Opgradering af design og praksis af Xin'an Qianhe-vandkvalitetsrensningsanlægget baseret på AAOAO-MBBR-processen og ozonoxidation
Qingdao, som en central national kystby, har opnået betydelige resultater inden for økologisk forvaltning. Men sammenlignet med internationale-top-metropoler står dets byvandsmiljøstyringssystem stadig over for strukturelle udfordringer.
I øjeblikket er der kløfter mellem dækningsgraden af drænledningsnettet, driftseffektiviteten af spildevandsbehandlingsanlæg og offentlighedens forventninger til et vandmiljø af høj-kvalitet. Der er også en afstand fra at realisere den økologiske vision om at bygge et "smukt Qingdao."
For at løse disse udfordringer har Qingdao et presserende behov for at implementere systematiske foranstaltninger såsom videnskabelig planlægning, optimeret ressourceallokering og styrkede infrastrukturinvesteringer. Disse bestræbelser har til formål at forbedre effektiviteten af spildevandsindsamlingsnetværket og terminalbehandlingskapaciteten og derved styrke det økologiske grundlag for byens bæredygtige udvikling.
Xin'an Qianhe Water Quality Purification Plant-projektet er beliggende i det nye vestkystområde i Qingdao. Det har en designet behandlingskapacitet på 50.000 m³/d, et samlet areal på 33.154 m² og en samlet investering på 182,4 millioner yuan. Forundersøgelsesrapporten for projektet blev afsluttet i marts 2021, det foreløbige design og budget blev godkendt i juni samme år, og byggeriet gik officielt i gang i april 2023. Det er i øjeblikket i byggefasen. Det oprindelige design krævede, at de vigtigste spildevandsparametre opfylder klasse V-standarderne specificeret i GB 3838-2002 "Environmental Quality Standards for Surface Water", mens total nitrogen (TN) og andre indikatorer skulle opfylde Grade A-standarderne i GB 18918-2002 "Udledningsstandard for forurenende stoffer til kommunalt spildevandsbehandlingsanlæg."
I marts 2022 udsendte Qingdao Water Affairs Administration "Meddelelse om udførelse af opgraderings- og renoveringsarbejde for byspildevandsrensningsanlæg i Qingdao." Denne meddelelse krævede rensningsanlæg omkring Jiaozhou-bugten, Bohai-bugten og langs floder for at fuldføre opgraderinger, hvilket hævede udledningsstandarden til kvasi-Klasse IV overfladevandskvalitet, med TN-spildevand kontrolleret mellem 10-12 mg/L. Frigivelsen af denne politik faldt inden for intervallet mellem projektets foreløbige designgodkendelse (juni 2021) og dets fysiske påbegyndelse (april 2023), hvilket skaber en teknisk kløft mellem de allerede godkendte originale designstandarder og de seneste miljøkrav. Som et nyt spildevandsrensningsanlæg i det nye vestkystområde blev det for at sikre overholdelse efter færdiggørelsen bydende nødvendigt samtidig at udføre procesoptimering i byggefasen og udvikle en økonomisk gennemførlig opgraderingsplan gennem forundersøgelser.
1. Design og udvælgelse af processkema
1.1 Designet spildevandskvalitet
Projektets spildevandsstandarder blev opgraderet fra kvasi-Klasse V til kvasi-Klasse IV overfladevandskvalitet. Der var behov for rimelige tekniske løsninger for yderligere at reducere værdierne af indikatorer som BOD, CODCr,TN, NH₃-N og TP i spildevandet. Specifik analyse er vist iTabel 1.
1.2 Valg af ingeniørteknisk skema
Procesflowet for anlægget under opførelse er vist iFigur 1.
