Sammenligning av to-AO- og tre-trinns AO-prosesser: en ingeniørkunst Perspektiv
For tiden tar de fleste avløpsrenseanleggene i Kina i bruk aktivert slam-baserte prosesser for behandling av avløpsvann. Blant disse bruker nesten halvparten Anoxic-Oxic (AO)-prosessen. AO-prosessen gir fordeler som stabil drift og lave kostnader. Effektiviteten for fjerning av totalt nitrogen (TN), vanligvis fra 60 % til 80 %, er imidlertid begrenset av interne resirkuleringsforhold. Med stadig strengere nasjonale krav for fjerning av nitrogen, sliter konvensjonelle enkelttrinns AO-prosesser ofte med å møte kravene til TN-behandling. Flertrinns AO-prosesser har dermed dukket opp. Ved å koble to eller flere AO-trinn i serie, gir nitratet produsert i det foregående aerobe trinn substratet for denitrifikasjon i det påfølgende anoksiske trinnet. Dette oppnår målet om å redusere det interne resirkuleringsforholdet og samtidig forbedre den totale TN-fjerningen. Imidlertid kan overdrevne stadier også øke operasjonell kompleksitet. Følgelig er de mest brukte konfigurasjonene i Kina for øyeblikket AO-prosessene i to-trinn og tre-trinn. Denne artikkelen presenterer en komparativ analyse av to-trinns og tre-trinns AO-prosesser som bruker en WWTP i Sør-Kina som en casestudie, med sikte på å gi en referanse for valg av tekniske ruter i lignende prosjekter.
1 Prosjektoversikt
Et renseanlegg i Sør-Kina dekker et totalt areal på 8 hektar. Dens opprinnelige designkapasitet var 90 000 m³/d, med avløpskvalitet som kreves for å oppfylle både Grade A-standarden for "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002) og "Water Pollutant Discharge Limits" i Guangdong-provinsen/2}DB 2014 (6{14) referert til som "Quasi-Class V"). Anlegget var i full kapasitet. I henhold til relevant planlegging var det nødvendig med en utvidelse. De fremtidige avløpsstandardene, basert på dagens status, var nødvendig for å vurdere et langsiktig krav om TN mindre enn eller lik 10 mg/L. Tatt i betraktning stedets faktiske forhold, ble den sivile konstruksjonsskalaen for denne utvidelsen satt til 70 000 m³/d. Anlegget vil operere med 50 000 m³/d på kort sikt og nå skalaen 70 000 m³/d på lang sikt, noe som vil bringe anleggets totale rensekapasitet til 160 000 m³/d. Den utformede innløps- og avløpsvannkvaliteten er vist iTabell 1.
På grunn av begrensninger på nettstedet, tok den foreløpige planen for utvidelsen i bruk prosessruten "Multi-stage AO + Peripheral-In Peripheral-Out rektangulær sedimentasjonstank + høy-sedimentasjonstank + fiberplate-og filter{8}". De sivile strukturene til alle større enheter ble konstruert for 70 000 m³/d skala, mens utstyr ble installert for 50 000 m³/d kapasitet. Den biologiske tanken vil bruke en flertrinns AO-prosess på kort sikt. På lang sikt vil det å legge til suspenderte transportører skape en hybrid biofilm-aktivert slamprosess for å møte kapasitetsutvidelsen på 40 %. For dette designet ble hydrauliske forhold vurdert for 70 000 m³/d skala, mens biologisk behandling ble designet for 50 000 m³/d skala. Siden dette prosjektet hadde til hensikt å ta i bruk en fler-AO-prosess, ble det utført en sammenligning mellom to-trinns og tre-trinns AO.
