Srovnání dvou{0}}fázových AO a tří{1}}fázových AO procesů: inženýrství Perspektivní
V současné době většina čistíren odpadních vod (ČOV) v Číně používá pro čištění odpadních vod{0}}procesy založené na aktivovaném kalu. Téměř polovina z nich využívá proces Anoxic-Oxic (AO). Proces AO nabízí výhody, jako je stabilní provoz a nízké náklady. Jeho celková účinnost odstraňování dusíku (TN), která se typicky pohybuje od 60 % do 80 %, je však omezena vnitřními recyklačními poměry. Se stále přísnějšími národními požadavky na odstraňování dusíku mají konvenční jednostupňové AO procesy často potíže splnit požadavky na úpravu TN. Vznikly tak vícestupňové procesy AO. Spojením dvou nebo více AO stupňů do série poskytuje dusičnan vyrobený v předchozím aerobním stupni substrát pro denitrifikaci v následném anoxickém stupni. Tím je dosaženo cíle snížení vnitřního recyklačního poměru a zároveň zlepšení celkového odstraňování TN. Nadměrné stupně však také mohou zvýšit provozní složitost. V důsledku toho jsou v Číně v současné době nejčastěji používané konfigurace dvou{15}}a tří{16}}fázové procesy AO. Tento článek představuje srovnávací analýzu dvou-a tří{19}}fázových procesů AO s použitím ČOV v jižní Číně jako případovou studii, jejímž cílem je poskytnout referenci pro výběr technických tras v podobných projektech.
1 Přehled projektu
ČOV v jižní Číně pokrývá celkovou plochu 8 hektarů. Jeho původní projektovaná kapacita byla 90 000 m³/d, přičemž kvalita odpadních vod byla požadována pro splnění jak normy stupně A „Standardu vypouštění znečišťujících látek pro komunální čistírny odpadních vod“ (GB 18918-2002), tak „Limitů vypouštění znečišťujících látek“ (dále jen provincie Guangdong, provincie Guangdong 0224/D1){1}{1} na jako "Kvazi-třída V"). Závod fungoval na plný výkon. Podle příslušných plánů bylo nutné rozšíření. Budoucí standardy odpadních vod, založené na současném stavu, musely vzít v úvahu dlouhodobý požadavek TN menší nebo rovný 10 mg/l. Komplexně s ohledem na skutečné podmínky lokality byl rozsah občanské výstavby pro toto rozšíření stanoven na 70 000 m³/d. Elektrárna by v blízké době fungovala s 50 000 m³/den a v dlouhodobém horizontu by dosáhla 70 000 m³/d, čímž by se celková kapacita úpravny zvýšila na 160 000 m³/d. Navržená kvalita přítokové a odtokové vody je uvedena vTabulka 1.
Vzhledem k omezením na místě přijal předběžný plán rozšíření postup „více{0}}etapové AO + periferní-v periferní-vnější obdélníkové sedimentační nádrži + vysoce-účinná sedimentační nádrž + vláknitá deska-a{8}rámeček{8}“. Civilní stavby všech velkých bloků byly postaveny pro měřítko 70 000 m³/d, zatímco zařízení bylo instalováno pro kapacitu 50 000 m³/d. Biologická nádrž by v blízké době používala vícestupňový AO proces. Z dlouhodobého hlediska by přidání suspendovaných nosičů vytvořilo hybridní biofilm{17}}aktivovaný kalový proces, který by uspokojil poptávku po rozšíření kapacity o 40 %. Pro tento návrh byly uvažovány hydraulické podmínky pro měřítko 70 000 m³/d, zatímco biologické čištění bylo navrženo pro měřítko 50 000 m³/d. Vzhledem k tomu, že tento projekt zamýšlel přijmout více-fázový proces AO, bylo provedeno srovnání mezi dvou-a tří-fázovým AO.
