Studiu de caz al procesului MBBR+ACCA pentru modernizarea și reconstrucția unei stații de epurare a apelor uzate urbane
Pe fundalul economiei în plină expansiune a Chinei, ritmul industrializării și urbanizării s-a accelerat semnificativ. Acest proces este însoțit în mod inevitabil de o creștere de la un an la altul--anual a deversării apelor uzate industriale și a apelor uzate menajere, exacerbând problemele de poluare a apei și impactând construcția civilizației ecologice durabile a Chinei. Odată cu implementarea cuprinzătoare a Planului de acțiune pentru prevenirea și controlul poluării apei, au fost impuse cerințe mai stricte privind deversarea stațiilor de epurare a apelor uzate urbane din întreaga țară. Standardele locale din unele orașe au atins calitatea apei de cvasi-clasa IV, iar pentru efluenții deversați în corpurile de apă sensibile, anumiți indicatori individuali se apropie treptat de standardul de clasa III pentru apele de suprafață. Cu toate acestea, poluanții reziduali din apele reziduale urbane după tratarea biologică sunt în principal compuși organici ne-biodegradabili cu biodegradabilitate slabă. Bazându-se exclusiv pe tehnologiile tradiționale de îmbunătățire biologică a devenit insuficientă pentru a îndeplini standardele de emisie din ce în ce mai stricte.
Cocsul activat posedă un sistem mezoporos foarte dezvoltat, capabil să adsorbă poluanții macromoleculari din apă. Cu rezistență mecanică ridicată, stabilitate, performanță bună de adsorbție și cost relativ economic, a fost aplicat pe scară largă în tratarea apelor uzate industriale care sunt greu de biodegradat. În ultimii ani, tehnologia de filtrare folosind cocs activat ca mediu și-a găsit anumite aplicații și în tratarea avansată a stațiilor municipale de apă uzată, obținând rezultate bune în eliminarea finală a poluanților. Combinând un exemplu de inginerie dintr-un proiect de modernizare la o stație de tratare a apelor uzate din provincia Henan, autorul a adoptat procesul MBBR+ACCA (Activated Coke Circulating Adsorbtion) pentru a îmbunătăți tratarea apelor uzate urbane. Indicatorii COD pentru efluent, NH₃-N și TP au respectat standardul GB 3838-2002 Clasa III de apă, oferind o referință pentru proiectele de modernizare la alte stații de tratare a apelor uzate.
1. Situația de bază a Stației de Epurare
Capacitatea totală de proiectare a acestei stații de tratare a apelor uzate este de 50.000 m³/zi, cuprinzând o capacitate de proiectare Faza I de 18.000 m³/zi și o capacitate de proiectare Faza II de 32.000 m³/zi. Acesta tratează în principal ape uzate menajere urbane și o cantitate mică de ape uzate industriale. O actualizare a fost finalizată în 2012, efluentul respectând standardul de gradul 1A al Standardului de evacuare a poluanților pentru stațiile de epurare a apelor uzate municipale GB 18918-2002. Procesul principal este AO cu mai multe-etape + filtru de denitrificare + rezervor de sedimentare de înaltă densitate. Fluxul procesului este prezentat înFigura 1.
În prezent, stația de epurare a apelor uzate funcționează aproape de capacitatea maximă. Pe baza datelor operaționale curente, în condiții de întreținere bună a instalației, calitatea efluentului poate fi menținută în mod stabil la standardul GB 18918-2002 Grad 1A. Concentrațiile efluenților pentru COD, BOD₅, NH3-N, TN și TP variază între 21,77-42,34 mg/L, 1,82-4,15 mg/L, 0,13-1,67 mg/L, 8,86-15,74 mg/L, respectiv 0,4 mg/L, respectiv 0,4 mg/L
Înainte de modernizare, instalația s-a confruntat cu următoarele probleme: 1) Îmbătrânirea și ecranele deteriorate în secțiunea de pretratare au permis introducerea unor resturi plutitoare în rezervoarele biologice, înfundarea cu ușurință a pompelor și afectarea epurării ulterioare; 2) Îndepărtarea instabilă a TN în timpul temperaturilor scăzute de iarnă și fluctuații semnificative ale calității și cantității apei; 3) Volumul insuficient al rezervoarelor în rezervoarele biologice de Faza I și compartimentarea nerezonabilă a zonei anoxice, ceea ce duce la o eficiență slabă de îndepărtare a TN și la dozarea chimică ridicată pentru adăugarea ulterioară a sursei de carbon; 4) Sistemul de aerare original folosea suflante centrifugale tradiționale învechite, cu consum mare de energie; 5) Înfundarea severă a mediului de filtrare în filtrele de denitrificare, spălare incompletă în contra-spalare și dificultate în funcționare stabilă; 6) Defecțiuni frecvente ale echipamentelor de amestecare și agitare din rezervoarele de sedimentare de mare-densitate; 7) Defecțiuni frecvente ale celor două prese cu filtru cu bandă existente pentru deshidratarea nămolului, conținut ridicat de umiditate al nămolului deshidratat, volum mare de nămol și costuri mari de eliminare a nămolului; 8) Lipsa instalațiilor de control al mirosurilor pentru sistemele de pretratare și tratare a nămolului; 9) Sistem de control central învechit, cu capacitate limitată de stocare a datelor și pierderea majorității funcțiilor de operare de la distanță.