2 Sammenligning av AO-prosesser i to-trinn og tre-trinn
2.1 Prosessflyt
Kjerneprinsippet i fler-AO-prosessen er å bruke nitrat produsert i det foregående aerobe trinnet for denitrifisering i det påfølgende anoksiske trinnet, og dermed redusere det interne resirkuleringsforholdet. Teoretisk fører flere stadier til bedre TN-fjerning, men kontrollen blir mer kompleks. I ingeniørpraksis er to-- og tre--trinns AO dominerende. Prosessflytene deres vises iFigur 1. For en to- AO er intern resirkulering vanligvis utformet i det første AO-stadiet. For en tre--trinns AO brukes vanligvis ikke intern resirkulering. Rensevannsanlegg i Beijing som bruker to-AO-prosessen inkluderer Qinghe (400 000 m³/d), Xiaohongmen (500 000 m³/d), Gao'antun (400 000 m³/d), Dingfuzhuang (200 000 m³/d) og Huaidfang (60 m³). Denne prosessen tilbyr fordeler som enkelt utstyr, lave drifts- og vedlikeholdskostnader, sterk motstand mot støtbelastninger og høy kompatibilitet med andre prosesser, noe som letter fremtidige oppgraderinger for å møte høyere avløpsstandarder. Teoretisk sett kan en tre{18}}trinns AO i serie eliminere behovet for internt resirkuleringsutstyr, tillate mer rasjonell allokering av karbonkilder og redusere investerings- og driftskostnader. Denne prosessen brukes først og fremst i scenarier med tilstrekkelige karbonkilder og høye krav til nitrogenfjerning. Typiske tilfeller inkluderer Qujing WWTP i Yunnan (80 000 m³/d), Ninghe District Urban WWTP i Tianjin (90 000 m³/d), Zhangguizhuang WWTP i Tianjin (200 000 m³/d), og Daoxianghu Reclamation Plant i Beijing (80,000 m³d).
2.2 Prosesssammenlikning
Tatt i betraktning at ingen ytterligere areal er tilgjengelig for fremtidige oppgraderinger på dette stedet, og at noen nye lokale prosjekter allerede implementerer en avløps-TN-standard på mindre enn eller lik 10 mg/L, vurderte prosesssammenligningen et biologisk tankavløps-TN på mindre enn eller lik 10 mg/L for å imøtekomme muligheten for ytterligere strenge avløpskrav i fremtiden. Andre indikatorer holdt seg til design avløpskvalitet. Basert på oppsettet, for den nærmeste-skalaen på 50 000 m³/d, var den maksimale hydrauliske oppbevaringstiden (HRT) for den biologiske tanken 18 timer. Ved å kombinere prosjektets faktiske forhold, BioWin-simuleringsresultater og bekvemmeligheten av kobling med suspenderte bærere, ble det utført en sammenligning mellom to-trinns og tre{10}}trinns AO-prosesser.
2.2.1 BioWin-simulering
En innledende HRT på 18 timer ble satt og gradvis redusert. Minimum HRT som oppnådde TN-kravet til avløp var 14 timer. For to-trinns AO var innflytende distribusjonspunkter den anaerobe sonen, den første-trinns anoksiske sonen og den andre-trinns anoksiske sonen. For tre-trinns AO var innflytelsespunktene den anaerobe sonen, den andre-trinns anoksiske sonen og den tredje-trinns anoksiske sonen.
① Studie med fast innflytelsesfordelingsforhold
Ved å sette innflytende distribusjonsforholdet til 4:3:3 for begge, sammenlignet simuleringene tre skjemaer: to-trinns AO (resirkuleringsforhold 200%), tre-trinns AO med et totalt resirkuleringsforhold på 200% (100% resirkulering innen første AO-trinn + 100% resirkulering fra den tredje oksiske sonen til den tredje oksiske sonen} og tre{5}Oksisk sone), med et resirkuleringsforhold på 100 % (resirkuleres kun innenfor det første AO-stadiet). Simuleringsflytene vises iFigur 2.
Tabell 2viser simuleringsresultatene for et fast innflytelsesforhold ved HRT=14 t.
