Poređenje dvostepenih AO i trostepenih AO procesa: inženjering Perspektiva
Trenutno, većina postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda (PPOV) u Kini usvaja procese zasnovane na aktivnom mulju-za tretman otpadnih voda. Među njima, skoro polovina koristi anoksični-oksidni (AO) proces. AO proces nudi prednosti kao što su stabilan rad i niska cijena. Međutim, njegova efikasnost uklanjanja ukupnog azota (TN), obično u rasponu od 60% do 80%, je ograničena unutrašnjim omjerima recikliranja. Sa sve strožim nacionalnim zahtjevima za uklanjanje dušika, konvencionalni jednostepeni AO procesi se često bore da ispune zahtjeve za tretmanom TN. Tako su se pojavili-višestepeni AO procesi. Povezivanjem dva ili više AO stadijuma u seriju, nitrat proizveden u prethodnoj aerobnoj fazi obezbeđuje supstrat za denitrifikaciju u sledećoj anoksičnoj fazi. Ovim se postiže cilj smanjenja unutrašnjeg omjera recikliranja uz povećanje ukupnog uklanjanja TN-a. Međutim, prekomjerne faze također mogu povećati operativnu složenost. Shodno tome, najčešće primijenjene konfiguracije u Kini su trenutno dvostepeni i trofazni AO procesi-. Ovaj rad predstavlja komparativnu analizu dvostepenih i trostepenih AO procesa koji koriste PPOV u južnoj Kini kao studiju slučaja, sa ciljem da pruži referencu za odabir tehničkih ruta u sličnim projektima.
1 Pregled projekta
PPOV u južnoj Kini pokriva ukupnu površinu od 8 hektara. Njegov prvobitni projektovani kapacitet bio je 90.000 m³/d, sa kvalitetom otpadnih voda koji je bio potreban da zadovolji standarde A razreda "Standarda za ispuštanje zagađujućih materija za komunalna postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda" (GB 18918-2002) i "Granice ispuštanja zagađivača vode (DBG Provin Guce") 44/26-2001) (u daljem tekstu "Kvazi-Klasa V"). Postrojenje je radilo punim kapacitetom. Prema relevantnom planiranju, bilo je potrebno proširenje. Budući standardi za otpadne vode, zasnovani na trenutnom statusu, trebali su uzeti u obzir dugoročni zahtjev za TN manjim ili jednakim 10 mg/L. Sveobuhvatno uzimajući u obzir stvarne uslove lokacije, razmjer građevinske izgradnje za ovo proširenje je postavljen na 70.000 m³/d. Postrojenje bi radilo na 50.000 m³/d u bliskoj budućnosti i dostiglo skalu od 70.000 m³/d u dugoročnom periodu, čime bi ukupni kapacitet postrojenja za tretman bio 160.000 m³/d. Projektovani kvalitet dovodne i efluentne vode prikazan je uTabela 1.
Zbog ograničenja lokacije, preliminarni plan za proširenje usvojio je procesnu rutu "Više-stepeni AO + periferni-u periferiji-van pravokutni taložnik + visoko-taložnik visoke efikasnosti + fiber ploča{8}F{7}F". Civilni objekti svih većih blokova izgrađeni su za 70.000 m³/d, dok je oprema instalirana za kapacitet od 50.000 m³/d. Biološki rezervoar bi u bliskoj budućnosti koristio višestepeni AO proces. Dugoročno gledano, dodavanje suspendiranih nosača stvorilo bi hibridni biofilm{17}}proces aktiviranog mulja kako bi se zadovoljila potražnja za proširenjem kapaciteta od 40%. Za ovaj dizajn su uzeti u obzir hidraulički uslovi za skalu od 70.000 m³/d, dok je biološki tretman projektovan za skalu od 50.000 m³/d. Kako je ovaj projekat imao za cilj usvajanje više-faznog AO procesa, urađeno je poređenje između dvo{26}}i trostepenog- AO.