2. Calitatea apei de proiectare
Luând în considerare anii de date operaționale privind calitatea apei din centrală, cu un nivel de încredere de 90% și incluzând o anumită marjă, a fost determinată calitatea influențului de proiectare. Pe baza cerințelor de calitate a mediului ale corpului de apă receptor, efluentul COD, BOD₅, NH₃-N și TP trebuie să îndeplinească standardul GB 3838-2002 Clasa III de apă, în timp ce TN și SS vor adera la standardul original. Calitățile de influenț și efluent de proiectare sunt prezentate înTabelul 1.
3. Actualizarea conceptului și a fluxului de proces
3.1 Conceptul de modernizare
În funcție de calitatea efluentului de proiectare, această actualizare stabilește cerințe mai mari pentru COD, BOD₅, NH₃-N și TP. Având în vedere procesul actual al fabricii, caracteristicile de calitate a apei și problemele existente, se pune accent pe eliminarea îmbunătățită a COD, NH₃-N și TP, asigurând în același timp o îndepărtare stabilă a TN. În plus, spațiul disponibil limitat în cadrul fabricii existente necesită exploatarea pe deplin a potențialului structurilor existente prin reînnoirea echipamentelor, intensificarea procesului și renovarea, urmărind eliminarea eficientă a COD, NH₃-N, TN și TP. Prin urmare, utilizarea rezervoarelor AO originale cu mai multe etape și adăugarea de purtători suspendați pentru a forma un proces MBBR cu nămol activat cu biofilm-hibrid poate îmbunătăți în mod eficient stabilitatea tratamentului și rezistența la șoc. Vârsta lungă de nămol a biofilmului pe purtători este potrivită pentru creșterea nitrificatorilor și menținerea concentrațiilor ridicate de nitrificatori, îmbunătățind semnificativ capacitatea de nitrificare a sistemului. Biofilmul dens din interiorul purtătorilor are o vârstă îndelungată a nămolului, găzduind populații substanțiale de bacterii nitrificatoare și denitrificatoare, permițând nitrificare-denitrificarea (SND) simultană și întărind astfel eliminarea TN. Prin urmare, procesul MBBR este potrivit-pentru upgrade-ul acestei fabrici.
Pe baza experienței similare în proiecte de modernizare, pentru a asigura o conformitate stabilă pentru COD și TP, sunt încă necesare instalații suplimentare de tratare de siguranță pe lângă procesul existent cuplat cu MBBR. Cocsul activat, ca material poros, prezintă performanțe de adsorbție mai semnificative în comparație cu carbonul activat, eliminând eficient COD, SS, TP, culoarea etc. Acest mecanism de echilibru dinamic permite funcționarea susținută și stabilă a sistemului. Procesul de adsorbție în circulație a cocsului activat (ACCA) utilizează cocs activat ca mediu, integrând filtrarea și adsorbția. Utilizează aer comprimat pentru a ridica și curăța mediul de filtrare. Prin zonarea-debitului invers și designul de curgere uniformă, acesta asigură contactul deplin între cocsul activat și apa uzată, realizând îmbunătățirea finală a calității apei și garantând conformitatea stabilă a efluentului.
Pentru echipamentele vechi și defecte ale fabricii, acestea vor fi înlocuite cu echipamente avansate din punct de vedere tehnologic, eficiente din punct de vedere energetic-pentru a reduce costurile operaționale. Mai exact, sitele de pretratare vor fi înlocuite cu sitări fine alimentate intern pentru a intercepta părul și fibrele, prevenind înfundarea ecranelor de reținere a purtătorului MBBR.
