Aplikace modifikovaného procesu AAO při čištění domácích odpadních vod uhelných dolů
Domovní odpadní vody v uhelných dolech pocházejí především ze zaměstnaneckých jídelen, ubytoven, kanceláří, prádelny a koupelen, přičemž kanalizace ke koupání tvoří více než 55 % z celkového objemu. Vypouštění vody ke koupání je poměrně koncentrované, což vede k výraznému kolísání průtoku. Odvodnění ke koupání se vyznačuje nižší koncentrací organických látek a vyšším obsahem nerozpuštěných látek (SS) a značně se liší od typických domovních odpadních vod. Jeho postupný průběh vypouštění s jinými toky odpadních vod přispívá k podstatné variabilitě kvality vody.
Většina uhelných dolů v Číně se nachází v odlehlých oblastech, kde jsou náklady na přepravu kalu vysoké. Proto by měly být zvoleny procesy čištění s nižší výtěžností kalu. Jak se doly rozvíjejí a počet zaměstnanců se zvyšuje, průtok odpadní vody často překračuje původní projektovanou kapacitu, což vyžaduje procesy se silnou přizpůsobivostí změnám v kvalitě a množství vody v rámci stejné stopy. Podle stále přísnějších environmentálních politik vyžadujících plné opětovné použití vyčištěných odpadních vod s nulovým vypouštěním musí procesy poskytovat vysokou a stabilní kvalitu odpadních vod.
V současnosti je při čištění komunálních odpadních vod preferovanou volbou proces AAO (Anaerobní-Anoxický-Oxický). Tento článek analyzuje účinnost aplikace modifikovaného procesu AAO (AAO + proces se zavěšeným nosičem) pro domácí odpadní vody z uhelných dolů na základě jeho jedinečných vlastností.
1. Upravený proces AAO
Proces AAO je nejjednodušší konfigurace průtoku pro současné odstraňování dusíku a fosforu. Vláknité bakterie se nemohou extenzivně množit za střídajících se anaerobních, anoxických a aerobních podmínek, což zabraňuje hromadění kalu. Nevyžaduje žádné chemické přidávání, pouze mírné míchání v anaerobních a anoxických nádržích, což má za následek nízké provozní náklady. Kal má vysoký obsah fosforu, což mu dává dobrou hodnotu hnojiva.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200 %, tato vnitřní recyklace spotřebovává značné množství energie. Odpadní voda vstupující do sekundárního čističe musí udržovat určitou hladinu rozpuštěného kyslíku (DO), aby se zabránilo anaerobním podmínkám a uvolňování fosforu, ale ne příliš vysoká, aby se zabránilo interferenci s denitrifikací v anoxické nádrži prostřednictvím recyklovaného směsného louhu.
Modifikovaný proces AAO (AAO + proces pozastaveného nosiče) účinně zmírňuje tyto nevýhody. Zvyšuje mikrobiální hmotu v biologických nádržích, zvyšuje objemové zatížení, dosahuje úplného oddělení hydraulického retenčního času (HRT) a kalového retenčního času (SRT), posiluje odolnost vůči hydraulickému a organickému rázovému zatížení, poskytuje dobrou kvalitu odpadních vod i při zdrojích s nízkým obsahem uhlíku, produkuje méně a stabilnější kal (snižuje požadavky na kapacitu manipulace s kalem). Odpadní voda může splňovat standardy kvality vody „The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water“ (GB/T 18920-2020) a „Code for Design of Coal Preparation Engineering“ (GB 50359-2016) pro praní uhlí. Hou Feng a kol. aplikoval proces AAO+suspendovaného nosiče v podzemní čistírně odpadních vod, čímž dosáhl standardů Grade 1A podle "Standardu vypouštění znečišťujících látek pro čistírny komunálních odpadních vod" (GB 18918-2002), přičemž klíčové ukazatele (CHSK, BSK5, NH3-N, TP) dosáhly standardů třídy IV podle standardů kvality "Environmental Water" (Environmental Water" 203GB Standards for Surface Water" 203GB). Hao Ruigang a kol. použila "A/O Bio-kontaktní oxidace + perforovaná vířivá flokulace + sedimentace se šikmými trubicemi + aktivní písková filtrace" při rozšiřování domácí čistírny odpadních vod uhelného dolu, čímž bylo dosaženo lepší kvality odpadních vod než stupeň 1A. Yan Ziyu a kol. také dosáhlo dobrých výsledků pomocí biofilmových procesů pro modernizaci stávajícího čištění odpadních vod z uhelných dolů. Modifikovaný proces AAO umožňuje zvýšení kapacity a zlepšení kvality odpadních vod ve stávajících závodech s minimálními úpravami.