2 Poređenje dvo-i trostepenih AO procesa
2.1 Tok procesa
Osnovni princip višestepenog AO procesa je korištenje nitrata proizvedenog u prethodnoj aerobnoj fazi za denitrifikaciju u sljedećem anoksičnom stupnju, čime se smanjuje unutrašnji omjer recikliranja. Teoretski, više faza dovodi do boljeg uklanjanja TN-a, ali kontrola postaje složenija. U inženjerskoj praksi dominiraju dvostepeni i trostepeni AO. Njihovi tokovi procesa su prikazani uSlika 1. Za dvostepeni AO, unutrašnje recikliranje je tipično dizajnirano unutar prve AO faze. Za trostepeni AO, interno recikliranje se generalno ne koristi. PPOV u Pekingu koji koriste dvostepeni 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 Huaohongmen (200.000 m³/d), i 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 za otpadne vode. Teoretski, trostepeni AO u seriji može eliminisati potrebu za unutrašnjom opremom za recikliranje, omogućiti racionalniju alokaciju izvora ugljika i smanjiti troškove ulaganja i rada. Ovaj proces se prvenstveno primjenjuje u scenarijima s dovoljnim izvorima ugljika i visokim zahtjevima za uklanjanje dušika. Tipični slučajevi uključuju PPOV Qujing u Yunnan-u (80.000 m³/d), gradsko PPOV u okrugu Ninghe u Tianjinu (90.000 m³/d), Zhangguizhuang PPOV u Tianjinu (200.000 m³/d) i Reclam Beijingu, Plan Daoxiingu000 m³/d).
2.2 Poređenje procesa
Uzimajući u obzir da na ovoj lokaciji nije dostupno dodatno zemljište za buduću nadogradnju i da neki novi lokalni projekti već implementiraju standard TN za otpadne vode manji od ili jednak 10 mg/L, poređenje procesa uzimalo je u obzir TN efluenta biološkog rezervoara manji ili jednak 10 mg/L kako bi se prilagodila mogućnost daljnjih strožijih budućih zahtjeva za otpadnim vodama. Ostali pokazatelji su se pridržavali projektovanog kvaliteta efluenta. Na osnovu rasporeda, za kratkoročnu skalu od 50.000 m³/d, maksimalno vrijeme hidrauličkog zadržavanja (HRT) za biološki rezervoar bilo je 18 sati. Kombinujući stvarne uslove projekta, rezultate BioWin simulacije i pogodnost spajanja sa suspendovanim nosačima, izvršeno je poređenje između dvo{9}}i trostepenih- AO procesa.
2.2.1 BioWin simulacija
Početni HST od 18 sati je postavljen i postupno smanjen. Minimalni HNL koji je postigao zahtjev za efluentnom TN bio je 14 sati. Za dva-stepena AO, uticajne tačke distribucije bile su anaerobna zona, prva-stepena anoksična zona i druga-stepena anoksična zona. Za tri-stepene AO tačke uticaja bile su anaerobna zona, druga-anoksična zona i treća-anoksična zona.
① Studija sa fiksnim omjerom distribucije utjecaja
Postavljanje omjera distribucije utjecaja na 4:3:3 za obje, simulacije su upoređivale tri šeme: dvostepeni AO (omjer recikliranja 200%), trostepeni AO sa ukupnim omjerom recikliranja od 200% (100% recikliranje unutar prve AO faze + 100% recikliranje prve zone A), i Oxic zona od 200% recikliranja trostepeni AO sa omjerom recikliranja od 100% (recikliraj samo unutar prve AO faze). Simulacijski tokovi su prikazani uSlika 2.
Tabela 2prikazuje rezultate simulacije za fiksni omjer utjecaja na HRT=14 h.
