Napredno uklanjanje dušika u PPOV: Čisti biofilm MBBR dizajn procesa i analiza performansi|Studija slučaja

Inženjerski dizajn i izvedba MBBR procesa čistog biofilma za napredno uklanjanje dušika

Sa sveobuhvatnim napretkom izgradnje kineske ekološke civilizacije, standardi ispuštanja za postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda (PPOV) postali su sve stroži. Standard stepena A "Standarda za ispuštanje zagađivača za komunalna postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda" (GB 18918-2002) zahtijeva TN manji ili jednak 15 mg/L, dok lokalni standardi u regijama kao što su Peking i Shandong izričito postavljaju granicu na TN manje od 10 mg/L. Ovi povišeni standardi prelaze samo granice kvaliteta vode, postavljajući strože zahtjeve za stabilnost efluenta. Shodno tome, postoji hitna potreba za povećanjem kapaciteta uklanjanja dušika u procesima tretmana. Jedan pristup je povećanje doze izvora ugljika u postojećem procesu kako bi se poboljšala denitrifikacija, ali to dovodi do visokih operativnih troškova i povećane emisije ugljika. Alternativno, dodavanjem naprednih postrojenja za uklanjanje dušika, često koristeći metode biofilma za efikasno obogaćivanje denitrifikujućih bakterija, može se poboljšati uklanjanje TN, smanjiti potreba za vanjskim izvorima ugljika i smanjiti emisije ugljika. Biofilmski reaktor s pokretnim krevetom (MBBR), sa svojim prednostima snažnog funkcionalnog obogaćivanja bakterijama, malog otiska i jednostavnog rada i održavanja, široko se primjenjuje u izgradnji, proširenju i nadogradnji PPOV. Može stabilno postići standarde ispuštanja bolje od kvaliteta površinskih voda kvazi klase IV i ima značajan potencijal i prednosti za napredno uklanjanje dušika u PPOV. Ovaj članak uzima PPOV u Shandongu kao studiju slučaja za analizu obrazloženja dizajna i operativnih performansi primjene čistog biofilmskog MBBR procesa za napredno uklanjanje dušika, s ciljem pružanja tehničke reference za efikasnu denitrifikaciju otpadnih voda.

1. Pregled projekta

1.1 Uvod u projekat

PPOV u Šandongu je izgrađen u dvije faze. Prva faza, korištenjem procesa BIOLAK, službeno je puštena u rad u novembru 2003. godine sa kapacitetom tretmana od 40.000 m³/d. Prikazan je izgled BIOLAK procesa i dostupno područje za nadogradnjuSlika 1. U početku, kvalitet otpadnih voda zadovoljavao je standard razreda B od GB 18918-2002. Do 2020. godine, kroz poboljšano doziranje izvora ugljika i dodavanje naprednog tretmana, kvalitet otpadnih voda je poboljšan do standarda A razreda. Do 2023. godine, nakon tri godine rada, ukupni kvalitet otpadnih voda generalno bi mogao zadovoljiti standard razreda A, ali se suočio s dva glavna izazova u pogledu uklanjanja dušika:

Visoko doziranje izvora ugljika: Da bi se postigao cilj TN manji od ili jednak 15 mg/L, bila je potrebna značajna količina vanjskog izvora ugljika. Proračuni zasnovani na procesnim sekcijama 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 TN usklađenost. Dodatak velikog izvora ugljika također je negativno utjecao na proces aerobne nitrifikacije, povećavajući potrebu za kisikom u aerobnoj zoni.

Loša stabilnost uklanjanja azota: Pošto su se nitrifikacija i denitrifikacija dešavale u istom rezervoaru pod različitim potrebnim uslovima, operativni parametri su zahtevali često prilagođavanje na osnovu uticajnih promena. Kontrola NH₃-N i TN bila je kontradiktorna, što je otežavalo održavanje stabilne ravnoteže između nitrifikacije i denitrifikacije. Otpornost na udarno opterećenje sistema je bila prosječna, što je dovelo do loše stabilnosti efluenta.

