Fejlett nitrogéneltávolítás szennyvíztisztító telepeken: tiszta biofilm MBBR folyamattervezés és teljesítményelemzés|Esettanulmány

Tiszta biofilmes MBBR-eljárás mérnöki tervezése és teljesítménye a fejlett nitrogéneltávolításhoz

A kínai ökológiai civilizációs építkezés átfogó fejlődésével a szennyvíztisztító telepekre (WWTP) vonatkozó kibocsátási szabványok egyre szigorúbbakká váltak. A "Szennyezőanyagok kibocsátási szabványa a települési szennyvíztisztító telepekre" (GB 18918-2002) A fokozatú szabvány 15 mg/l vagy azzal egyenlő TN-t ír elő, míg a helyi szabványok olyan régiókban, mint Peking és Shandong, kifejezetten 10 mg/l-nél kisebb vagy egyenlő TN-ben határozzák meg a határértéket. Ezek a megemelt szabványok túlmutatnak a vízminőségi határokon, és szigorúbb követelményeket támasztanak a szennyvíz stabilitásával szemben. Következésképpen égető szükség van a kezelési folyamatok nitrogéneltávolító kapacitásának növelésére. Az egyik megközelítés a szénforrás adagjának növelése a meglévő eljárásban a denitrifikáció javítása érdekében, de ez magas működési költségekhez és megnövekedett szén-dioxid-kibocsátáshoz vezet. Alternatív megoldásként fejlett nitrogéneltávolító létesítmények hozzáadása, amelyek gyakran biofilmes módszereket alkalmaznak a denitrifikáló baktériumok hatékony dúsítására, fokozhatja a TN eltávolítását, csökkentheti a külső szénforrások iránti igényt és csökkentheti a szén-dioxid-kibocsátást. A Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), amelynek előnyei az erős funkcionális baktériumdúsítás, a kis helyigény, valamint az egyszerű kezelés és karbantartás, széles körben alkalmazzák a szennyvíztisztító telepek építésében, bővítésében és korszerűsítésében. Stabilan elérheti a kvázi IV. osztályú felszíni vízminőségnél jobb kibocsátási szabványokat, és jelentős lehetőségeket és előnyöket rejt magában a szennyvíztisztító telepeken a fejlett nitrogéneltávolítás terén. Ez a cikk egy shandong-i szennyvíztisztító telepet vizsgál meg esettanulmányként, hogy elemezze a tiszta biofilm MBBR-eljárás tervezési indokait és működési teljesítményét a fejlett nitrogéneltávolítás érdekében, azzal a céllal, hogy technikai referenciaként szolgáljon a hatékony szennyvíz-denitrifikációhoz.

1. Projekt áttekintése

1.1 A projekt bemutatása

Shandongban egy szennyvíztisztító telepet két ütemben építettek. Az első, a BIOLAK eljárást alkalmazó fázis 2003 novemberében került hivatalosan üzembe 40.000 m³/nap tisztítási kapacitással. A BIOLAK folyamat elrendezése és a frissítésre rendelkezésre álló terület látható a következőben1. ábra. Kezdetben a szennyvíz minősége megfelelt a GB 18918-2002 B fokozatú szabványnak. 2020-ra a továbbfejlesztett szénforrás-adagolás és a fejlett kezelés kiegészítése révén a szennyvíz minősége az A fokozatú szabványra javult. 2023-ra, három év működés után, a szennyvíz általános minősége általában megfelelt az A fokozatú szabványnak, de a nitrogéneltávolítást illetően két nagy kihívással kellett szembenéznie:

Magas szén-dioxid-forrású adagolás: A 15 mg/L-nél kisebb vagy azzal egyenlő TN cél eléréséhez jelentős mennyiségű külső szénforrásra volt szükség. A folyamatszakaszok alapján végzett számítások 5,9-es C/N arányt mutattak, míg az üzem második fázisában az AAO-folyamat csak 4,5–5,0 közötti C/N-t igényelt a stabil TN-megfelelőség biztosításához. A nagy mennyiségű szénforrás hozzáadása az aerob nitrifikációs folyamatot is hátrányosan befolyásolta, növelve az aerob zóna oxigénigényét.

A nitrogén eltávolításának gyenge stabilitása: Mivel a nitrifikáció és a denitrifikáció ugyanabban a tartályban, eltérő feltételek mellett ment végbe, az üzemi paraméterek gyakori módosítását igényeltek a befolyási változások alapján. Az NH₃-N és a TN szabályozása ellentmondásos volt, ami megnehezítette a nitrifikáció és a denitrifikáció közötti stabil egyensúly fenntartását. A rendszer lökésterhelési ellenállása átlagos volt, ami a szennyvíz gyenge stabilitásához vezetett.