Tento proces zahrnuje přidávání suspendovaných nosičů do anoxických a aerobních nádrží, což kombinuje výhody procesů s aktivovaným kalem a biofilmem. Vyznačuje se vysokým objemovým zatížením, velkou biomasou, vysokou účinností zpracování, silnou přizpůsobivostí 水质和水量的变化, zvýšenou stabilitou procesu a dobrým odstraňováním živin. Tvoří vysoce specializované aktivní biofilmy, zvyšuje účinnost na objem reaktoru a stabilitu, což umožňuje menší reaktory. Kal z kalu z biofilmu obsahuje více prvoků/metazoí, má vyšší hustotu a větší velikost částic, což vede k dobré usazovatelnosti a snadné separaci pevných-kapalin. Umožňuje úplnou separaci SRT-HRT, eliminuje hromadění kalu a je vhodný pro odpadní vody bohaté na rozpustné organické látky.
2.1 Případová studie
Uhelný důl ve městě Yan'an, přibližně 16 km od města Zichang, má domácí čistírnu odpadních vod s projektovanou kapacitou 1200 m³/d. Proces je: „Obrazovka + vyrovnávací nádrž + AAO se zavěšenými nosiči + pokročilá léčba (koagulace-sedimentace-filtrace) + dezinfekce“. Kal je zpracován pomocí "Gravitation Thickening + Screw Press Dewatering". Odpadní voda splňuje přísnější limity *GB/T 18920-2020* a GB 50359-2016 pro vodu na praní uhlí. Upravená voda je znovu využívána pro důlní zeleň a jako doplňovací voda v úpravně uhlí. Design přítoku/odtokové kvality je inTabulka 1. Průběh procesu je zobrazen vObrázek 1.
Odpadní voda prochází sítem (mezera 5 mm, úhel instalace 75 stupňů) do vyrovnávací nádrže (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, efektivní hloubka 2,95 m, objem 247,8 m³, HRT 4,13 h), splňující požadavky GB 50810-2012. Dva mixéry zabraňují usazování. Tři ponorná čerpadla (2 provozní +1 pohotovostní režim, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) čerpají vodu do biologických nádrží.
Biologický systém se skládá ze dvou paralelních vlaků. Na vlak:
- Anaerobní nádrž: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, efektivní hloubka 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Anoxická nádrž: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, efektivní hloubka 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Aerobní nádrž: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, efektivní hloubka 4,0 m, HRT 10,0 h. Celková systémová HRT je 15,75 h. V aerobní nádrži jsou instalovány závěsné nosiče (poměr plnění 80 %, měrná plocha 600 m²/m³). Designový poměr vzduchu-k-vodě je 13,7:1. Používají se tři Rootsova dmychadla (2 provozní +1 pohotovostní režim, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). Poměr recyklace kalu je 100 %, poměr recyklace směsného louhu je 200 %.
Dva pravoúhlé obvodové -vstupní/výstupní sekundární čističky (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m každý) mají plošné zatížení 1,2 m³/(m²·h) a HRT 2,5 h.
Integrovaný čistič vody (kombinující koagulaci, sedimentaci, filtraci) poskytuje pokročilé čištění pro další odstraňování SS a fosforu.
Úprava kalu zahrnuje gravitační zahušťování (Φ2,5 m×5,0 m nádrž z uhlíkové oceli) s následným odvodněním pomocí šnekového lisu. Polyakrylamid (PAM) se před odvodněním dávkuje v množství 3,0–5,0 kg/t sušiny. Denní odvodněný kalový koláč je menší nebo roven 150 kg s obsahem vlhkosti menším nebo rovným 80 %, transportován mimo-místo.
Dezinfekce využívá -místní generátor ClO2 (účinná dávka chloru 120 g/h) dávkovaný na vstupu čiré studny. Čirá studna má efektivní objem 250 m³, poskytuje dobu kontaktu 4,2 hodiny.
Zařízení je vybaveno rozsáhlým online monitorováním (průtokoměry, zbytkový chlor, pH, DO, CHSK, zákal, hladina/koncentrace kalu) a automatizovanými řídicími systémy pro čerpadla, dmychadla, zpětné proplachování, dávkování chemikálií a míchání, které zajišťují inteligentní, bezobslužný provoz.
2.2 Analýza výkonu
Závod dokončil uvedení do provozu v roce 2021 a funguje více než dva roky. Skutečná kvalita přítoku/odtoku za rok 2024 je uvedena vTabulka 2.
