Comparația proceselor AO în două-etape și AO în trei-etape: o inginerie Perspectivă
În prezent, majoritatea stațiilor de tratare a apelor uzate (WWTP) din China adoptă procese bazate pe-nămol activ pentru tratarea apelor uzate. Dintre acestea, aproape jumătate utilizează procesul Anoxic-Oxic (AO). Procesul AO oferă avantaje precum funcționarea stabilă și costul scăzut. Cu toate acestea, eficiența sa totală de îndepărtare a azotului (TN), variind de obicei de la 60% la 80%, este limitată de rapoartele interne de reciclare. Cu cerințele naționale din ce în ce mai stricte pentru îndepărtarea azotului, procesele AO convenționale într-o singură etapă se luptă adesea să îndeplinească cerințele pentru tratarea TN. Astfel, au apărut procese AO cu mai multe-etape. Prin conectarea a două sau mai multe trepte AO în serie, nitratul produs în etapa aerobă precedentă oferă substratul pentru denitrificare în etapa anoxică ulterioară. Acest lucru atinge obiectivul de a reduce rata de reciclare internă, sporind în același timp eliminarea generală a TN. Cu toate acestea, etapele excesive pot crește și complexitatea operațională. În consecință, cele mai frecvent aplicate configurații în China sunt în prezent procesele AO în două-etape și trei{16}}etape. Această lucrare prezintă o analiză comparativă a proceselor AO în două-etape și trei-etape care utilizează ca studiu de caz o stație de epurare din sudul Chinei, cu scopul de a oferi o referință pentru selectarea rutelor tehnice în proiecte similare.
1 Prezentare generală a proiectului
O stație de epurare din sudul Chinei acoperă o suprafață totală de 8 hectare. Capacitatea sa de proiectare inițială a fost de 90.000 m³/zi, calitatea efluentului fiind necesară pentru a îndeplini atât standardul de gradul A al „Standardului de evacuare a poluanților pentru stațiile de tratare a apelor reziduale municipale” (GB 18918-2002), cât și „Limitele de evacuare a poluanților în apă” din provincia Guangdong (DB 4011/2002) (denumită în continuare DB 4041}2) ca „Clasi-Clasa V”). Uzina funcționa la capacitate maximă. Conform planificării relevante, a fost necesară o extindere. Viitoarele standarde de efluent, bazate pe starea actuală, trebuiau să ia în considerare o cerință pe termen lung de TN mai mică sau egală cu 10 mg/L. Având în vedere condițiile actuale ale șantierului, scara de construcție civilă pentru această extindere a fost stabilită la 70.000 m³/zi. Stația ar urma să funcționeze la 50.000 m³/zi pe termen scurt și să atingă scara de 70.000 m³/zi pe termen lung, ducând capacitatea totală de tratare a centralei la 160.000 m³/zi. Calitatea apei de efluent și efluent proiectată este prezentată înTabelul 1.
Din cauza constrângerilor de amplasament, planul preliminar de extindere a adoptat traseul procesului „AO multi-etape +-În periferic-În exterior Rezervor de sedimentare dreptunghiular + Rezervor de sedimentare de-Eficiență ridicată + Placă de fibre{-și-cadru". Structurile civile ale tuturor unităților majore au fost construite pentru scara de 70.000 m³/zi, în timp ce echipamentele au fost instalate pentru capacitatea de 50.000 m³/zi. Rezervorul biologic ar folosi un proces AO în mai multe-etape în termen scurt. Pe termen lung, adăugarea de purtători suspendați ar crea un proces hibrid cu biofilm-nămol activat pentru a satisface cererea de extindere a capacității cu 40%. Pentru acest proiect, au fost luate în considerare condițiile hidraulice pentru scara de 70.000 m³/zi, în timp ce tratamentul biologic a fost proiectat pentru scara de 50.000 m³/zi. Deoarece acest proiect intenționa să adopte un proces AO în mai multe-etape, a fost efectuată o comparație între AO în două-etape și-trei{27}}etape.
