Provozní efekt projektu modernizace čistírny odpadních vod v Tianjinu
Čistírna odpadních vod v Tianjinu prošla projektem modernizace a renovace za použití modifikovaného Bardenpho{0}}procesu MBBR, čímž se kvalita odpadních vod povýšila ze standardu stupně A uvedeného v „Standardu vypouštění znečišťujících látek pro čistírny komunálních odpadních vod“ (GB 18918-2002) na místní standard třídy A201215 DB15 Tianj. Proces biofilmového reaktoru s pohyblivým ložem (MBBR) zahrnuje přidávání suspendovaných nosičů MBBR do reaktoru, poskytujících místa pro mikrobiální uchycení a vytváření připojených biofilmů, čímž se zvyšuje účinná biomasa v systému a dosahuje se odstranění znečišťujících látek. Proces MBBR nabízí výhody, jako je vysoké zatížení při ošetření, silná odolnost proti nárazovému zatížení, stabilní výkon ošetření, jednoduché provozní řízení a flexibilní provoz procesu. Stále větší počet ČOV v Číně zavádí proces MBBR pro renovaci. Tento článek analyzuje provozní výkonnost ČOV Tianjin po její modernizaci s cílem poskytnout referenci pro podobné projekty modernizace.
1. Současný biologický proces odstraňování dusíku a fosforu
Původní biologická nádrž využívala proces A²/O s kapacitou čištění 12 500 t/d. Návrhové celkové stáří kalu bylo 14 dní, koncentrace suspendovaných pevných látek ve směsném louhu (MLSS) byla 3500 mg/l, návrhová teplota vody byla 10 stupňů, výtěžnost kalu byla 0,936 kgSS/kg BSK a zatížení kalem bylo 0,082 kgBOD/kgMLSS. Efektivní hloubka vody biologické nádrže byla 6 m, s celkovým objemem nádrže 9 052,2 m³ a celkovou hydraulickou dobou zdržení (HRT) 17,4 hodin. Distribuce HRT byla: selektorová zóna 0,58 h, anaerobní zóna 1,38 h, anoxická zóna 2,85 h, swingová zóna 0,92 h a aerobní zóna 11,67 h. Recyklace kalu byla 100 % a vnitřní recyklace směsného louhu byla 300 %. Původní biologická nádrž se primárně skládala z anaerobních-anoxických-aerobních sekcí. Provozní parametry lze upravit na základě podmínek přítoku a požadavků na odpadní vody, aby se dosáhlo odstranění dusíku a fosforu, přičemž kvalita odpadních vod splňuje normu třídy A podle GB 18918-2002.
2. Přehled projektu modernizace a renovace
Cílem této modernizace bylo zlepšit kvalitu odpadních vod tak, aby splňovaly normu třídy A místní normy Tianjin „Standard vypouštění znečišťujících látek pro čistírny městských odpadních vod“ (DB 12/599-2015). Navržená kvalita přítoku a odtoku je uvedena vTabulka 1. Podle návrhových hodnot TN přítoku a výtoku vyžaduje dosažení TN výtoku pod 10 mg/l míru denitrifikace 75,6 % v systému biologických nádrží. Původní biologická nádrž používala konfiguraci A²/O. Výpočty založené na původní konfiguraci nádrže naznačovaly, že vnitřní recyklační poměr by se musel zvýšit z původních 200 % na 310 %, spolu s přidáním velkého množství externího zdroje uhlíku. To by nejen zvýšilo provozní náklady, ale také by velký objem vnitřního recyklovaného toku mohl narušit anoxické prostředí. To by mohlo vést k tomu, že skutečná HRT v anoxické zóně bude nižší než minimální požadavek, což ovlivní účinnost denitrifikace. Proces MBBR zlepšuje denitrifikační schopnost systému a zlepšuje kvalitu odpadních vod přidáním suspendovaných nosičů pro zvýšení koncentrace biomasy v nádrži, čímž jsou splněny požadavky na modernizaci.
Beze změny stávajícího objemu biologické nádrže byly překonfigurovány vnitřní funkční zóny biologické nádrže. Původní konfigurace A²/O (anaerobní-anoxická-aerobní) byla upravena na konfiguraci Bardenpho 6-stage: anaerobní zóna, anoxická zóna, swing zóna, aerobní zóna, post-anoxická zóna a post{8}}aerobní zóna. Konkrétně byla původní selektorová zóna převedena na anaerobní zónu. Původní anaerobní zóna, výkyvná zóna (přední část) a anoxická zóna byly všechny použity jako pre-anoxická zóna. Přední polovina prvního koridoru v původní aerobní zóně byla upravena na swingovou zónu. Původní první, druhý a třetí aerobní koridor byly přeměněny na zónu MBBR, kde byly přidány závěsné nosiče spolu se vstupními/výstupními stínícími systémy a spodním pomocným provzdušňovacím systémem. Čtvrtý aerobní koridor byl přeměněn na post-anoxickou zónu. Původní swingová zóna byla funkčně rozdělena a upravena na post{15}}anoxickou a postaerobní zónu. Parametry renovované biologické nádrže jsou uvedeny vTabulka 2.