2 Porovnání dvou-fázových a třífázových-procesů AO
2.1 Průběh procesu
Základním principem vícestupňového procesu AO je využití dusičnanů vyrobených v předchozím aerobním stupni pro denitrifikaci v následném anoxickém stupni, čímž se sníží vnitřní recyklační poměr. Teoreticky více stupňů vede k lepšímu odstranění TN, ale ovládání se stává složitější. V inženýrské praxi převládají dvou-a tří{4}}stupňové AO. Jejich procesní toky jsou uvedeny vObrázek 1. U dvou-stupňového AO je interní recyklace obvykle navržena v rámci prvního stupně AO. U tří-stupňového AO se interní recyklace obecně nepoužívá. ČOV v Pekingu využívající dvoufázový{5}}proces AO zahrnují Qinghe (400 000 m³/d), Xiaohongmen (500 000 m³/d), Gao'antun (400 000 m³/d), Dingfuzhuang (200 000 m³, 000 m³ a 60 m³ m³/d). Tento proces nabízí výhody, jako je jednoduché zařízení, nízké náklady na provoz a údržbu, silná odolnost vůči rázovému zatížení a vysoká kompatibilita s jinými procesy, což usnadňuje budoucí modernizace, aby splňovaly vyšší standardy odpadních vod. Teoreticky může třístupňové AO v sérii eliminovat potřebu interního recyklačního zařízení, umožnit racionálnější alokaci zdrojů uhlíku a snížit investiční a provozní náklady. Tento proces je primárně aplikován ve scénářích s dostatečnými zdroji uhlíku a vysokými nároky na odstraňování dusíku. Mezi typické případy patří ČOV Qujing v Yunnanu (80 000 m³/d), městská ČOV okresu Ninghe v Tianjinu (90 000 m³/den), ČOV Zhangguizhuang v Tianjinu (200 000 m³/den) a Daoxianghu v Beijingu (0800 Reclamation).
2.2 Porovnání procesů
Vzhledem k tomu, že na tomto místě není k dispozici žádná další půda pro budoucí modernizace a že některé nové místní projekty již zavádějí standard TN pro odpadní vody menší nebo rovný 10 mg/l, srovnání procesu uvažovalo s odpadem z biologické nádrže menší nebo rovný 10 mg/l, aby se vyhovělo možnosti dalších přísných požadavků na odpadní vody v budoucnu. Ostatní ukazatele se držely projektované kvality odpadních vod. Na základě uspořádání, pro krátkodobou-rozsah 50 000 m³/d, byla maximální doba zdržení hydrauliky (HRT) pro biologickou nádrž 18 hodin. Kombinací skutečných podmínek projektu, výsledků simulace BioWin a pohodlí spojení se zavěšenými nosiči bylo provedeno srovnání dvou- a tří{10}}fázových AO procesů.
2.2.1 Simulace BioWin
Počáteční HRT byla nastavena na 18 hodin a postupně snižována. Minimální HRT dosahující požadavku TN na odpadní vodě bylo 14 hodin. U dvou-fáze AO byly distribučními body přítoku anaerobní zóna, první-etapa anoxická zóna a druhá-etapa anoxická zóna. Pro tři-fáze AO byly vstupními body anaerobní zóna, druhá-etapa anoxická zóna a třetí-etapa anoxická zóna.
① Studie s fixním poměrem distribuce přílivu
Nastavení poměru distribuce přítoku na 4:3:3 pro oba, simulace porovnávaly tři schémata: dvou-stupňový AO (poměr recyklace 200 %), tří{5}}stupňový AO s celkovým poměrem recyklace 200 % (100 % recyklace v rámci prvního stupně AO + 100 % recyklace ze třetí oxidické zóny s první AO),{9} Anoxická zóna s první a{}} poměr 100 % (recyklace pouze v rámci prvního stupně AO). Průběhy simulace jsou uvedeny vObrázek 2.
Tabulka 2ukazuje výsledky simulace pro pevný poměr přílivu při HRT=14 h.