2 Comparație între procesele AO în două-etape și trei-etape
2.1 Fluxul procesului
Principiul de bază al procesului AO în mai multe-etape este utilizarea nitratului produs în etapa aerobă precedentă pentru denitrificare în etapa anoxică ulterioară, reducând astfel raportul intern de reciclare. Teoretic, mai multe etape duc la o mai bună îndepărtare a TN, dar controlul devine mai complex. În practica inginerească, AO în două-etape și trei-etape sunt predominante. Fluxurile lor de proces sunt prezentate înFigura 1. Pentru o AO în două-etape, reciclarea internă este de obicei proiectată în prima etapă AO. Pentru o AO în trei-etape, reciclarea internă nu este în general utilizată. Stațiile de epurare din Beijing care utilizează procesul AO în două-etape includ Qinghe (400.000 m³/zi), Xiaohongmen (500.000 m³/zi), Gao'antun (400.000 m³/zi), Dingfuzhuang (200.000 m³/zi) și Huaifang (600 m³/zi). Acest proces oferă avantaje precum echipamente simple, costuri scăzute de operare și întreținere, rezistență puternică la sarcinile de șoc și compatibilitate ridicată cu alte procese, facilitând actualizările viitoare pentru a îndeplini standarde mai ridicate de efluent. Teoretic, o AO în serie în trei-etape poate elimina necesitatea echipamentelor interne de reciclare, poate permite o alocare mai rațională a surselor de carbon și poate reduce costurile de investiții și de operare. Acest proces este aplicat în primul rând în scenarii cu surse suficiente de carbon și cerințe ridicate pentru îndepărtarea azotului. Cazurile tipice includ stația de epurare Qujing din Yunnan (80.000 m³/zi), stația de epurare urbană a districtului Ninghe din Tianjin (90.000 m³/zi), stația de epurare Zhangguizhuang din Tianjin (200.000 m³/zi) și uzina de recuperare Daoxianghu din Beijing (80.00 m³/zi).
2.2 Compararea proceselor
Având în vedere că nu este disponibil niciun teren suplimentar pentru actualizări viitoare la acest sit și că unele proiecte locale noi implementează deja un standard TN pentru efluent mai mic sau egal cu 10 mg/L, comparația procesului a considerat un efluent TN din rezervor biologic de mai puțin sau egal cu 10 mg/L pentru a găzdui posibilitatea unor cerințe stringente suplimentare în viitor. Alți indicatori au aderat la calitatea efluentului de proiectare. Pe baza amenajării, pentru o scară pe termen scurt-de 50.000 m³/zi, timpul maxim de retenție hidraulică (HRT) pentru rezervorul biologic a fost de 18 ore. Combinând condițiile reale ale proiectului, rezultatele simulării BioWin și confortul cuplării cu purtători suspendați, a fost efectuată o comparație între procesele AO în două-etape și trei-etape.
2.2.1 Simulare BioWin
A fost stabilită o HRT inițială de 18 ore și a fost redusă treptat. HRT minimă care a îndeplinit cerința TN pentru efluent a fost de 14 ore. Pentru AO cu două-stadii, punctele de distribuție a influențelor au fost zona anaerobă, zona anoxică din prima-etapă și zona anoxică-a doua. Pentru AO în trei-stadii, punctele de influență au fost zona anaerobă, zona anoxică-a doua etapă și zona anoxică-al treilea stadiu.
① Studiu cu raport fix de distribuție a influenților
Setarea raportului de distribuție a influenților la 4:3:3 pentru ambele, simulările au comparat trei scheme: AO în două-etape (raport de reciclare 200%), AO în trei-etape cu un raport total de reciclare de 200% (reciclare 100% în prima etapă AO + 100% reciclare din a treia zonă Oxic{9}), și trei zone Oxic{9} Rata de reciclare de 100% (reciclare numai în prima etapă AO). Fluxurile de simulare sunt prezentate înFigura 2.
Tabelul 2arată rezultatele simulării pentru un raport de influent fix la HRT=14 h.