Pokud jde o provoz procesu, směsná kapalina z aerobní zóny se recykluje do anoxické zóny a v anoxické zóně se přidává zdroj uhlíku. Denitrifikační bakterie využívají zdroj uhlíku k denitrifikaci k odstranění dusičnanového dusíku produkovaného v aerobní zóně. Zbytkový dusičnanový dusík vstupuje do post-anoxické zóny, kde se přidává další zdroj uhlíku, aby pokračovala denitrifikace. Po renovaci je koncentrace suspendovaných pevných látek ve směsném louhu (MLSS) 4 000 mg/l, recyklace kalu je 50 %–100 %, vnitřní recyklace směsného louhu je 200 %–250 % a rozpuštěný kyslík v zóně MBBR je 2–5 mg/l. Vývojový diagram procesu po renovaci je uveden vObrázek 1.
3. Uvedení systému do provozu po renovaci biologické nádrže
Po dokončení rekonstrukce biologické nádrže začala fáze zprovoznění. Do biologické nádrže byl přidán odvodněný kal z jiné ČOV, čímž se koncentrace kalu v krátké době rychle zvýšila nad 3000 mg/l. Tím se zkrátila doba kultivace kalu a aklimatizace, což umožnilo rychlé spuštění biologické nádrže a obnovení její kapacity pro odstraňování dusíku a fosforu. Během zkušebního provozu bylo skutečné provozní zatížení v důsledku relativně nízkého přítoku a koncentrací znečišťujících látek nižší než návrhové. Přístup spočíval v tom, že se aktivovaný kal nejprve kultivoval a aklimatizoval, dokud se biologický systém nestabilizoval a kvalita odpadních vod nesplňovala standardy, pak se přidaly nosiče MBBR pro tvorbu biofilmu.
Poté, co byly nosiče přidány do aerobní části biologické nádrže, byly nejprve ponořeny. Na jejich povrch se postupně uchytily mikroorganismy. Vizuálně se barva povrchu nosiče změnila z bílé na slabě zemitou žlutou, jak se připojilo více mikroorganismů a biofilm se stal hustším. Nosná barva se postupně prohlubovala. Dva měsíce po přidání nosiče byla tvorba biofilmu dobrá, povrch nosiče vypadal žlutavě-hnědě a barva se postupně prohlubovala. Čtyři měsíce po přidání nosiče se biofilm na povrchu nosiče jevil jako tmavě hnědý a byl hustý. Progresi tvorby biofilmu lze intuitivně pozorovat na základě změn barvy nosiče, jak je ukázáno naObrázek 2. V prosinci 2021 mikroskopické vyšetření aktivovaného kalu z biologické nádrže a kalu z nosičů odhalilo kompaktní vločkové struktury s dobrými adsorpčními a usazovacími vlastnostmi. Vizuálně nosiče vykazovaly zjevnou tvorbu biofilmu. Mikroskopické vyšetření identifikovalo organismy, jako jsou Vorticella, Opercularia a Epistylis, s občasným pozorováním několika mobilních nálevníků, což naznačuje dokončení fáze tvorby biofilmu.
4. Provozní výkon po renovaci biologické nádrže
4.1 Výkon při odstraňování COD a BSK po renovaci
Hodnoty CHSK a BSK v odpadních vodách pro rok 2022 jsou uvedeny vObrázek 3. CHSK na odpadních vodách se pohybovala od 10,2 do 24,9 mg/l, s průměrem 18,0 mg/l. BSK na odpadních vodách se pohybovala od 2,1 do 4,9 mg/l, s průměrem 3,4 mg/l. CHSK i BSK v odpadních vodách stabilně splňovaly místní normu třídy A v Tianjinu. Renovovaný systém nejenže prokázal dobrý výkon při odstraňování CHSK a BSK, ale také udržoval stabilní a vyhovující úrovně CHSK a BSK na odpadních vodách během období povodní, a to i v případě, že skutečné zatížení elektrárny přítokem dosáhlo 110 % její projektované kapacity. To znamená, že systém má dobrou odolnost vůči rázovému zatížení.