Přítokový poměr BSK5/N je 5,5, což ukazuje na nízký poměr uhlíkových-k-dusíku (C/N) odpadních vod, který se v létě dále snižuje v důsledku infiltrace dešťových srážek a změn návyků. Extrémní zimní teploty v Yan'anu mohou dosáhnout -21 stupňů. Skutečná kvalita odpadních vod je lepší než design, s mírami odstraňování dosahujícími: CHSK 97,8 %, BSK5 99.7 %, SS 99,7 %, NH3-N 93,5 %, TP 87,10 %, splňující normy pro 绿化 a praní uhlí.
Aktivní hmota biofilmu v anoxických/aerobních nádržích dosahuje až 125 g/m² nosiče, což odpovídá MLSS 13 g/l-čtyřnásobek běžného aktivovaného kalu. Mikroorganismy jsou ve fázi endogenního dýchání, což má za následek denní produkci kalu asi 1/3 konvenčních metod, s lepší usazovatelností, což umožňuje menší zařízení na úpravu kalu.
Ačkoli bio{0}}kontaktní oxidace může fungovat bez recyklace kalu, výzkum Xiong Ren et al. ukazuje, že systémy s recyklací dosahují vyšších rychlostí odstraňování pro CHSK, TN, NH3-N, SS a snižují výtěžnost kalu o 29,6 %. Tento design zahrnuje recyklaci směsného louhu s provozní flexibilitou založenou na kvalitě odpadních vod.
Závod (1200 m³/d) zabírá 1350,3 m², s kapitálovou investicí 20 milionů CNY a provozními náklady 1,05 CNY/m³.
Ve srovnání s konvenčním AAO, který vyžaduje rozšířenou SRT pro efektivní nízkoteplotní{0}}provoz, si tento upravený proces zachovává jednoduchost současného odstraňování živin a zároveň obohacuje biologickou komunitu o nosiče. Separace SRT-HRT zvyšuje biologickou-stabilitu a zajišťuje spolehlivý provoz za podmínek nízké C/N a nízkých-teplot. Stabilní odpadní vodu lze udržovat s malou nebo žádnou recyklací kalu, což umožňuje- snížení kalu na místě a nižší náklady na manipulaci s kalem. Díky své jednoduchosti a nedostatku objemu je velmi vhodný pro čištění domovních odpadních vod uhelných dolů.
3. Optimalizační výzkum pro proces AAO
Modifikované procesy AAO jsou obvykle navrženy podle parametrů v „Standardu pro navrhování venkovního inženýrství odpadních vod“ (GB 50014-2021). Pro identifikaci optimálních podmínek pro budoucí projektování a provoz je však zapotřebí optimalizace provozních parametrů (HRT, SRT, provzdušňování, recyklační poměry, MLSS) specifických pro odpadní vody z uhelných dolů.
V konvenčním AAO se kal recykluje z aerobní do anaerobní nádrže, přenáší dusičnany a vysoký obsah DO, což může zhoršit biologické odstraňování fosforu. Lze zvážit proces University of Cape Town (UCT), kde se kal recykluje do anoxické nádrže, nitrifikovaná kapalina do anoxické nádrže a přidává se další recyklace z anoxické do anaerobní nádrže, aby se zlepšilo odstraňování bio-P.
Zpracování kalů může představovat 50–60 % provozních nákladů elektrárny. Měly by být přijaty technologie na snižování kalu na místě. Vysoký MLSS v modifikovaných bio-nádržích AAO vede k vysokému poměru F/M, kde může dojít k odpojení metabolismu, což podporuje redukci kalu a snižuje náklady na manipulaci s kalem. Budoucí pozornost by se měla zaměřit na používání technologií redukce in situ, jako je kryptický růst prostřednictvím mikro-lýzy, oxický-anaerobní{10}}proces usazování (OSA) a odpojení metabolismu při čištění odpadních vod z uhelných dolů.
Tento proces je vhodný pro dovybavení stávajících zařízení AAO v uhelných dolech. Přidání nosičů do anoxických/aerobních nádrží může zlepšit kvalitu odpadních vod, zvýšit kapacitu a zlepšit stabilitu systému. U zařízení s přísnějšími požadavky na odpadní vody může výměna sekundárního čističe za systém MBR dále zlepšit kvalitu vody.
4. Závěr
- Modifikovaný proces AAO je vhodný pro modernizaci stávajících systémů AAO v uhelných dolech za účelem zvýšení stability, zvýšení kapacity nebo splnění přísnějších norem.
- Při čištění domovních odpadních vod z uhelných dolů může odpadní voda současně splňovat normy *GB/T 18920-2002* pro zavlažování silnic/zeleň a normy GB 50359-2016 pro vodu z praní uhlí, což prokazuje silnou adaptabilitu na změny v kvalitě a množství vody.
- Proces produkuje stabilní kal s dobrou usazovatelností a snadnou separací, vytváří méně kalu a snižuje náklady na zpracování kalu.