Případová studie MBBR+ACCA procesu modernizace a rekonstrukce městské čistírny odpadních vod
Na pozadí prosperující čínské ekonomiky se tempo industrializace a urbanizace výrazně zrychlilo. Tento proces nevyhnutelně doprovází rok-za{2}}roční nárůst vypouštění průmyslových odpadních vod a splašků z domácností, což zhoršuje problémy se znečištěním vody a má dopad na udržitelnou výstavbu ekologické civilizace v Číně. S komplexní implementací Akčního plánu prevence a kontroly znečištění vod byly na městské čistírny odpadních vod po celé zemi uloženy přísnější požadavky na vypouštění. Místní standardy v některých městech dosáhly kvality vody kvazi-třídy IV a u odpadních vod vypouštěných do citlivých vodních útvarů se některé jednotlivé ukazatele postupně blíží standardu třídy III pro povrchové vody. Zbytkové znečišťující látky v městských odpadních vodách po biologickém čištění jsou však primárně -nerozložitelné organické sloučeniny se špatnou biologickou rozložitelností. Spoléhat se pouze na tradiční technologie biologického vylepšení se stalo nedostačujícím pro splnění stále přísnějších emisních norem.
Aktivovaný koks má vysoce vyvinutý mezoporézní systém schopný adsorbovat makromolekulární znečišťující látky ve vodě. S vysokou mechanickou pevností, stabilitou, dobrým adsorpčním výkonem a relativně ekonomickými náklady je široce používán při čištění průmyslových odpadních vod, které jsou obtížně biologicky rozložitelné. V posledních letech nalezla filtrační technologie využívající jako médium aktivní koks také určité uplatnění v pokročilém čištění komunálních čistíren odpadních vod, kde bylo dosaženo dobrých výsledků v konečném odstranění znečišťujících látek. Kombinací technického příkladu z projektu modernizace čistírny odpadních vod v provincii Henan autor přijal proces MBBR+ACCA (Activated Coke Circulating Adsorption) k modernizaci čištění městských odpadních vod. Ukazatele CHSK, NH₃-}N a TP v odpadních vodách splňovaly normu GB 3838-2002 pro třídu III vody, což je reference pro projekty modernizace v jiných čistírnách odpadních vod.
1. Základní situace čistírny odpadních vod
Celková projektovaná kapacita této čistírny odpadních vod je 50 000 m³/d, zahrnující projektovanou kapacitu fáze I 18 000 m³/da projektovanou kapacitu fáze II 32 000 m³/d. Čistí především městské domovní odpadní vody a malé množství průmyslových odpadních vod. V roce 2012 byla dokončena modernizace, přičemž odpadní voda splňovala standard Grade 1A vypouštěcího standardu znečišťujících látek pro komunální čistírny odpadních vod GB 18918-2002. Hlavním procesem je více{14}}stupňová AO + denitrifikační filtr + sedimentační nádrž s vysokou hustotou. Průběh procesu je zobrazen vObrázek 1.
V současné době je čistírna odpadních vod v provozu téměř na plný výkon. Na základě současných provozních údajů lze při dobré údržbě závodu kvalitu odpadních vod stabilně udržovat na úrovni standardu GB 18918-2002 Grade 1A. Koncentrace v odpadních vodách pro CHSK, BSK5, NH3-N, TN a TP se pohybují od 21,77-42,34 mg/l, 1,82-4,15 mg/l, 0,13-1,67 mg/l, 8,86-15,74 mg/l a 0,29 mg/l, respektive 0,21 mg/l.
