A két-szakaszos AO és a három-lépcsős AO-folyamatok összehasonlítása: mérnöki Perspektíva
Jelenleg Kínában a szennyvíztisztító telepek (WWTP) többsége eleveniszap{0}}alapú eljárásokat alkalmaz a szennyvízkezeléshez. Közülük közel fele az anoxikus-oxikus (AO) eljárást alkalmazza. Az AO eljárás olyan előnyöket kínál, mint a stabil működés és az alacsony költség. Azonban a teljes nitrogén (TN) eltávolítási hatékonyságát, amely jellemzően 60% és 80% között mozog, korlátozzák a belső újrahasznosítási arányok. A nitrogéneltávolításra vonatkozó egyre szigorúbb nemzeti követelmények miatt a hagyományos egylépcsős AO-eljárások gyakran nehezen tudnak megfelelni a TN-kezelés követelményeinek. Így több-lépcsős AO-folyamatok jöttek létre. Két vagy több AO szakasz sorba kapcsolásával az előző aerob szakaszban keletkezett nitrát biztosítja a szubsztrátot a denitrifikációhoz a következő anoxikus szakaszban. Ezzel elérhető a belső újrahasznosítási arány csökkentése, miközben javítja a teljes TN-eltávolítást. A túlzott szakaszok azonban a művelet bonyolultságát is növelhetik. Következésképpen Kínában jelenleg a leggyakrabban alkalmazott konfigurációk a két{15}} és a három-lépcsős AO folyamatok. Ez a cikk egy dél-kínai szennyvíztisztító telepet használó két- és három-lépcsős AO-folyamatok összehasonlító elemzését mutatja be esettanulmányként, azzal a céllal, hogy referenciaként szolgáljon a hasonló projektek műszaki útvonalainak kiválasztásához.
1 Projekt áttekintése
Egy dél-kínai szennyvíztisztító telep összesen 8 hektáron terül el. Eredeti tervezési kapacitása 90 000 m³/nap volt, a szennyvíz minőségének meg kell felelnie a "Szennyezőanyagok kibocsátási szabványa a települési szennyvíztisztító telepeken" (GB 18918-2002) és a "Vízszennyező anyagok kibocsátási határértékei" (DB Guangdong Province) A. 2001. -44/26) (a továbbiakban: „V. kvazi osztály”). Az üzem teljes kapacitással működött. A vonatkozó tervek szerint bővítésre volt szükség. A jövőbeli szennyvíz szabványoknak a jelenlegi állapot alapján figyelembe kellett venniük a 10 mg/L-nél kisebb vagy azzal egyenlő TN hosszú távú követelményét. A telek tényleges adottságait átfogóan figyelembe véve a bővítés polgári építési léptékét 70.000 m³/nap-ban határozták meg. Az üzem rövid távon 50 000 m³/d sebességgel üzemelne, hosszú távon pedig elérné a 70 000 m³/d skálát, így az üzem teljes tisztítási kapacitása 160 000 m³/d lesz. A tervezett befolyó és elfolyó víz minősége az ábrán látható1. táblázat.
A helyszíni korlátok miatt a bővítés előzetes terve a "Több-AO + Perifériás-In Perifériás-Out téglalap alakú ülepítő tartály + nagy-hatékonyságú ülepítő tartály + szálszűrőlemez"{-} és szálas szűrőlemez. Valamennyi nagyobb blokk polgári építményei 70.000 m³/d méretarányra, berendezések 50.000 m³/d kapacitásra kerültek kiépítésre. A biológiai tartály a közeljövőben több-lépcsős AO-eljárást alkalmazna. Hosszú távon a felfüggesztett hordozók hozzáadása hibrid biofilm{17}}eleveniszapos eljárást hozna létre, amely kielégíti a 40%-os kapacitásbővítési igényt. Ennél a tervezésnél a hidraulikai feltételeket a 70 000 m³/d, míg a biológiai kezelést az 50 000 m³/d skálán vettük figyelembe. Mivel ez a projekt egy több-lépcsős AO-folyamatot kívánt elfogadni, összehasonlították a két- és a három-lépcsős AO-t.
