Anvendelse av modifisert AAO-prosess i kullgruvebehandling for husholdningsavløp
Husholdningsavløpsvann i kullgruver stammer primært fra personalkantiner, sovesaler, kontorer, vaskerom og bad, med badeavløp som utgjør over 55 % av det totale volumet. Utslippet av badevann er relativt konsentrert, noe som fører til betydelige strømningssvingninger. Karakterisert av lavere organisk konsentrasjon og høyere suspendert tørrstoff (SS), skiller badedrenering seg betydelig fra vanlig husholdningskloakk. Det forskjøvede utslippsmønsteret med andre avløpsvannstrømmer bidrar til betydelig variasjon i vannkvaliteten.
De fleste kullgruvene i Kina ligger i avsidesliggende områder hvor kostnadene for slamtransport er høye. Derfor bør det velges behandlingsprosesser med lavere slamutbytte. Etter hvert som gruver utvikles og antall ansatte øker, overstiger avløpsvannstrømmen ofte den opprinnelige designkapasiteten, noe som krever prosesser med sterk tilpasningsevne til endringer i vannkvalitet og -kvantitet innenfor samme fotavtrykk. Under stadig strengere miljøpolitikk som krever full gjenbruk av behandlet avløp med null utslipp, må prosesser levere høy og stabil avløpskvalitet.
Foreløpig er AAO-prosessen (Anaerob-Anoxic-Oxic) det foretrukne valget i kommunal avløpsvannbehandling. Denne artikkelen analyserer anvendelseseffektiviteten til en modifisert AAO-prosess (AAO + Suspended Carrier Process) for husholdningsavløpsvann fra kullgruve, basert på dens unike egenskaper.
1. Modifisert AAO-prosess
AAO-prosessen er den enkleste strømningskonfigurasjonen for samtidig nitrogen- og fosforfjerning. Filamentøse bakterier kan ikke spre seg i stor grad under vekslende anaerobe, anoksiske og aerobe forhold, og forhindrer slambulking. Det krever ingen kjemisk tilsetning, kun mild blanding i anaerobe og anoksiske tanker, noe som resulterer i lave driftskostnader. Slammet har høyt fosforinnhold, noe som gir god gjødselverdi.
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 %, denne interne resirkuleringen bruker betydelig energi. Avløp som kommer inn i det sekundære klaringsapparatet må opprettholde et visst nivå av oppløst oksygen (DO) for å forhindre anaerobe forhold og fosforfrigjøring, men likevel ikke for høyt for å unngå å forstyrre denitrifikasjonen i den anoksiske tanken via den resirkulerte blandingsvæsken.
Den modifiserte AAO-prosessen (AAO + Suspended Carrier Process) reduserer effektivt disse ulempene. Det øker mikrobiell masse i de biologiske tankene, øker volumetrisk belastning, oppnår fullstendig separasjon av hydraulisk retensjonstid (HRT) og slamretensjonstid (SRT), styrker motstandskraften mot hydrauliske og organiske sjokkbelastninger, leverer god avløpskvalitet selv med lavkarbonkilder, produserer mindre og mer stabilt slamhåndteringskapasitet (reduserer nedstrøms slamhåndteringskapasitet). Avløpet kan oppfylle vannkvalitetsstandardene til «The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water» (GB/T 18920-2020) og «Code for Design of Coal Preparation Engineering» (GB 50359-2016) for kullvasking. Hou Feng et al. anvendte AAO+suspendert bærer-prosessen i et underjordisk avløpsvannbehandlingsanlegg, og oppnådde Grad 1A-standarder i henhold til "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002), med nøkkelindikatorer (COD, BOD5, NH3-N, TP) som nådde klasse IV-kvalitetsstandarder for overflatevann (GB) 3838-2002). Hao Ruigang et al. brukte "A/O Bio-contact Oxidation + Perforated Swirl Flocculation + Inclined Tube Sedimentation + Active Sand Filtration" i utvidelsen av et kullgruveanlegg for husholdningsavløp, og oppnådde avløpskvalitet bedre enn grad 1A. Yan Ziyu et al. oppnådde også gode resultater ved å bruke biofilmprosesser for å ettermontere eksisterende kullgruvebehandling av avløpsvann. Den modifiserte AAO-prosessen gir mulighet for kapasitetsøkninger og forbedring av avløpskvaliteten i eksisterende anlegg med minimale modifikasjoner.