Fra tabell 2 kan man se at for både to-trinns og tre-trinns AO, anbefales det å sette opp intern resirkulering i det første AO-stadiet for å maksimere denitrifiseringen i den første anoksiske sonen ved å utnytte karbonkilden i det rå innløpet. For tre--trinns AO ble fjerningen av TN og TP litt forbedret ved å sette opp intern resirkulering fra slutten av tredje trinn til den første anoksiske sonen, men effektiviteten til fjerning av organisk materiale ble redusert. Dette er en spekulasjon som tilskrives den økte totale strømmen i den biologiske tanken på grunn av resirkuleringen, som fraktet oppløst oksygen inn i den anoksiske sonen, og påvirket det anoksiske miljøet. I tillegg ble den faktiske HRT i hver sone forkortet, og overgangen mellom driftsforhold akselererte, noe som førte til redusert effektivitet. For innflytende egenskaper som de i dette prosjektet i Sør-Kina, hvor TN-konsentrasjonen ikke er veldig høy, kan to-AO fullt ut oppfylle avløpskravene, og viser ingen klar fordel for tre-trinns AO. For scenarier med høy COD og høy TN-innflytelse, kan tre{11}}trinns AO være mer egnet.
② Studie om justering av innflytelsesfordelingsforhold
Både to-trinns og tre-trinns AO ble satt med et 100 % intern resirkuleringsforhold i det første AO-stadiet. Studier ble utført på multi-punkts innflytelsesfordelingsforhold (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Her betyr 1:0:0 at all innflytelse kommer inn helt foran; 3:7:0 for tre-trinns AO betyr at innflyten bare distribueres til den anaerobe sonen og det andre AO-stadiet. Simuleringsresultater for justerte distribusjonsforhold vises iTabell 3.
Av tabell 3 kan man se at fordelingsforholdet har en liten innvirkning på avløpskvaliteten. Den generelle trenden er at etter hvert som andelen av innflytelsesvann distribuert til senere stadier øker, øker konsentrasjonene av avløpsvann TN, NH₃-N og TP, og etterspørselen etter lufting øker også gradvis. Når innflytelsesforholdet var 3:7:0, viste tre-trinns AO litt bedre TN-fjerning og et litt lavere luft-til-forhold enn to-AO. Men i faktisk drift er denne forskjellen generelt ubetydelig. I tillegg øker det å øke andelen innflytende til senere stadier, selv om det er gunstig for utnyttelse av karbonkilder i denitrifikasjon, uunngåelig belastningen på biokjemiske reaksjoner på grunn av tilførselen av NH₃-N, organisk materiale og TP. Derfor anbefales det å beholde flerpunktskonfigurasjonen- og gjøre trinnvise justeringer basert på faktisk vannkvalitet under drift. Det er verdt å merke seg at selv om tre--trinns AO viste bedre TN-fjerning enn to--AO ved et innflytelsesforhold på 2:4:4, etter hvert som innflytende til senere stadier økte, viste avløpsvann NH₃-N en stigende trend, og da kunne- ikke lenger-effluent-standarden.
③ Behandlingsytelse i to-trinn og tre-AO
En tre--trinns AO-konfigurasjon ble simulert med HRT=14 t, like volumforhold for hvert trinn (1:1:1), 100 % intern resirkulering satt i det første AO-trinnet, og et innflytelsesforhold på 4:3:3, under to forhold: med 100 % resirkulering og med resirkulering lukket. En to- AO-konfigurasjon ble simulert med HRT=14 time, 100 % intern resirkuleringssett og et innflytelsesforhold på 4:3:3. Resultatene viste at AO i to-trinn oppnådde den optimale avløps-TN ved 6,29 mg/L; tre-AO med 100 % intern resirkulering foran oppnådde den nest beste med 7,51 mg/L; tre-trinns AO uten intern resirkulering presterte dårligere med 8,52 mg/L. Alle tre scenariene kan oppfylle kravet til avløpsverifisering (TN Mindre enn eller lik 10 mg/L).