2. A két-szakaszos és a három-szakaszos AO-folyamatok összehasonlítása
2.1 Folyamatfolyamat
A többlépcsős AO-folyamat alapelve az, hogy az előző aerob szakaszban előállított nitrátot a következő anoxikus szakaszban denitrifikálják, ezáltal csökkentve a belső újrahasznosítási arányt. Elméletileg több szakasz vezet a jobb TN eltávolításhoz, de a vezérlés bonyolultabbá válik. A mérnöki gyakorlatban a két- és a három-lépcsős AO az uralkodó. Ezek folyamatfolyamatai a képen láthatók1. ábra. Két-lépcsős AO esetén a belső újrahasznosítást jellemzően az első AO fokozaton belül tervezik. A három-lépcsős AO esetében általában nem alkalmaznak belső újrahasznosítást. Pekingben a kétlépcsős AO folyamatot alkalmazó szennyvíztisztító telepek közé tartozik a Qinghe (400 000 m³/nap), Xiaohongmen (500 000 m³/nap), Gao'antun (400 000 m³/nap), Dingfuzhuang (200 000 m³/d), és 0,00 m³/d (0,00 m³/d). Ez az eljárás olyan előnyöket kínál, mint az egyszerű berendezések, az alacsony üzemeltetési és karbantartási költségek, az ütési terhelésekkel szembeni erős ellenállás és a más folyamatokkal való magas kompatibilitás, ami megkönnyíti a jövőbeni frissítéseket, hogy megfeleljenek a magasabb szennyvíz szabványoknak. Elméletileg a három-lépcsős AO sorba kapcsolva megszüntetheti a belső újrahasznosító berendezések szükségességét, lehetővé teszi a szénforrások ésszerűbb elosztását, valamint csökkentheti a beruházási és működési költségeket. Ezt az eljárást elsősorban olyan forgatókönyvekben alkalmazzák, ahol elegendő szénforrás és magas a nitrogéneltávolítási igény. Tipikus esetek közé tartozik a jünnani Qujing szennyvíztisztító telep (80 000 m³/nap), a Ninghe kerületi városi szennyvíztisztító telep Tianjinben (90 000 m³/nap), a Zhangguizhuang szennyvíztisztító telep Tianjinben (200 000 m³/nap) és a Daoxianghu Reclamation Plan (80,0 m³d).
2.2 A folyamatok összehasonlítása
Tekintettel arra, hogy ezen a telephelyen nem áll rendelkezésre további terület a jövőbeni korszerűsítésekhez, és hogy néhány új helyi projektben már 10 mg/L-nél kisebb vagy azzal egyenlő szennyvíz TN-normát alkalmaznak, a folyamat-összehasonlítás során a biológiai tartály szennyvíz TN-értéke legfeljebb 10 mg/l volt, hogy figyelembe vegyék a jövőbeli szennyvíz további szigorúbb követelményeit. A többi mutató a tervezett szennyvíz minőségéhez igazodott. Az elrendezés alapján a közel -távú 50 000 m³/nap skála esetén a biológiai tartály maximális hidraulikus visszatartási ideje (HRT) 18 óra volt. A projekt tényleges feltételeit, a BioWin szimuláció eredményeit és a felfüggesztett hordozókkal való összekapcsolás kényelmét kombinálva összehasonlították a két- és a három-lépcsős AO folyamatokat.
2.2.1 BioWin szimuláció
A kezdeti 18 órás HRT-t beállítottuk, és fokozatosan csökkentették. Az elfolyó TN-igényt elérő minimális HRT 14 óra volt. A két-stádiumú AO esetében a befolyási eloszlási pontok az anaerob zóna, az első-stádiumú anoxikus zóna és a második-stádiumú anoxikus zóna voltak. A három -stádiumú AO esetében a befolyási pontok az anaerob zóna, a második-stádiumú anoxikus zóna és a harmadik-szakasz anoxikus zóna voltak.
① Rögzített befolyás-eloszlási arányú vizsgálat
A befolyáseloszlási arányt mindkét esetben 4:3:3-ra állítottuk, a szimulációk három sémát hasonlítottak össze: két-fokozatú AO (újrahasznosítási arány 200%), három-fokozatú AO 200%-os teljes újrahasznosítási aránnyal (100%-os újrahasznosítás az első AO szakaszon belül + 100%-os újrahasznosítás az első zónából), és Oxoxikus zóna a harmadik zónába. három-fokozatú AO 100%-os újrahasznosítási aránnyal (csak az első AO-fokozatban használja újra). A szimulációs folyamok a képen láthatók2. ábra.
2. táblázata szimulációs eredményeket mutatja egy rögzített befolyási hányados HRT-nél=14 h.