Z tabulky 2 je vidět, že u dvou-a tří-stupňového AO se doporučuje nastavit interní recyklaci v prvním stupni AO, aby se maximalizovala denitrifikace v první anoxické zóně využitím zdroje uhlíku v surovém přítoku. U tří-stupně AO nastavení vnitřního recyklování z konce třetího stupně do první anoxické zóny mírně zlepšilo odstraňování TN a TP, ale účinnost odstraňování organické hmoty se snížila. Jedná se o spekulaci připisovanou zvýšenému celkovému průtoku v biologické nádrži v důsledku recyklace, která přenesla rozpuštěný kyslík do anoxické zóny, což ovlivnilo anoxické prostředí. Navíc se skutečná HRT v každé zóně zkrátila a přechod mezi provozními podmínkami se zrychlil, což vedlo ke snížení účinnosti. Pro charakteristiky přítoku, jako jsou ty v tomto projektu v jižní Číně, kde koncentrace TN není příliš vysoká, může dvou-stupňová AO plně splnit požadavky na odpadní vody, což nevykazuje žádnou výraznou výhodu pro tří-stupňovou AO. Pro scénáře s vysokým CHSK a vysokým vlivem TN může být vhodnější třífázová{11}}AO.
② Studie o úpravě poměrů distribuce přílivu
Dvou{0}}a tří{1}}stupňová AO byla nastavena se 100% vnitřním recyklačním poměrem v první AO. Studie byly provedeny na více-bodových poměrech distribuce influktu (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Zde 1:0:0 znamená, že veškerý vliv vstupuje úplně vpředu; 3:7:0 pro tři-stupně AO znamená, že přítok je distribuován pouze do anaerobní zóny a druhého stupně AO. Výsledky simulace pro upravené distribuční poměry jsou uvedeny vTabulka 3.
Z tabulky 3 je vidět, že distribuční poměr má mírný vliv na kvalitu odpadních vod. Obecným trendem je, že jak se zvyšuje podíl přítoku distribuovaného do pozdějších fází, koncentrace TN, NH₃-}N a TP v odpadních vodách rostou a postupně se také zvyšuje potřeba provzdušňování. Když byl poměr přítoku 3:7:0, tří-stupňová AO vykazovala o něco lepší odstranění TN a mírně nižší poměr vzduchu-k-vodě než dvou{10}}stupňová AO. Ve skutečném provozu je však tento rozdíl obecně zanedbatelný. Navíc zvýšení podílu přítoku do pozdějších fází, zatímco je výhodné pro využití zdroje uhlíku při denitrifikaci, nevyhnutelně zvyšuje zátěž biochemických reakcí v důsledku vstupu NH3-N, organické hmoty a TP. Proto se doporučuje zachovat konfiguraci vícebodového přítoku a během provozu provádět postupné úpravy na základě skutečné kvality vody. Stojí za zmínku, že ačkoli třífázová AO vykazovala lepší odstraňování TN než dvoufázová AO v poměru přítoku 2:4:4, jak se přítok do pozdějších fází zvyšoval, vytékající NH₃-N vykazoval rostoucí trend, v tomto okamžiku již NH₃-N nemohl splňovat normu odtoku.
③ Léčebný výkon dvou-a třístupňového-stupně AO
Tří{0}}stupňová konfigurace AO byla simulována pomocí HRT=14 h, stejných objemových poměrů pro každý stupeň (1:1:1), 100% interního recyklování nastaveného v prvním AO stupni a poměru přítoku 4:3:3 za dvou podmínek: se 100% recyklací a s uzavřeným recyklováním. Dvoufázová konfigurace AO byla simulována s HRT=14 h, 100% interní recyklační sadou a poměrem přítoku 4:3:3. Výsledky ukázaly, že dvoufázová AO dosáhla optimálního odtoku TN při 6,29 mg/l; třístupňový AO se 100% vnitřní recyklací vpředu dosáhl dalšího nejlepšího výsledku při 7,51 mg/l; třístupňový AO bez vnitřního recyklování si vedl hůře s 8,52 mg/l. Všechny tři scénáře by mohly splnit požadavek na ověření odpadních vod (TN menší nebo rovno 10 mg/l).
