Pokročilé odstraňování dusíku v ČOV: Návrh procesu a analýza výkonu čistého biofilmu MBBR|případová studie

Technický návrh a výkon čistého biofilmového MBBR procesu pro pokročilé odstraňování dusíku

S komplexním pokrokem v budování ekologické civilizace v Číně se normy vypouštění pro čistírny odpadních vod (ČOV) stávají stále přísnějšími. Stupeň A standardu „Standard vypouštění znečišťujících látek pro komunální čistírny odpadních vod“ (GB 18918-2002) vyžaduje TN menší nebo rovnou 15 mg/l, zatímco místní normy v regionech jako Peking a Shandong výslovně stanovují limit na TN menší nebo rovný 10 mg/l. Tyto zvýšené standardy přesahují pouhé limity kvality vody a kladou přísnější požadavky na stabilitu odpadních vod. V důsledku toho existuje naléhavá potřeba zvýšit kapacitu odstraňování dusíku v procesech úpravy. Jedním přístupem je zvýšit dávku zdroje uhlíku ve stávajícím procesu za účelem zlepšení denitrifikace, což však vede k vysokým provozním nákladům a zvýšeným emisím uhlíku. Alternativně může přidání pokročilých zařízení na odstraňování dusíku, často využívajících metody biofilmu k účinnému obohacení denitrifikačních bakterií, zlepšit odstraňování TN, snížit potřebu externích zdrojů uhlíku a snížit emise uhlíku. Biofilmový reaktor s pohyblivým ložem (MBBR) se svými výhodami silného funkčního obohacení bakterií, malým půdorysem a jednoduchou obsluhou a údržbou je široce používán při výstavbě, rozšiřování a modernizaci ČOV. Může stabilně dosahovat vypouštěcích norem lepších než kvalita povrchových vod kvazi třídy IV a má významný potenciál a výhody pro pokročilé odstraňování dusíku v ČOV. Tento článek bere ČOV v Shandongu jako případovou studii k analýze zdůvodnění návrhu a provozní výkonnosti aplikace čistého biofilmového procesu MBBR pro pokročilé odstraňování dusíku s cílem poskytnout technickou referenci pro účinnou denitrifikaci odpadních vod.

1. Přehled projektu

1.1 Úvod do projektu

ČOV v Shandongu byla postavena ve dvou fázích. První fáze, využívající proces BIOLAK, byla oficiálně uvedena do provozu v listopadu 2003 s kapacitou čištění 40 000 m³/d. Rozvržení procesu BIOLAK a dostupná oblast pro upgrade jsou zobrazeny vObrázek 1. Zpočátku kvalita odpadních vod odpovídala standardu Grade B GB 18918-2002. Do roku 2020 se díky lepšímu dávkování zdroje uhlíku a přidání pokročilého čištění zlepšila kvalita odpadních vod na standard třídy A. Do roku 2023, po třech letech provozu, by celková kvalita odpadních vod mohla obecně splňovat standard třídy A, ale čelila dvěma hlavním problémům ohledně odstraňování dusíku:

Dávkování zdroje s vysokým obsahem uhlíku: K dosažení cíle TN menšího nebo rovného 15 mg/l bylo zapotřebí značné množství externího zdroje uhlíku. Výpočty založené na úsecích procesu ukázaly poměr C/N až 5,9, zatímco proces AAO ve druhé fázi závodu vyžadoval pouze C/N 4,5–5,0, aby byla zajištěna stabilní shoda TN. Přídavek velkého zdroje uhlíku také nepříznivě ovlivnil proces aerobní nitrifikace a zvýšil spotřebu kyslíku v aerobní zóně.

Špatná stabilita odstraňování dusíku: Vzhledem k tomu, že nitrifikace a denitrifikace probíhaly ve stejné nádrži za různých požadovaných podmínek, vyžadovaly provozní parametry časté úpravy na základě změn přítoku. Řízení NH₃-N a TN bylo rozporuplné, takže bylo obtížné udržet stabilní rovnováhu mezi nitrifikací a denitrifikací. Odolnost systému proti nárazovému zatížení byla průměrná, což vedlo ke špatné stabilitě odpadních vod.