Denne prosessen involverer tilsetning av suspenderte bærere til de anoksiske og aerobe tankene, og kombinerer fordelene med aktivert slam og biofilmprosesser. Den har høy volumetrisk belastning, stor biomasse, høy behandlingseffektivitet, sterk tilpasningsevne til 水质和水量的变化, forbedret prosessstabilitet og god fjerning av næringsstoffer. Den danner høyt spesialiserte aktive biofilmer, øker effektiviteten per reaktorvolum og stabilitet, og tillater mindre reaktorer. Slam av biofilm inneholder flere protozoer/metazoer, har høyere tetthet og større partikkelstørrelse, noe som resulterer i god sedimentasjon og enkel fast-væskeseparasjon. Den muliggjør fullstendig SRT-HRT-separasjon, eliminerer slambulking og er egnet for avløpsvann rikt på løselige organiske stoffer.
2.1 Kasusstudie
En kullgruve i Yan'an City, omtrent 16 km fra Zichang City, har et renseanlegg for husholdningsavløp med en designkapasitet på 1200 m³/d. Prosessen er: "Skjerm + Equalization Tank + AAO with Suspended Carriers + Advanced Treatment (Koagulering-Sedimentering-Filtrering) + Desinfeksjon". Slam behandles via "Gravity Thickening + Screw Press Dewatering". Avløpsvannet oppfyller de strengere grensene for *GB/T 18920-2020* og GB 50359-2016 for kullvaskevann. Det behandlede vannet gjenbrukes til gruvegrønt og som oppfyllingsvann i kullberedningsanlegget. Design innflytende/avløpskvalitet er inneTabell 1. Prosessflyten vises iFigur 1.
Avløpsvann passerer gjennom en skjerm (5 mm gap, 75 graders installasjonsvinkel) inn i en utjevningstank (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, effektiv dybde 2,95 m, volum 247,8 m³, HRT 4,13 h), som oppfyller kravene i GB 50810-2012. To blandere hindrer setning. Tre nedsenkbare pumper (2 duty +1 standby, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) løfter vann til de biologiske tankene.
Det biologiske systemet består av to parallelle tog. Per tog:
- Anaerob tank: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, effektiv dybde 4,5 m, HRT 1,5 t.
- Anoksisk tank: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, effektiv dybde 4,25 m, HRT 2,83 t.
- Aerobic tank: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, effektiv dybde 4,0 m, HRT 10,0 t. Total system-HRT er 15,75 t. Suspenderte bærere (fyllingsgrad 80 %, spesifikt overflateareal 600 m²/m³) er installert i den aerobe tanken. Design luft-til-vannforholdet er 13,7:1. Tre Roots-blåsere (2 duty +1 standby, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa) brukes. Resirkuleringsforholdet for slam er 100 %, resirkuleringsforholdet for blandet brennevin er 200 %.
To rektangulære perifere -innløps-/utløpssekundære rensere (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m hver) har en overflatebelastningshastighet på 1,2 m³/(m²·h) og HRT på 2,5 timer.
En integrert vannrenser (som kombinerer koagulering, sedimentering, filtrering) gir avansert behandling for ytterligere fjerning av SS og fosfor.
Slambehandling inkluderer gravitasjonsfortykning (Φ2,5 m×5,0 m karbonståltank) etterfulgt av skruepressavvanning. Polyakrylamid (PAM) doseres med 3,0–5,0 kg/t tørrstoff før avvanning. Daglig avvannet slamkake er Mindre enn eller lik 150 kg med fuktighetsinnhold Mindre enn eller lik 80 %, transportert utenfor-stedet.
Desinfeksjon bruker en -på stedet ClO2-generator (effektiv klordosering 120 g/t) dosert ved det klare brønninntaket. Den klare brønnen har et effektivt volum på 250 m³, noe som gir en kontakttid på 4,2 timer.
Anlegget er utstyrt med omfattende online overvåking (strømningsmålere, restklor, pH, DO, COD, turbiditet, slamnivå/konsentrasjon) og automatiserte kontrollsystemer for pumper, blåsere, tilbakespyling, kjemikaliedosering og blanding, som sikrer intelligent, uovervåket drift.
2.2 Ytelsesanalyse
Anlegget ble ferdigstilt i 2021 og har vært i drift i over to år. Faktisk 2024-innflyt/avløpskvalitet vises iTabell 2.
