Avansert nitrogenfjerning i renseanlegg: ren biofilm MBBR prosessdesign og ytelsesanalyse|Kasusstudie

Teknisk design og ytelse av en ren biofilm MBBR-prosess for avansert nitrogenfjerning

Med den omfattende utviklingen av Kinas økologiske sivilisasjonskonstruksjon, har utslippsstandardene for avløpsvannbehandlingsanlegg (WWTP) blitt stadig strengere. Grad A-standarden for «Utslippsstandarden for forurensende stoffer for kommunale avløpsvannbehandlingsanlegg» (GB 18918-2002) krever TN mindre enn eller lik 15 mg/L, mens lokale standarder i regioner som Beijing og Shandong eksplisitt setter grensen til TN mindre enn eller lik 10 mg/L. Disse høye standardene strekker seg utover bare vannkvalitetsgrenser, og stiller strengere krav til avløpsstabilitet. Følgelig er det et presserende behov for å forbedre nitrogenfjerningskapasiteten til behandlingsprosesser. En tilnærming er å øke karbonkildedoseringen i den eksisterende prosessen for å forbedre denitrifiseringen, men dette fører til høye driftskostnader og økte karbonutslipp. Alternativt kan det å legge til avanserte anlegg for fjerning av nitrogen, ofte ved å bruke biofilmmetoder for å effektivt berike denitrifiserende bakterier, forbedre TN-fjerning, redusere behovet for eksterne karbonkilder og redusere karbonutslipp. Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), med sine fordeler med sterk funksjonell bakterieberikelse, lite fotavtrykk og enkel drift og vedlikehold, har blitt mye brukt i konstruksjon, utvidelse og oppgradering av renseanlegg. Den kan stabilt oppnå utslippsstandarder som er bedre enn kvasi-klasse IV overflatevannskvalitet og har betydelig potensial og fordeler for avansert nitrogenfjerning i renseanlegg. Denne artikkelen tar et renseanlegg i Shandong som en case-studie for å analysere designrasjonale og operasjonelle ytelser ved å bruke en ren biofilm MBBR-prosess for avansert nitrogenfjerning, med sikte på å gi en teknisk referanse for effektiv denitrifisering av avløpsvann.

1. Prosjektoversikt

1.1 Prosjektintroduksjon

Et renseanlegg i Shandong ble bygget i to faser. Den første fasen, ved bruk av BIOLAK-prosessen, ble offisielt satt i drift i november 2003 med en behandlingskapasitet på 40 000 m³/d. Oppsettet til BIOLAK-prosessen og tilgjengelig område for oppgradering er vist iFigur 1. Opprinnelig oppfylte avløpskvaliteten Grade B-standarden i GB 18918-2002. Innen 2020, gjennom forbedret karbonkildedosering og tillegg av avansert behandling, ble avløpskvaliteten forbedret til Grade A-standarden. Innen 2023, etter tre års drift, kunne den generelle avløpskvaliteten generelt oppfylle klasse A-standarden, men den sto overfor to store utfordringer angående nitrogenfjerning:

Høy karbonkildedosering: For å oppnå målet om TN Mindre enn eller lik 15 mg/L, var det nødvendig med en betydelig mengde ekstern karbonkilde. Beregninger basert på prosesssnitt viste et C/N-forhold så høyt som 5,9, mens AAO-prosessen i anleggets andre fase kun krevde en C/N på 4,5–5,0 for å sikre stabil TN-overholdelse. Den store karbonkildetilsetningen påvirket også den aerobe nitrifikasjonsprosessen negativt, og økte oksygenbehovet i den aerobe sonen.

Dårlig stabilitet av nitrogenfjerning: Siden nitrifikasjon og denitrifikasjon skjedde i samme tank under forskjellige nødvendige forhold, trengte driftsparametre hyppig justering basert på innflytende endringer. Kontroll av NH₃-N og TN var motstridende, noe som gjorde det vanskelig å opprettholde en stabil balanse mellom nitrifikasjon og denitrifikasjon. Systemets støtbelastningsmotstand var gjennomsnittlig, noe som førte til dårlig avløpsstabilitet.