Před modernizací se závod potýkal s následujícími problémy: 1) Stárnutí a poškozená síta v sekci předúpravy umožnila plovoucí nečistoty do biologických nádrží, snadno ucpala čerpadla a ovlivnila následné čištění; 2) Nestabilní odstraňování TN při nízkých zimních teplotách a výrazném kolísání kvality a množství vody; 3) Nedostatečný objem nádrže v biologických nádržích fáze I a nepřiměřené rozdělení anoxických zón, což vede ke špatné účinnosti odstraňování TN a vysokému dávkování chemikálií pro následné přidávání zdroje uhlíku; 4) Původní systém provzdušňování používal zastaralá tradiční odstředivá dmychadla s vysokou spotřebou energie; 5) Silné ucpání filtračních médií v denitrifikačních filtrech, neúplné zpětné proplachování a potíže se stabilním provozem; 6) Časté poruchy míchacího a míchacího zařízení v sedimentačních nádržích s vysokou{6}}hustotou; 7) Časté poruchy dvou stávajících pásových filtračních lisů na odvodňování kalu, vysoký obsah vlhkosti odvodněného kalu, velký objem kalu a vysoké náklady na likvidaci kalu; 8) Nedostatek zařízení na kontrolu zápachu pro systémy předúpravy a úpravy kalů; 9) Zastaralý centrální řídicí systém s omezenou kapacitou ukládání dat a ztrátou většiny funkcí dálkového ovládání.
2. Navrhněte kvalitu vody
S ohledem na roky provozních údajů o kvalitě vody z elektrárny, s 90% hladinou spolehlivosti a včetně určité rezervy, byla určena návrhová kvalita přítoku. Na základě požadavků na kvalitu životního prostředí přijímajícího vodního útvaru musí modernizovaná odpadní voda CHSK, BSK₅, NH₃-N a TP splňovat normu GB 3838-2002 pro vodu třídy III, zatímco TN a SS budou dodržovat původní normu. Vlastnosti přítoku a výtoku jsou uvedeny vTabulka 1.
3. Aktualizace koncepce a toku procesu
3.1 Koncepce upgradu
Podle konstrukční kvality odtoku klade tento upgrade vyšší požadavky na CHSK, BSK₅, NH₃-N a TP. Vzhledem k současnému procesu závodu, vlastnostem kvality vody a stávajícím problémům se zaměřujeme na lepší odstraňování CHSK, NH₃-N a TP při zajištění stabilního odstraňování TN. Omezený dostupný prostor ve stávající továrně navíc vyžaduje plné využití potenciálu stávajících konstrukcí prostřednictvím obnovy zařízení, intenzifikace procesů a renovace s cílem efektivně odstranit CHSK, NH₃-N, TN a TP. Využití původních vícestupňových nádrží AO a přidání zavěšených nosičů k vytvoření hybridního biofilmového-procesu MBBR aktivovaného kalu proto může účinně zlepšit stabilitu čištění a odolnost proti nárazovému zatížení. Dlouhý kalový věk biofilmu na nosičích je vhodný pro růst nitrifikátorů a udržení vysokých koncentrací nitrifikátorů, což výrazně zvyšuje nitrifikační kapacitu systému. Hustý biofilm uvnitř nosičů má dlouhé stáří kalu, hostí značné populace nitrifikačních a denitrifikačních bakterií, což umožňuje současnou nitrifikační-denitrifikaci (SND), a tím posiluje odstraňování TN. Proces MBBR se proto-pro upgrade tohoto závodu dobře hodí.
Na základě podobných zkušeností s projektem upgradu, aby byla zajištěna stabilní shoda pro COD a TP, jsou kromě stávajícího procesu spojeného s MBBR stále vyžadována další ochranná zařízení na úpravu. Aktivovaný koks jako porézní materiál vykazuje výraznější adsorpční výkon ve srovnání s aktivním uhlím, účinně odstraňuje CHSK, SS, TP, barvu atd. Biologicky aktivovaný koks navíc může využívat přichycené mikroorganismy k degradaci organické hmoty, což umožňuje regeneraci adsorpčních míst při adsorpci škodlivin. Tento mechanismus dynamické rovnováhy umožňuje trvalý a stabilní provoz systému. Proces ACCA (Activated Coke Circulating Adsorption) využívá jako médium aktivovaný koks, který integruje filtraci a adsorpci. Využívá stlačený vzduch ke zvedání a čištění filtračního média. Prostřednictvím reverzního-zónování toku a jednotného designu toku zajišťuje plný kontakt mezi aktivovaným koksem a odpadní vodou, čímž je dosaženo konečného zlepšení kvality vody a zaručena stabilní shoda odpadních vod.
U stárnoucího a vadného zařízení závodu bude nahrazeno technologicky vyspělým, energeticky-účinným zařízením, aby se snížily provozní náklady. Konkrétně budou síta pro předúpravu nahrazena jemnými síty s vnitřním přívodem, aby se zachytily vlasy a vlákna a zabránilo se ucpání sít pro zadržení nosiče MBBR.