3.2 Fluxul procesului
Fluxul de proces actualizat este afișat înFigura 2. Pentru a îndeplini cerințele de cap, a fost adăugată o nouă stație de pompare. Un filtru de tip V-nou construit servește ca unitate de pretratare pentru adsorbția ulterioară a cocsului activat, asigurând stabilitatea sistemului ACCA. Apa brută trece prin sitări și camere de nisip pentru a îndepărta substanțele plutitoare, părul și particulele înainte de a intra în rezervoarele biologice hibride MBBR pentru o îndepărtare îmbunătățită a azotului. Lichiorul amestecat intră apoi în clarificatoarele secundare pentru separarea solidelor. Supernatantul este ridicat prin noua stație de pompare în filtre de denitrificare și rezervoare de sedimentare cu densitate mare-. Efluentul este apoi ridicat de către noua stație de pompare în filtrul de tip V-și în rezervoarele de adsorbție de cocs activat în două-etape pentru un tratament avansat, eliminând în continuare COD, TP, SS, culoarea etc. Efluentul final este dezinfectat înainte de descărcare.
4. Parametrii de proiectare ai unităților majore de tratare
4.1 Rezervoare biologice
Rezervoarele biologice existente de Faza I sunt împărțite în două grupuri cu volum relativ mic de rezervoare, dar cu structură solidă. Prin urmare, pentru această modernizare, în timp ce îndeplinesc cerințele de cap, pereții rezervorului au fost ridicați cu 0,5 m. După renovare, volumul efectiv total este de 10.800 m³, cu o HRT totală de 14,4 ore și o HRT în zonă anoxică de 6,4 ore, crescând timpul de retenție anoxică pentru a îmbunătăți îndepărtarea TN. Rezervoarele biologice existente de Faza II au un volum efectiv de 19.600 m³, un HRT total de 14,7 ore și un HRT în zonă anoxică de 6,8 ore. Acest proiect a implicat înlocuirea sistemelor de aerare și a unor mixere submersibile învechite atât în rezervoarele biologice de Faza I, cât și a II-a, precum și adăugarea de suporturi suspendate și ecrane de reținere. Suporturile sunt fabricate din poliuretan sau din alte materiale compozite{14}}de înaltă performanță, cu o specificație cubică de 24 mm, o suprafață specifică de 4.000 m²/m³ și un raport de umplere de 20%. AOR al sistemului de epurare biologică este de 853,92 kg O₂/h, cu o rată de alimentare cu aer de 310,36 Nm³/min.
4.2 Stație de pompare de ridicare și rezervor de apă uzată
O nouă stație de pompare a fost construită pentru a pompa efluenții din rezervoarele de sedimentare de{0}}înaltă densitate la filtrul de tip V-pentru tratare ulterioară. Un rezervor de apă uzată stochează apele reziduale de spălare din contra de la filtre. Pompele mici sunt folosite pentru a pompa uniform apa uzată de spălare în contravaloare în rezervoarele biologice de Faza II pentru a evita încărcarea cu șoc. Au fost instalate trei pompe de ridicare secundare (2 duty + 1 standby, Q{=1,300 m³/h, H{=12 m, N{=75 kW), cu control variabil de frecvență (VFD). Rezervorul de apă uzată de spălare în contra-spalare este echipat cu 2 pompe de transfer (1 duty + 1 standby, Q{=140 m³/h, H{=7 m, N{=5.5 kW) și un mixer submersibil (N{=2.2 kW) pentru a preveni sedimentarea.
4.3 V-Tip filtru
Un nou filtru de tip V-a fost construit cu dimensiuni structurale de 36,9 m (L) × 29,7 m (L) × 8,0 m (H). Folosește medii filtrante cu nisip de cuarț omogen. Filtrul este împărțit în 6 celule dispuse pe două rânduri. Țeava de evacuare a fiecărei celule are o supapă de reglare electrică pentru a controla funcționarea constantă a nivelului apei. Procesul de spălare inversă poate fi reglat prin PLC. Viteza de filtrare proiectată este de 7,0 m/h, rata de filtrare forțată este de 8,4 m/h, iar suprafața de filtrare cu o singură celulă-este de 49,4 m². Intensitatea apei de spălare în contravaloare este de 11 m³/(m²·h), intensitatea aerului de spălare în contravaloare este de 55 m³/(m²·h), iar intensitatea de curățare a suprafeței este de 7 m³/(m²·h). Durata spălării în contra este de 10 minute. Ciclul de spălare în contra este de 24 de ore (reglabil), spălând câte o celulă. Dimensiunea suportului de nisip de cuarț este de 1-1,6 mm cu k₈₀ < 1,3. Se folosesc plăci de filtrare monolitice turnate-in loc.