Din Tabelul 2, se poate observa că atât pentru AO în două-etape, cât și pentru trei-etape, se recomandă configurarea reciclării interne în prima etapă AO pentru a maximiza denitrificarea în prima zonă anoxică prin utilizarea sursei de carbon din influentul brut. Pentru AO în trei-etape, configurarea reciclării interne de la sfârșitul celei de-a treia etape la prima zonă anoxică a îmbunătățit ușor îndepărtarea TN și TP, dar eficiența de îndepărtare a materiei organice a scăzut. Aceasta este o speculație atribuită debitului general crescut în rezervorul biologic din cauza reciclării, care a transportat oxigenul dizolvat în zona anoxică, afectând mediul anoxic. În plus, HRT reală în fiecare zonă s-a scurtat, iar tranziția între condițiile operaționale s-a accelerat, ceea ce duce la o eficiență redusă. Pentru caracteristicile de influență precum cele din acest proiect din sudul Chinei, unde concentrația de TN nu este foarte mare, AO în două-etape poate îndeplini pe deplin cerințele de efluent, nefiind un avantaj distinct pentru AO în trei-etape. Pentru scenariile cu COD ridicat și influent TN mare, AO în trei-etape ar putea fi mai potrivite.
② Studiu privind ajustarea raporturilor de distribuție a influenților
Atât AO în două-etape, cât și în trei-etape au fost setate cu un raport intern de reciclare de 100% în prima etapă AO. Au fost efectuate studii asupra rapoartelor de distribuție a influențelor în mai multe-punct (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Aici, 1:0:0 înseamnă că toți influenții intră chiar în față; 3:7:0 pentru AO în trei-etape înseamnă că influentul este distribuit numai în zona anaerobă și în a doua etapă AO. Rezultatele simulării pentru rapoartele de distribuție ajustate sunt afișate înTabelul 3.
Din Tabelul 3, se poate observa că raportul de distribuție are un impact ușor asupra calității efluentului. Tendința generală este aceea că, pe măsură ce proporția de influenț distribuit în etapele ulterioare crește, concentrațiile de efluent TN, NH₃-N și TP cresc, iar cererea de aerare crește, de asemenea, treptat. Când raportul de influență a fost de 3:7:0, AO în trei-etape a arătat o îndepărtare TN puțin mai bună și un raport aer-a-apă puțin mai scăzut decât AO cu două-etape. Cu toate acestea, în funcționarea reală, această diferență este în general neglijabilă. Mai mult, creșterea proporției de influent până la etapele ulterioare, deși este benefică pentru utilizarea sursei de carbon în denitrificare, crește inevitabil sarcina asupra reacțiilor biochimice datorită aportului de NH₃-N, materie organică și TP. Prin urmare, se recomandă să păstrați configurația de afluent în mai multe-punct și să faceți ajustări treptate pe baza calității reale a apei în timpul funcționării. Este de remarcat faptul că, deși AO în trei{17}}etape a arătat o eliminare mai bună a TN decât AO- în două-etape la un raport de influent de 2:4:4, pe măsură ce influentul în etapele ulterioare a crescut, efluentul NH₃-N a prezentat o tendință de creștere, moment în care NH₃{{22}N{23}N mai putea îndeplini standardul.
③ Performanța tratamentului AO în două-etape și trei-etape
O configurație AO în trei-etape a fost simulată cu HRT=14 h, rapoarte de volum egale pentru fiecare etapă (1:1:1), reciclare internă 100% stabilită în prima etapă AO și un raport de influență de 4:3:3, în două condiții: cu reciclare 100% și cu reciclare închisă. O configurație AO în două-etape a fost simulată cu HRT=14 h, set de reciclare intern 100% și un raport de influență de 4:3:3. Rezultatele au arătat că AO în două-etape a atins efluentul optim TN la 6,29 mg/L; AO în trei-etape cu reciclare internă 100% în față a obținut cel mai bun nivel următor la 7,51 mg/L; AO în trei-etape fără reciclare internă a avut rezultate mai proaste la 8,52 mg/L. Toate cele trei scenarii ar putea îndeplini cerința de verificare a efluentului (TN mai mică sau egală cu 10 mg/L).