3.2 Průběh procesu
Upgradovaný procesní tok je zobrazen vObrázek 2. Pro splnění požadavků na hlavu byla přidána nová čerpací stanice výtahu. Nově konstruovaný filtr typu V- slouží jako jednotka předúpravy pro následnou adsorpci aktivovaného koksu a zajišťuje stabilitu systému ACCA. Surová voda prochází síty a komorami na písek, aby odstranila plovoucí látky, vlasy a částice, než vstoupí do hybridních biologických nádrží MBBR pro lepší odstraňování dusíku. Směsný louh pak vstupuje do sekundárních čističek pro separaci pevných látek. Supernatant je zvedán přes novou čerpací stanici do denitrifikačních filtrů a sedimentačních nádrží s vysokou-hustotou. Odpadní voda je poté zvedána novou čerpací stanicí do filtru typu V-a dvou-stupňových aktivovaných adsorpčních nádrží koksu pro pokročilé čištění, dále odstranění CHSK, TP, SS, barvy atd. Konečný odpad je před vypuštěním dezinfikován.
4. Návrhové parametry hlavních léčebných jednotek
4.1 Biologické nádrže
Stávající biologické nádrže I. fáze jsou rozděleny do dvou skupin s relativně malým objemem nádrže, ale zdravou konstrukcí. Proto pro tuto modernizaci, při splnění požadavků na hlavu, byly stěny nádrže zvýšeny o 0,5 m. Po renovaci je celkový efektivní objem 10 800 m³, s celkovou HRT 14,4 h a HRT v anoxické zóně 6,4 h, což zvyšuje anoxický retenční čas pro zlepšení odstranění TN. Stávající biologické nádrže fáze II mají efektivní objem 19 600 m³, celkovou HRT 14,7 h a HRT v anoxické zóně 6,8 h. Tento projekt zahrnoval výměnu provzdušňovacích systémů a některých stárnoucích ponorných míchadel v biologických nádržích fáze I a II a přidání zavěšených nosičů a retenčních sít. Nosiče jsou vyrobeny z polyuretanu nebo jiných vysoce{14}}kompozitních materiálů s kubickou specifikací 24 mm, měrným povrchem 4 000 m²/m³ a poměrem plnění 20 %. AOR biologického čistícího systému je 853,92 kg O₂/h, s rychlostí přívodu vzduchu 310,36 Nm³/min.
4.2 Zvedněte čerpací stanici a nádrž na odpadní vodu
Byla postavena nová čerpací stanice výtahu, která přečerpává odpadní vodu z usazovacích nádrží s vysokou-hustotou do filtru typu V- k dalšímu zpracování. Nádrž na odpadní vodu uchovává odpadní vodu ze zpětného proplachu z filtrů. Malá čerpadla se používají k rovnoměrnému čerpání odpadní vody ze zpětného proplachu do biologických nádrží fáze II, aby se zabránilo rázovému zatížení. Byla instalována tři sekundární výtahová čerpadla (2 provozní + 1 pohotovostní, Q=1, 300 m³/h, H=12 m, N=75 kW), s řízením pohonu s proměnnou frekvencí (VFD). Nádrž na odpadní vodu pro zpětný proplach je vybavena 2 přečerpávacími čerpadly (1 provozní + 1 pohotovostní, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) a jedním ponorným mixérem (N=2.2 kW), aby se zabránilo sedimentaci.
4,3 V-filtr typu
Byl zkonstruován nový filtr typu V{0}} s konstrukčními rozměry 36,9 m (D) × 29,7 m (Š) × 8,0 m (V). Používá homogenní filtrační média z křemenného písku. Filtr je rozdělen do 6 buněk uspořádaných ve dvou řadách. Výstupní potrubí každého článku má elektrický regulační ventil pro řízení provozu konstantní hladiny vody. Proces zpětného proplachování lze regulovat pomocí PLC. Návrhová rychlost filtrace je 7,0 m/h, rychlost nucené filtrace je 8,4 m/h a plocha jednočlánkové filtrace je 49,4 m². Intenzita vody pro zpětný proplach je 11 m³/(m²·h), intenzita vzduchu pro zpětný proplach je 55 m³/(m²·h) a intenzita povrchového zametání je 7 m³/(m²·h). Doba proplachu je 10 minut. Cyklus zpětného proplachování je 24 hodin (nastavitelný), promývá vždy jednu buňku. Velikost média z křemenného písku je 1-1,6 mm s k₈₀ < 1,3. Používají se monolitické filtrační desky odlévané na místě.
