AAOAO-MBBR și îmbunătățirea oxidării ozonului: atingerea standardelor de apă de aproape-clasa IV în stația de epurare Qingdao

Modernizarea designului și practicii instalației de purificare a calității apei Xin'an Qianhe pe baza procesului AAOAO-MBBR și a oxidării ozonului

Qingdao, ca oraș cheie național de coastă central, a obținut rezultate semnificative în guvernarea ecologică. Cu toate acestea, în comparație cu metropolele internaționale de top-, sistemul său de management al mediului urban se confruntă în continuare cu provocări structurale.

În prezent, există decalaje între rata de acoperire a rețelei de conducte de drenaj, eficiența operațională a instalațiilor de tratare a apelor uzate și așteptările publicului pentru un mediu de apă de-înaltă calitate. Există, de asemenea, o distanță de a realiza viziunea ecologică de a construi un „Frumos Qingdao”.

Pentru a face față acestor provocări, Qingdao trebuie să implementeze urgent măsuri sistematice, cum ar fi planificarea științifică, alocarea optimizată a resurselor și investițiile consolidate în infrastructură. Aceste eforturi au ca scop creșterea eficienței rețelei de colectare a apelor uzate și a capacității terminale de tratare, solidificând astfel fundația ecologică pentru dezvoltarea durabilă a orașului.

Proiectul Uzinei de purificare a calității apei Xin'an Qianhe este situat în zona nouă de pe coasta de vest a Qingdao. Are o capacitate de tratare proiectată de 50.000 m³/zi, o suprafață totală a amplasamentului de 33.154 m² și o investiție totală de 182,4 milioane de yuani. Raportul studiului de fezabilitate pentru proiect a fost finalizat în martie 2021, proiectul preliminar și bugetul au fost aprobate în iunie același an, iar construcția a început oficial în aprilie 2023. În prezent se află în faza de construcție. Proiectul original a cerut ca parametrii cheie ai efluenților să îndeplinească standardele de clasă V specificate în GB 3838-2002 „Standarde de calitate a mediului pentru apa de suprafață”, în timp ce azotul total (TN) și alți indicatori trebuiau să îndeplinească standardele de grad A din GB 18918-2002 „Standard de evacuare a poluanților pentru stațiile de tratare a apelor uzate municipale”.

În martie 2022, Qingdao Water Affairs Administration a emis „Avizul privind efectuarea lucrărilor de modernizare și renovare a stațiilor de epurare a apelor uzate urbane din Qingdao”. Această notificare a impus stațiilor de epurare din jurul Golfului Jiaozhou, Golful Bohai și de-a lungul râurilor să finalizeze modernizarea, ridicând standardul de deversare la calitatea apei de suprafață de cvasi-Clasa IV, cu TN efluent controlat între 10-12 mg/L. Eliberarea acestei politici s-a încadrat în intervalul dintre aprobarea preliminară a proiectului (iunie 2021) și începerea sa fizică (aprilie 2023), creând un decalaj tehnic între standardele de proiectare originale deja aprobate și cele mai recente cerințe de mediu. Fiind o nouă instalație de tratare a apelor uzate în zona West Coast New, pentru a asigura conformitatea la finalizare, a devenit imperativ să se realizeze simultan optimizarea procesului în timpul fazei de construcție și să se dezvolte un plan de modernizare fezabil din punct de vedere economic prin studii de fezabilitate.

1. Proiectarea și selectarea schemei de proces

1.1 Calitatea efluentului proiectat

Standardele de efluenți ale proiectului au fost actualizate de la calitatea apei de suprafață de cvasi-clasa V la cvasi-clasa IV. Au fost necesare soluții tehnice rezonabile pentru a reduce în continuare valorile indicatorilor precum BOD, COD_Cr,TN, NH₃-N și TP în efluent. Analiza specifică este prezentată înTabelul 1.

1.2 Selectarea schemei tehnice de inginerie

Fluxul de proces al instalației în construcție este prezentat înFigura 1.

Uzina în construcție adoptă procesul „Pretratare + Rezervor biochimic AAOAO modificat + Rezervor de sedimentare secundară + Rezervor de sedimentare cu eficiență înaltă-+Filtru de tip V-+Oxidare cu ozon". Dispunerea structurilor este compactă, fără suprafață de teren pentru proiectul de modernizare, care, prin urmare, trebuie să se bazeze pe construcția în curs. Actualizarea vizează în primul rând eliminarea poluanților precum COD_Cr, NH₃-N, TN și TP. Au fost propuse două scheme comparative, după cum se detaliază înTabelul 2.