Emiatt szükség volt az eredeti BIOLAK eljárás korszerűsítésére, amelynek fő célja a nitrifikáció és a denitrifikáció közötti konfliktus feloldása, a nitrogéneltávolítás működési költségeinek csökkentése és a szennyvíz stabilitásának javítása.

1.2 Frissítési kihívások

Mivel a BIOLAK-eljárás alkalmatlan volt a tartályok -teljesítménynövelő módosítására, a terv az volt, hogy a kezelést egy új, fejlett nitrogéneltávolító egység megépítésével erősítsék meg. Az eredeti BIOLAK eljárás elsősorban a nitrifikációra összpontosított, másodlagos denitrifikációval, míg az új eljárás a denitrifikációra összpontosított. Tekintettel a tényleges felújítási igényekre, a projektnek két nagy kihívással kellett szembenéznie: az új folyamathoz korlátozottan rendelkezésre álló terület és a magas működési hatékonysági követelmények.

Korlátozottan elérhető földterület új eljáráshoz: Az új építkezést a meglévő üzemi területen belül kellett befejezni, ahol lényegében nem volt lefoglalt terület. Az építkezés csak a BIOLAK tartályok melletti zöldövezetben volt lehetséges, 400 m² szabad területtel. Ez azt jelentette, hogy az új projekt vízegységenkénti lábnyomának 0,01 m²/(m³·d) vagy annál kisebbnek kellett lennie.

Magas működési hatékonysági követelmények: Ez nem egy egyszerű frissítés volt, hanem a biokémiai funkcionális zóna további optimalizálása. Az új egység várhatóan 20 mg/l nitrogéneltávolító terhelést fog megbirkózni. Ezt a folyamatot nemcsak korlátozott területen kellett végrehajtani, hanem csökkenteni kellett a szénforrás adagját az eredeti BIOLAK denitrifikációhoz képest, miközben stabil denitrifikációs teljesítményt biztosított. Így mind a nitrogéneltávolítás hatékonyságával, mind a szénforrás hasznosítási hatékonyságával szemben magas követelményeket támasztottak.

2. A folyamatok összehasonlítása és kiválasztása

A BIOLAK eljárással végzett kezelés után a kifolyó TN főként nitrát nitrogénből áll. Jelenleg a kiforrott fejlett nitrogéneltávolítási eljárások elsősorban biofilmes eljárásokat alkalmaznak, amelyekre jellemző, hogy a mikroorganizmusok hatékonyan dúsulnak a hordozófelületeken kötött állapotban, lényegesen nagyobb funkcionális baktériumdúsítási hatékonyságot kínálva, mint a hagyományos eleveniszapos eljárások. A biofilmes folyamatok tovább oszthatók rögzített-ágyas és mozgó-ágyas típusokra a hordozófluidizáció alapján, amint az a2. ábra.A denitrifikáló szűrők, a tipikus rögzített{0}}ágyas biofilmes eljárások, rögzített szemcsés szűrőközeget használnak mikrobiális növekedési hordozóként. Külső szénforrás hozzáadásával kihasználják a biofilm denitrifikációját és a közeg szűrését, hogy ezzel egyidejűleg eltávolítsák a NO3-t.^--N, SS és egyéb szennyező anyagok. Az előnyök közé tartozik a stabil kezelt víz minősége, nincs szükség másodlagos derítőkre, valamint a kompakt elrendezés, így széles körben használják a szennyvíztisztító telepek korszerűsítésében, mint fejlett kezelőegységet a TN eltávolításának erősítésére a másodlagos szennyvízből. Mindazonáltal a működés során a C/N hatására kell összpontosítani a fejlett denitrifikációs hatékonyságra. A Pingtang szennyvíztisztító telep I. fázisának korszerűsítési projektje szintén 40 000 m³/nap kapacitással, denitrifikáló szűrőt + nagy{7}}hatékonyságú oldott levegő flotációt (DAF) használt fejlett kezelési eljárásként, hogy a szennyvíz TN-t kvázi-IV. osztályú felszíni vízszintre emelje, ami körülbelül 50 a lábnyom. m²/(m³·d), földmegtakarítást és hatékony kezelést tesz lehetővé, de akár 18,34 C/N értékkel. A szennyvíz TN-re vonatkozó új helyi szabványoknak való megfelelés érdekében a Chengdu No{11}} Water Recital Plant egy nagy-sűrűségű ülepítő tartályt és egy denitrifikáló mély{13}}ágyszűrőt alkalmazott korszerűsítési folyamatként 5,7-es C/N értékkel, amely magas színvonalú korszerű kezelést ért el. A hainingi Dingqiao szennyvíztisztító telep nem tudta teljesíteni a Qiantang folyó medencéjére előírt A fokozatú kibocsátási szabványokat. Gao Feiya et al. denitrifikáló mély{18}}ágyszűrőt használt a fejlett TN-kezeléshez, egyidejűleg eltávolítva az SS-t és a TP-t, így a szennyvíz minősége a kvázi-IV. osztályú szabványokhoz közel került, de magas, 15,68-as C/N-értékkel, ami magas nitrogéneltávolítási költségeket eredményezett. Ezenkívül a szűrőfolyamatok rendszeres visszamosást igényelnek, jellemzően levegős{22}}vízmosással, ami befolyásolhatja a működés stabilitását.

