Anvendelse av BIOLAK-prosessen i oppgraderingen av et renseanlegg til avløpsvann til kvasi-klasse IV-standarder
BIOLAK-prosessen ble introdusert til Kina tidlig på det 21. århundre, og fikk bred anvendelse i kommunal avløpsvannbehandling på grunn av dens enkle struktur og lave investeringskostnader. De siste årene, med innstramming av utslippsstandarder og økende automatisering, står de fleste eksisterende BIOLAK-anlegg overfor oppgraderinger. Forbedringer som å legge til suspenderte bærere, ettermontering av tanker og omdefinering av funksjonssoner er implementert for å forbedre nitrogen- og fosforfjerning. Mens nybygde anlegg hovedsakelig bruker A²/O og oksidasjonsgrøft-prosesser, er det få rapporter om den faktiske ytelsen til BIOLAK, spesielt under strenge utslippsstandarder. BIOLAK-prosessen bruker svingende luftingskjeder for å skape tidsmessige anoksiske og aerobe soner, og fungerer i hovedsak som en flertrinns A/O-prosess. Gjennom driftsoptimalisering kan avløpskvaliteten stabilt oppfylle kvasi-overflatevannsstandarden i klasse IV.
1 Prosjektbakgrunn
Et avløpsrenseanlegg i Hebei-provinsen bruker BIOLAK-prosessen som kjerneteknologi. Tilsiget varierer fra 18 000 til 22 000 m³/d, i gjennomsnitt 19 000 m³/d, og behandler primært urbant husholdningsavløp og en liten mengde landbruksbehandlingsavløpsvann. De utformede innløps- og avløpskvalitetene er vist iTabell 1. Den opprinnelige utslippsstandarden var Grade A-standarden for *"Utslippsstandard for forurensninger for kommunale avløpsrenseanlegg" (GB 18918-2002)*. Etter en oppgradering som inkluderte oppdeling av en anaerob sone for å forbedre denitrifikasjon og defosforisering, overholder anlegget nå grensene for nøkkelkontrollområde for *"Water Pollutant Discharge Standards for the Daqing River Basin" (DB13/2795-2018)*. Bortsett fra totalt nitrogen, oppfyller alle andre indikatorer klasse IV-standardene spesifisert i *"Environmental Quality Standards for Surface Water" (GB 3838-2002)*. Prosessflyten vises iFigur 1.
Anlegget bruker natriumhypokloritt til desinfeksjon. Slam avvannes ved høy-plate- og rammefiltrering til under 60 % fuktighetsinnhold før det transporteres for sam-behandling i sementovner.
Bidraget fra hver behandlingsenhet til fjerning av forurensninger ble beregnet basert på massebalanse, med spesifikke metoder referert fra litteraturen.
2 Driftskontroll Optimaliseringstiltak
Flere optimaliseringstiltak ble implementert under drift for å forbedre avløpsstabiliteten og oppnå energi- og kostnadsbesparelser.
2.1 Forbedret kontroll med oppløst oksygen (DO).
Eksisterende BIOLAK-ettermonteringsprosjekter bemerker ofte den svake soneinndelingen som en flertrinns A/O-variant, noe som fører til lav denitrifikasjonseffektivitet. I dette prosjektet ble den maksimale DO ved enden av luftingssonen opprettholdt på 0,5–1,0 mg/L, lavere enn konvensjonelle DO-kontrollkrav, samtidig som man sikret samsvar med ammoniakknitrogen i avløpet.
2.2 Økt prosessdataovervåking
For å veilede DO-kontroll og ekstern karbonkildedosering, ble nitratnitrogen og ammoniakknitrogen overvåket ved enden av den anaerobe sonen og BIOLAK-tanken for å bestemme optimale kontrollområder. Under drift ble ekstern karbonkildedosering redusert eller stoppet når nitratnitrogen i enden av den anaerobe sonen ble<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Innstilling av interne mål for avløpskontroll
For å sikre stabil overholdelse ble internkontrollmål satt til 30–80 % av utslippsgrensene, basert på vanskeligheten med å kontrollere hver enkelt forurensning. Overskridelse av disse interne grensene utløste umiddelbare prosessparameterjusteringer for å returnere avløpskonsentrasjonene til et akseptabelt område. De årlige internkontrollmålene for COD, ammoniakknitrogen, totalnitrogen og totalfosfor var henholdsvis 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L og 0,12 mg/L.
2.4 Opprettholde passende slamkonsentrasjon
Slamsvinnet ble justert basert på strømning, belastning og sesong. Slamretensjonstiden (SRT) ble holdt på 15–25 dager, og konsentrasjonen av suspenderte faste stoffer (MLSS) på 2500–4500 mg/L. Nærmere bestemt ble MLSS kontrollert til 2500–3500 mg/L om sommeren og høsten, med en slambelastning på ca. 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d), og ved 3.500–4.500 mg/L om vinteren og våren, med en slambelastning på ca. 0,04 kgMLSSCOD/(kgMLSS·d).