Proto bylo nutné upgradovat původní proces BIOLAK s hlavním cílem vyřešit konflikt mezi nitrifikací a denitrifikací, snížit provozní náklady na odstraňování dusíku a zlepšit stabilitu odpadních vod.

1.2 Úkoly upgradu

Vzhledem k tomu, že proces BIOLAK nebyl vhodný pro-úpravu v nádrži za účelem zvýšení výkonu, bylo v plánu posílit čištění konstrukcí nové pokročilé jednotky na odstraňování dusíku. Původní proces BIOLAK se primárně zaměřoval na nitrifikaci s denitrifikací jako sekundární, zatímco nový proces by se zaměřoval na denitrifikaci. Vzhledem ke skutečným potřebám renovace čelil projekt dvěma hlavním výzvám: omezená dostupná plocha pro nový proces a vysoké požadavky na provozní efektivitu.

Omezený počet pozemků pro nový proces: Nová výstavba musela být dokončena v rámci stávajícího areálu závodu, který v podstatě neměl vyhrazené pozemky. Stavba byla možná pouze na zeleném pásu přilehlém k nádržím BIOLAK s dostupnou plochou 400 m². To znamenalo, že stopa nového projektu na jednotku upravené vody musela být menší nebo rovna 0,01 m²/(m³·d).

Vysoké požadavky na provozní účinnost: Nešlo o jednoduchý upgrade, ale o další optimalizaci biochemické funkční zóny. Očekávalo se, že nová jednotka zvládne zátěž odstraňování dusíku 20 mg/l. Tento proces bylo nutné nejen dokončit na omezeném území, ale také bylo potřeba snížit dávku zdroje uhlíku ve srovnání s původní denitrifikací BIOLAK při zajištění stabilního výkonu denitrifikace. Byly tedy kladeny vysoké požadavky jak na účinnost odstraňování dusíku, tak na účinnost využití zdroje uhlíku.

2. Porovnání a výběr procesů

Po úpravě procesem BIOLAK se odpadní voda TN skládá převážně z dusičnanového dusíku. V současné době vyspělé pokročilé procesy odstraňování dusíku primárně využívají biofilmové metody, charakterizované mikroorganismy účinně obohacujícími povrchy nosičů v připojeném stavu, nabízející výrazně vyšší účinnost obohacování funkčních bakterií než konvenční procesy s aktivovaným kalem. Procesy biofilmu lze dále rozdělit na typy s pevným-ložem a pohyblivým-ložem na základě fluidizace nosiče, jak je znázorněno naObrázek 2Denitrifikační filtry, typické procesy s biofilmem s pevným{0} ložem, používají jako nosiče mikrobiálního růstu fixní granulovaná filtrační média. Přidáním externího zdroje uhlíku využívají denitrifikaci biofilmu a filtraci média k dosažení současného odstranění NO₃^--N, SS a další znečišťující látky. Mezi výhody patří stabilní kvalita vyčištěné vody, není potřeba sekundárních čističek a kompaktní uspořádání, díky čemuž jsou široce používány při modernizacích ČOV jako pokročilá čistící jednotka pro posílení odstraňování TN ze sekundárních odpadních vod. Provozní zaměření se však musí zaměřit na dopad C/N na pokročilou účinnost denitrifikace. Projekt modernizace ČOV Pingtang Fáze I, rovněž s kapacitou 40 000 m³/d, využíval denitrifikační filtr + vysoce{7}}účinnou flotaci rozpuštěným vzduchem (DAF) jako pokročilý proces čištění ke zvýšení TN odpadních vod na kvazi{8}}standardy povrchové vody třídy IV (účinnost pro povrchovou vodu třídy IV, což umožňuje úsporu 5 m²/04 pevniny/m²··04). ošetření, ale s C/N až 18,34. Aby splnila nové místní standardy pro odpadní TN, závod Čcheng-tu č ČOV Dingqiao v Hainingu nemohla splnit standardy vypouštění stupně A požadované pro povodí řeky Qiantang. Gao Feiya a kol. použili denitrifikační hluboký-filtr pro pokročilé čištění TN, který současně odstraňuje SS a TP, čímž se kvalita odpadních vod přibližuje kvazi{19}}standardům třídy IV, ale s vysokým C/N 15,68, což vede k vysokým nákladům na odstranění dusíku. Filtrační procesy navíc vyžadují pravidelné zpětné promývání, obvykle pomocí praní vzduchem{22}}vodou, což může ovlivnit provozní stabilitu.