A 2. táblázatból látható, hogy mind a két-fázisú, mind a három-fázisú AO esetében javasolt az első AO szakaszban beállítani a belső recirkulációt, hogy maximalizálják a denitrifikációt az első anoxikus zónában a nyers befolyó szénforrás hasznosításával. A három -fázisú AO esetében a belső újrahasznosítás beállítása a harmadik szakasz végétől az első anoxikus zónáig némileg javította a TN- és TP-eltávolítást, de a szervesanyag-eltávolítás hatékonysága csökkent. Ez a feltételezés a biológiai tartályban az újrahasznosítás következtében megnövekedett összáramlásnak tulajdonítható, amely oldott oxigént szállított az anoxikus zónába, befolyásolva az anoxikus környezetet. Ezenkívül az egyes zónák tényleges HRT-je lerövidült, és felgyorsult az üzemi feltételek közötti átmenet, ami csökkenti a hatékonyságot. A dél-kínai projekthez hasonló befolyási jellemzők esetében, ahol a TN-koncentráció nem túl magas, a két-lépcsős AO teljes mértékben megfelel a szennyvíz követelményeinek, és nem mutat különösebb előnyt a három-lépcsős AO esetében. Magas KOI-értékkel és magas TN-befolyással járó forgatókönyvek esetén a három{11}}lépcsős AO megfelelőbb lehet.
② Tanulmány a befolyáseloszlási arányok beállításáról
Mind a két-fokozatú, mind a három-fokozatú AO-t 100%-os belső újrahasznosítási arányra állítottuk be az első AO-fokozatban. A vizsgálatokat többpontos befolyás-eloszlási arányokkal (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4) végezték. Itt az 1:0:0 azt jelenti, hogy minden befolyás a legelején lép be; A 3:7:0 a három -AO szakasz esetében azt jelenti, hogy a beáramlás csak az anaerob zónába és a második AO szakaszba oszlik el. A kiigazított eloszlási arányokra vonatkozó szimulációs eredmények a következőkben láthatók3. táblázat.
A 3. táblázatból látható, hogy az eloszlási arány kismértékben befolyásolja a szennyvíz minőségét. Az általános tendencia az, hogy a későbbi szakaszokra elosztott befolyó mennyiségének növekedésével a kifolyó TN, NH₃-N és TP koncentrációja emelkedik, és fokozatosan nő a levegőztetési igény is. Amikor a befolyási arány 3:7:0 volt, a három-fokozatú AO valamivel jobb TN-eltávolítást és valamivel alacsonyabb levegő{8}}víz arányt mutatott, mint a két-fokozatú AO. A tényleges működés során azonban ez a különbség általában elhanyagolható. Sőt, a befolyó anyagok arányának a későbbi szakaszokra való növelése, bár előnyös a denitrifikációban a szénforrás hasznosítása szempontjából, elkerülhetetlenül növeli a biokémiai reakciók terhelését az NH₃-N, a szerves anyagok és a TP bejutása miatt. Ezért ajánlatos megtartani a több{15}pontos befolyási konfigurációt, és a tényleges vízminőség alapján fokozatosan módosítani a működés során. Érdemes megjegyezni, hogy bár a három-fokozatú AO jobb TN-eltávolítást mutatott, mint a két-fokozatú AO 2:4:4-es befolyási arány mellett, mivel a befolyás a későbbi szakaszokhoz nőtt, az elfolyó NH₃-N növekvő tendenciát mutatott, és ekkor az effluens NH₃-N már nem érte el az ef{2NH3}N szabványt.
③ Két-szakasz és három-szakasz AO kezelési teljesítménye
Három-lépcsős AO konfigurációt szimuláltunk HRT=14 h, egyenlő térfogatarányokkal minden szakaszhoz (1:1:1), 100%-os belső recycling beállítással az első AO-fokozatban, és 4:3:3 befolyási aránnyal, két feltétel mellett: 100%-os visszaforgatással és zárt recycle mellett. Két-lépcsős AO-konfigurációt szimuláltak HRT=14 h, 100%-os belső újrahasznosítási készlettel és 4:3:3-as befolyási aránnyal. Az eredmények azt mutatták, hogy a két-fokozatú AO 6,29 mg/l értéknél érte el az optimális elfolyó TN-t; a három-fokozatú AO 100%-os belső újrahasznosítással az elején érte el a következő legjobb eredményt 7,51 mg/l-rel; a három-fokozatú AO belső újrahasznosítás nélkül rosszabbul teljesített 8,52 mg/l-nél. Mindhárom forgatókönyv teljesítheti a szennyvíz ellenőrzési követelményét (TN kisebb vagy egyenlő, mint 10 mg/L).
