Eliminarea avansată a azotului în stații de epurare: proiectarea procesului MBBR cu biofilm pur și analiza performanței|Studiu de caz

Proiectare tehnică și performanță a unui proces MBBR de biofilm pur pentru îndepărtarea avansată a azotului

Odată cu progresul complet al construcției civilizației ecologice a Chinei, standardele de descărcare pentru stațiile de tratare a apelor uzate (WWTP) au devenit din ce în ce mai stricte. Standardul de gradul A al „Standardului de evacuare a poluanților pentru stațiile de tratare a apelor uzate municipale” (GB 18918-2002) necesită TN mai mic sau egal cu 15 mg/L, în timp ce standardele locale din regiuni precum Beijing și Shandong stabilesc în mod explicit limita la TN mai mică sau egală cu 10 mg/L. Aceste standarde ridicate se extind dincolo de limitele de calitate a apei, impunând cerințe mai stricte privind stabilitatea efluentului. În consecință, există o nevoie presantă de a spori capacitatea de îndepărtare a azotului a proceselor de tratare. O abordare este creșterea dozei sursei de carbon în procesul existent pentru a îmbunătăți denitrificarea, dar aceasta duce la costuri operaționale ridicate și la creșterea emisiilor de carbon. Alternativ, adăugarea de instalații avansate de îndepărtare a azotului, folosind adesea metode de biofilm pentru a îmbogăți eficient bacteriile denitrificatoare, poate îmbunătăți eliminarea TN, poate reduce nevoia de surse externe de carbon și poate reduce emisiile de carbon. Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), cu avantajele sale de îmbogățire puternică a bacteriilor funcționale, amprenta redusă și operarea și întreținerea simplă, a fost aplicat pe scară largă în construcția, extinderea și modernizarea stațiilor de epurare. Poate atinge în mod stabil standarde de descărcare mai bune decât calitatea apei de suprafață cvasi-Clasa IV și deține un potențial și avantaje semnificative pentru îndepărtarea avansată a azotului în stațiile de epurare. Acest articol ia o stație de epurare din Shandong ca studiu de caz pentru a analiza rațiunea de proiectare și performanța operațională a aplicării unui proces MBBR de biofilm pur pentru îndepărtarea avansată a azotului, cu scopul de a oferi o referință tehnică pentru denitrificarea eficientă a apelor uzate.

1. Prezentare generală a proiectului

1.1 Introducerea proiectului

O stație de epurare în Shandong a fost construită în două faze. Prima fază, utilizând procesul BIOLAK, a fost pusă în funcțiune oficial în noiembrie 2003, cu o capacitate de tratare de 40.000 m³/zi. Aspectul procesului BIOLAK și zona disponibilă pentru actualizare sunt afișate înFigura 1. Inițial, calitatea efluentului a îndeplinit standardul de grad B din GB 18918-2002. Până în 2020, prin dozarea îmbunătățită a sursei de carbon și adăugarea unui tratament avansat, calitatea efluentului a fost îmbunătățită la standardul de grad A. Până în 2023, după trei ani de funcționare, calitatea generală a efluentului ar putea îndeplini în general standardul de grad A, dar s-a confruntat cu două provocări majore în ceea ce privește îndepărtarea azotului:

Dozare cu sursă ridicată de carbon: Pentru a atinge ținta de TN Mai mică sau egală cu 15 mg/L, a fost necesară o cantitate substanțială de sursă externă de carbon. Calculele bazate pe secțiunile de proces au arătat un raport C/N de până la 5,9, în timp ce procesul AAO din a doua fază a fabricii a necesitat doar un C/N de 4,5–5,0 pentru a asigura o conformitate stabilă cu TN. Adăugarea mare de surse de carbon a afectat negativ și procesul de nitrificare aerobă, crescând necesarul de oxigen în zona aerobă.

Stabilitate slabă a eliminării azotului: Deoarece nitrificarea și denitrificarea au avut loc în același rezervor în condiții diferite solicitate, parametrii operaționali au necesitat ajustari frecvente pe baza modificărilor de influență. Controlul NH₃-N și TN a fost contradictoriu, făcând dificilă menținerea unui echilibru stabil între nitrificare și denitrificare. Rezistența la șoc a sistemului a fost medie, ceea ce duce la o stabilitate slabă a efluentului.