A denitrifikáló szűrők instabilitása miatt a kén{0}}alapú autotróf denitrifikáció (SAD) denitrifikáló szűrőkre történő alkalmazásával kapcsolatos kutatások felkeltették a figyelmet. Az SAD elemi ként vagy kénvegyületeket használ elektrondonorként anaerob vagy anoxikus körülmények között az NO3 redukálására^--N–N₂. Olyan előnyöket kínál, mint a jó denitrifikációs hatékonyság, nincs szükség szerves szénforrásra, alacsony üzemeltetési költség és alacsony iszaptermelés. Song Qingyuan et al. egy SAD szűrő nitrogéneltávolító hatását tanulmányozta a másodlagos szennyvízen. A kísérleti körülmények optimalizálása után a nitráteltávolítás stabilan 95% felett maradt, de a közegfelhasználás mértéke elérte az évi 20%-ot, amit a kifolyó szulfátkoncentráció növekedése és a pH csökkenése kísért. Az SAD okozta másodlagos szennyezési kockázatok elkerülése érdekében Li Tianxin et al. kén és mészkőpor keverékének pelletizálásával készített közeg. A szűrőágyhoz adott mennyiségű mészkő semlegesítette a keletkezett savasságot és CaSO₂ csapadékot termelt, csökkentve a kifolyó szulfátkoncentrációt, és hatékonyan kezelte a savtermelés és a magas szulfátszint problémáit. A mészkő azonban elfoglalta az elektrondonor közegek számára szánt helyet a rendszeren belül, gyengítette a fejlett denitrifikációs kapacitást, növelte a szennyvíz keménységét, és növelte az üzemeltetési költségeket. A SAD technológiával kapcsolatos jelenlegi kutatások elsősorban laboratóriumi és kísérleti léptékűek, és nincs elegendő mérnöki tapasztalat referenciaként. További alkalmazott kutatásokra van szükség az ipari{13}léptékű promóció előtt.

Az MBBR a fluidágyas{0}}biofilmes eljárások tipikus képviselője és egy új szennyvízkezelési technológia, amely az elmúlt években jelentős figyelmet kapott. Vízhez közeli sűrűségű szuszpendált hordozóanyagokat használ a mikroorganizmusok specifikus dúsítására, biofilmet képezve a fejlett nitrogéneltávolítás érdekében. A fluidágyas-biofilmes eljárással elkerülhető a hordozó eltömődése és visszamosása is. Jelenleg a fejlett szennyvíztisztító telepek denitrifikálására szolgáló tiszta biofilm MBBR több mint 20 éves sikeres külföldi tapasztalattal rendelkezik, és egyre szélesebb körben alkalmazzák Kínában. Zheng Zhijia et al. két-lépcsős tiszta biofilm MBBR eljárást használt a fejlett denitrifikáció érdekében. C/N=4.0-nál a rendszerből kilépő nitrát-nitrogén (1,87 ± 1,07) mg/L-nél stabilizálódott, átlagosan 93,3%-os TN-eltávolítási arány mellett. Egy fejlesztési zóna szennyvíztisztító telepe egy bizonyos városban egy új MBBR bio{15}}tartályt épített harmadlagos, fejlett kezelésként a fokozott denitrifikáció érdekében. A tiszta biofilm MBBR anoxikus szakaszában a TN eltávolítási terhelése 1,1 g/(m²·d) volt, javítva a rendszer denitrifikációjának megbízhatóságát. Gao Yanbo és munkatársai az eredeti üzem kapacitásának növelésére törekedve új, kétlépcsős AO tiszta biofilm MBBR bio-tartályt építettek, amely stabilan 5 mg/l alatti TN-t ért el, magas denitrifikációs hatásfokkal. Így a tiszta biofilmes MBBR-eljárás nagy lehetőségeket rejt magában a szennyvíztisztító telepeken a fejlett nitrogéneltávolítás terén, és olyan előnyöket ötvöz, mint a magas szénforrás-felhasználási hatékonyság, a nagy kezelési terhelés és a kis helyigény. Ugyanakkor magasabb követelményeket támaszt a berendezésekkel szemben, megbízható berendezéseket igényel a folyamatok stabil működéséhez. Az általánosan használt fejlett nitrogéneltávolítási eljárások összehasonlítása látható1. táblázat.