Tabulka 4ukazuje porovnání parametrů návrhu mezi dvou{0}}fázovým a tří{1}}fázovým AO. Je vidět, že pro oba procesy je HRT potřebná k dosažení požadavku TN na odpadních vodách méně než 18 hodin. Hlavní rozdíly mezi těmito dvěma procesy jsou následující:
A. Teoreticky, tří{0}}stupňová AO má vyšší horní limit; tj. při správném provozu mohou být investiční i provozní náklady nižší. Dvoustupňová AO má méně položek a stupňů vybavení, což vede k nižším nákladům na vybavení a menší náročnosti na správu provozu.
b. Pro tento konkrétní projekt, protože se uvažovalo o dlouhodobém horizontu a objem nádrže byl navržen na 18-hodinovou HRT, civilní investice by byla identická bez ohledu na to, zda by bylo použito dvou- nebo tří-stupňového AO. Náklady na vybavení u tří-stupňového AO jsou vyšší. Z investičního hlediska je proto přijetí dvoustupňového AO hospodárnější.
C. Ohledně provozních nákladůtřífázová AO by mohla ušetřit přibližně 0,002 CNY/m³ odstraněním 100% nákladů na recyklaci směsného lihu. Vezmeme-li v úvahu potenciální pokles účinnosti využití zdroje uhlíku ve skutečném provozu v důsledku střídání anoxických/oxických podmínek ve tří-stupňovém AO, bude skutečný rozdíl v provozních nákladech pravděpodobně ještě menší.
2.2.2 Analýza scénáře dlouhodobého-odloženého dopravce
Vzhledem k jedinečným požadavkům tohoto projektu musela biologická nádrž zvážit proveditelnost a pohodlí dlouhodobého plánu rozšíření kapacity-, tj. dopad přidání zavěšených nosičů.
Jádrem procesu MBBR je zvýšení biomasy v reaktoru přidáním suspendovaných nosičů. Ty mohou být přidány do aerobních, anoxických nebo anaerobních nádrží. Pokud však vezmeme v úvahu fluidizaci nosiče, jejich přidání do anaerobních nebo anoxických nádrží by výrazně zvýšilo požadavky na mísící výkon. Proto se přednostně doporučuje přidávat do aerobních nádrží. Objem pro anaerobní/anoxické zóny lze doplnit oddělením z aerobní zóny, přičemž nedostatek aerobního objemu je kompenzován přidanými nosiči. Jinými slovy, nedostatečný aerobní objem je nesen zvětšenou povrchovou plochou zavěšených nosičů, která se vypočítává na základě konverze zatížení znečišťujícími látkami pro stanovení požadovaného množství nosiče, přičemž se řídí určitý poměr plnění pro získání přidaného objemu.
Na základě výpočtů, pokud bychom přijali dvou{0}}proces AO a přidali všechny pozastavené nosiče do první-aerobní zóny v dlouhodobém horizontu, požadovaná plocha nosiče MBBR by byla 2 597 708 m², což by stálo 12,99 milionů CNY. Další související náklady na fixní zařízení (včetně fluidizačních systémů MBBR, vyhrazených mixérů, prosévacích systémů a inteligentních řídicích systémů) by činily 6,15 milionu CNY. Pokud použijete třífázový proces AO, z důvodu více rozptýlených zón by zóna MBBR musela být rozdělena na 2 části (první-stupeň a druhý{12}}aerobní stupeň). V důsledku toho by se náklady na instalaci odpovídajícího pevného zařízení MBBR (bez samotných nosičů) mírně zvýšily na 7,77 milionu CNY, přičemž náklady na nosiče zůstávají stejné. To znamená, že přijetí tří{16}}fázového AO by zvýšilo budoucí investice do renovace o 1,62 milionu CNY a také zvýšilo složitost renovace. Kromě toho je screeningový systém oblastí nejnáchylnější k problémům po přidání nosiče. Tří{20}}fázový AO přidává další sekci obrazovek, což zvyšuje provozní obtížnost.
