Aplikace procesu BIOLAK při modernizaci čistírny odpadních vod na kvazi-standardy třídy IV
Proces BIOLAK, který byl zaveden do Číny na počátku 21. století, získal široké uplatnění v čištění komunálních odpadních vod díky své jednoduché struktuře a nízkým investičním nákladům. V posledních letech, se zpřísněním standardů vypouštění a rostoucí automatizací, většina stávajících závodů BIOLAK čelí modernizaci. Pro zlepšení odstraňování dusíku a fosforu jsou implementována vylepšení, jako je přidání zavěšených nosičů, dovybavení nádrží a předefinování funkčních zón. Zatímco nově budované závody využívají převážně A²/O a oxidační příkopové procesy, existuje jen málo zpráv o skutečném výkonu BIOLAK, zejména za přísných emisních norem. Proces BIOLAK využívá výkyvné provzdušňovací řetězce k vytvoření dočasných anoxických a aerobních zón, které v podstatě fungují jako vícestupňový A/O proces. Prostřednictvím provozní optimalizace může kvalita odpadních vod stabilně splňovat kvazi-standardy pro povrchové vody IV. třídy.
1 Pozadí projektu
Čistírna odpadních vod v provincii Che-pej využívá jako svou hlavní technologii proces BIOLAK. Přítok se pohybuje od 18 000 do 22 000 m³/d, v průměru 19 000 m³/d, čistí především městské domovní odpadní vody a malé množství odpadních vod ze zemědělského zpracování. Navržené kvality přítoku a odtoku jsou uvedeny vTabulka 1. Původní norma vypouštění byla norma stupně A *"Standard vypouštění znečišťujících látek pro čistírny komunálních odpadních vod" (GB 18918-2002)*. Po modernizaci, která zahrnovala rozdělení anaerobní zóny za účelem zlepšení denitrifikace a defosforizace, nyní závod splňuje klíčové limity kontrolní oblasti *"Normy pro vypouštění znečišťujících látek do vody pro povodí řeky Daqing" (DB13/2795-2018)*. S výjimkou celkového dusíku splňují všechny ostatní indikátory standardy třídy IV uvedené v *"Normách kvality životního prostředí pro povrchové vody" (GB 3838-2002)*. Průběh procesu je zobrazen vObrázek 1.
Závod používá k dezinfekci chlornan sodný. Kal je před přepravou ke společnému zpracování v cementářských pecích -odvodněn vysokotlakou deskovou a rámovou filtrací na obsah vlhkosti pod 60 %.
Příspěvek každé čistící jednotky k odstranění znečišťujících látek byl vypočítán na základě hmotnostní bilance se specifickými metodami uvedenými v literatuře.
2 Opatření pro optimalizaci provozního řízení
Během provozu bylo implementováno několik optimalizačních opatření pro zvýšení stability odpadních vod a dosažení úspor energie a nákladů.
2.1 Rozšířená kontrola rozpuštěného kyslíku (DO).
Stávající projekty modernizace BIOLAK často zaznamenávají jeho slabé zónování jako více{0}}stupňovou variantu A/O, což vede k nízké účinnosti denitrifikace. V tomto projektu, při zajišťování souladu odpadního amoniaku s dusíkem, bylo maximální DO na konci provzdušňovací zóny udržováno na 0,5–1,0 mg/l, což je nižší hodnota než konvenční požadavky na kontrolu DO.
2.2 Lepší monitorování procesních dat
Pro účely řízení DO a dávkování externího zdroje uhlíku byly na konci anaerobní zóny a v nádrži BIOLAK monitorovány dusičnanový dusík a čpavkový dusík, aby se určily optimální regulační rozsahy. Během provozu bylo dávkování externího zdroje uhlíku sníženo nebo zastaveno, když byl dusičnanový dusík na konci anaerobní zóny<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Nastavení vnitřních cílů kontroly odpadních vod
Aby se zajistilo stabilní dodržování, byly cíle vnitřní kontroly stanoveny na 30–80 % limitů vypouštění na základě obtížnosti kontroly každé znečišťující látky. Překročení těchto vnitřních limitů vyvolalo okamžitou úpravu parametrů procesu, aby se koncentrace odpadních vod vrátily do přijatelného rozsahu. Roční cíle vnitřní kontroly pro CHSK, amoniakální dusík, celkový dusík a celkový fosfor byly 15 mg/l, 0,5 mg/l, 12 mg/l, respektive 0,12 mg/l.
2.4 Udržování vhodné koncentrace kalu
Plýtvání kalem bylo upraveno na základě průtoku, zatížení a ročního období. Doba zdržení kalu (SRT) byla udržována na 15–25 dnech a koncentrace suspendovaných pevných látek ve směsném louhu (MLSS) na 2500–4500 mg/l. Konkrétně byl MLSS kontrolován na 2 500–3 500 mg/l v létě a na podzim, s kalovou zátěží asi 0,06 kg COD/(kgMLSS·d) a na 3 500–4 500 mg/l v zimě a na jaře, s kalovou zátěží asi 0,04 kg COD/(kgMLSS·d).