Átfogó összehasonlítás alapján, bár az SAD eljárás nem igényel szénforrás-kiegészítést, jelenlegi alkalmazása még nem kiforrott, és másodlagos szennyezési kockázatokkal jár, ezért nem vették figyelembe ezt a frissítést. Bár a denitrifikáló szűrőket széles körben használják, többnyire szennyvíztisztító telepek korszerűsítésénél alkalmazzák, ahol a tervezett befolyó/elfolyó TN gyakran 15/12 mg/l, és viszonylag kis TN eltávolítási terhelést kezel. Mivel ehhez a projekthez a hosszú távú, magas A tiszta biofilmes MBBR eljárás olyan előnyöket ötvöz, mint a magas szénfelhasználási hatékonyság, nincs szükség visszamosásra, érett alkalmazás és nincs másodlagos szennyezés. Figyelembe véve a folyamat kihívásait és a felújítási követelményeket, a projekt végül egy új, tiszta biofilm MBBR bio-tartály (a továbbiakban: MBBR tartály) építését választotta az első fázis korszerű nitrogéneltávolító megoldásaként, C/N=4.5-vel tervezett, és a beruházás tervezett megtérülési ideje 7,37 év.

3. Új építési terv

3.1 Folyamatfolyamat

A szennyvíztisztítási folyamat felújítás utáni lefolyása az ábrán látható3. ábra. Az üzem befolyása finom szitákon, örvényszemcsés kamrákon és primer ülepítő tartályokon halad át, mielőtt belép a BIOLAK bio-tartályba a szerves anyagok, ammónia-nitrogén stb. eltávolítására. Ezután szivattyúk emelik az MBBR tartályba a fejlett TN eltávolítás érdekében. Az MBBR tartályt 35 mg/l befolyó TN-hez és 15 mg/l-nél kisebb vagy azzal egyenlő kifolyó TN-hez tervezték. Az MBBR szennyvizet másodlagos szivattyúk emelik át az üzem meglévő fejlett tisztítására a szilárd{7}}folyadék leválasztása és az iszappazarlás érdekében. A végső szennyvizet fertőtlenítik, mielőtt a befogadó folyóba engedik. A felesleges iszapot besűrítik, víztelenítik, és elszállítják{10}}a helyszínről ártalmatlanításra.

3.2 Új MBBR tartály

Az MBBR tartály AO eljárást alkalmaz, Lipp tartályok felhasználásával a moduláris összeszereléshez, és 30 nap alatt elkészül. A rendszer teljes hidraulikus visszatartási ideje (HRT) 1,43 óra. A tartályok belsejében SPR-III típusú speciális aerob és anoxikus lebegő hordozók vannak hozzáadva, az aerob zónában 60%-os, az anoxikus zónában 55%-os töltési aránnyal. A hordozók lapos henger alakúak, 25 mm átmérőjűek és 10 mm magasak, effektív fajlagos felületük nagyobb vagy egyenlő, mint 800 m²/m³. Az anoxikus zóna 4 MBBR-dedikált, változó frekvenciájú-keverővel van felszerelve (SPR kémiai teljesítménytípus), egyenként N=5.5 kW, egyenletes és elegendő fluidizációt biztosítva a hordozóknak. A biofilm érlelése után 2 keverő rutinszerűen működik, a másik 2 meleg készenléti üzemmódban. Az aerob zóna csavaros fúvókat használ a levegőztetéshez. Egyetlen fúvó légkapacitása 14,50 m³/perc, nyomása 90 kPa, N=22 kW. Egy aerob zónára dedikált perforált csődiffúzor (SPR típusú) van felszerelve. Az alacsony szükséges levegőztetési mennyiség miatt általában a meglévő I. fázisú fúvók hasznosíthatók, az új fúvó és az I. fázisú fúvók kölcsönösen tartalékként szolgálnak. Az aerob és az anoxikus zónában egyaránt 12 mm vastag, 30 éves tervezett élettartamú anyagelfogó képernyők (SPR típusú) kerülnek beépítésre.

3.3 Új támogató létesítmények

• Befolyásoló rendszer: A BIOLAK bio-tartály szennyvizét az MBBR tartályba emelik. 4 beömlőszivattyúk vannak felszerelve (2 üzemi, 2 készenléti), mindegyik Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Szénforrás adagolórendszer: Az I. fázisú BIOLAK bio-tartály szennyvize csak nehezen hasznosítható KOI-t tartalmaz. Az MBBR tartály anoxikus zónájában a fejlett denitrifikáció biztosítására nátrium-acetátot használnak külső szénforrásként. 4 adagolószivattyúk vannak felszerelve (2 üzemi, 2 készenléti), mindegyik Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.