki opreme i stupnjeva, što rezultira nižim troškovima opreme i manjim poteškoćama pri operativnom upravljanju.
b. Za ovaj konkretan projekt, budući da je uzeto u obzir dugoročno i da je volumen spremnika projektiran za 18-satni HRT, civilna investicija bila bi identična bez obzira na to da li se koristi dvo-stupnja ili tri-stupnja AO. Cijena opreme za tro-stupanjski AO je viša. Stoga, iz perspektive ulaganja, usvajanje dvostupanjskog AO je ekonomičnije.
c. Što se tiče operativnih troškova, tro{0}}stupanjski AO mogao bi uštedjeti približno 0,002 CNY/m³ eliminirajući troškove energije za 100% recikliranje miješanih alkoholnih pića. Uzimajući u obzir potencijalno smanjenje učinkovitosti iskorištavanja izvora ugljika u stvarnom radu zbog izmjeničnih anoksičnih/oksičnih uvjeta u tri -stupnja AO, stvarna razlika u operativnim troškovima vjerojatno bi bila još manja.
2.2.2 Analiza dugoročno-scenarija suspendiranog nositelja
Zbog jedinstvenih zahtjeva ovog projekta, biološki spremnik trebao je razmotriti izvedivost i pogodnost dugoročnog -plana proširenja kapaciteta, tj. utjecaj dodavanja visećih nosača.
Srž procesa MBBR je povećanje biomase u reaktoru dodavanjem suspendiranih nosača. Mogu se dodati u aerobne, anoksične ili anaerobne spremnike. Međutim, s obzirom na fluidizaciju nosača, njihovo dodavanje u anaerobne ili anoksične spremnike značajno bi povećalo zahtjeve za snagom miješanja. Stoga se prednost daje dodatku aerobnim spremnicima. Volumen za anaerobne/anoksične zone može se nadopuniti odvajanjem od aerobne zone, dok se nedostatak aerobnog volumena nadoknađuje dodanim nosačima. Drugim riječima, nedovoljan aerobni volumen snosi povećana površina visećih nosača, koja se izračunava na temelju konverzije opterećenja zagađivača kako bi se odredila potrebna količina nosača, kontrolirajući određeni omjer punjenja da bi se dobio dodatni volumen.
Na temelju proračuna, ako se usvoji dvo{0}}fazni AO proces i dugoročno dodaju svi suspendirani nosači u prvu-aerobnu zonu, potrebna površina MBBR nosača bila bi 2.597.708 m², što bi koštalo 12,99 milijuna CNY. Ostali povezani fiksni troškovi opreme (uključujući MBBR fluidizacijske sustave, namjenske miješalice, sustave probiranja i inteligentne sustave upravljanja) bili bi 6,15 milijuna CNY. Ako se prihvati tro-fazni AO proces, zbog više disperziranih zona, MBBR zona bi trebala biti podijeljena u 2 odjeljka (prva-faza i druga-faza aerobne zone). Posljedično, trošak za instaliranje odgovarajuće MBBR fiksne opreme (isključujući same nosače) malo bi se povećao na 7,77 milijuna CNY, dok trošak nosača ostaje isti. To znači da bi usvajanje tro-stupanjskog AO povećalo buduća ulaganja u rekonstrukciju za 1,62 milijuna CNY i također povećala složenost rekonstrukcije. Nadalje, sustav provjere je područje koje je najsklonije problemima nakon dodavanja nosača. Tro-stupanjski AO dodaje dodatni dio zaslona, povećavajući operativne poteškoće.
Iz gornje usporedbe, zbog prekomjerne particije u tro-stupanjskom AO, pri čemu svaka particija ima sličan volumen, poteškoće s naknadnom ugradnjom su veće nego kod dvo-stupanjskog AO. Konstrukcija, radna složenost i dodavanje opreme za probir također rezultiraju većim ulaganjem od dvo-stupanjskog AO. Stoga je usvajanje dvo-stupanjskog AO pogodnije za buduće spajanje s visećim nosačima.
2.3 Rezultat usporedbe
Na temelju gornje analize, i dvo{0}}fazni i tro-fazni AO procesi mogu postići ciljnu TN efluenta manju ili jednaku 10 mg/L. Pod graničnim uvjetima ovog projekta-ograničen prostor, potreba za maksimiziranjem kratkoročnog-volumena spremnika i dugoročni-plan za dodavanje visećih nosača-dva-stupanjski AO ima prednosti u smislu kratkoročnog-ulaganja i pogodnosti upravljanja/održavanja opreme. Također nudi veću kompatibilnost za buduću naknadnu ugradnju s visećim nosačima, što rezultira manjim ukupnim ulaganjem i smanjenom naknadnom ugradnjom i operativnim poteškoćama. Stoga je, nakon sveobuhvatnog razmatranja, za ovaj dizajn preporučen dvo{12}}fazni AO proces.
3 Operativna izvedba
Ukupna procijenjena investicija za ovaj projekt iznosi 304,5721 milijuna CNY, s troškovima izgradnje od 243,6019 milijuna CNY, što znači jediničnu cijenu izgradnje od 3480,03 CNY/m³. Trošak tretmana je 1,95 CNY/m³, a operativni trošak je 1,20 CNY/m³.
Za ovaj projekt, biološki spremnik ima ukupno HRT od 18 sati (sadrži: anaerobnu zonu 2 h, prvu-fazu anoksične zone 3,5 h, prvu-fazu aerobne zone 7,5 h, degas zonu 0,5 h, drugu-fazu anoksične zone 2,5 h, drugu-fazu aerobne zone 2 h), s efektivnom dubinom vode od 8,6 m. Implementiran je podesivi sekcijski vodozahvat, koji omogućuje prilagodbe omjera raspodjele dotoka u koracima od 20% prema potrebi. U stvarnom radu, koncentracija suspendiranih krutih tvari u miješanoj tekućini (MLSS) u biološkom spremniku kreće se od 3500 do 4000 mg/L, omjer povrata mulja kreće se od 40% do 100%, a omjer internog recikliranja miješane tekućine kreće se od 100% do 200%. Stvarna kvaliteta dotoka i efluenta prikazana je uTablica 5, koji je u osnovi usklađen s rezultatima simulacije.
4 Zaključak
Koristeći UPOV u južnoj Kini kao studiju slučaja, tehnička i ekonomska usporedba između dvo-faznih i tro-faznih AO procesa provedena je uz pomoć BioWin simulacije. Dvo-stupanjski AO, s manje stavki opreme i stupnjeva, nižim troškovima opreme i manjim poteškoćama pri operativnom upravljanju, prikladniji je za uvjete u južnoj Kini gdje utjecajni TN nije jako visok. Za tro-fazni AO, postavljanje unutarnjeg recikliranja od kraja treće faze do prve anoksične zone negativno je utjecalo na učinkovitost uklanjanja TN, povećalo poteškoće pri operativnom upravljanju i povećalo investicijske troškove. Dizajn istovremeno zadovoljava -kratkoročne zahtjeve za pročišćavanjem od 50.000 m³/d i TN manji od ili jednak 10 mg/L, dok se dugoročna -ljestvica od 70.000 m³/d može postići spajanjem s visećim nosačima. Stvarni radni rezultati uvelike su u skladu s rezultatima simulacije BioWin, s prosječnim TN efluenta od 6,86 mg/L, što zadovoljava projektne zahtjeve.