Tabell 4viser designparametersammenligningen mellom to-trinn og tre-trinns AO. Det kan sees at for begge prosesser er HRT som kreves for å oppnå avløps-TN-kravet mindre enn 18 timer. Hovedforskjellene mellom de to prosessene er som følger:
en. Teoretisk sett, tre-trinns AO har en høyere øvre grense; dvs. hvis den drives riktig, kan både investerings- og driftskostnadene være lavere. To-AO har færre utstyrselementer og trinn, noe som resulterer i lavere utstyrskostnader og lavere driftsvansker.
b. For dette spesifikke prosjektet, siden langsiktighet ble vurdert og tankvolumet ble designet for en 18-timers HRT, ville den sivile investeringen være identisk enten man tar i bruk to- eller tre-trinns AO. Utstyrskostnaden for tre-trinns AO er høyere. Derfor, fra et investeringsperspektiv, er det mer økonomisk å ta i bruk to-trinns AO.
c. Angående driftskostnader, kan tre-trinns AO spare omtrent 0,002 CNY/m³ ved å eliminere energikostnaden for resirkulering av 100 % blandet brennevin. Tatt i betraktning den potensielle reduksjonen i karbonkildeutnyttelseseffektiviteten i faktisk drift på grunn av alternerende anoksiske/oksiske forhold i tre-trinns AO, vil den faktiske forskjellen i driftskostnader sannsynligvis være enda mindre.
2.2.2 Analyse av langsiktig-scenario for suspendert operatør
På grunn av de unike kravene til dette prosjektet, måtte den biologiske tanken vurdere gjennomførbarheten og bekvemmeligheten av den langsiktige-kapasitetsutvidelsesplanen, dvs. virkningen av å legge til suspenderte transportører.
Kjernen i MBBR-prosessen er å øke biomassen i reaktoren ved å tilsette suspenderte bærere. Disse kan legges til aerobe, anoksiske eller anaerobe tanker. Ved å vurdere bærerfluidisering vil imidlertid å legge dem til anaerobe eller anoksiske tanker øke behovet for blandekraft betydelig. Derfor anbefales tillegg til aerobe tanker fortrinnsvis. Volumet for anaerobe/anoksiske soner kan suppleres ved å skille fra den aerobe sonen, mens mangelen på aerobt volum kompenseres for av de tilførte bærerne. Med andre ord, det utilstrekkelige aerobe volumet bæres av det økte overflatearealet til de suspenderte bærerne, som beregnes basert på forurensningsbelastningskonvertering for å bestemme den nødvendige bærermengden, og kontrollerer et visst fyllforhold for å oppnå det tilførte volumet.
Basert på beregninger, hvis man tar i bruk to-AO-prosessen og legger til alle suspenderte bærere til den første-aerobe sonen på lang sikt, vil det nødvendige MBBR-bærearealet være 2 597 708 m², og koste 12,99 millioner CNY. Andre relaterte faste utstyrskostnader (inkludert MBBR-fluidiseringssystemer, dedikerte blandere, silsystemer og intelligente kontrollsystemer) vil være 6,15 millioner CNY. Hvis du tar i bruk AO-prosessen i tre-trinn, på grunn av mer spredte soner, må MBBR-sonen deles inn i 2 seksjoner (første-trinn og andre-aerobe soner). Følgelig vil kostnadene for å installere tilsvarende MBBR-fast utstyr (unntatt transportørene selv) øke litt til 7,77 millioner CNY, mens transportørkostnaden forblir den samme. Dette betyr at å ta i bruk tre{16}}trinns AO vil øke fremtidige ettermonteringsinvesteringer med 1,62 millioner CNY og også øke kompleksiteten til ettermontering. Videre er screeningssystemet det området som er mest utsatt for problemer etter tilsetning av bærer. Tre{20}}trinns AO legger til en ekstra del med skjermer, noe som øker operative vanskeligheter.