4.4 Aktivované adsorpční nádrže koksu
Byla postavena nová adsorpční nádrž aktivního koksu o konstrukčních rozměrech 49,5 m (D) × 30,15 m (Š) × 11,0 m (V). Využívá dvou{4}}stupňovou konfiguraci filtrace s celkem 36 články, 18 článků na stupeň. Maximální rychlost filtrace je 6,02 m³/(m²·h), s průměrem 4,63 m³/(m²·h). Rozměry jedné buňky prvního-fáze-jsou dך×v=5.0 m×5,0 m×11,0 m, s dobou kontaktu s prázdnou postelí (EBCT) 1,4 hodiny. Rozměry buňky druhé-etapy-jsou dך×v=5.0 m×5,0 m×9,5 m, s EBCT 1,08 h. Systém využívá 2000 tun aktivovaného koksu o velikosti částic 2-8 mm, vybavený mobilními pračkami koksu, rozdělovači vody, vtokovými/výtokovými jezy atd.
4.5 Aktivovaná budova koksu
Pro skladování aktivovaného koksu a jeho dodávku do adsorpčních nádrží byla postavena nová budova aktivovaného koksu. Konstrukční rozměry jsou 33,5 m (D) × 13,0 m (Š) × 6,5 m (V). Mezi hlavní doplňkové vybavení patří: 1 aktivované vibrační síto na odvodnění koksu, 3 čerpadla pro přívod koksu (2 provozní + 1 pohotovostní, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 výtlačná čerpadla filtrátu (1 provozní + 1 pohotovostní, Q{15}} m³}m{15}} N=18.5 kW), 2 vzduchové kompresory (1 provozní + 1 pohotovostní režim, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) a nádrž na vzduch (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Deska-a{2}}rámová odvodňovací místnost
Vedle stávající odvodňovací místnosti kalu byla postavena nová desková-a{1}}rámová odvodňovací místnost. Kvůli prostorovým omezením byla nakonfigurována jedna sada deskového-a{4}}rámového kalolisu (filtrační plocha 300 m²), která sloužila jako záloha pásového kalolisu. Doplňková zařízení zahrnují jednu kondicionační nádrž (účinný objem 80 m³). Množství kalu je 6 150 kg DS/d, s obsahem vlhkosti zahuštěného vstupního kalu 97 % a vlhkosti odvodněného koláče 60 %. Hlavní doplňkové vybavení zahrnuje: 2 napájecí čerpadla (1 provozní + 1 pohotovostní režim, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 tlaková vodní čerpadla (1 provozní + 1 pohotovostní, Q=12 m³/h, mycí čerpadlo m{24}kW{} (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 dávkovací čerpadla (1 provozní + 1 pohotovostní režim, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 sada vzduchového kompresoru (Q Nm{37}³}min vzduchu), kW{31} přijímací nádrž (V=5 m³, P=1.0 MPa) a 1 sada jednotky pro přípravu PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Systém kontroly zápachu
Byl přidán nový biofiltrační systém regulace zápachu s návrhovým průtokem vzduchu 12 000 m³/h. Trubky z plastu vyztuženého sklem (GRP) se používají ke sběru a úpravě pachů ze systémů předúpravy a úpravy kalů. K utěsnění zařízení pro předúpravu se používají rámy z nerezové oceli a PC odolné desky.
4.8 Další aktualizace zařízení
- Nahrazeno 2 jemnými síty s vnitřním plněním s otvorem 5 mm, se šnekovými dopravníky a nádrží na mycí vodu, V=10 m³ a 2 čerpadly mycí vody (1 provozní + 1 pohotovostní režim, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Nahrazeno 4 účinnějšími vzduchovými odpruženými dmychadly, řízené VFD (3 provozní + 1 pohotovostní režim, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Výměna filtračního média ve stávajících denitrifikačních filtrech za 1800 m³ keramického média (velikost částic 3-5 mm).