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

1.2 Izazovi nadogradnje

Kako je BIOLAK proces bio neprikladan za-izmjenu u rezervoaru radi poboljšanja performansi, plan je bio da se pojača tretman izgradnjom nove napredne jedinice za uklanjanje dušika. Originalni BIOLAK proces se prvenstveno fokusirao na nitrifikaciju sa denitrifikacijom kao sekundarnom, dok bi se novi proces fokusirao na denitrifikaciju. S obzirom na stvarne potrebe za renoviranjem, projekat se suočio s dva velika izazova: ograničenim raspoloživim zemljištem za novi proces i visokim zahtjevima operativne efikasnosti.

Ograničeno dostupno zemljište za novi proces: Nova izgradnja je morala biti završena u okviru postojeće lokacije fabrike, koja u suštini nije imala rezervisano zemljište. Izgradnja je bila moguća samo na zelenom pojasu uz rezervoare BIOLAK, sa raspoloživom površinom od 400 m². To je značilo da je otisak novog projekta po jedinici tretirane vode morao biti manji ili jednak 0,01 m²/(m³·d).

Visoki zahtjevi operativne efikasnosti: Ovo nije bila jednostavna nadogradnja već dalja optimizacija biohemijske 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 trebao i smanjiti dozu izvora ugljika u odnosu na originalnu BIOLAK denitrifikaciju, istovremeno osiguravajući stabilne performanse denitrifikacije. Stoga su se postavljali visoki zahtjevi kako za efikasnost uklanjanja dušika tako i za efikasnost korištenja izvora ugljika.

2. Poređenje i odabir procesa

Nakon tretmana BIOLAK procesom, efluent TN sastoji se uglavnom od nitratnog dušika. Trenutno, zreli napredni procesi uklanjanja dušika prvenstveno koriste metode biofilma, koje karakteriziraju mikroorganizmi koji se efikasno obogaćuju na nosivim površinama u vezanom stanju, nudeći značajno veću efikasnost obogaćivanja funkcionalnih bakterija od konvencionalnih procesa aktivnog mulja. Procesi biofilma se mogu dalje podijeliti na tipove fiksnog-sloja i pokretnog-sloja na osnovu fluidizacije nosača, kao što je prikazano uSlika 2.Denitrifikacijski filteri, tipični-procesi biofilma u fiksnom sloju, koriste fiksni granularni filter kao nosač mikrobnog rasta. Dodavanjem vanjskog izvora ugljika, oni podstiču denitrifikaciju biofilma i filtraciju medija kako bi se postiglo istovremeno uklanjanje NO₃^--N, SS i drugi zagađivači. Prednosti uključuju stabilan kvalitet tretirane vode, nema potrebe za sekundarnim prečistačima i kompaktan raspored, što ih čini široko korištenim u nadogradnji PPOV kao napredne jedinice za tretman za jačanje uklanjanja TN iz sekundarnih otpadnih voda. Međutim, operativni fokus mora biti na uticaju C/N na naprednu efikasnost denitrifikacije. Projekat nadogradnje PPOV Pingtang, faza I, također sa kapacitetom od 40.000 m³/d, koristio je filter za denitrifikaciju + visoko{7}}efikasnu flotaciju rastvorenog zraka (DAF) kao napredni proces tretmana za podizanje efluentnog TN na kvazi{8}}klasu IV o standardima površinskih voda, a40chi. m²/(m³·d), štedi zemljište i omogućava efikasan tretman, ali sa C/N čak 18,34. Kako bi se ispunili novi lokalni standardi za otpadne vode TN, Postrojenje za melioraciju vode Chengdu No{11}} usvojilo je tank-taložnik visoke gustine i denitrifikujući duboko{13}}filter kao proces nadogradnje, sa C/N od 5,7, postižući napredni tretman prema visokim standardima. Uređaj za prečišćavanje otpadnih voda Dingqiao u Hainingu nije mogao ispuniti standarde za ispuštanje A koji su potrebni za sliv rijeke Qiantang. Gao Feiya i dr. koristio denitrifikujući dubok-filter za napredni tretman TN-a, istovremeno uklanjajući SS i TP, približavajući kvalitet otpadnih voda kvazi{19}}standardima klase IV, ali sa visokim C/N od 15,68, što dovodi do visokih troškova uklanjanja dušika. Osim toga, procesi filtera zahtijevaju redovno ispiranje, obično korištenjem zračne{22}}vode, što može utjecati na radnu stabilnost.