2.5 Justere driften av avanserte behandlingsenheter
Lave temperaturer om vinteren påvirket flokkulering og sedimentasjon. Utidig tilbakespyling av V-filtre kan føre til forhøyede suspenderte faste stoffer og COD. Derfor, under vinterdrift, ble tilbakespylingsfrekvensen økt basert på koagulasjonsytelse, og slamutslipp fra koagulasjons-sedimentasjonstanken ble intensivert for å redusere konsentrasjonen av suspendert faststoff i avløpet.
3 Behandlingsytelse
Årlig innflytende COD varierte fra 109 til 248 mg/L, i gjennomsnitt 176 mg/L. Avløps-COD varierte fra 9,5 til 20,1 mg/L, i gjennomsnitt 12,1 mg/L. Når COD avløp overskred internkontrollmålet (15 mg/L), ble tilbakespylingsfrekvensen for filteret økt for å redusere suspenderte faste stoffer. Det anbefales å oppgradere sedimentasjonstanken for-koagulering til en sedimentasjonstank med høy-tetthet eller magnetisk koagulering{{12} for bedre koagulasjonseffektivitet.
Årlig innflytende ammoniakknitrogen varierte fra 17,8 til 54,9 mg/L, i gjennomsnitt 31,9 mg/L. Avløpende ammoniakknitrogen varierte fra 0,12 til 1,30 mg/L, i gjennomsnitt 0,5 mg/L. Når den overskred internkontrollmålet, ble luftingen justert i henhold til optimaliseringstiltakene. Avløpskvaliteten oppfylte stabilt grensene for nøkkelkontrollområde på *DB13/2795-2018* gjennom hele året.
På grunn av lav innflytende karbonkildekonsentrasjon, var fokuset på å optimalisere prosessforholdene for å forbedre nitrogen- og fosforfjerning, med sikte på energi- og kostnadsbesparelser.
3.1 DO-kontrolloptimalisering og total nitrogenfjerning
Årlig innflytende totalnitrogen (TN) varierte fra 20,3 til 55,6 mg/L (seFigur 2), i gjennomsnitt 42,1 mg/L. Avløps-TN varierte fra 2,5 til 14,2 mg/L, i gjennomsnitt 8,8 mg/L, innenfor internkontrollmålet (12 mg/L). Gjennomsnittlig TN-fjerningsgrad var 79,1 %. Med et resirkuleringsforhold for slam på 90 % (ingen intern resirkulering av blandingsvæske), var den teoretiske denitrifikasjonseffektiviteten 47,4 %, noe som indikerer at denitrifisering også skjedde i andre prosesssoner utenfor den anaerobe velgeren. Endringer i nitrogen langs behandlingstoget i en typisk syklus vises iFigur 3.
I en typisk syklus var innflytende TN 42,0 mg/L, med summen av ammoniakk og nitratnitrogen på 35,2 mg/L. Etter den anaerobe velgeren var TN 16,7 mg/L, noe som resulterte i en fjerningsrate på 43,5 % via massebalanse, i samsvar med den teoretiske verdien. BIOLAK-tanken bidro med 24,0 % TN-fjerning. Effluent TN ble ytterligere redusert i den sekundære sedimentasjonstanken, og bidro med ytterligere 11,3 % fjerning, hovedsakelig på grunn av den lange hydrauliske retensjonstiden (8,6 timer) som muliggjør endogen karbonkilde-drevet denitrifikasjon. Andre enheter bidro med 1,9 % fjerning. Sluttavløps-TN var 8,1 mg/L, med en total fjerningsgrad på 80,7 %.
Driftserfaring viser at DO-kontroll er avgjørende for fjerning av TN i BIOLAK-prosessen. I konvensjonelle prosesser måles DO typisk ved enden av den aerobe sonen i en kanalstruktur der DO er relativt jevn over tverrsnittet. I BIOLAK-tanken er imidlertid enden av luftingssonen nesten 70 meter bred, med DO økende fra skråningskanten til midten, og avviker med 0,5–1,0 mg/L. Derfor krever plasseringen av DO-sonder nøye oppmerksomhet.
Ved å strengt kontrollere maksimal DO ved enden av BIOLAK-luftingssonen, ble et anoksisk miljø nødvendig for denitrifisering effektivt sikret. Samtidig nitrifikasjon og denitrifikasjon (SND) ved bruk av endogene karbonkilder ble oppnådd, noe som resulterte i effektiv TN-fjerning.
3.2 Total fosforfjerning og driftsoptimalisering
Årlig innflytende total fosfor (TP) varierte fra 1,47 til 4,80 mg/L (seFigur 4), i gjennomsnitt 2,99 mg/L. Avløps-TP varierte fra 0,04 til 0,17 mg/L. Doseringen av fosforfjerningsmiddel ble justert basert på internkontrollmålet (0,12 mg/L). Den gjennomsnittlige TP-konsentrasjonen i avløpet var 0,07 mg/L, og oppfyller stabilt utslippsstandarden, med en gjennomsnittlig TP-fjerningsgrad på 98,3 %.