Schema 1: AAOAO-MBBR + proces cu rezervor de sedimentare de înaltă-eficiență

• Modificarea sistemului biochimic: Optimizarea structurii rezervorului biochimic AAOAO aflat în construcție. Îmbunătățiți capacitatea de denitrificare prin extinderea volumului zonei anoxice. Simultan, adăugați purtători MBBR local în zona aerobă pentru a forma un proces compozit, întărind eficiența de îndepărtare biochimică a NH₃-N și TN.
• Actualizarea sistemului fizico-chimic: optimizați structura rezervorului și parametrii echipamentului de susținere ai rezervorului de sedimentare de înaltă{0}}eficiență pentru a asigura conformitatea stabilă cu TP.
• Îmbunătățirea avansată a tratamentului: Creșteți doza în unitatea de oxidare a ozonului pentru a degrada și mai mult materia organică refractară, asigurând COD_Crconformarea la descărcare.

Schema 2: Rezervor de sedimentare cu eficiență înaltă-+ Proces de filtru cu strat adânc de denitrificare

• Optimizarea modului de operare: Menține structura originală a rezervorului biochimic AAOAO. Adăugați dispozitive de aerare reglabile în zona post-anoxică pentru a comuta în mod dinamic între modurile anoxice/aerobe pe baza calității influentului, asigurând eficacitatea tratamentului cu NH₃-N.
• Actualizarea sistemului fizico-chimic: optimizați structura rezervorului și parametrii echipamentului de susținere ai rezervorului de sedimentare de înaltă{0}}eficiență pentru a asigura conformitatea stabilă cu TP.
• Adoptarea filtrului denitrificator: convertiți filtrul de tip V-într-un filtru denitrificator cu pat adânc, utilizând dozarea sursei de carbon pentru a îmbunătăți capacitatea de îndepărtare a TN.
• Îmbunătățirea avansată a tratamentului: Creșteți doza în unitatea de oxidare a ozonului pentru a degrada și mai mult materia organică refractară, asigurând COD_Crconformarea la descărcare.

Ambele scheme pot îndeplini cerințele pentru îndepărtarea azotului și a fosforului. Schema 1 utilizează modificări ale rezervorului biochimic pentru a obține îndepărtarea TN. Avantajul său constă în utilizarea pe deplin a sursei influente de carbon. Când TN influent fluctuează, se poate adăuga și o sursă externă de carbon în zona anoxică pentru îndepărtarea TN. În comparație, filtrul denitrificator cu pat adânc utilizat în Schema 2 necesită utilizarea unei surse externe de carbon și necesită menținerea-pe termen lung a activității microbiene în filtru, crescând costurile operaționale. Deși costurile de investiții în construcție pentru ambele scheme sunt comparabile, pe baza unor considerente multidimensionale, inclusiv controlul costurilor operaționale, stabilitatea procesului și eficiența utilizării sursei de carbon, Schema 1-care oferă atât eficiență economică, cât și flexibilitate operațională - a fost în cele din urmă selectată ca proces de implementare pentru proiectul de modernizare.

2. Puncte cheie de proiectare inginerească

2.1 Modificarea sistemului biochimic

Tehnologia de bază a procesului MBBR constă în realizarea mișcării fluidizate eficiente a purtătorilor suspendați prin proiectare, sporind astfel semnificativ eficiența de biodegradare a poluanților a sistemului. Acest sistem de proces constă din cinci elemente cheie: purtători de biofilm cu rezistență mare-mecanică-, o structură hidraulică adaptată a rezervorului, un sistem de aerare direcțională, un dispozitiv de ecran de interceptare precis și echipament de propulsie cu fluide. Pe baza volumelor ajustate ale rezervoarelor și a parametrilor de proiectare ai unui proiect de închiriere operațional de 20.000 m³/d de echipamente de tratare a apelor uzate (MBBR) în cadrul sistemului regional de canalizare, suprafața efectivă totală necesară calculată a transportoarelor suspendate este de aproximativ 2.164.000 m². Suprafața specifică eficientă proiectată a suporturilor MBBR este mai mare de 750 m²/m³. Tabelul de calcul al proiectului pentru volumul modificat al rezervorului AAOAO-MBBR este afișat înTabelul 3.