nestabilnost filtera za denitrifikaciju, istraživanje o primjeni autotrofne denitrifikacije na bazi sumpora (SAD) na filterima za denitrifikaciju privuklo je pažnju. SAD koristi elementarni sumpor ili jedinjenja sumpora kao donore elektrona u anaerobnim ili anoksičnim uslovima da bi smanjio NO₃^--N do N₂. Nudi prednosti kao što su dobra efikasnost denitrifikacije, nema potrebe za izvorom organskog ugljika, niski operativni troškovi i niska proizvodnja mulja. Song Qingyuan i dr. proučavao efekat uklanjanja azota SAD filtera na sekundarni efluent. Nakon optimizacije pilot uslova, uklanjanje nitrata je ostalo stabilno iznad 95%, ali je stopa potrošnje medija dostigla 20% godišnje, praćeno povećanom koncentracijom sulfata u efluentu i smanjenim pH. Da bi se izbjegao sekundarni rizik od zagađenja od SAD, Li Tianxin et al. pripremljeni medij peletiziranjem mješavine sumpora i krečnjaka u prahu. Dodavanje određene proporcije krečnjaka u sloj filtera neutralisalo je stvorenu kiselost i proizvelo talog CaSO₄, snižavajući koncentraciju sulfata u efluentu i efikasno rešavajući probleme proizvodnje kiseline i visokog nivoa sulfata. Međutim, krečnjak je zauzimao prostor namijenjen medijima donora elektrona unutar sistema, slabeći napredni kapacitet denitrifikacije, povećavajući tvrdoću efluenta i podižući operativne troškove. Trenutna istraživanja SAD tehnologije su prvenstveno na laboratorijskom i pilotskom nivou, sa nedovoljnim inženjerskim iskustvom za referencu. Potrebna su dalja primijenjena istraživanja prije promocije u industrijskom-razmjeru.

MBBR je tipičan predstavnik procesa biofilma u fluidiziranom{0}}sloju i nove tehnologije za prečišćavanje otpadnih voda koja je privukla značajnu pažnju posljednjih godina. Koristi suspendirane nosače gustine bliske vodi za specifično obogaćivanje mikroorganizama, formirajući biofilm za postizanje naprednog uklanjanja dušika. Procesi biofilma u fluidiziranom{3}}sloju također izbjegavaju probleme začepljenja medija i povratnog ispiranja. Trenutno, čisti biofilm MBBR za naprednu denitrifikaciju PPOV ima preko 20 godina uspješnog operativnog iskustva u inostranstvu i sve širu primjenu u Kini. Zheng Zhijia et al. koristio je dvostepeni MBBR proces čistog biofilma za naprednu denitrifikaciju. Na C/N=4.0, efluentni nitratni azot sistema se stabilizovao na (1,87 ± 1,07) mg/L, sa prosječnom stopom uklanjanja TN od 93,3%. Razvojna zona PPOV u određenom gradu je konstruisala novi MBBR bio-rezervoar kao tercijarni napredni tretman za pojačanu denitrifikaciju. Opterećenje uklanjanja TN-a u anoksičnom dijelu čistog biofilma MBBR iznosilo je 1,1 g/(m²·d), poboljšavajući pouzdanost denitrifikacije sistema. Gao Yanbo i saradnici, sa ciljem povećanja prvobitnog kapaciteta postrojenja, konstruisali su novi-2-stepeni AO čist biofilm MBBR bio-rezervoar, postižući stabilan efluent TN ispod 5 mg/L sa visokom efikasnošću denitrifikacije. Stoga, čisti biofilm MBBR proces pokazuje veliki potencijal za napredno uklanjanje dušika u PPOV, kombinirajući prednosti kao što su visoka efikasnost korištenja izvora ugljika, veliko opterećenje tretmana i mali otisak. Međutim, on takođe postavlja veće zahtjeve za opremu, zahtijevajući pouzdanu opremu koja podržava stabilan rad procesa. Poređenje uobičajenih naprednih procesa uklanjanja dušika prikazano je uTabela 1.