Iz tabele 2, može se vidjeti da se i za dvo-i trostepeni- AO preporučuje postavljanje unutrašnjeg recikliranja u prvoj AO fazi kako bi se maksimizirala denitrifikacija u prvoj anoksičnoj zoni korištenjem izvora ugljika u sirovom influentu. Za trostepeni AO, postavljanje unutrašnjeg recikliranja od kraja treće faze do prve anoksične zone je neznatno poboljšalo uklanjanje TN i TP, ali je smanjena efikasnost uklanjanja organske materije. Ovo je spekulacija koja se pripisuje povećanom ukupnom protoku u biološkom rezervoaru zbog reciklaže, koji je nosio rastvoreni kiseonik u anoksičnu zonu, utičući na anoksičnu sredinu. Uz to, stvarni HRT u svakoj zoni je skraćen, a prijelaz između radnih uvjeta ubrzan, što je dovelo do smanjene efikasnosti. Za uticajne karakteristike poput onih u ovom projektu u južnoj Kini, gdje koncentracija TN nije jako visoka, dvostepeni AO može u potpunosti ispuniti zahtjeve za otpadne vode, ne pokazujući izrazitu prednost za trostepeni AO. Za scenarije s visokim COD-om i visokim utjecajem TN-a, trostepeni AO bi mogao biti prikladniji.
② Studija o prilagođavanju omjera distribucije utjecaja
I dvo-i trostepeni- AO su postavljeni sa 100% internim omjerom recikliranja u prvoj AO fazi. Istraživanja su sprovedena na više{4}}omjerima uticaja distribucije (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Ovde, 1:0:0 znači da svi uticajni ulaze na samom frontu; 3:7:0 za trostepeni AO znači da se uticaj distribuira samo na anaerobnu zonu i drugi AO stepen. Rezultati simulacije za prilagođene omjere distribucije prikazani su uTabela 3.
Iz tabele 3 se može vidjeti da omjer raspodjele ima blagi utjecaj na kvalitet efluenta. Opći trend je da kako se udio influenta distribuiranog u kasnijim fazama povećava, koncentracije efluenta TN, NH₃-N i TP rastu, a potražnja za aeracijom također se postepeno povećava. Kada je omjer utjecaja bio 3:7:0, trostepeni AO je pokazao nešto bolje uklanjanje TN-a i nešto manji omjer zraka-prema-vode nego dvostepeni AO-. Međutim, u stvarnom radu ova razlika je općenito zanemarljiva. Štaviše, povećanje udjela utjecaja u kasnijim fazama, dok je korisno za korištenje izvora ugljika u denitrifikaciji, neizbježno povećava opterećenje biokemijskih reakcija zbog unosa NH₃-N, organske tvari i TP. Stoga se preporučuje da se zadrži konfiguracija više-točaka utjecanja i izvrši postepena podešavanja na osnovu stvarnog kvaliteta vode tokom rada. Vrijedi napomenuti da iako je trostepeni AO pokazao bolje uklanjanje TN nego dvostepeni AO pri omjeru utjecaja 2:4:4, kako se utjecaj u kasnijim fazama povećavao, efluent NH₃-N je pokazao trend rasta, u kojem trenutku NH₃}N više nije mogao ispuniti standard {2}Nfluenta.
③ Učinkovitost tretmana dvostupanjskog i trofaznog AO-
Trostepena AO konfiguracija je simulirana sa HRT=14 h, jednakim omjerima zapremine za svaki stupanj (1:1:1), 100% internog recikliranja postavljenim u prvom AO stepenu i omjerom utjecaja od 4:3:3, pod dva uslova: sa 100% recikliranjem i sa zatvorenim recikliranjem. Dvostepena AO konfiguracija je simulirana sa HRT=14 h, 100% internim skupom za recikliranje i omjerom utjecaja od 4:3:3. Rezultati su pokazali da je dvostepeni AO postigao optimalni efluent TN od 6,29 mg/L; trostepeni AO sa 100% unutrašnjim recikliranjem na prednjoj strani postigao je sljedeći najbolji na 7,51 mg/L; trostepeni AO bez unutrašnjeg recikliranja pokazao je lošiji učinak na 8,52 mg/L. Sva tri scenarija bi mogla ispuniti zahtjev za verifikaciju otpadnih voda (TN manji ili jednak 10 mg/L).