4. táblázata tervezési paraméterek összehasonlítását mutatja a két- és a három-lépcsős AO között. Látható, hogy mindkét folyamat esetében az elfolyó TN-igény eléréséhez szükséges HRT kevesebb, mint 18 óra. A két folyamat közötti fő különbségek a következők:
a. Elméletileg, a három-fokozatú AO felső határa magasabb; azaz megfelelő üzemeltetés esetén a beruházási és az üzemeltetési költségek is alacsonyabbak lehetnek. A két-fokozatú AO kevesebb felszerelést és fokozatot tartalmaz, ami alacsonyabb felszerelési költségeket és alacsonyabb üzemeltetési nehézségeket eredményez.
b. Ehhez a konkrét projekthez, mivel a tartály térfogatát 18-órás HRT-re tervezték, a polgári beruházás azonos lenne, akár a két-fokozatú, akár a három-lépcsős AO-t alkalmazzuk. A három-lépcsős AO berendezés költsége magasabb. Ezért befektetési szempontból a kétlépcsős AO alkalmazása gazdaságosabb.
c. A működési költségekkel kapcsolatban, a három-lépcsős AO körülbelül 0,002 CNY/m³-t takaríthat meg azáltal, hogy kiküszöböli a 100%-os vegyes likőr újrahasznosítási energiaköltséget. Figyelembe véve a szénforrás-felhasználás hatékonyságának potenciális csökkenését a tényleges működés során a váltakozó anoxikus/oxikus körülmények miatt a három -lépcsős AO-ban, a tényleges különbség a működési költségekben valószínűleg még kisebb lenne.
2.2.2 A hosszú távú-fuvarozó felfüggesztett forgatókönyv elemzése
A projekt egyedi követelményei miatt a biológiai tartálynak mérlegelnie kellett a hosszú távú kapacitásbővítési terv megvalósíthatóságát és kényelmét, azaz a felfüggesztett hordozók hozzáadásának hatását.
Az MBBR-eljárás lényege a reaktorban lévő biomassza növelése lebegő hordozók hozzáadásával. Ezeket hozzáadhatjuk aerob, anoxikus vagy anaerob tartályokhoz. Figyelembe véve azonban a hordozófluidizálást, ezek anaerob vagy anoxikus tartályokhoz való hozzáadása jelentősen megnövelné a keverési teljesítményigényt. Ezért az aerob tankok kiegészítése javasolt. Az anaerob/anoxikus zónák térfogata az aerob zónából való elválasztással kiegészíthető, míg az aerob térfogat hiányát a hozzáadott hordozók kompenzálják. Más szóval, az elégtelen aerob térfogatot a felfüggesztett hordozók megnövekedett felülete viseli, amelyet a szennyezőanyag-terhelés-konverzió alapján számítanak ki a szükséges hordozómennyiség meghatározásához, egy bizonyos töltési arány szabályozásával a hozzáadott térfogat eléréséhez.
Számítások alapján, ha a két-lépcsős AO eljárást alkalmazzuk, és hosszú távon az összes felfüggesztett hordozót hozzáadjuk az első-fokozatú aerob zónához, akkor a szükséges MBBR hordozófelület 2 597 708 m² lenne, ami 12,99 millió CNY-ba kerül. Egyéb kapcsolódó fix berendezések költségei (beleértve az MBBR fluidizációs rendszereket, dedikált keverőket, szűrőrendszereket és intelligens vezérlőrendszereket) 6,15 millió CNY lennének. Ha a három-lépcsős AO eljárást alkalmazzuk, a szétszórtabb zónák miatt az MBBR zónát 2 részre kell osztani (első -szakaszra és második{12}}szakasz aerob zónára). Következésképpen a megfelelő MBBR rögzített berendezések telepítésének költsége (magukat a fuvarozókat nem számítva) kismértékben, 7,77 millió CNY-ra nőne, miközben a hordozó költsége változatlan marad. Ez azt jelenti, hogy a három-lépcsős AO alkalmazása 1,62 millió CNY-val növelné a jövőbeni utólagos felszerelési beruházásokat, és az utólagos felszerelés bonyolultságát is növelné. Ezenkívül az átvilágítási rendszer az a terület, ahol a leginkább ki vannak téve a problémáknak a hordozó hozzáadása után. A három-lépcsős AO egy extra képernyőszakaszt ad hozzá, ami megnöveli a működési nehézségeket.