2.5 Úprava provozu jednotek pokročilé léčby
Nízké teploty v zimě ovlivnily vločkování a sedimentaci. Předčasné zpětné proplachování filtrů typu V- by mohlo vést ke zvýšenému množství nerozpuštěných látek a CHSK. Proto byla během zimního provozu zvýšena frekvence zpětného proplachu na základě koagulačního výkonu a zintenzivněno vypouštění kalu z koagulační-sedimentační nádrže, aby se snížila koncentrace nerozpuštěných látek v odpadních vodách.
3 Výkon léčby
Roční příliv CHSK se pohyboval od 109 do 248 mg/l, v průměru 176 mg/l. CHSK na odpadních vodách se pohybovala od 9,5 do 20,1 mg/l, v průměru 12,1 mg/l. Když CHSK odpadních vod překročila cíl vnitřní kontroly (15 mg/l), frekvence zpětného promývání filtru byla zvýšena, aby se snížily suspendované pevné látky. Pro lepší účinnost koagulace se doporučuje upgradovat koagulační-sedimentační nádrž na sedimentační nádrž s vysokou-hustotou nebo magnetickou koagulací{12}}.
Roční přítok amoniakálního dusíku se pohyboval od 17,8 do 54,9 mg/l, v průměru 31,9 mg/l. Výtokový amoniakální dusík se pohyboval od 0,12 do 1,30 mg/l, v průměru 0,5 mg/l. Při překročení cíle vnitřní kontroly bylo upraveno provzdušňování podle optimalizačních opatření. Kvalita odpadních vod v průběhu roku stabilně splňovala klíčové limity kontrolní oblasti *DB13/2795-2018*.
Vzhledem k nízké koncentraci přítokového zdroje uhlíku se pozornost soustředila na optimalizaci podmínek procesu za účelem zlepšení odstraňování dusíku a fosforu s cílem úspory energie a nákladů.
3.1 Optimalizace DO Control a úplné odstranění dusíku
Roční přítok celkového dusíku (TN) se pohyboval od 20,3 do 55,6 mg/l (viz.Obrázek 2), v průměru 42,1 mg/l. TN odtoku se pohybovala od 2,5 do 14,2 mg/l, v průměru 8,8 mg/l, v rámci cíle vnitřní kontroly (12 mg/l). Průměrná rychlost odstraňování TN byla 79,1 %. S poměrem recyklace kalu 90 % (žádná vnitřní recyklace směsného louhu) byla teoretická účinnost denitrifikace 47,4 %, což ukazuje, že k denitrifikace došlo také v jiných procesních zónách za anaerobním selektorem. Změny dusíku v průběhu léčby v typickém cyklu jsou znázorněny vObrázek 3.
V typickém cyklu byl přítok TN 42,0 mg/l, přičemž součet amoniaku a dusičnanového dusíku byl 35,2 mg/l. Po anaerobním selektoru byla TN 16,7 mg/l, což vedlo k 43,5% rychlosti odstranění prostřednictvím hmotnostní bilance, což je v souladu s teoretickou hodnotou. Nádrž BIOLAK přispěla k odstranění TN 24,0 %. Odtok TN byl dále snížen v sekundární sedimentační nádrži, což přispělo k odstranění dalších 11,3 %, zejména díky dlouhé hydraulické retenční době (8,6 hodiny), která umožňuje denitrifikaci řízenou endogenním zdrojem uhlíku-. Ostatní jednotky přispěly k odstranění 1,9 %. Konečný odtok TN byl 8,1 mg/l, s celkovou rychlostí odstraňování 80,7 %.
Provozní zkušenosti ukazují, že kontrola DO je zásadní pro odstranění TN v procesu BIOLAK. V konvenčních procesech se DO obvykle měří na konci aerobní zóny ve struktuře kanálu, kde je DO v průřezu relativně rovnoměrné. V nádrži BIOLAK je však konec aerační zóny široký téměř 70 metrů, přičemž DO se zvyšuje od okraje svahu ke středu, liší se o 0,5–1,0 mg/l. Umístění DO sond proto vyžaduje pečlivou pozornost.
Přísnou kontrolou maximálního DO na konci aerační zóny BIOLAK bylo efektivně zajištěno anoxické prostředí nezbytné pro denitrifikaci. Bylo dosaženo simultánní nitrifikace a denitrifikace (SND) s využitím endogenních zdrojů uhlíku, což vedlo k účinnému odstranění TN.