Derfor var en oppgradering av den opprinnelige BIOLAK-prosessen nødvendig, med kjernemålene om å løse konflikten mellom nitrifikasjon og denitrifikasjon, redusere driftskostnadene for fjerning av nitrogen og forbedre avløpsstabiliteten.

1.2 Oppgraderingsutfordringer

Siden BIOLAK-prosessen ikke var egnet for modifikasjoner i-tank for å forbedre ytelsen, var planen å styrke behandlingen ved å bygge en ny avansert nitrogenfjerningsenhet. Den opprinnelige BIOLAK-prosessen fokuserte primært på nitrifikasjon med denitrifikasjon som sekundær, mens den nye prosessen ville fokusere på denitrifikasjon. Gitt de faktiske renoveringsbehovene, sto prosjektet overfor to store utfordringer: begrenset tilgjengelig areal for den nye prosessen og høye krav til driftseffektivitet.

Begrenset tilgjengelig land for ny prosess: Nybygget måtte fullføres innenfor det eksisterende anleggsområdet, som i det vesentlige ikke hadde reservert grunn. Bygging var kun mulig på et grønt belte ved siden av BIOLAK-tankene, med et tilgjengelig areal på 400 m². Dette betydde at det nye prosjektets fotavtrykk per enhet behandlet vann måtte være mindre enn eller lik 0,01 m²/(m³·d).

Høye krav til operasjonell effektivitet: Dette var ikke en enkel oppgradering, men en ytterligere optimalisering av den biokjemiske funksjonssonen. Den nye enheten var forventet å håndtere en nitrogenfjerningsbelastning på 20 mg/L. Denne prosessen måtte ikke bare fullføres på begrenset land, men også for å redusere karbonkildedosen sammenlignet med den originale BIOLAK-denitrifikasjonen, samtidig som stabil denitrifikasjonsytelse ble sikret. Det ble derfor stilt høye krav til effektiviteten til både nitrogenfjerning og karbonkildeutnyttelseseffektivitet.

2. Prosesssammenligning og utvalg

Etter behandling med BIOLAK-prosessen består avløpet TN hovedsakelig av nitratnitrogen. For tiden bruker modne avanserte nitrogenfjerningsprosesser primært biofilmmetoder, karakterisert ved at mikroorganismer effektivt beriker på bæreroverflater i en festet tilstand, og tilbyr betydelig høyere funksjonell bakterieanrikningseffektivitet enn konvensjonelle aktivert slamprosesser. Biofilmprosesser kan videre deles inn i faste-seng- og bevegelige-sengtyper basert på bærerfluidisering, som vist iFigur 2.Denitrifiserende filtre, typiske biofilmprosesser med fast-seng, bruker faste granulære filtermedier som bærere av mikrobiell vekst. Ved å legge til en ekstern karbonkilde, utnytter de denitrifiseringen av biofilmen og filtreringen av media for å oppnå samtidig fjerning av NO₃^--N, SS og andre forurensninger. Fordelene inkluderer stabil behandlet vannkvalitet, ikke behov for sekundære rensere og en kompakt layout, noe som gjør dem mye brukt i oppgraderinger av renseanlegg som en avansert behandlingsenhet for å styrke TN-fjerning fra sekundært avløp. Imidlertid må operasjonelt fokus være på effekten av C/N på avansert denitrifikasjonseffektivitet. Oppgraderingsprosjektet til Pingtang WWTP fase I, også med en kapasitet på 40 000 m³/d, brukte et denitrifiserende filter + høy-effektiv oppløst luftflotasjon (DAF) som den avanserte behandlingsprosessen for å heve avløpsvann TN til kvasi-overflatevannsstandarder i klasse IV, som oppnådde ca. sparer land og muliggjør effektiv behandling, men med en C/N så høy som 18,34. For å møte nye lokale standarder for avløpsvann TN, tok Chengdu No. 9 vanngjenvinningsanlegg i bruk en sedimentasjonstank med høy-tetthet og denitrifiserende dyp-filter som oppgraderingsprosessen, med en C/N på 5,7, for å oppnå avansert behandling under høye standarder. Dingqiao WWTP i Haining kunne ikke oppfylle utslippsstandardene av grad A som kreves for elvebassenget i Qiantang. Gao Feiya et al. brukte et denitrifiserende dyp-filter for avansert TN-behandling, og fjernet samtidig SS og TP, noe som bringer avløpskvaliteten nær kvasi-klasse IV-standarder, men med en høy C/N på 15,68, noe som fører til høye kostnader for nitrogenfjerning. I tillegg krever filterprosesser regelmessig tilbakespyling, vanligvis ved bruk av luft-vannskuring, noe som kan påvirke driftsstabiliteten.

