Aplicarea procesului AAO modificat în tratarea apelor uzate menajere din mine de cărbune
Apele uzate menajere din minele de cărbune provin în principal din cantine pentru personal, cămine, birouri, spălătorii și băi, drenajul pentru baie reprezentând peste 55% din volumul total. Evacuarea apei de scăldat este relativ concentrată, ceea ce duce la fluctuații semnificative de debit. Caracterizat prin concentrație organică mai mică și solide în suspensie (SS), drenajul pentru scăldat diferă considerabil de canalul menajer tipic. Modelul său de deversare eșalonat cu alte fluxuri de apă uzată contribuie la variabilitatea substanțială a calității apei.
Majoritatea minelor de cărbune din China sunt situate în zone îndepărtate, unde costurile de transport al nămolului sunt mari. Prin urmare, trebuie selectate procese de tratare cu un randament mai mic de nămol. Pe măsură ce minele se dezvoltă și numărul personalului crește, debitul de apă uzată depășește adesea capacitatea de proiectare inițială, necesitând procese cu adaptabilitate puternică la Schimbări ale calității și cantității apei în aceeași amprentă. În conformitate cu politicile de mediu din ce în ce mai stricte, care necesită reutilizarea completă a efluentului tratat cu deversare zero, procesele trebuie să ofere o calitate ridicată și stabilă a efluentului.
În prezent, procesul AAO (anaerob-anoxic-oxic) este alegerea preferată în tratarea apelor uzate municipale. Acest articol analizează eficacitatea aplicării unui Proces AAO Modificat (AAO + Proces Suspension Carrier) pentru apele uzate menajere ale minelor de cărbune, pe baza caracteristicilor sale unice.
1. Procesul AAO modificat
Procesul AAO este cea mai simplă configurație de curgere pentru îndepărtarea simultană a azotului și fosforului. Bacteriile filamentoase nu pot prolifera extensiv în condiții alternante anaerobe, anoxice și aerobe, prevenind înmulțirea nămolului. Nu necesită adăugare chimică, doar amestecare ușoară în rezervoare anaerobe și anoxice, rezultând costuri de operare scăzute. Nămolul are un conținut ridicat de fosfor, ceea ce îi conferă o bună valoare de îngrășământ.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, această reciclare internă consumă energie semnificativă. Efluentul care intră în limpezitorul secundar trebuie să mențină un anumit nivel de oxigen dizolvat (DO) pentru a preveni condițiile anaerobe și eliberarea de fosfor, dar nu prea mare pentru a evita interferarea cu denitrificarea în rezervorul anoxic prin lichidul amestecat reciclat.
Procesul AAO modificat (AAO + Procesul de transport suspendat) atenuează efectiv aceste dezavantaje. Crește masa microbiană în rezervoarele biologice, îmbunătățește încărcarea volumetrică, realizează separarea completă a timpului de retenție hidraulic (HRT) și a timpului de retenție a nămolului (SRT), întărește rezistența la sarcinile de șoc hidraulice și organice, oferă o calitate bună a efluentului chiar și cu surse scăzute de carbon, produce mai puțin și mai stabil nămol (reducerea cerințelor de capacitate de manipulare a nămolului). Efluentul poate îndeplini standardele de calitate a apei din „The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water” (GB/T 18920-2020) și „Code for Design of Coal Preparation Engineering” (GB 50359-2016) pentru spălarea cărbunelui. Hou Feng și colab. a aplicat procesul de purtător suspendat AAO+ într-o stație de tratare a apelor uzate subterane, realizând standardele de gradul 1A conform „Standard de evacuare a poluanților pentru stațiile de epurare a apelor uzate municipale” (GB 18918-2002), cu indicatori cheie (COD, BOD5, NH3-N, TP) atingând standardele de calitate a apei de suprafață de clasa IV (GB) 3838-2002). Hao Ruigang și colab. a folosit „Oxidare A/O Bio-contact + Floculare în turbion perforat + Sedimentare cu tub înclinat + Filtrare activă cu nisip” în extinderea unei stații de ape uzate menajere de mină de cărbune, obținând o calitate a efluentului mai bună decât gradul 1A. Yan Ziyu și colab. a obținut, de asemenea, rezultate bune folosind procese de biofilm pentru a moderniza epurarea apelor uzate menajere existente la mine de cărbune. Procesul AAO modificat permite creșterea capacității și îmbunătățirea calității efluenților în instalațiile existente, cu modificări minime.