- Vyměněna 2 směšovací míchadla v sedimentačních nádržích s vysokou-hustotou (rychlost 60–80 ot./min, N=5.5 kW), 4 flokulační míchadla (rychlost 10–20 ot./min, N=2.2 kW) a trubkové usazovače (260 m²).
- Vyměněn pásový kalolis za 2 m široký pás a odpovídající vzduchový kompresor, 1 sada.
- S využitím původního centrálního dispečinku, modernizovaného vybavení, přístrojů a zavedeného centralizovaného řízení byl zřízen celozávodní{0}}systém datové komunikace k dosažení datové komunikace mezi centrálním dispečinkem a rozvodnami a také k automatizaci řízení výrobního procesu.
5. Provozní výkon a technické-ekonomické ukazatele
5.1 Provozní výkon
Po dokončení tohoto projektu modernizace všechny čistící jednotky fungují stabilně. Údaje z monitorování kvality přítokové a odpadní vody pro rok 2023 jsou uvedeny vTabulka 2.
Jak je uvedeno, průměrné výstupní koncentrace pro CHSK, NH3-N, TN, TP a SS byly 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 a 2,63 mg/l, s průměrnými rychlostmi odstraňování 95,16 %, 959,45 %, 97,47 %, 79,3 % respektive. Odpadní CHSK, NH3-N a TP konzistentně splňovaly normu GB 3838-2002 pro vodu třídy III.
Modernizovaný projekt je v provozu téměř dva roky. Výsledky naznačují, že proces MBBR+ACCA je stabilní, účinný a produkuje vysoce-kvalitní odpadní vodu, která vykazuje silnou odolnost vůči rázovému zatížení a nízkým-teplotám. I při minimální zimní teplotě vody 9,4 stupně a výrazném kolísání kvality vody zůstala kvalita odtoku stabilní a splňovala normy pro vypouštění. Před a po upgradu se dávkování zdroje uhlíku nezvýšilo, přesto se výrazně zlepšilo odstraňování TN. Je to proto, že na jedné straně nitrifikační mikroorganismy připojené k nosičům MBBR rostou a hromadí se ve stabilním aerobním prostředí, což vede k úplnější nitrifikaci. Na druhé straně byly dusičnany dále odstraněny v modernizovaných nádržích MBBR a anoxických nádržích. Finální ACCA systém funguje jako ochrana, dále adsorbuje a odstraňuje odolnou CHSK, TP, SS atd., čímž je kvalita odpadních vod stabilnější. Po implementaci projektu může závod navíc produkovat vysoce kvalitní{12}}regenerovanou vodu a položit tak základ pro budoucí opětovné využití vody.
5.2 Technické-ekonomické ukazatele
Celková investice do tohoto projektu byla 86 937 600 RMB, zahrnující náklady na výstavbu a instalaci 74 438 500 RMB, ostatní náklady 7 593 500 RMB, pohotovostní náklady 4 101 600 RMB a počáteční provozní kapitál 804 000 RMB. Po stabilním provozu systému jsou dodatečné náklady na elektřinu pro celou elektrárnu 0,11 RMB/m³, náklady na aktivovaný koks jsou 0,39 RMB/m³, což má za následek celkové zvýšení provozních nákladů přibližně o 0,50 RMB/m³.
6. Závěr
- Tento projekt provedl obnovu zařízení, intenzifikaci procesů a renovaci ve stávající čistírně odpadních vod a přidal pokročilé čištění, čímž se zlepšila účinnost odstraňování COD, NH₃-N, TN a TP.
- Po upgradu s použitím hlavního procesu „MBBR+ACCA“ se COD, NH₃-N a TP stabilně zlepšily ze stupně 1A na standard povrchové vody třídy III a výrazně se zlepšilo odstraňování TN.
- Praxe ukazuje, že tento proces funguje stabilně a efektivně, je odolný vůči rázům při zatížení, produkuje vysoce-kvalitní odpadní vodu a zvyšuje provozní náklady přibližně 0,50 RMB/m³. Může sloužit jako reference pro projekty modernizace a iniciativy v oblasti opětovného využití vody v jiných čistírnách odpadních vod.