3.2 Celkové odstranění fosforu a provozní optimalizace
Roční přítok celkového fosforu (TP) se pohyboval od 1,47 do 4,80 mg/l (viz.Obrázek 4), v průměru 2,99 mg/l. TP výtoku se pohybovala od 0,04 do 0,17 mg/l. Dávkování činidla pro odstraňování fosforu bylo upraveno na základě cíle vnitřní kontroly (0,12 mg/l). Průměrná koncentrace TP ve výtoku byla 0,07 mg/l, stabilně splňující normu pro vypouštění, s průměrnou rychlostí odstraňování TP 98,3 %.
Změny fosfátů v průběhu léčby v typickém cyklu jsou znázorněny vObrázek 5.
Přitékající fosforečnan byl 2,70 mg/l a fosforečnan vratného kalu byl 0,58 mg/l, takže teoretický fosforečnan vstupující do anaerobního selektoru 1,70 mg/l. Po uvolnění anaerobního fosforu organismy akumulujícími polyfosforečnany (PAO) dosáhla koncentrace fosforečnanů 3,2 mg/l. Poměr koncentrací fosforečnanů (maximum v anaerobní zóně / přítok) byl 1,9, což ukazuje na významné uvolňování. Hlavním důvodem byla účinná denitrifikace za nízkých podmínek DO, což má za následek nízkou koncentraci dusičnanů ve zpětném kalu do anaerobní zóny, udržení dobrého anaerobního prostředí (ORP obecně pod -200 mV) a podporující uvolňování fosforu.
Po provzdušňovací zóně BIOLAK došlo k podstatnému příjmu fosforu, což snížilo koncentraci fosforečnanu na konci na 0,3 mg/l, čímž bylo dosaženo biologické účinnosti odstranění fosforu 88,9 %. Po sedimentačních a stabilizačních nádržích se koncentrace fosforečnanů zvýšila na 0,64 mg/l. Analýza naznačuje, že to bylo způsobeno dlouhou HRT v sedimentační nádrži a přísně kontrolovaným DO v nádrži BIOLAK, což vytváří anaerobní podmínky v sedimentační nádrži a způsobuje sekundární uvolňování fosforu. Po chemickém dávkování v koagulační jednotce byl odpadní fosfát snížen na 0,06 mg/l. S ohledem na ekonomické náklady a provozní složitost je proto obětování určité účinnosti biologického odstraňování fosforu pro zvýšení denitrifikace životaschopnou optimalizační strategií pro podobné závody.
4 Provozní náklady
Přímé provozní náklady zahrnují elektřinu, chemikálie a likvidaci kalů. Na základě ročních statistik byla měrná spotřeba energie 0,66 kWh/m³. Při ceně elektřiny 0,65 CNY/kWh (na základě kombinace špičkových/mimo{4}}špičkových sazeb) byly náklady na elektřinu 0,429 CNY/m³. Tato spotřeba je podle „Standardu hodnocení kvality provozu městských čistíren odpadních vod“ na vyšší straně, a to především z důvodu mírně nižší účinnosti využití kyslíku aeračního systému. Náklady na chemikálie, včetně octanu sodného, činidla pro odstraňování fosforu, PAM, chlornanu sodného a odvodňovacích chemikálií, činily 0,151 CNY/m³. Konkrétní použití a náklady jsou uvedeny vTabulka 2.
Kal pochází převážně z biologických a chemických (koagulační nádrž) zdrojů. Vysokotlaká desková a rámová filtrace se používá s vápnem a chloridem železitým jako kondicionéry. Dávkování vápna je asi 25 % hmotnosti suchého kalu. Odvodněný koláč má obsah vlhkosti 60 %. Denní produkce odvodněného kalu je asi 9 tun, s měrným výtěžkem suchého kalu asi 0,15 %. Náklady na přepravu kalu jsou 250 CNY/tunu, což má za následek náklady na likvidaci kalu asi 0,118 CNY/m³. Celkové přímé výrobní náklady jsou tedy 0,698 CNY/m³.
5 Závěry
① Čistírna odpadních vod v provincii Che-pej, využívající k čištění komunálních odpadních vod proces BIOLAK, fungovala nepřetržitě po dobu jednoho roku a kvalita odpadních vod stabilně odpovídala klíčovým limitům kontrolní oblasti *DB13/2795-2018* (standard povrchové vody Quasi-Class IV).
② Jako varianta vícestupňového A/O procesu řízení maximálního DO na konci provzdušňovací zóny BIOLAK na 0,5–1,0 mg/l vedlo k rychlosti odstraňování TN 24,0 % v zóně BIOLAK a 11,3 % v sedimentační nádrži. Tím bylo dosaženo současné nitrifikace-denitrifikace a denitrifikace endogenního zdroje uhlíku, což prokázalo významnou schopnost odstraňování dusíku.
③ Přímé provozní náklady na proces BIOLAK byly 0,698 CNY/m³. Opatření pro optimalizaci provozu, včetně monitorování procesních dat a stanovení přiměřených cílů vnitřní kontroly, mohou poskytnout reference pro optimalizaci provozu a dosažení úspor energie/nákladů v podobných čistírnách odpadních vod.