Tabela 4prikazuje poređenje parametara dizajna između dvo-i trostepeni- AO. Može se vidjeti da je za oba procesa HRT potreban za postizanje zahtjeva za efluentnom TN manje od 18 sati. Glavne razlike između ova dva procesa su sljedeće:
a. Teoretski, trostepeni AO ima višu gornju granicu; tj., ako se pravilno koristi, i investicioni i operativni troškovi mogu biti niži. Dvostepeni AO ima manje stavki opreme i faza, što rezultira nižim troškovima opreme i manjim poteškoćama u operativnom upravljanju.
b. Za ovaj konkretan projekat, budući da je uzet u obzir dugoročnost i da je zapremina rezervoara projektovana za 18-HRT, civilna investicija bi bila identična bez obzira da li se usvaja dvo- ili trostepeni AO. Cijena opreme za trostepeni AO je veća. Stoga je, iz perspektive ulaganja, usvajanje dvostepenog AO ekonomičnije.
c. Što se tiče operativnih troškova, trostepeni AO bi mogao uštedjeti približno 0,002 CNY/m³ eliminacijom 100% troškova energije recikliranja miješanih alkoholnih pića. Uzimajući u obzir potencijalno smanjenje efikasnosti korištenja izvora ugljika u stvarnom radu zbog naizmjeničnih anoksičnih/oksidnih uslova u trostepenom AO, stvarna razlika u operativnim troškovima bi vjerovatno bila još manja.
2.2.2 Analiza dugoročnog scenarija suspendovanog nosioca
Zbog jedinstvenih zahtjeva ovog projekta, biološki rezervoar je morao razmotriti izvodljivost i pogodnost dugoročnog-plana proširenja kapaciteta, tj. uticaj dodavanja suspendiranih nosača.
Srž MBBR procesa je povećanje biomase u reaktoru dodavanjem suspendiranih nosača. Oni se mogu dodati u aerobne, anoksične ili anaerobne rezervoare. Međutim, s obzirom na fluidizaciju nosača, njihovo dodavanje u anaerobne ili anoksične rezervoare bi značajno povećalo zahtjeve za snagom miješanja. Stoga se prvenstveno preporučuje dodatak aerobnim rezervoarima. Volumen za anaerobne/anoksične zone može se dopuniti 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 osnovu konverzije opterećenja zagađivača kako bi se odredila potrebna količina nosača, kontrolirajući određeni omjer punjenja kako bi se dobio dodatni volumen.
Na osnovu proračuna, ako se usvoji dvostepeni AO proces i dodaju svi suspendovani nosači u prvu-aerobnu zonu na duži rok, potrebna površina MBBR nosača bi bila 2,597,708 m², što bi koštalo 12,99 miliona CNY. Ostali povezani troškovi fiksne opreme (uključujući MBBR sisteme za fluidizaciju, namjenske miksere, sisteme za prosijavanje i inteligentne kontrolne sisteme) iznosili bi 6,15 miliona CNY. Ako se usvoji trostepeni AO proces, zbog više disperzovanih zona, MBBR zona bi morala biti podijeljena na 2 sekcije (prva-faza i druga-aerobna zona). Posljedično, trošak za instaliranje odgovarajuće fiksne opreme MBBR (bez samih nosača) bi se neznatno povećao na 7,77 miliona CNY, dok bi cijena nosača ostala ista. To znači da bi usvajanje trostepenog AO-a povećalo buduća ulaganja u rekonstrukciju za 1,62 miliona CNY, a također bi povećalo složenost naknadne ugradnje. Nadalje, sistem skrininga je područje koje je najsklonije problemima nakon dodavanja nosača. Trostepeni AO dodaje dodatni dio ekrana, povećavajući poteškoće u radu.