Na osnovu sveobuhvatnog poređenja, iako JCD proces ne zahtijeva dodavanje izvora ugljika, njegova trenutna primjena još nije zrela i nosi sekundarne rizike od zagađenja, tako da nije razmatran za ovu nadogradnju. Iako se filteri za denitrifikaciju široko koriste, oni se uglavnom koriste u nadogradnji PPOV gdje je projektovani ulazni/efluentni TN često 15/12 mg/L, podnošući relativno malo opterećenje uklanjanja TN. Budući da je ovaj projekat zahtijevao dugoročne-udovoljavanje visokih zahtjeva za uklanjanjem TN-a, rad bi značajno skratio ciklus povratnog ispiranja filtera, povećavajući poteškoće u radu i nestabilnost. Čisti biofilm MBBR proces kombinuje prednosti kao što su visoka efikasnost iskorišćenja ugljenika, nema potrebe za ispiranjem, zrela primena i nema sekundarnog zagađenja. Uzimajući u obzir izazove procesa i zahtjeve za renoviranje, projekat je na kraju izabrao izgradnju novog čistog biofilmskog MBBR bio-rezervoara (u daljem tekstu MBBR rezervoar) kao naprednog rješenja za uklanjanje dušika za prvu fazu, dizajniranog sa C/N=4.5, i planiranim periodom povrata investicije od 7,37 godina.

3. Novi plan izgradnje

3.1 Tok procesa

Prikazan je tok procesa prečišćavanja otpadnih voda nakon renoviranjaSlika 3. Utjecaj postrojenja prolazi kroz fina sita, komore za vrtložni grit i primarne taložnike prije nego uđe u BIOLAK bio-rezervoar za uklanjanje organskih materija, amonijačnog dušika, itd. Zatim se pumpama podiže u MBBR spremnik za napredno uklanjanje TN-a. MBBR rezervoar je dizajniran za ulazni TN od 35 mg/L i efluent TN manji ili jednak 15 mg/L. MBBR efluent se podiže sekundarnim pumpama do postojećeg naprednog tretmana postrojenja za odvajanje čvrste-tečnosti i rasipanje mulja. Konačni efluent se dezinfikuje prije ispuštanja u prihvatnu rijeku. Višak mulja se zgušnjava, odvodnjava i transportuje van{10}}odlagališta radi odlaganja.

3.2 Novi MBBR tenk

MBBR rezervoar koristi AO proces, napravljen korišćenjem Lipp rezervoara za modularnu montažu, završen za 30 dana. Ukupno vrijeme hidrauličkog zadržavanja sistema (HRT) je 1,43 sata. Unutar rezervoara se dodaju specijalizovani aerobni i anoksični suspendovani nosači tipa SPR-III, sa omjerom punjenja od 60% u aerobnoj zoni i 55% u anoksičnoj zoni. Nosači su spljošteni cilindrični, 25 mm u prečniku i 10 mm u visini, sa efektivnom specifičnom površinom većom ili jednakom 800 m²/m³. Anoksična zona je opremljena sa 4 MBBR-namjenske miješalice promjenjive-frekvencije (SPR hemijski tip snage), N=5.5 kW svaki, koji obezbjeđuju ujednačenu i dovoljnu fluidizaciju nosača. Nakon sazrevanja biofilma, 2 miksera se rutinski koriste, dok su druga 2 kao vruća pripravnost. Aerobna zona koristi puhaljke za aeraciju. Jedan ventilator ima kapacitet vazduha od 14,50 m³/min, pritisak 90 kPa, N=22 kW. Instaliran je jedan set perforiranih cijevnih difuzora namijenjenih aerobnoj zoni (tip SPR). Zbog malog potrebnog volumena aeracije, postojeće duvaljke faze I obično se mogu koristiti, s tim da novi duvalj i duvaljke faze I služe kao uzajamna rezerva. U aerobnoj i anoksijnoj zoni ugrađuju se nova sita za presretanje materijala (tip SPR), debljine 12 mm, sa projektovanim vijekom trajanja od 30 godina.

3.3 Novi prateći objekti

• Influent System: Efluent iz BIOLAK bio-rezervoara se podiže u MBBR rezervoar. 4 instalirane su ulazne pumpe (2 radne, 2 standby), svaka sa Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Sistem za doziranje izvora ugljenika: Efluent iz bio{0}}rezervoara faze I BIOLAK sadrži samo COD koji je teško iskoristiti. Kako bi se osigurala napredna denitrifikacija u anoksičnoj zoni MBBR rezervoara, natrijum acetat se koristi kao vanjski izvor ugljika. 4 mjerne pumpe su instalirane (2 radne, 2 pripravne), svaka sa Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.