ustabilitet i denitrifiserende filtre, forskning på bruk av svovel-basert autotrofisk denitrifikasjon (SAD) på denitrifiserende filtre har fått oppmerksomhet. SAD bruker elementært svovel eller svovelforbindelser som elektrondonorer under anaerobe eller anoksiske forhold for å redusere NO3^--N til N₂. Det gir fordeler som god denitrifikasjonseffektivitet, ikke behov for en organisk karbonkilde, lave driftskostnader og lav slamproduksjon. Song Qingyuan et al. studerte nitrogenfjerningseffekten av et SAD-filter på sekundært avløp. Etter optimalisering av pilotforholdene forble nitratfjerningen stabil over 95 %, men medieforbruksraten nådde 20 % årlig, ledsaget av økt konsentrasjon av avløpssulfat og redusert pH. For å unngå sekundær forurensningsrisiko fra SAD, Li Tianxin et al. tilberedte medier ved pelletisering av en blanding av svovel og kalksteinspulver. Ved å tilsette en viss andel kalkstein til filterlaget nøytraliserte den genererte surheten og produserte CaSO4-utfelling, reduserte sulfatkonsentrasjonen i avløpsvannet og effektivt tok opp problemene med syreproduksjon og høye sulfatnivåer. Imidlertid opptok kalksteinen plass ment for elektrondonormedier i systemet, noe som svekker avansert denitrifikasjonskapasitet, øker avløpshardheten og øker driftskostnadene. Nåværende forskning på SAD-teknologi er primært i laboratorie- og pilotskala, med utilstrekkelig ingeniørerfaring som referanse. Ytterligere anvendt forskning er nødvendig før markedsføring i industriell{13}}skala.

MBBR er en typisk representant for prosesser for fluidisert-seng-biofilm og en ny teknologi for avløpsvannbehandling som har fått betydelig oppmerksomhet de siste årene. Den bruker suspenderte bærere med en tetthet nær vann for å spesifikt berike mikroorganismer, og danner en biofilm for å oppnå avansert nitrogenfjerning. Fluidiserte-sengbiofilmprosesser unngår også problemer med tilstopping av media og tilbakespyling. For øyeblikket har ren biofilm MBBR for avansert denitrifisering av renseanlegg over 20 års vellykket operasjonserfaring i utlandet og får stadig bredere anvendelse i Kina. Zheng Zhijia et al. brukte en to-ren biofilm MBBR-prosess for avansert denitrifisering. Ved C/N=4.0 stabiliserte systemets avløpende nitratnitrogen seg på (1,87 ± 1,07) mg/L, med en gjennomsnittlig TN-fjerningshastighet på 93,3 %. En utviklingssone WWTP i en bestemt by konstruerte en ny MBBR bio-tank som tertiær avansert behandling for forbedret denitrifisering. TN-fjerningsbelastningen i den anoksiske delen av den rene biofilm MBBR var 1,1 g/(m²·d), noe som forbedret systemets denitrifikasjonspålitelighet. Gao Yanbo et al., som hadde som mål å øke det opprinnelige anleggets kapasitet, konstruerte en ny to-AO ren biofilm MBBR bio-tank, som oppnådde en stabil avløps-TN under 5 mg/L med høy denitrifikasjonseffektivitet. Dermed viser den rene biofilm MBBR-prosessen et stort potensial for avansert nitrogenfjerning i renseanlegg, og kombinerer fordeler som høy karbonkildeutnyttelseseffektivitet, høy behandlingsbelastning og lite fotavtrykk. Det stiller imidlertid også høyere krav til utstyr, og krever pålitelig utstyr for å støtte stabil prosessdrift. En sammenligning av vanlige avanserte nitrogenfjerningsprosesser er vist iTabell 1.