Iz gornjeg poređenja, zbog prevelike particije u trostepenom AO, sa svakom particijom sličnog volumena, njena poteškoća naknadnog ugradnje je veća nego kod dvostepenog AO. Konstrukcija, operativna složenost i dodatak opreme za skrining također rezultiraju većim ulaganjima u odnosu na dvostepeni AO. Stoga je usvajanje dvostepenog AO-a pogodnije za buduće spajanje sa suspendiranim nosačima.
2.3 Rezultat poređenja
Na osnovu gornje analize, oba-i trostepeni AO procesi mogu postići ciljni TN efluenta manji od ili jednak 10 mg/L. Pod graničnim uslovima ovog projekta-ograničenog prostora, potrebe za maksimiziranjem skoro{5}}zapremine rezervoara i dugoročnim-planom za dodavanje suspendovanih nosača-dvostepeni-AO ima prednosti u smislu kratkoročnih ulaganja i pogodnosti upravljanja/održavanja opreme. Također nudi veću kompatibilnost za buduću naknadnu ugradnju s visećim nosačima, što rezultira nižim ukupnim ulaganjem i smanjenom naknadnom ugradnjom i operativnim poteškoćama. Stoga je, nakon sveobuhvatnog razmatranja, za ovaj dizajn preporučen dvostepeni AO proces.
3 Operativne performanse
Ukupna procijenjena investicija za ovaj projekat je 304,5721 miliona CNY, sa troškovima izgradnje od 243,6019 miliona CNY, što znači jedinični trošak izgradnje od 3,480,03 CNY/m³. Trošak tretmana je 1,95 CNY/m³, a operativni trošak je 1,20 CNY/m³.
Za ovaj projekat, biološki rezervoar ima ukupno HRT od 18 sati (sastoji se od: anaerobne zone 2 h, prve-anoksične zone 3,5 h, prve -aerobne zone 7,5 h, degasne zone 0,5 h, druge-2 faze anoksične zone. 2 h), sa efektivnom dubinom vode od 8,6 m. Implementiran je podesivi sekcijski unos vode, koji omogućava prilagođavanje omjera distribucije dotoka u koracima od 20% po potrebi. U stvarnom radu, koncentracija miješanih tekućina suspendiranih čvrstih tvari (MLSS) u biološkom spremniku kreće se od 3.500 do 4.000 mg/L, omjer povrata mulja se kreće od 40% do 100%, a interni omjer recikliranja miješane tekućine kreće se od 100% do 200%. Stvarni dotok i kvalitet efluenta su prikazani uTabela 5, što je u osnovi usklađeno s rezultatima simulacije.
4 Zaključak
Koristeći PPOV u južnoj Kini kao studiju slučaja, provedeno je tehničko i ekonomsko poređenje između dvo-i trostepenih- AO procesa uz pomoć BioWin simulacije. Dvostepeni AO, sa manje stavki opreme i faza, nižim troškovima opreme i nižim operativnim poteškoćama u upravljanju, pogodniji je za uslove u južnoj Kini gdje uticaj TN nije jako visok. Za trostepeni AO, postavljanje unutrašnjeg recikliranja od kraja treće faze do prve anoksične zone negativno je uticalo na efikasnost uklanjanja TN-a, povećalo poteškoće u operativnom upravljanju i povećalo troškove ulaganja. Dizajn istovremeno zadovoljava-zahtjeve za kratkotrajni tretman od 50.000 m³/d i TN manji ili jednaki 10 mg/L, dok se dugoročna-skala od 70.000 m³/d može postići spajanjem sa visećim nosačima. Stvarni operativni rezultati su u velikoj mjeri konzistentni sa rezultatima BioWin simulacije, s prosječnim TN efluenta od 6,86 mg/L, što ispunjava zahtjeve dizajna.