Fra sammenligningen ovenfor, på grunn av overdreven partisjonering i tre-trinns AO, med hver partisjon som har et lignende volum, er ettermonteringsvanskeligheten høyere enn for to-trinns AO. Konstruksjon, driftskompleksitet og tillegg av skjermingsutstyr resulterer også i høyere investeringer enn to-AO. Derfor er det å ta i bruk to-AO mer gunstig for fremtidig kobling med suspenderte bærere.
2.3 Sammenligningsresultat
Basert på analysen ovenfor kan både to-trinns og tre-trinns AO-prosesser oppnå målet om avløps-TN Mindre enn eller lik 10 mg/L. Under rammebetingelsene for dette prosjektets-begrensede plass, behovet for å maksimere nær-tankvolum, og den langsiktige-planen for å legge til suspenderte transportører-, har de to-trinns AO fordeler med hensyn til-investering og bekvemmelighet for utstyrsadministrasjon/vedlikehold. Den tilbyr også høyere kompatibilitet for fremtidig ettermontering med suspenderte bærere, noe som resulterer i lavere totalinvestering og reduserte ettermonterings- og driftsvansker. Derfor, etter omfattende vurdering, ble AO-prosessen i to-trinn anbefalt for denne utformingen.
3 Operasjonell ytelse
Den totale estimerte investeringen for dette prosjektet er 304,5721 millioner CNY, med byggekostnader på 243,6019 millioner CNY, oversatt til en enhetsbyggekostnad på 3,480,03 CNY/m³. Behandlingskostnaden er 1,95 CNY/m³, og driftskostnaden er 1,20 CNY/m³.
For dette prosjektet har den biologiske tanken en total HRT på 18 timer (bestående av: anaerob sone 2 t, første-trinn anoksisk sone 3,5 t, første-trinns aerob sone 7,5 t, avgasningssone 0,5 t, andre-trinn anoksisk sone,-trinns anoksisk sone, 2 2 t), med en effektiv vanndybde på 8,6 m. Justerbart seksjonsvanninntak er implementert, noe som tillater justeringer i innflytelsesfordelingsforholdet i trinn på 20 % etter behov. I faktisk drift varierer konsentrasjonen av suspenderte faste stoffer (Mixed Liquor Suspended Solids) i den biologiske tanken fra 3500 til 4000 mg/L, slamreturforholdet varierer fra 40 % til 100 %, og det interne resirkuleringsforholdet for blandet lut varierer fra 100 % til 200 %. Faktisk tilløps- og avløpskvalitet vises iTabell 5, som stemmer overens med simuleringsresultatene.
4 Konklusjon
Ved å bruke en WWTP i Sør-Kina som en casestudie, ble en teknisk og økonomisk sammenligning mellom to-trinns og tre{1}}trinns AO-prosesser utført ved hjelp av BioWin-simulering. To--AO, med færre utstyrsartikler og -trinn, lavere utstyrskostnader og lavere driftsvansker, er mer egnet for forhold i Sør-Kina hvor innflytende TN ikke er veldig høy. For tre--trinns AO påvirket det å sette opp intern resirkulering fra slutten av det tredje trinnet til den første anoksiske sonen negativt effektiviteten til fjerning av TN, økte driftsproblemer og økte investeringskostnadene. Designet oppfyller samtidig de nære-behandlingskravene på 50 000 m³/d og TN mindre enn eller lik 10 mg/L, mens den langsiktige{11}}skalaen på 70 000 m³/d kan oppnås ved å koble til suspenderte bærere. Faktiske driftsresultater er stort sett konsistente med BioWin-simuleringsresultatene, med en gjennomsnittlig avløps-TN på 6,86 mg/L, som oppfyller designkravene.