nestability v denitrifikačních filtrech, získal pozornost výzkum aplikace autotrofní denitrifikace na bázi síry (SAD)- na denitrifikační filtry. SAD využívá elementární síru nebo sloučeniny síry jako donory elektronů za anaerobních nebo anoxických podmínek ke snížení NO3^--N až N₂. Nabízí výhody, jako je dobrá účinnost denitrifikace, není potřeba zdroje organického uhlíku, nízké provozní náklady a nízká produkce kalu. Song Qingyuan a spol. studovali účinek odstraňování dusíku SAD filtrem na sekundární odpadní vody. Po optimalizaci pilotních podmínek zůstalo odstranění dusičnanů stabilní nad 95 %, ale míra spotřeby média dosáhla 20 % ročně, což bylo doprovázeno zvýšenou koncentrací síranů v odpadních vodách a sníženým pH. Aby se zabránilo sekundárním rizikům znečištění ze SAD, Li Tianxin et al. připravená média peletizací směsi síry a vápencového prášku. Přidání určitého podílu vápence do filtračního lože neutralizovalo vytvořenou kyselost a vytvořilo sraženinu CaSO4, čímž se snížila koncentrace síranů ve výtocích a účinně se vyřešily problémy s produkcí kyselin a vysokými hladinami síranů. Vápenec však zabíral v systému prostor určený pro média donoru elektronů, což oslabovalo pokročilou denitrifikační kapacitu, zvyšovalo tvrdost odpadních vod a zvyšovalo provozní náklady. Současný výzkum technologie SAD je primárně v laboratorním a pilotním měřítku, s nedostatečnými technickými zkušenostmi pro referenci. Před propagací{13}}v průmyslovém měřítku je zapotřebí další aplikovaný výzkum.

MBBR je typickým představitelem procesů s biofilmem ve fluidním loži{0} a nové technologie čištění odpadních vod, které se v posledních letech dostalo značné pozornosti. Využívá suspendované nosiče s hustotou blízkou vodě ke specifickému obohacení mikroorganismů, čímž se vytvoří biofilm pro dosažení pokročilého odstraňování dusíku. Procesy biofilmu ve fluidním loži- také zabraňují problémům s ucpáváním médií a zpětným proplachem. V současné době má čistý biofilm MBBR pro pokročilou denitrifikaci ČOV více než 20 let úspěšných provozních zkušeností v zahraničí a v Číně se stále více uplatňuje. Zheng Zhijia a kol. pro pokročilou denitrifikaci použil dvou-fázový čistý biofilmový MBBR proces. Při C/N=4.0 se vypouštěný dusičnanový dusík ze systému stabilizoval na (1,87 ± 1,07) mg/l, s průměrnou rychlostí odstraňování TN 93,3 %. Rozvojová zóna ČOV v určitém městě postavila novou bionádrž MBBR{15}}jako terciární pokročilou úpravu pro lepší denitrifikaci. Zátěž odstraněním TN v anoxické části čistého biofilmu MBBR byla 1,1 g/(m²·d), což zlepšilo spolehlivost systému denitrifikace. Gao Yanbo et al. s cílem zvýšit kapacitu původního závodu zkonstruovali novou dvou{20}}nádrž na biofilm MBBR s čistým biofilmem AO{21}}, která dosáhla stabilního TN odtoku pod 5 mg/l s vysokou účinností denitrifikace. Čistý biofilmový proces MBBR tedy ukazuje velký potenciál pro pokročilé odstraňování dusíku v ČOV, přičemž kombinuje výhody, jako je vysoká účinnost využití zdroje uhlíku, vysoké zatížení čištěním a malá stopa. Klade však také vyšší nároky na vybavení, které vyžaduje spolehlivé vybavení pro podporu stabilního provozu procesu. Srovnání běžných pokročilých procesů odstraňování dusíku je uvedeno vTabulka 1.