Det innflytende BOD5/N-forholdet er 5,5, noe som indikerer lavt karbon-til-nitrogen (C/N) forhold av avløpsvann, som avtar ytterligere om sommeren på grunn av nedbørinfiltrasjon og vaneendringer. Ekstreme vintertemperaturer i Yan'an kan nå -21 grader. Faktisk avløpskvalitet er bedre enn design, med fjerningshastigheter som når: COD 97,8 %, BOD5 99.7 %, SS 99,7 %, NH3-N 93,5 %, TP 87,10 %, og oppfyller standardene for 绿化 og kullvask.
Den aktive biofilmmassen i de anoksiske/aerobe tankene er så høy som 125 g/m² bærer, tilsvarende MLSS på 13 g/L-fire ganger det for konvensjonelt aktivert slam. Mikroorganismer er i den endogene respirasjonsfasen, noe som resulterer i daglig slamproduksjon om lag 1/3 av konvensjonelle metoder, med bedre sedimentasjonsevne, noe som muliggjør mindre slambehandlingsutstyr.
Selv om bio-kontaktoksidasjon kan fungere uten resirkulering av slam, har forskning utført av Xiong Ren et al. viser at systemer med resirkulering oppnår høyere fjerningsgrader for COD, TN, NH3-N, SS og reduserer slamutbyttet med 29,6 %. Denne designen inkluderer resirkulering av blandet brennevin, med driftsfleksibilitet basert på avløpskvalitet.
Anlegget (1200 m³/d) okkuperer 1350,3 m², med en kapitalinvestering på 20 millioner CNY og driftskostnader på 1,05 CNY/m³.
Sammenlignet med konvensjonell AAO, som krever utvidet SRT for effektiv lav-temperaturdrift, beholder denne modifiserte prosessen enkelheten med samtidig fjerning av næringsstoffer samtidig som den beriker det biologiske samfunnet med bærere. SRT-HRT-separasjonen forbedrer bio-stabiliteten, og sikrer pålitelig drift under forhold med lav C/N og lave-temperaturer. Stabilt avløp kan opprettholdes med lite eller ingen slamresirkulering, noe som muliggjør in- slamreduksjon og lavere slamhåndteringskostnader. Dens enkelhet og mangel på bulking gjør den svært egnet for behandling av husholdningsavløp fra kullgruve.
3. Optimaliseringsforskning for AAO-prosessen
Modifiserte AAO-prosesser er vanligvis utformet i henhold til parametere i "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021). Imidlertid er det nødvendig med optimering av driftsparametre (HRT, SRT, lufting, resirkuleringsforhold, MLSS) spesifikke for avløpsvann fra kullgruve for å identifisere optimale forhold for fremtidig design og drift.
I konvensjonell AAO resirkuleres slam fra den aerobe til den anaerobe tanken, med nitrat og høy DO, noe som kan svekke biologisk fosforfjerning. University of Cape Town (UCT)-prosessen kan vurderes, der slam resirkuleres til den anoksiske tanken, nitrifisert væske til den anoksiske tanken, og en ekstra resirkulering fra anoksisk til anaerob tank legges til for å forbedre bio-P-fjerning.
Slambehandling kan utgjøre 50–60 % av et anleggs driftskostnad. In-slamreduksjonsteknologier bør tas i bruk. Den høye MLSS i modifiserte AAO bio-tanker fører til et høyt F/M-forhold, der frakobling av metabolisme kan oppstå, fremme slamreduksjon og senke slamhåndteringskostnader. Fremtidig fokus bør være på å bruke in-situ-reduksjonsteknologier som kryptisk vekst via mikro-lysis, oksisk-settling-anaerob (OSA) prosess, og frakobling av metabolisme i kullgruveavløpsvannbehandling.
Denne prosessen er egnet for ettermontering av eksisterende AAO-anlegg ved kullgruver. Å legge til bærere til anoksiske/aerobe tanker kan forbedre avløpskvaliteten, øke kapasiteten og forbedre systemets stabilitet. For anlegg med strengere avløpskrav kan det å erstatte den sekundære renseren med et MBR-system oppgradere vannkvaliteten ytterligere.
4. Konklusjon
- Den modifiserte AAO-prosessen er egnet for å oppgradere eksisterende AAO-systemer i kullgruver for å øke stabiliteten, øke kapasiteten eller oppfylle strengere standarder.
- Ved behandling av husholdningsavløpsvann fra kullgruve kan avløpet samtidig oppfylle *GB/T 18920-2002*-standarder for veivanning/grønt og GB 50359-2016-standarder for kullvaskevann, noe som viser sterk tilpasningsevne til endringer i vannkvalitet og -mengde.
- Prosessen gir stabilt slam med god sedimentasjon og enkel separering, genererer mindre slam og reduserer kostnadene for slambehandling.