Prin urmare, a fost necesară o modernizare a procesului inițial BIOLAK, cu obiectivele de bază de rezolvare a conflictului dintre nitrificare și denitrificare, reducerea costurilor operaționale de îndepărtare a azotului și îmbunătățirea stabilității efluentului.

1.2 Provocări de actualizare

Deoarece procesul BIOLAK nu era potrivit pentru modificarea în-tanc pentru a îmbunătăți performanța, planul a fost de a consolida tratarea prin construirea unei noi unități avansate de îndepărtare a azotului. Procesul original BIOLAK sa concentrat în primul rând pe nitrificare, cu denitrificarea ca secundar, în timp ce noul proces s-ar concentra pe denitrificare. Având în vedere nevoile reale de renovare, proiectul s-a confruntat cu două provocări majore: teren disponibil limitat pentru noul proces și cerințe ridicate de eficiență operațională.

Teren disponibil limitat pentru un proces nou: Noua construcție trebuia finalizată pe amplasamentul fabricii existente, care în esență nu avea teren rezervat. Construcția a fost posibilă doar pe o centură verde adiacentă rezervoarelor BIOLAK, cu o suprafață disponibilă de 400 m². Aceasta a însemnat că amprenta noului proiect pe unitate de apă tratată trebuia să fie mai mică sau egală cu 0,01 m²/(m³·d).

Cerințe ridicate de eficiență operațională: Aceasta nu a fost o simplă actualizare, ci o nouă optimizare a zonei funcționale biochimice. Noua unitate era de așteptat să gestioneze o încărcătură de îndepărtare a azotului de 20 mg/L. Acest proces nu numai că trebuia finalizat pe un teren limitat, dar trebuia și să reducă doza sursei de carbon în comparație cu denitrificarea originală BIOLAK, asigurând în același timp o performanță stabilă de denitrificare. Astfel, s-au impus cerințe mari atât asupra eficienței eliminării azotului, cât și asupra eficienței utilizării sursei de carbon.

2. Compararea proceselor și selecția

După tratarea prin procedeul BIOLAK, efluentul TN este format în principal din azot nitrat. În prezent, procesele avansate mature de îndepărtare a azotului utilizează în principal metode de biofilm, caracterizate prin îmbogățirea eficientă a microorganismelor pe suprafețele purtătoare în stare atașată, oferind o eficiență semnificativ mai mare de îmbogățire a bacteriilor funcționale decât procesele convenționale cu nămol activat. Procesele de biofilm pot fi împărțite în continuare în tipuri de pat fix-și pat mobil-pe baza fluidizării purtătorului, așa cum se arată înFigura 2.Filtrele de denitrificare, procesele tipice de biofilm cu pat fix{0}, folosesc medii de filtrare granulare fixe ca purtători de creștere microbiană. Adăugând o sursă externă de carbon, acestea valorifică denitrificarea biofilmului și filtrarea mediului pentru a obține îndepărtarea simultană a NO₃.^--N, SS și alți poluanți. Avantajele includ calitatea stabilă a apei tratate, nu este nevoie de clarificatoare secundare și un aspect compact, făcându-le utilizate pe scară largă în modernizările stației de epurare ca unitate avansată de tratare pentru a consolida eliminarea TN din efluentul secundar. Cu toate acestea, concentrarea operațională trebuie să fie pe impactul C/N asupra eficienței avansate de denitrificare. Proiectul de modernizare a stației de epurare Pingtang Faza I, de asemenea, cu o capacitate de 40.000 m³/zi, a folosit un filtru denitrificator + flotație cu aer dizolvat de înaltă eficiență (DAF) ca proces avansat de tratare pentru a ridica TN efluent la standarde de apă de suprafață cvasi-Clasa IV, obținând o amprentă la sol de aproximativ 45 m²/0. permițând un tratament eficient, dar cu un C/N de până la 18,34. Pentru a îndeplini noile standarde locale pentru efluentul TN, Uzina de Recuperare a Apei Chengdu No. 9 a adoptat un rezervor de sedimentare de-densitate mare și un filtru cu pat adânc-denitrificator ca proces de modernizare, cu un C/N de 5,7, realizând un tratament avansat la standarde înalte. Stația de epurare Dingqiao din Haining nu a putut îndeplini standardele de deversare de gradul A cerute pentru bazinul râului Qiantang. Gao Feiya și colab. a folosit un filtru denitrificator cu pat adânc-pentru tratarea TN avansată, îndepărtând simultan SS și TP, aducând calitatea efluentului aproape de standardele cvasi-Clasa IV, dar cu un C/N ridicat de 15,68, ceea ce duce la costuri mari de îndepărtare a azotului. În plus, procesele de filtrare necesită spălare regulată, folosind de obicei spălare cu aer-apă, ceea ce poate afecta stabilitatea operațională.