4.4 Rezervoare de adsorbție de cocs activat
Un nou rezervor de adsorbție de cocs activat a fost construit cu dimensiuni structurale de 49,5 m (L) × 30,15 m (W) × 11,0 m (H). Utilizează o configurație de filtrare în două-etape, cu un total de 36 de celule, 18 celule pe etapă. Rata maximă de filtrare este de 6,02 m³/(m²·h), cu o medie de 4,63 m³/(m²·h). Dimensiunile primului-etapă cu o singură-celulă sunt L×L×H=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, cu un timp de contact cu patul gol (EBCT) de 1,4 ore. Dimensiunile celulei cu o singură-etapă-a doua sunt L×L×H=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, cu un EBCT de 1,08 h. Sistemul folosește 2.000 de tone de cocs activat cu dimensiunea particulelor 2-8 mm, echipat cu spălători mobile de cocs, distribuitoare de apă, baraje de intrare/ieșire etc.
4.5 Clădirea Coca-Cola activată
A fost construită o nouă clădire de cocs activat pentru depozitarea cocsului activat și alimentarea cu rezervoarele de adsorbție. Dimensiunile structurale sunt 33,5 m (L) × 13,0 m (L) × 6,5 m (H). Echipamentele auxiliare principale includ: 1 sită vibrantă de deshidratare a cocsului activat, 3 pompe de alimentare cu cocs (2 de sarcină + 1 standby, Q{=40 m³/h, H=25 m, N{=7.5 kW), 2 pompe de evacuare a filtratului (1 serviciu + 1 standby, Q{33.5 m³/h, Q{33.5 m N=18.5 kW), 2 compresoare de aer (1 serviciu + 1 standby, Q{=7.1 m³/min, N{=37 kW) și un rezervor de aer (V{=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Placă-și-cameră de deshidratare
O nouă cameră de deshidratare cu plăci-și-cadru a fost construită lângă camera de deshidratare a nămolului existentă. Din cauza limitărilor de spațiu, a fost configurat un set de filtru presă cu placă-și-cadru (suprafața filtrului 300 m²), servind ca rezervă pentru filtru presă cu bandă. Facilitățile auxiliare includ un rezervor de condiționare (volum efectiv 80 m³). Cantitatea de nămol este de 6.150 kg DS/zi, cu un conținut de umiditate a nămolului de furaj îngroșat de 97% și un conținut de umiditate a turtei deshidratate de 60%. Echipamentele auxiliare principale includ: 2 pompe de alimentare (1 duty + 1 standby, Q{=60 m³/h, H=120 m, N{=7.5 kW), 2 pompe de apă de presare (1 serviciu + 1 standby, Q{=12 m³/h, H{=187 m, N. m, pompă de spălare), (Q=20 m³/h, H=70 m, N{=7.5 kW), 2 pompe dozatoare (1 serviciu + 1 standby, Q{=4 m³/h, H{=60 m, N{=3 kW), 1 compresor de aer (Q{{=3.45} rezervor de aer, =3.45 m³/min rezervor de primire), {{38} m³/h (V=5 m³, P{=1.0 MPa) și 1 set de unitate de preparare PAM (Q{=2 m³/h, N{=1.5 kW).
4.7 Sistemul de control al mirosurilor
A fost adăugat un nou sistem de biofiltrare pentru controlul mirosurilor cu un debit de aer proiectat de 12.000 m³/h. Țevile din plastic armat cu sticlă (GRP) sunt utilizate pentru colectarea și tratarea mirosurilor de la sistemele de pretratare și tratare a nămolului. Cadrele din oțel inoxidabil și plăcile de rezistență din PC sunt folosite pentru a sigila echipamentele de pretratare.
4.8 Alte actualizări ale instalației
- Înlocuit cu 2 site fine alimentate intern cu deschidere de 5 mm, cu transportoare cu șurub și rezervor de apă de spălare, V=10 m³ și 2 pompe de apă de spălare (1 serviciu + 1 standby, Q{=25 m³/h, H=70 m, N{=11 kW).