A fenti összehasonlítás alapján a három -fokozatú AO túlzott particionálása miatt, mivel mindegyik partíciónak hasonló a térfogata, az utólagos felszerelési nehézségek magasabbak, mint a két-lépcsős AO-é. A felépítés, a működési összetettség és az átvilágítóberendezések hozzáadása szintén magasabb befektetést eredményez, mint a két-lépcsős AO. Ezért a két-fokozatú AO alkalmazása kedvezőbb a felfüggesztett hordozókkal való jövőbeni összekapcsoláshoz.
2.3 Összehasonlítási eredmény
A fenti elemzés alapján mind a két-, mind a három-lépcsős AO-folyamat elérheti a 10 mg/L-nél kisebb vagy azzal egyenlő kifolyó TN célértéket. Ennek a projektnek a határfeltételei mellett a -korlátozott hely, a közeli -tartánymennyiség maximalizálásának szükségessége és a felfüggesztett fuvarozók hozzáadásának hosszú távú-terve-a két-szakaszú AO előnyökkel jár a közeli-távú befektetés és a berendezések kezelésének/karbantartásának kényelme szempontjából. Ezenkívül nagyobb kompatibilitást kínál a felfüggesztett tartókkal való jövőbeni utólagos felszereléshez, ami alacsonyabb összbefektetést, valamint csökkentett utólagos felszerelést és működési nehézségeket eredményez. Ezért átfogó mérlegelés után a két-lépcsős AO-folyamatot javasoltuk ehhez a tervhez.
3 Működési teljesítmény
A projekt teljes becsült beruházása 304,5721 millió CNY, építési költsége 243,6019 millió CNY, ami 3480,03 CNY/m³ egységnyi építési költséget jelent. A kezelési költség 1,95 CNY/m³, az üzemeltetési költség 1,20 CNY/m³.
Ennél a projektnél a biológiai tartály teljes HRT-je 18 óra (amelyből áll: anaerob zóna 2 óra, első-fokozatú anoxikus zóna 3,5 óra, első-fokozatú aerob zóna 7,5 óra, gázgázos zóna 0,5 óra, második-fázisú anoxikus zóna 2,5 óra, 2 óra { aerob zóna, második zóna 8,6 m. Állítható szekcionált vízfelvétel van megvalósítva, amely lehetővé teszi a befolyó elosztási arány 20%-os lépésekben történő beállítását, ha szükséges. A tényleges működés során a kevert liquor szuszpendált szilárd anyagok (MLSS) koncentrációja a biológiai tartályban 3500 és 4000 mg/L között van, az iszap visszavezetési arány 40% és 100% között van, a kevert lúg belső újrahasznosítási aránya pedig 100% és 200% között van. A tényleges befolyó és elfolyó víz minősége a következőben látható5. táblázat, amely alapvetően összhangban van a szimulációs eredményekkel.
4 Következtetés
Esettanulmányként egy dél-kínai szennyvíztisztító telepet használva a BioWin szimuláció segítségével műszaki és gazdasági összehasonlítást végeztek a két- és a három-lépcsős AO folyamatok között. A két-lépcsős AO kevesebb felszerelési elemmel és fokozattal, alacsonyabb felszerelési költségekkel és alacsonyabb üzemeltetési nehézségekkel alkalmasabb olyan dél-kínai körülményekre, ahol a befolyó TN nem túl magas. A három -szakaszú AO esetében a belső újrahasznosítás beállítása a harmadik szakasz végétől az első anoxikus zónáig negatívan befolyásolta a TN eltávolítási hatékonyságát, megnövelte az üzemeltetési irányítás nehézségeit, és megemelkedett a beruházási költségek. A konstrukció egyidejűleg teljesíti a közeli távon 50 000 m³/d és TN 10 mg/l vagy azzal egyenlő kezelési követelményeket, míg a hosszú távú 70 000 m³/d skálát felfüggesztett hordozókkal való összekapcsolással lehet elérni. A tényleges működési eredmények nagymértékben összhangban vannak a BioWin szimulációs eredményeivel, 6,86 mg/l átlagos szennyvíz TN-vel, ami megfelel a tervezési követelményeknek.