Na základě komplexního srovnání, ačkoli proces SAD nevyžaduje přidávání zdroje uhlíku, jeho současná aplikace ještě není zralá a nese sekundární rizika znečištění, takže se o něm u této modernizace neuvažovalo. I když jsou denitrifikační filtry široce používány, většinou se používají při modernizacích ČOV, kde je návrhový přítok/odtok TN často 15/12 mg/l, což umožňuje relativně malé zatížení odstraněním TN. Vzhledem k tomu, že tento projekt vyžadoval dlouhodobé-splnění vysokých nároků na odstranění TN, provoz by výrazně zkrátil cyklus zpětného proplachování filtru, což by zvýšilo provozní obtížnost a nestabilitu. Čistý biofilmový proces MBBR kombinuje výhody, jako je vysoká účinnost využití uhlíku, není potřeba zpětného proplachování, vyzrálá aplikace a žádné sekundární znečištění. S ohledem na procesní výzvy a požadavky na renovaci projekt nakonec vybral stavbu nové čisté biofilmové MBBR bio-nádrže (dále jen MBBR nádrž) jako pokročilého řešení odstraňování dusíku pro první fázi, navržené s C/N=4.5 a plánovanou dobou návratnosti investice 7,37 let.

3. Nový stavební plán

3.1 Průběh procesu

Průběh procesu čištění odpadních vod po renovaci je znázorněn vObrázek 3. Přítok z elektrárny prochází jemnými síty, vířivými komorami a primárními sedimentačními nádržemi, než vstoupí do bio-nádrže BIOLAK pro odstranění organické hmoty, amoniakálního dusíku atd. Poté je čerpadly zvednut do nádrže MBBR pro pokročilé odstraňování TN. Nádrž MBBR je navržena pro přítok TN 35 mg/l a výtokový TN menší nebo rovný 15 mg/l. Odtok MBBR je čerpán sekundárními čerpadly do stávajícího pokročilého čištění závodu pro separaci pevných-kapalin a plýtvání kalem. Konečný odpad je před vypuštěním do přijímací řeky dezinfikován. Přebytečný kal se zahušťuje, odvodňuje a přepravuje{10}}z místa k likvidaci.

3.2 Nová nádrž MBBR

Nádrž MBBR využívá AO proces, konstruovaný pomocí nádrží Lipp pro modulární montáž, dokončenou za 30 dní. Celkový hydraulický retenční čas systému (HRT) je 1,43 hodiny. Uvnitř nádrží jsou přidány specializované aerobní a anoxické nosiče typu SPR-III, s poměrem plnění 60 % v aerobní zóně a 55 % v anoxické zóně. Nosiče jsou zploštělé válcové, o průměru 25 mm a výšce 10 mm, s efektivním specifickým povrchem větším nebo rovnou 800 m²/m³. Anoxická zóna je vybavena 4 MBBR-vyhrazenými proměnnými-frekvenčními mixéry (typ chemického výkonu SPR), každý N=5.5 kW, které zajišťují rovnoměrnou a dostatečnou fluidizaci nosičů. Po vyzrání biofilmu jsou rutinně provozovány 2 mixéry, zbylé 2 jako hot standby. Aerobní zóna využívá k provzdušňování šneková dmychadla. Jednodmychadlo má kapacitu vzduchu 14,50 m³/min, tlak 90 kPa, N=22 kW. Je instalována jedna sada aerobních zón vyhrazených perforovaných trubkových difuzorů (typ SPR). Vzhledem k malému požadovanému provzdušňovacímu objemu lze obvykle použít stávající dmychadla I. fáze, přičemž nová dmychadla a dmychadla I. fáze slouží jako vzájemné zálohy. V aerobní i anoxické zóně jsou instalovány nové materiálové záchytné zástěny (typ SPR), tloušťky 12 mm, s projektovanou životností 30 let.

3.3 Nová podpůrná zařízení

• Vlivný systém: Odpadní voda z bionádrže BIOLAK-je čerpána do nádrže MBBR. 4 jsou instalována vstupní čerpadla (2 provozní, 2 pohotovostní), každé s Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Systém dávkování zdroje uhlíku: Odpadní voda z bionádrže Phase I BIOLAK-obsahuje pouze CHSK, kterou je obtížné využít. Pro zajištění pokročilé denitrifikace v anoxické zóně nádrže MBBR se jako externí zdroj uhlíku používá octan sodný. 4 jsou instalována dávkovací čerpadla (2 provozní, 2 pohotovostní), každé s Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.