- Înlocuit cu 4 suflante cu suspensie pneumatică mai eficiente, controlate VFD (3 sarcini + 1 standby, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Înlocuirea mediului filtrant din filtrele de denitrificare existente cu 1.800 m³ de mediu ceramic (dimensiunea particulelor 3-5 mm).
- S-au înlocuit 2 agitatoare de amestec în rezervoarele de sedimentare cu densitate mare-(viteză 60-80 rpm, N=5.5 kW), 4 agitatoare de floculare (viteză 10-20 rpm, N=2.2 kW) și sedimentele tubulare (260 m²).
- S-a înlocuit filtrul presă cu bandă cu o curea de 2 m lățime și un compresor de aer potrivit, 1 set.
- Folosind camera de control centrală inițială, echipamentele, instrumentele actualizate și controlul centralizat stabilit, s-a înființat un sistem de comunicare de date la nivel de fabrică-pentru a realiza comunicarea de date între camera de control centrală și substații, precum și automatizarea controlului procesului de producție.
5. Performanța operațională și indicatorii tehnici-economici
5.1 Performanța operațională
După finalizarea acestui proiect de modernizare, toate unitățile de tratare au funcționat stabil. Datele de monitorizare a calității apei afluente și efluente pentru anul 2023 sunt prezentate înTabelul 2.
După cum se arată, concentrațiile medii ale efluenților pentru COD, NH₃-N, TN, TP și SS au fost de 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 și 2,63 mg/L, cu rate medii de eliminare de 95,16%, 99,45%, 17%, 79,45%, 17%, 79,45% 97,38%, respectiv. Efluentul COD, NH₃-N și TP au îndeplinit în mod constant standardul GB 3838-2002 Clasa III pentru apă.
Proiectul modernizat este în funcțiune de aproape doi ani. Rezultatele indică faptul că procesul MBBR+ACCA este stabil, eficient și produce efluenți-de înaltă calitate, demonstrând o rezistență puternică la sarcinile de șoc și condițiile de temperatură scăzută-. Chiar și cu o temperatură minimă de iarnă a apei de 9,4 grade și fluctuații semnificative ale calității apei, calitatea efluentului a rămas stabilă și a îndeplinit standardele de deversare. Înainte și după actualizare, doza sursei de carbon nu a crescut, dar eliminarea TN a fost semnificativ îmbunătățită. Acest lucru se datorează faptului că, pe de o parte, microorganismele nitrificatoare atașate la purtătorii MBBR cresc și se acumulează într-un mediu aerob stabil, ducând la o nitrificare mai completă. Pe de altă parte, nitrații au fost îndepărtați în continuare în rezervoarele MBBR modernizate și rezervoarele anoxice. Sistemul ACCA final acționează ca o protecție, adsorbind și îndepărtând în continuare COD, TP, SS recalcitrante, etc., făcând calitatea efluentului mai stabilă. În plus, după implementarea proiectului, instalația poate produce apă regenerată-de înaltă calitate, punând bazele pentru reutilizarea viitoare a apei.
5.2 Indicatori tehnici-economici
Investiția totală pentru acest proiect a fost de 86937.600 RMB, cuprinzând costuri de construcție și instalare de 74.438.500 RMB, alte cheltuieli de 7.593.500 RMB, costuri neprevăzute de 4.101.600 RMB și capital de lucru inițial de 804.000 RMB. După funcționarea stabilă a sistemului, costul suplimentar de energie electrică pentru întreaga instalație este de 0,11 RMB/m³, costul cocsului activat este de 0,39 RMB/m³, rezultând o creștere totală a costurilor de operare de aproximativ 0,50 RMB/m³.
6. Concluzie
- Acest proiect a implementat reînnoirea echipamentelor, intensificarea procesului și renovarea stației de tratare a apelor uzate existente și a adăugat tratament avansat, îmbunătățind eficiența eliminării pentru COD, NH₃-N, TN și TP.
- După actualizare, folosind procesul principal „MBBR+ACCA”, COD efluentului, NH₃-N și TP s-au îmbunătățit stabil de la gradul 1A la standardul de clasă III pentru apă de suprafață, iar îndepărtarea TN a fost îmbunătățită semnificativ.
- Practica arată că acest proces funcționează stabil și eficient, este rezistent la șocuri de sarcină, produce efluenți de{0}}înaltă calitate și adaugă un cost de operare de aproximativ 0,50 RMB/m³. Poate servi drept referință pentru proiectele de modernizare și inițiativele de reutilizare a apei la alte stații de tratare a apelor uzate.