Tabelul 4arată comparația parametrilor de proiectare între AO în două-etape și trei-etape. Se poate observa că pentru ambele procese, HRT necesară pentru a atinge cerința de TN efluent este mai mică de 18 ore. Principalele diferențe dintre cele două procese sunt următoarele:
o. Teoretic, AO în trei-etape are o limită superioară mai mare; adică, dacă sunt operate corespunzător, atât costurile de investiție, cât și costurile de operare pot fi mai mici. AO în două-etape are mai puține elemente și etape de echipamente, ceea ce are ca rezultat costuri mai mici ale echipamentelor și dificultăți de gestionare operațională mai reduse.
b. Pentru acest proiect specific, deoarece s-a luat în considerare termenul lung și volumul rezervorului a fost proiectat pentru un HRT de 18-ore, investiția civilă ar fi identică indiferent dacă se adoptă AO în două-etape sau în trei-etape. Costul echipamentului pentru AO în trei-etape este mai mare. Prin urmare, din punct de vedere investițional, adoptarea AO în două etape este mai economică.
c. Referitor la costurile de exploatare, AO în trei-etape ar putea economisi aproximativ 0,002 CNY/m³ eliminând costul energiei de reciclare a băuturii 100% mixte. Având în vedere scăderea potențială a eficienței utilizării sursei de carbon în funcționarea efectivă din cauza condițiilor anoxice/oxice alternative în AO în trei-etape, diferența reală a costurilor de operare ar fi probabil și mai mică.
2.2.2 Analiza scenariului de transport suspendat pe termen lung-
Datorită cerințelor unice ale acestui proiect, rezervorul biologic trebuia să ia în considerare fezabilitatea și comoditatea planului de-extindere a capacității pe termen lung, adică impactul adăugării de transportatori suspendați.
Miezul procesului MBBR este creșterea biomasei în reactor prin adăugarea de purtători suspendați. Acestea pot fi adăugate rezervoarelor aerobe, anoxice sau anaerobe. Cu toate acestea, luând în considerare fluidizarea purtătorului, adăugarea acestora la rezervoare anaerobe sau anoxice ar crește semnificativ cerințele de putere de amestecare. Prin urmare, adăugarea la rezervoarele aerobe este recomandată de preferință. Volumul pentru zonele anaerobe/anoxice poate fi suplimentat prin separarea din zona aerobă, în timp ce deficiența volumului aerob este compensată de purtătorii adăugați. Cu alte cuvinte, volumul aerob insuficient este suportat de suprafața crescută a purtătorilor suspendați, care este calculată pe baza conversiei sarcinii poluante pentru a determina cantitatea necesară de purtător, controlând un anumit raport de umplere pentru a obține volumul adăugat.
Pe baza calculelor, dacă se adoptă procesul AO în două-etape și se adaugă toți purtătorii suspendați la prima-zonă aerobă de etapă pe termen lung, suprafața necesară a suportului MBBR ar fi de 2.597.708 m², costând 12,99 milioane CNY. Alte costuri fixe legate de echipamente (inclusiv sisteme de fluidizare MBBR, mixere dedicate, sisteme de screening și sisteme de control inteligente) ar fi de 6,15 milioane CNY. Dacă se adoptă procesul AO în trei-etape, din cauza zonelor mai dispersate, zona MBBR ar trebui împărțită în 2 secțiuni (zonele aerobice din prima-etapa și-etapa a doua). În consecință, costul pentru instalarea echipamentelor fixe MBBR corespunzătoare (excluzând transportatorii înșiși) ar crește ușor la 7,77 milioane CNY, în timp ce costul transportatorului rămâne același. Aceasta înseamnă că adoptarea AO în trei-etape ar crește investițiile viitoare de modernizare cu 1,62 milioane CNY și, de asemenea, ar crește complexitatea modernizării. În plus, sistemul de screening este zona cea mai predispusă la probleme după adăugarea operatorului. AO în trei-etape adaugă o secțiune suplimentară de ecrane, crescând dificultatea operațională.