Acest proces presupune adăugarea de purtători suspendați în rezervoarele anoxice și aerobe, combinând avantajele proceselor cu nămol activ și biofilm. Dispune de încărcare volumetrică mare, biomasă mare, eficiență ridicată a tratamentului, adaptabilitate puternică la 水质和水量的变化, stabilitate îmbunătățită a procesului și o bună eliminare a nutrienților. Formează biofilme active foarte specializate, crescând eficiența pe volumul de reactor și stabilitatea, permițând reactoare mai mici. Nămolul de biofilm de desprindere conține mai multe protozoare/metazoare, are o densitate mai mare și o dimensiune mai mare a particulelor, rezultând o sedimentare bună și o separare ușoară a solid-lichidelor. Permite separarea completă SRT-HRT, elimină înmulțirea nămolului și este potrivit pentru apele uzate bogate în substanțe organice solubile.
2.1 Studiu de caz
O mină de cărbune din orașul Yan'an, la aproximativ 16 km de orașul Zichang, are o stație de tratare a apelor uzate menajere cu o capacitate de proiectare de 1200 m³/zi. Procesul este: „Ecran + Rezervor de egalizare + AAO cu purtători suspendați + Tratament avansat (Coagulare-Sedimentare-Filtrare) + Dezinfecție”. Nămolul este tratat prin „Îngroșare gravitațională + Deshidratare prin presare cu șurub”. Efluentul îndeplinește limitele mai stricte ale *GB/T 18920-2020* și GB 50359-2016 pentru apa de spălare a cărbunelui. Apa tratată este refolosită pentru Mină Greenery și ca apă de completare în instalația de preparare a cărbunelui. Calitatea influentului/efluentului de proiectare este înTabelul 1. Fluxul procesului este prezentat înFigura 1.
Apele uzate trec printr-o sită (decalaj de 5 mm, unghi de instalare de 75 de grade) într-un rezervor de egalizare (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, adâncime efectivă 2,95 m, volum 247,8 m³, HRT 4,13 h), îndeplinește cerințele GB 50810-2012. Două mixere împiedică depunerea. Trei pompe submersibile (2 sarcini +1 standby, Q{=32.5 m³/h, H{=17 m, N=4 kW) ridică apa către rezervoarele biologice.
Sistemul biologic este format din două trenuri paralele. Pe tren:
- Rezervor anaerob: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, adâncime efectivă 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Rezervor anoxic: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, adâncime efectivă 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Rezervor aerobic: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, adâncime efectivă 4,0 m, HRT 10,0 h. HRT total al sistemului este de 15,75 h. Suporturile suspendate (raport de umplere 80%, suprafață specifică 600 m²/m³) sunt instalate în rezervorul aerobic. Raportul proiectat aer-a-apă este de 13,7:1. Sunt utilizate trei suflante Roots (2 sarcini +1 standby, Q{=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). Raportul de reciclare a nămolului este de 100%, raportul de reciclare a alcoolului mixt este de 200%.
Două clarificatoare secundare dreptunghiulare-de intrare/ieșire (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m fiecare) au o rată de încărcare a suprafeței de 1,2 m³/(m²·h) și HRT de 2,5 ore.
Un purificator de apă integrat (combinând coagularea, sedimentarea, filtrarea) asigură un tratament avansat pentru îndepărtarea ulterioară a SS și a fosforului.
Tratarea nămolului include îngroșarea gravitațională (rezervor de oțel carbon Φ2,5 m×5,0 m), urmată de deshidratarea prin presa cu șurub. Poliacrilamida (PAM) este dozată la 3,0–5,0 kg/t solide uscate înainte de deshidratare. Turta zilnică de nămol deshidratat are o greutate mai mică sau egală cu 150 kg, cu un conținut de umiditate mai mic sau egal cu 80%, transportat în afara-site-ului.
Dezinfecția folosește un generator de ClO2-la fața locului (doza eficientă de clor 120 g/h) dozat la orificiul de intrare al puțului limpede. Puțul limpede are un volum efectiv de 250 m³, oferind un timp de contact de 4,2 ore.
Instalația este dotată cu monitorizare online extinsă (debitmetre, clor rezidual, pH, DO, COD, turbiditate, nivel/concentrație a nămolului) și sisteme automate de control pentru pompe, suflante, spălare în contra, dozare chimică și amestecare, asigurând o funcționare inteligentă, nesupravegheată.
2.2 Analiza performanței
Uzina a finalizat punerea în funcțiune în 2021 și a funcționat de peste doi ani. Calitatea efectivă a influentului/efluentului din 2024 este afișată înTabelul 2.
Raportul BOD5/N influent este de 5,5, indicând un raport scăzut de carbon-la-azot (C/N) al apei uzate, care scade în continuare vara din cauza infiltrării precipitațiilor și a schimbărilor obiceiurilor. Temperaturile extreme de iarnă în Yan'an pot ajunge la -21 de grade. Calitatea reală a efluentului este mai bună decât proiectarea, cu rate de eliminare atingând: COD 97,8%, BOD5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, îndeplinind standardele pentru 绿化 și spălarea cărbunelui.