2.2 Actualizarea sistemului fizico-chimic

Rezervorul de sedimentare cu-eficiență ridicată este proiectat să funcționeze în două grupuri paralele. Renovarea acestei unități adoptă o formă de pachet de proces, furnizorul de echipamente oferind garanții tehnice complete de proces și angajamente de performanță. Parametrii de bază ai procesului și configurațiile echipamentelor sunt după cum urmează.

Rezervorul de coagulare este format din două grupuri cu un total de 4 compartimente. Dimensiunea proiectată a unui singur compartiment este de 2,675 m × 2,725 m × 5,9 m. Timpul maxim de detenție este de aproximativ 3,8 minute, cu un gradient de viteză (G) mai mare sau egal cu 250 s-¹. Fiecare agitator este configurat cu o singură-putere de 4 kW.

Rezervorul de floculare este format din două grupuri cu un total de 2 compartimente. Dimensiunea proiectată a unui singur compartiment este de 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. Timpul maxim de detenție este de aproximativ 8,3 minute. Diametrul interior al tubului de tiraj este de 2.575 mm. Este configurat cu agitatoare de tip turbină-Φ2.500 mm, fiecare cu o putere de 7,5 kW.

Rezervorul de sedimentare este format din două grupuri. Suprafața tubului înclinat pentru un singur grup este de aproximativ 84 m². Diametrul rezervorului de sedimentare este de 11,7 m. Rata medie de încărcare hidraulică proiectată pe suprafața tubului înclinat este de 12,4 m³/(m²·h), cu o valoare de vârf de 16,1 m³/(m²·h). Rata medie de încărcare hidraulică proiectată pentru zona de sedimentare este de 7,6 m³/(m²·h), cu o valoare de vârf de 9,9 m³/(m²·h).

Sistemul de dozare chimică este configurat după cum urmează: Lichidul comercial de clorură de polialuminiu (PAC) (10% Al₂O₃) este proiectat ca coagulant, dozat în mai multe puncte din secțiunea de afluent a rezervorului de coagulare. Doza maximă proiectată este de 300 mg/L, cu o doză medie de 150-200 mg/L. Se folosesc pompe de dozare cu diafragmă mecanică, configurate cu un sistem de diluare online de 10-ori. Poliacrilamida anioică (PAM) este proiectată ca floculant, dozat în secțiunea de floculare a rezervorului de sedimentare cu eficiență ridicată-. Se utilizează un set de unități de preparare și dozare continuă complet automate a soluției PAM, cu o concentrație de soluție de 2 g/L. Doza maximă proiectată este de 0,6 mg/L, cu o doză medie de 0,3 mg/L. Pompele de dozare sunt pompe dozatoare de tip șurub, echipate și cu un sistem de diluare online de 10 ori.

2.3 Verificarea experimentului de oxidare a ozonului la scară-pilot

Pentru a verifica fezabilitatea efluentului instalației modernizate care îndeplinește în mod stabil standardele de apă de suprafață de Clasa IV (concentrație COD mai mică sau egală cu 30 mg/L), acest studiu a selectat efluentul secundar din prima și a doua fază a Uzinei de purificare a calității apei Lianwanhe ca subiect de cercetare în iunie 2024. Un experiment de verificare a performanței pentru procesul de tratare avansată „Ozon Filtration +” a fost efectuat. Experimentul și-a propus să evalueze aplicabilitatea acestui proces la proiectarea proiectului Xin'an și realizabilitatea țintei.

Acest experiment a folosit unitatea existentă de filtrare cu nisip la scară mică-(capacitate de tratare 1,5 m³/h) din cadrul uzinei Lianwanhe. Un dispozitiv pilot de reacție de oxidare a ozonului la scară-(reactor turn, volum efectiv 0,5 m³) a fost instalat-pe amplasament. Efluentul rezervorului de sedimentare secundar existent a fost filtrat de filtrul mic de nisip, apoi ridicat de o pompă pentru a pătrunde de sus în turnul de oxidare a ozonului. Efectul oxidant al ozonului a fost folosit pentru a îndepărta materia organică refractară din influent, realizând o reducere suplimentară a COD.

2.3.1 Performanța „Filtrare cu nisip + Oxidare a ozonului” la o doză de ozon de 20 mg/L și HRT de 30 min

În timpul acestei faze de cercetare, concentrația de COD influent a variat între 38,2 și 43,4 mg/L, cu o medie de 40,4 mg/L. După tratarea prin procesul „Filtrare cu nisip + Oxidare cu ozon”, COD efluent final a fost în medie de 28,8 mg/L. Experimentul a constatat că atunci când concentrația de COD a fost mare, au existat încă cazuri în care COD efluent nu a îndeplinit standardul. În plus, culoarea finală a efluentului din testul pilot a rămas mai mare decât cea a efluentului, neîndeplinind standardul de evacuare. Detaliile sunt afișate înFigura 2(a).