instabilitate în filtrele denitrificatoare, cercetările privind aplicarea denitrificării autotrofice pe bază de sulf{0}(SAD) la filtrele denitrificatoare au atras atenția. SAD utilizează sulf elementar sau compuși de sulf ca donatori de electroni în condiții anaerobe sau anoxice pentru a reduce NO₃^--N la N₂. Oferă avantaje cum ar fi eficiența bună de denitrificare, nu este nevoie de o sursă de carbon organic, costuri operaționale scăzute și producție scăzută de nămol. Song Qingyuan și colab. a studiat efectul de îndepărtare a azotului al unui filtru SAD asupra efluentului secundar. După optimizarea condițiilor pilot, îndepărtarea nitraților a rămas stabilă peste 95%, dar rata consumului de mediu a atins 20% anual, însoțită de creșterea concentrației de sulfat de efluent și scăderea pH-ului. Pentru a evita riscurile de poluare secundară din SAD, Li Tianxin et al. mediu preparat prin peletizarea unui amestec de sulf și pulbere de calcar. Adăugarea unei anumite proporții de calcar în patul filtrant a neutralizat aciditatea generată și a produs precipitat de CaSO₄, scăzând concentrația de sulfat de efluent și abordând eficient problemele producției de acid și nivelurilor ridicate de sulfat. Cu toate acestea, calcarul a ocupat spațiu destinat mediului donator de electroni în cadrul sistemului, slăbind capacitatea avansată de denitrificare, creșterea durității efluentului și creșterea costurilor operaționale. Cercetările actuale privind tehnologia SAD sunt în primul rând la scară de laborator și pilot, cu experiență de inginerie insuficientă pentru referință. Este nevoie de cercetări aplicate suplimentare înainte de promovarea la scară{13}}industrială.

MBBR este un reprezentant tipic al proceselor de biofilm în pat fluidizat-și o nouă tehnologie de tratare a apelor uzate care a primit o atenție semnificativă în ultimii ani. Utilizează purtători suspendați cu o densitate apropiată de apă pentru a îmbogăți în mod specific microorganismele, formând un biofilm pentru a obține o îndepărtare avansată a azotului. Procesele de biofilm cu pat fluidizat-evită, de asemenea, problemele de înfundare a suportului și spălarea în contra. În prezent, MBBR cu biofilm pur pentru denitrificarea avansată a WWTP are peste 20 de ani de experiență operațională de succes în străinătate și vede o aplicare din ce în ce mai largă în China. Zheng Zhijia și colab. a folosit un proces MBBR cu biofilm pur în două-etape pentru denitrificare avansată. La C/N=4.0, azotul azotat efluent al sistemului s-a stabilizat la (1,87 ± 1,07) mg/L, cu o rată medie de eliminare a TN de 93,3%. O stație de epurare din zonă de dezvoltare dintr-un anumit oraș a construit un nou rezervor de bio-MBBR ca tratament terțiar avansat pentru o denitrificare îmbunătățită. Sarcina de îndepărtare a TN în secțiunea anoxică a biofilmului pur MBBR a fost de 1,1 g/(m²·d), îmbunătățind fiabilitatea denitrificării sistemului. Gao Yanbo și colab., cu scopul de a crește capacitatea fabricii inițiale, au construit un nou rezervor de bio-biofilm MBBR cu AO pur în două-etape, obținând un efluent stabil TN sub 5 mg/L cu o eficiență ridicată de denitrificare. Astfel, procesul MBBR cu biofilm pur prezintă un potențial mare pentru îndepărtarea avansată a azotului în stațiile de epurare, combinând avantaje precum eficiența ridicată a utilizării sursei de carbon, sarcina mare de tratare și amprenta mică. Cu toate acestea, impune și cerințe mai mari asupra echipamentelor, necesitând echipamente fiabile pentru a susține o funcționare stabilă a procesului. O comparație a proceselor avansate comune de îndepărtare a azotului este prezentată înTabelul 1.