Din comparația de mai sus, din cauza partiționării excesive în AO cu trei-etape, fiecare partiție având un volum similar, dificultatea de modernizare a acesteia este mai mare decât cea a AO cu două-etape. Construcția, complexitatea operațională și adăugarea de echipamente de screening au ca rezultat investiții mai mari decât AO în două-etape. Prin urmare, adoptarea AO în două-etape este mai favorabilă cuplării viitoare cu purtători suspendați.
2.3 Rezultatul comparației
Pe baza analizei de mai sus, atât procesele AO în două-etape, cât și în trei-etape pot atinge obiectivul de TN efluent mai mic sau egal cu 10 mg/L. În condițiile limită ale acestui proiect-spațiu limitat, necesitatea de a maximiza-volumul rezervorului pe termen scurt și planul-pe termen lung de a adăuga transportoare suspendate-AO în două-etape prezintă avantaje în ceea ce privește investiția pe termen scurt și confortul de gestionare/întreținere a echipamentelor. Oferă, de asemenea, o compatibilitate mai mare pentru modernizarea viitoare cu transportatorii suspendați, rezultând o investiție globală mai mică și dificultăți de funcționare și de modernizare reduse. Prin urmare, după o analiză cuprinzătoare, a fost recomandat procesul AO în două-etape pentru acest design.
3 Performanța operațională
Investiția totală estimată pentru acest proiect este de 304,5721 milioane CNY, cu costuri de construcție de 243,6019 milioane CNY, ceea ce înseamnă un cost unitar de construcție de 3480,03 CNY/m³. Costul tratamentului este de 1,95 CNY/m³, iar costul de operare este de 1,20 CNY/m³.
Pentru acest proiect, rezervorul biologic are o HRT totală de 18 ore (cuprinzând: zona anaerobă 2 h, prima-zonă anoxică 3,5 h, prima-zonă aerobă 7,5 h, zona degazare 0,5 h, a doua-zonă anoxică 2,5}}etapă, cu o zonă aerobă efectivă 2,5}} a doua, cu o zonă a{-aerobă efectivă 2,5 h. 8,6 m. Este implementată o admisie secțională reglabilă a apei, permițând ajustări ale raportului de distribuție a afluentului în trepte de 20%, după cum este necesar. În funcționarea efectivă, concentrația de solide în suspensie de lichid mixt (MLSS) în rezervorul biologic variază de la 3.500 la 4.000 mg/L, raportul de retur a nămolului variază de la 40% la 100%, iar raportul de reciclare internă a lichidului mixt variază de la 100% la 200%. Calitatea reală a efluentului și efluentului este prezentată înTabelul 5, care se aliniază practic în concordanță cu rezultatele simulării.
4 Concluzie
Folosind o stație de epurare din sudul Chinei ca studiu de caz, a fost efectuată o comparație tehnică și economică între procesele AO în două{0}}etape și trei{1}}etape cu ajutorul simulării BioWin. AO în două-etape, cu mai puține elemente și etape de echipamente, costuri mai mici ale echipamentelor și dificultăți mai mici de gestionare operațională, este mai potrivită pentru condițiile din sudul Chinei, unde TN influent nu este foarte mare. Pentru AO în trei-etape, configurarea reciclării interne de la sfârșitul celei de-a treia etape la prima zonă anoxică a afectat negativ eficiența de îndepărtare a TN, a crescut dificultatea de gestionare operațională și a crescut costurile de investiție. Designul îndeplinește simultan cerințele de tratare pe termen scurt-de 50.000 m³/zi și TN Mai mic sau egal cu 10 mg/L, în timp ce scara-pe termen lung de 70.000 m³/zi poate fi atinsă prin cuplarea cu purtători suspendați. Rezultatele operaționale reale sunt în mare măsură în concordanță cu rezultatele simulării BioWin, cu o TN medie a efluentului de 6,86 mg/L, îndeplinind cerințele de proiectare.