2.3.2 Performanța „Filtrare cu nisip + Oxidare a ozonului” la o doză de ozon de 25 mg/L și HRT de 30 min

Pentru a îmbunătăți și mai mult eliminarea COD și a reduce culoarea efluentului, această fază a continuat să crească doza de ozon, menținând HRT la 30 de minute. În această fază experimentală, concentrația de COD influent a variat între 36,3 și 46,2 mg/L, cu o medie de 40,4 mg/L. După tratament, concentrația de COD a fost redusă la 28 mg/L. Culoarea finală a efluentului din testul pilot a rămas în continuare mai mare decât cea a efluentului, nerespectând standardul de evacuare. Detaliile sunt afișate înFigura 2(b).

2.3.3 Performanța „Filtrare cu nisip + Oxidare a ozonului” la o doză de ozon de 30 mg/L și HRT de 30 min

În condițiile unei doze de ozon de 30 mg/L și a unei HRT de 30 min, procesul „Filtrare cu nisip + Oxidare cu ozon” a arătat o eficacitate bună de tratare pentru COD efluent secundar. În această fază de testare, concentrația de COD influent a variat între 38,2 și 42,2 mg/L, cu o medie de 40,2 mg/L. După tratament, concentrația de COD efluent a rămas stabilă sub 30 mg/L, cu o medie de 26 mg/L. În această fază, procesul a demonstrat, de asemenea, o bună eficacitate în îndepărtarea culorii, cu culoarea măsurată constant sub 20, îndeplinind stabil standardul de descărcare. Detaliile sunt afișate înFigura 2(c).

2.3.4 Concluzie experimentală

Pe baza rezultatelor experimentale, în condiții optime de reacție, raportul dintre doza de ozon (30 mg/L) și eliminarea COD (12,2 mg/L) în unitatea de tratare cu ozon a fost de 2,45:1,00.

Experimentul pilot a demonstrat că procesul avansat de tratare „Filtrare cu nisip + Oxidare cu ozon” poate reduce în mod eficient valoarea COD a efluentului secundar reprezentativ de la uzina Lianwanhe. Prin urmare, adoptarea procesului „Filtrare cu nisip + Oxidare a ozonului” ca proces avansat de tratare pentru proiectul Xin'an Qianhe are o fezabilitate bună și poate asigura că COD efluent al proiectului rămâne stabil sub 30 mg/L.

3. Concluzie

Această cercetare se concentrează pe trei module de modificare de bază: sistemul de tratare biochimică adoptă procesul hibrid AAOAO-MBBR (creștere suspendată și atașată); unitatea de tratare fizico-chimică optimizează structura rezervorului și selecția echipamentelor pentru rezervorul de sedimentare de înaltă-eficiență; iar legătura de tratament avansat este validată printr-un experiment pilot de oxidare a ozonului la scară-pilot.

Prin optimizarea sinergică a acestui lanț de proces, este construit un sistem complet de proces-de procesare „Îmbunătățire biochimică – Îmbunătățire fizico-chimică – Protecție avansată”. Simultan, acest proiect ingineresc urmează faptul obiectiv al construcției actuale a proiectului în curs de desfășurare, necesitând optimizarea coordonată a secvențelor de construcție pentru toate structurile pentru a maximiza utilizarea facilităților existente și a minimiza volumul de muncă de renovare.

Proiectul folosește standardul de calitate a efluenților din instalația în construcție ca punct de referință pentru calitatea influenților de proiectare. Concentrațiile de descărcare de COD_Cr, BOD₅, NH₃-N și TP trebuie să respecte standardele de clasă IV (TN mai mică sau egală cu 10/12 mg/L) specificate în GB 3838-2002 „Standarde de calitate a mediului pentru apa de suprafață”. Alți indicatori trebuie să respecte standardele de grad A din GB 18918-2002 „Standard de evacuare a poluanților pentru stațiile de epurare a apelor uzate municipale”. Acest proiect de modernizare are o scară de proiectare de 50.000 m³/zi, o investiție totală de 27,507 milioane de yuani, un cost de operare de 0,3 yuani/m³, un cost total de 0,39 yuani/m³ și un preț de operare a apei de 0,45 yuani/m³.