4.2 Výkon při odstraňování TN a NH₃-N po renovaci
Hodnoty TN a NH₃-N v odpadních vodách pro rok 2022 jsou uvedeny vObrázek 4. TN se pohybovala od 3,72 do 8,74 mg/l, s průměrem 6,43 mg/l. NH3-N se pohyboval od 0,02 do 1,25 mg/l, s průměrem 0,12 mg/l. Během zimního provozu se vlivem nižších teplot snížila rychlost nitrifikace a denitrifikace. V praxi byla koncentrace kalu zvýšena nad 6 000 mg/l. Provoz při vysoké koncentraci kalu je výhodný pro zlepšení odolnosti biologického systému vůči rázovému zatížení, zejména při nízkých teplotách. Synergie mezi vysokou koncentrací kalu a biofilmem připojeným k nosičům MBBR zvyšuje účinek čištění biologického systému.
Přenašeči MBBR poskytují příznivé prostředí pro mikrobiální komunity, podporují jejich růst a reprodukci. Po aklimatizaci a zrání se nitrifikační a denitrifikační kapacita biofilmu posiluje. Mikroorganismy se přichytávají a rostou ve vrstvách na povrchu nosiče, zvyšují hustotu zoogloea a tvoří velké, husté a rychle stabilní kalové struktury. Když čelíme externím změnám kvality vody, mikroorganismy na povrchu nosiče vylučují extracelulární polymerní látky (EPS) pro sebe-ochranu, čímž snižují dopad náhlých změn kvality vody na mikroorganismy ve vnitřní-vrstvě.
Na ČOV využívajících proces MBBR byly pozorovány jevy současné nitrifikace a denitrifikace (SND) v aerobní nosné zóně. Testování hodnot TN přítoku a výtoku z aerobní nosné zóny odhalilo rozdíl 2–6 mg/l. Tento rozdíl byl výraznější, zvláště když byl rozpuštěný kyslík v aerobní nádrži regulován pod 2 mg/l, což ukazuje na výraznější SND za podmínek s nízkým obsahem rozpuštěného kyslíku. Odtok TN ze sekundární usazovací nádrže plně vyhovuje normám, odstranění TN bylo dokončeno v rámci stupně biologického čištění. Ve skutečném provozu funguje denitrifikační hloubkový-filtr jako ochranný proces. Za normálních podmínek funguje jako běžný filtr, který zajišťuje, že indikátory SS splňují normy.
4.3 Odstranění TP a RZ po renovaci
Hodnoty TP a SS pro rok 2022 jsou uvedeny vObrázek 5. TP odtoku z ČOV se pohybovala od 0,04 do 0,22 mg/l, s průměrem 0,10 mg/l. Efluent SS se pohyboval od 1 do 4 mg/l, s průměrem 2,2 mg/l. Po modernizaci byla TP odtoku ze sekundární sedimentační nádrže kolem 1,0 mg/l a SS kolem 26 mg/l. Přidáním chloridu železitého a PAM do vysoce účinné sedimentační nádrže pro zvýšení koagulace a dalším čištěním v denitrifikačním hlubokém filtru TP a SS stabilně splňovaly Tianjin místní standard třídy A a hodnota barvy byla výrazně snížena.
5. Závěr
Pro splnění místního standardu třídy A v Tianjinu byl původní proces A²/O na ČOV přeměněn na pětistupňovou konfiguraci Bardenpho, která zahrnuje proces MBBR v aerobní části, aby se zlepšilo biologické odstraňování dusíku a snížily se TN a NH₃-N v odpadních vodách. Během povodňové sezóny s přetížením všechny indikátory stabilně splňovaly normy a vykazovaly dobrou odolnost proti nárazu. Po renovaci biologické nádrže byl vnitřní recyklační poměr 200 %–300 %, externí recyklace kalu 50 %–100 %, koncentrace kalu 4 000–6 000 mg/l, rozpuštěný kyslík v aerobní zóně byl řízen na 3–5 mg/l a rozpuštěný kyslík v anaerobní zóně 5 mg/l–0. V roce 2022 byla kvalita odtoku z ČOV: CHSK 10,2–24,9 mg/l, průměr 18,0 mg/l; BSK 2,1–4,9 mg/l, průměrně 3,4 mg/l; NH₃-N 0,02–1,25 mg/l, průměrně 0,12 mg/l; TN 3,72–8,74 mg/l, průměr 6,43 mg/l; TP 0,04–0,22 mg/l, průměrně 0,1 mg/l; SS 1–4 mg/l, průměrně 2,2 mg/l. Všechny stabilně splňovaly standard třídy A místního standardu Tianjin „Standard vypouštění znečišťujících látek pro komunální čistírny odpadních vod“ (DB 12/599-2015).