Basert på en omfattende sammenligning, selv om SAD-prosessen ikke krever tilsetning av karbonkilder, er den nåværende applikasjonen ennå ikke moden og medfører sekundær forurensningsrisiko, så den ble ikke vurdert for denne oppgraderingen. Selv om denitrifiserende filtre er mye brukt, brukes de for det meste i oppgraderinger av avløpsvann, hvor design av innløps-/avløps-TN ofte er 15/12 mg/L, og håndterer en relativt liten TN-fjerningsbelastning. Siden dette prosjektet krevde å møte langsiktige-, høye krav til fjerning av TN, ville driften betydelig forkorte filterets tilbakespylingssyklus, noe som øker driftsvansker og ustabilitet. Den rene biofilm MBBR-prosessen kombinerer fordeler som høy karbonutnyttelseseffektivitet, ikke behov for tilbakespyling, moden påføring og ingen sekundær forurensning. Med tanke på prosessutfordringene og renoveringskravene, valgte prosjektet til slutt byggingen av en ny ren biofilm MBBR bio-tank (heretter kalt MBBR-tanken) som den avanserte nitrogenfjerningsløsningen for den første fasen, designet med en C/N=4.5, og en planlagt tilbakebetalingstid på 7,37 år.

3. Ny Byggeplan

3.1 Prosessflyt

Avløpsvannbehandlingsprosessen etter renovering er vist iFigur 3. Anleggets tilløp passerer gjennom fine sikter, virvelkornkamre og primære sedimentasjonstanker før det går inn i BIOLAK bio-tanken for fjerning av organisk materiale, ammoniakknitrogen osv. Den løftes deretter med pumper inn i MBBR-tanken for avansert TN-fjerning. MBBR-tanken er designet for en innløps-TN på 35 mg/L og en avløps-TN på mindre enn eller lik 15 mg/L. MBBR-avløpet løftes av sekundære pumper til anleggets eksisterende avanserte behandling for fast-væskeseparasjon og slamavfall. Det endelige avløpet desinfiseres før utslipp til mottakselva. Overskuddsslam fortykkes, avvannes og transporteres fra{10}}stedet for deponering.

3.2 Ny MBBR Tank

MBBR-tanken bruker en AO-prosess, konstruert ved hjelp av Lipp-tanker for modulær montering, fullført på 30 dager. Den totale systemets hydrauliske retensjonstid (HRT) er 1,43 timer. SPR-III type spesialiserte aerobe og anoksiske suspenderte bærere tilsettes inne i tankene, med 60 % fyllingsforhold i den aerobe sonen og 55 % i den anoksiske sonen. Bærerne er oblate sylindriske, 25 mm i diameter og 10 mm i høyden, med et effektivt spesifikt overflateareal større enn eller lik 800 m²/m³. Den anoksiske sonen er utstyrt med 4 MBBR-dedikerte variable-frekvensmiksere (SPR kjemisk effekttype), N=5.5 kW hver, som gir jevn og tilstrekkelig fluidisering for bærerne. Etter biofilmmodning drives rutinemessig 2 miksere, med de 2 andre som varm standby. Den aerobe sonen bruker skrueblåsere for lufting. En enkelt blåser har en luftkapasitet på 14,50 m³/min, trykk 90 kPa, N=22 kW. Ett sett med aerobe sone dedikerte perforerte rørdiffusorer (SPR-type) er installert. På grunn av det lave nødvendige luftevolumet, kan de eksisterende fase I-blåserne vanligvis brukes, med den nye blåseren og fase I-blåserne som gjensidig backup. Nye materialavskjæringsskjermer (SPR-type), 12 mm tykke, med en designet levetid på 30 år, er installert i både den aerobe og anoksiske sonen.

3.3 Nye støttefasiliteter

• Påvirkningssystem: Avløp fra BIOLAK bio-tanken løftes inn i MBBR-tanken. 4 innløpspumper er installert (2 drift, 2 standby), hver med Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Karbonkildedoseringssystem: Avløpet fra fase I BIOLAK bio-tanken inneholder bare COD som er vanskelig å utnytte. For å sikre avansert denitrifisering i den anoksiske sonen til MBBR-tanken, brukes natriumacetat som den eksterne karbonkilden. 4 målepumper er installert (2 duty, 2 standby), hver med Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.