Masa biofilmului activ din rezervoarele anoxice/aerobe este de până la 125 g/m² purtător, echivalent cu MLSS de 13 g/L-de patru ori mai mare decât a nămolului activ convențional. Microorganismele se află în faza de respirație endogenă, rezultând producția zilnică de nămol aproximativ 1/3 din metodele convenționale, cu o sedimentare mai bună, permițând echipamente mai mici de tratare a nămolului.
Deși oxidarea de bio-contact poate funcționa fără reciclarea nămolului, cercetările lui Xiong Ren și colab. arată că sistemele cu reciclare realizează rate de îndepărtare mai mari pentru COD, TN, NH3-N, SS și reduc randamentul de nămol cu 29,6%. Acest design încorporează reciclarea amestecului de băuturi alcoolice, cu flexibilitate operațională bazată pe calitatea efluentului.
Uzina (1200 m³/d) ocupă 1350,3 m², cu o investiție de capital de 20 milioane CNY și cost de operare de 1,05 CNY/m³.
În comparație cu AAO convențional, care necesită SRT extins pentru o funcționare eficientă la -temperatură joasă, acest proces modificat păstrează simplitatea eliminării simultane a nutrienților, îmbogățind în același timp comunitatea biologică cu purtători. Separarea SRT-HRT îmbunătățește bio-stabilitatea, asigurând o funcționare fiabilă în condiții de C/N scăzute și de temperatură-scăzută. Efluentul stabil poate fi menținut cu o reciclare redusă sau deloc a nămolului, permițând reducerea-nămolului in situ și costuri mai mici de manipulare a nămolului. Simplitatea și lipsa de volum îl fac foarte potrivit pentru tratarea apelor uzate menajere din mine de cărbune.
3. Cercetare de optimizare pentru Procesul AAO
Procesele AAO modificate sunt de obicei proiectate în funcție de parametrii din „Standard pentru proiectarea ingineriei apelor uzate în aer liber” (GB 50014-2021). Cu toate acestea, optimizarea parametrilor operaționali (HRT, SRT, aerare, rapoarte de reciclare, MLSS) specifici apelor uzate ale minelor de cărbune este necesară pentru a identifica condițiile optime pentru proiectarea și exploatarea viitoare.
În AAO convențional, nămolul este reciclat din rezervorul aerob în rezervorul anaerob, purtând nitrați și DO ridicat, ceea ce poate afecta îndepărtarea biologică a fosforului. Poate fi luat în considerare procesul de la Universitatea din Cape Town (UCT), în care nămolul este reciclat în rezervorul anoxic, lichidul nitrificat în rezervorul anoxic și se adaugă o reciclare suplimentară din rezervorul anoxic în rezervorul anaerob pentru a îmbunătăți eliminarea bio-P.
Tratarea nămolului poate reprezenta 50-60% din costul de operare al unei instalații. Ar trebui adoptate tehnologii de reducere a nămolului in-situ. MLSS ridicat în rezervoarele de bio-AAO modificate duce la un raport F/M ridicat, unde poate apărea decuplarea metabolismului, promovând reducerea nămolului și scăzând costurile de manipulare a nămolului. În viitor, ar trebui să se concentreze pe aplicarea tehnologiilor de reducere in-situ, cum ar fi creșterea criptică prin micro-liză, proces-de decontare-anaerobă oxică (OSA) și decuplarea metabolismului în tratarea apelor uzate din minele de cărbune.
Acest proces este potrivit pentru modernizarea instalațiilor AAO existente la minele de cărbune. Adăugarea de purtători la rezervoarele anoxice/aerobe poate îmbunătăți calitatea efluentului, crește capacitatea și poate îmbunătăți stabilitatea sistemului. Pentru instalațiile cu cerințe mai stricte privind efluenții, înlocuirea clarificatorului secundar cu un sistem MBR poate îmbunătăți și mai mult calitatea apei.
4. Concluzie
- Procesul AAO modificat este potrivit pentru modernizarea sistemelor AAO existente în minele de cărbune pentru a spori stabilitatea, a crește capacitatea sau a îndeplini standarde mai stricte.
- La tratarea apelor uzate menajere ale minelor de cărbune, efluentul poate îndeplini simultan standardele *GB/T 18920-2002* pentru udarea drumurilor/verzita și standardele GB 50359-2016 pentru apa de spălare a cărbunelui, demonstrând o adaptabilitate puternică la modificările calității și cantității apei.
- Procesul produce nămol stabil, cu o sedimentare bună și o separare ușoară, generează mai puțin nămol și reduce costurile de tratare a nămolului.