Pe baza unei comparații cuprinzătoare, deși procesul SAD nu necesită adăugarea unei surse de carbon, aplicarea sa actuală nu este încă matură și prezintă riscuri secundare de poluare, așa că nu a fost luată în considerare pentru această actualizare. Deși filtrele denitrificatoare sunt utilizate pe scară largă, ele sunt folosite mai ales în upgrade-urile WWTP unde TN pentru influent/efluent proiectat este adesea de 15/12 mg/L, gestionând o sarcină de îndepărtare TN relativ mică. Deoarece acest proiect a necesitat îndeplinirea cerințelor ridicate de îndepărtare a TN-pe termen lung, funcționarea ar scurta în mod semnificativ ciclul de spălare în contrasens al filtrului, crescând dificultatea operațională și instabilitatea. Procesul MBBR cu biofilm pur combină avantaje precum eficiența ridicată a utilizării carbonului, nu este nevoie de spălare în contra, aplicarea matură și nicio poluare secundară. Având în vedere provocările procesului și cerințele de renovare, proiectul a selectat în cele din urmă construcția unui nou rezervor de bio-MBBR cu biofilm pur (denumit în continuare rezervor MBBR) ca soluție avansată de îndepărtare a azotului pentru prima fază, proiectată cu un C/N=4.5 și o perioadă planificată de amortizare a investiției de 7,37 ani.

3. Plan nou de construcție

3.1 Fluxul procesului

Fluxul procesului de tratare a apelor uzate după renovare este prezentat înFigura 3. Influentul plantei trece prin sitări fine, camere cu nisip vortex și rezervoare de sedimentare primară înainte de a intra în bio-rezervorul BIOLAK pentru îndepărtarea materiei organice, azot amoniac etc. Este apoi ridicat de pompe în rezervorul MBBR pentru îndepărtarea avansată a TN. Rezervorul MBBR este proiectat pentru un TN de efluent de 35 mg/L și un TN de efluent mai mic sau egal cu 15 mg/L. Efluentul MBBR este ridicat cu ajutorul pompelor secundare la tratarea avansată existentă a instalației pentru separarea solidelor-lichidelor și risipa nămolului. Efluentul final este dezinfectat înainte de deversare în râul receptor. Surplusul de nămol este îngroșat, deshidratat și transportat în afara locului{10}}pentru eliminare.

3.2 Noul rezervor MBBR

Rezervorul MBBR folosește un proces AO, construit folosind rezervoare Lipp pentru asamblare modulară, finalizat în 30 de zile. Timpul total de retenție hidraulică a sistemului (HRT) este de 1,43 ore. În interiorul rezervoarelor se adaugă purtători suspendați aerobi și anoxici de tip SPR-III, cu un raport de umplere de 60% în zona aerobă și 55% în zona anoxică. Suporturile sunt cilindrice aplatizate, de 25 mm în diametru și 10 mm în înălțime, cu o suprafață specifică efectivă mai mare sau egală cu 800 m²/m³. Zona anoxică este echipată cu 4 mixere MBBR-de frecvență variabilă-dedicate (tip SPR de putere chimică), N=5.5 kW fiecare, care asigură o fluidizare uniformă și suficientă pentru purtători. După maturarea biofilmului, 2 mixere sunt operate în mod obișnuit, cu celelalte 2 ca standby la cald. Zona aerobă folosește suflante cu șurub pentru aerare. O singură suflantă are o capacitate de aer de 14,50 m³/min, presiune 90 kPa, N=22 kW. Este instalat un set de difuzoare de conducte perforate dedicate zonei aerobe (tip SPR). Datorită volumului scăzut de aerare necesar, suflantele existente de Faza I pot fi utilizate de obicei, noul suflante și suflantele de Faza I servind ca rezervă reciprocă. Noi ecrane de interceptare a materialelor (tip SPR), cu grosimea de 12 mm, cu o durată de viață proiectată de 30 de ani, sunt instalate atât în ​​zona aerobă, cât și în cea anoxică.

3.3 Noi facilităţi de sprijin

• Sistem de influență: Efluentul din rezervorul bio-BIOLAK este ridicat în rezervorul MBBR. 4 sunt instalate pompe de admisie (2 de serviciu, 2 de rezervă), fiecare cu Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Sistem de dozare a sursei de carbon: Efluentul din bio-rezervorul BIOLAK de Faza I conține doar COD care este greu de utilizat. Pentru a asigura o denitrificare avansată în zona anoxică a rezervorului MBBR, se utilizează acetat de sodiu ca sursă externă de carbon. 4 sunt instalate pompe dozatoare (2 de serviciu, 2 de rezervă), fiecare cu Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.