Z výše uvedeného srovnání vyplývá, že kvůli nadměrnému rozdělení ve tří{0}}fázovém AO, kdy každý oddíl má podobný objem, je jeho obtížnost dodatečného vybavení vyšší než u dvou{1}}fázového AO. Konstrukce, provozní složitost a doplnění o prověřovací zařízení také vedou k vyšším investicím než u dvou-stupňového AO. Přijetí dvou{5}}stupňového AO je proto pro budoucí spojení se zavěšenými nosiči vhodnější.
2.3 Výsledek porovnání
Na základě výše uvedené analýzy mohou jak dvou{0}}, tak tří{1}}fázové procesy AO dosáhnout cíle TN v odpadních vodách menší nebo rovné 10 mg/l. Za okrajových podmínek tohoto projektu-omezený prostor, potřeba maximalizovat-objem nádrže v krátkodobém horizontu a dlouhodobý-plán na přidání zavěšených nosičů-dvou{8}}období AO přináší výhody, pokud jde o krátkodobé-investice a pohodlí při správě/údržbě zařízení. Nabízí také vyšší kompatibilitu pro budoucí dovybavení zavěšenými nosiči, což má za následek nižší celkové investice a snížené dodatečné vybavení a provozní potíže. Po důkladném zvážení byl proto pro tento návrh doporučen dvou{12}}proces AO.
3 Provozní výkon
Celková odhadovaná investice do tohoto projektu je 304,5721 milionů CNY, se stavebními náklady 243,6019 milionů CNY, což znamená jednotkové stavební náklady 3 480,03 CNY/m³. Náklady na ošetření jsou 1,95 CNY/m³ a provozní náklady jsou 1,20 CNY/m³.
Pro tento projekt má biologická nádrž celkovou HRT 18 hodin (zahrnuje: anaerobní zóna 2 h, první-etapa anoxická zóna 3,5 h, první-etapa aerobní zóna 7,5 h, odplyňovací zóna 0,5 h, druhá -etapa anoxická zóna 2,5}} efektivní vodní zóna 2 h, druhá fáze s hloubkou 2 h{{9 8,6 m. Je implementován nastavitelný sekční přívod vody, který umožňuje podle potřeby upravit poměr distribuce přítoku ve 20% krocích. Ve skutečném provozu se koncentrace suspendovaných pevných látek ve směsi (MLSS) v biologické nádrži pohybuje od 3 500 do 4 000 mg/l, poměr návratnosti kalu se pohybuje od 40 % do 100 % a poměr vnitřní recyklace směsné kapaliny se pohybuje od 100 % do 200 %. Skutečná kvalita přítoku a odtoku je uvedena vTabulka 5, který je v zásadě v souladu s výsledky simulace.
4 Závěr
Za použití ČOV v jižní Číně jako případové studie bylo provedeno technické a ekonomické srovnání mezi dvou{0}}a tří{1}}fázovými procesy AO pomocí simulace BioWin. Dvoufázová AO s menším počtem položek a stupňů vybavení, nižšími náklady na vybavení a nižší obtížností správy provozu je vhodnější pro podmínky v jižní Číně, kde není příliv TN příliš vysoký. U tří-fázového AO nastavení interní recyklace od konce třetí fáze do první anoxické zóny negativně ovlivnilo efektivitu odstraňování TN, zvýšilo obtížnost provozní správy a zvýšilo investiční náklady. Konstrukce současně splňuje krátkodobé-požadavky na úpravu 50 000 m³/d a TN menší nebo rovnou 10 mg/l, zatímco dlouhodobého-měřítka 70 000 m³/d lze dosáhnout spojením se zavěšenými nosiči. Skutečné provozní výsledky jsou do značné míry v souladu s výsledky simulace BioWin, s průměrnou TN odtoku 6,86 mg/l, splňující požadavky návrhu.