Endringer i fosfat langs behandlingstoget i en typisk syklus vises iFigur 5.
Innløpende fosfat var 2,70 mg/L, og returslamfosfat var 0,58 mg/L, noe som gjorde det teoretiske fosfatet som kom inn i den anaerobe velgeren til 1,70 mg/L. Etter anaerob fosforfrigjøring av polyfosfat-akkumulerende organismer (PAO), nådde fosfatkonsentrasjonen 3,2 mg/L. Fosfatkonsentrasjonsforholdet (maksimalt i anaerob sone/innløp) var 1,9, noe som indikerer betydelig frigjøring. Hovedårsaken var den effektive denitrifiseringen under lave DO-forhold, noe som resulterte i lav nitratkonsentrasjon i returslammet til den anaerobe sonen, opprettholdelse av et godt anaerobt miljø (ORP generelt under -200 mV) og fremmer fosforfrigjøring.
Etter BIOLAK-luftingssonen skjedde et betydelig fosforopptak, noe som reduserte fosfatkonsentrasjonen på slutten til 0,3 mg/L, og oppnådde en biologisk fosforfjerningseffektivitet på 88,9 %. Etter sedimenterings- og stabiliseringstankene økte fosfatkonsentrasjonen til 0,64 mg/L. Analyse tyder på at dette skyldtes den lange HRT i sedimentasjonstanken og den strengt kontrollerte DO i BIOLAK-tanken, noe som skapte en anaerob tilstand i sedimentasjonstanken og forårsaket sekundær fosforfrigjøring. Etter kjemisk dosering i koagulasjonsenheten ble avløpsfosfat redusert til 0,06 mg/L. Med tanke på økonomiske kostnader og driftskompleksitet er det derfor en levedyktig optimaliseringsstrategi for lignende anlegg å ofre noe biologisk fosforfjerningseffektivitet for å forbedre denitrifikasjonen.
4 Driftskostnader
Direkte driftskostnader inkluderer elektrisitet, kjemikalier og slamdeponering. Basert på årsstatistikk var det spesifikke strømforbruket 0,66 kWh/m³. Med en strømpris på 0,65 CNY/kWh (basert på en sammensetning av topp/off-topppriser), var strømkostnaden 0,429 CNY/m³. Dette forbruket er på den høyere siden i henhold til "Evalueringsstandard for driftskvalitet for kommunale renseanlegg", hovedsakelig på grunn av den noe lavere oksygenutnyttelseseffektiviteten til luftesystemet. Kjemikaliekostnader, inkludert natriumacetat, fosforfjerningsmiddel, PAM, natriumhypokloritt og avvanningskjemikalier, var 0,151 CNY/m³. Spesifikk bruk og kostnader vises iTabell 2.
Slam stammer hovedsakelig fra biologiske og kjemiske (koagulasjonstank) kilder. Høytrykks-plate- og rammefiltrering brukes med kalk og jernklorid som kondisjoneringsmidler. Kalkdosering er ca. 25 % av tørrslamvekten. Avvannet kake har et fuktighetsinnhold på 60 %. Daglig avvannet slamproduksjon er ca. 9 tonn, med et spesifikt tørrslamutbytte på ca. 0,15 %. Slamtransport koster 250 CNY/tonn, noe som resulterer i en slamdeponeringskostnad på ca. 0,118 CNY/m³. Derfor er den totale direkte produksjonskostnaden 0,698 CNY/m³.
5 Konklusjoner
① Et avløpsrenseanlegg i Hebei-provinsen, som bruker BIOLAK-prosessen for å behandle kommunalt avløpsvann, drev kontinuerlig i ett år med avløpskvalitet som stabilt oppfylte grensene for nøkkelkontrollområde i *DB13/2795-2018* (Quasi-Klasse IV overflatevannstandard).
② Som en variant av flertrinns A/O-prosessen, resulterte kontroll av maksimal DO ved enden av BIOLAK-luftingssonen ved 0,5–1,0 mg/L i en TN-fjerningshastighet på 24,0 % i BIOLAK-sonen og 11,3 % i sedimentasjonstanken. Dette oppnådde samtidig nitrifikasjon-denitrifikasjon og endogen karbonkildedenitrifikasjon, noe som demonstrerte betydelig nitrogenfjerningsevne.
③ Den direkte driftskostnaden for BIOLAK-prosessen var 0,698 CNY/m³. Driftsoptimaliseringstiltak, inkludert prosessdataovervåking og fastsettelse av rimelige internkontrollmål, kan gi referanser for optimalisering av drift og oppnåelse av energi-/kostnadsbesparelser i tilsvarende avløpsrenseanlegg.