Anlægget under opførelse anvender processen "Forbehandling + Modificeret AAOAO biokemisk tank + sekundær sedimentationstank + høj-effektiv sedimenteringstank + V-typefilter + ozonoxidation". Indretningen af konstruktionerne er kompakt og efterlader ikke overskudsjord til opgraderingsprojektet, som derfor skal baseres på det igangværende byggeri. Opgraderingen retter sig primært mod fjernelse af forurenende stoffer som CODCr, NH₃-N, TN og TP. To sammenlignende ordninger blev foreslået, som beskrevet i detaljerTabel 2.
Skema 1: AAOAO-MBBR + Høj-Sedimentationstankproces
- Biokemisk systemmodifikation: Optimer strukturen af den AAOAO biokemiske tank under konstruktion. Forbedre denitrifikationskapaciteten ved at udvide den anoxiske zonevolumen. Tilføj samtidig MBBR-bærere lokalt i den aerobe zone for at danne en sammensat proces, hvilket styrker den biokemiske fjernelseseffektivitet af NH₃-N og TN.
- Fysisk-kemisk systemopgradering: Optimer tankstrukturen og understøttende udstyrsparametre i den højeffektive sedimentationstank for at sikre stabil TP-overensstemmelse.
- Avanceret behandlingsforbedring: Øg doseringen i ozonoxidationsenheden for yderligere at nedbryde ildfast organisk materiale, hvilket sikrer CODCrudledningsoverholdelse.
Skema 2: Høj-sedimentationstank + denitrificerende dybbedsfilterproces
- Driftstilstand optimering: Oprethold den originale struktur af AAOAO biokemiske tank. Tilføj justerbare beluftningsanordninger i den post-anoksiske zone for dynamisk at skifte mellem anoxiske/aerobe tilstande baseret på påvirkningskvalitet, hvilket sikrer NH₃-N-behandlingseffektivitet.
- Fysisk-kemisk systemopgradering: Optimer tankstrukturen og understøttende udstyrsparametre i den højeffektive sedimentationstank for at sikre stabil TP-overensstemmelse.
- Indførelse af denitrificerende filter: Konverter V-type-filteret til et denitrificerende dyb-bed-filter ved at bruge kulstofkildedosering til at forbedre TN-fjernelsesevnen.
- Avanceret behandlingsforbedring: Øg doseringen i ozonoxidationsenheden for yderligere at nedbryde ildfast organisk materiale, hvilket sikrer CODCrudledningsoverholdelse.
Begge ordninger kan opfylde kravene til kvælstof- og fosforfjernelse. Skema 1 anvender modifikationer af den biokemiske tank for at opnå TN-fjernelse. Dens fordel ligger i at udnytte den indflydende kulstofkilde fuldt ud. Når indstrømmende TN svinger, kan en ekstern kulstofkilde også tilføjes i den anoxiske zone til fjernelse af TN. Til sammenligning kræver det denitrificerende dyb-bed-filter, der anvendes i Skema 2, brugen af en ekstern kulstofkilde og kræver langsigtet vedligeholdelse af mikrobiel aktivitet i filteret, hvilket øger driftsomkostningerne. Selvom byggeinvesteringsomkostningerne for begge ordninger er sammenlignelige, baseret på multidimensionelle overvejelser, herunder driftsomkostningskontrol, processtabilitet og kulstofkildeudnyttelseseffektivitet, blev Scheme 1-, som tilbyder både økonomisk effektivitet og operationel fleksibilitet, i sidste ende valgt som implementeringsprocessen for opgraderingsprojektet.
2. Vigtige tekniske designpunkter
2.1 Biokemisk systemændring
Kerneteknologien i MBBR-processen ligger i at opnå effektiv fluidiseret bevægelse af suspenderede bærere gennem design, hvorved systemets bionedbrydningseffektivitet for forurenende stoffer forbedres væsentligt. Dette processystem består af fem nøgleelementer: høj-mekaniske-biofilmbærere, en tilpasset hydraulisk tankstruktur, et retningsbestemt beluftningssystem, en præcis aflytning af skærmen og væskefremdrivningsudstyr. Baseret på de justerede tankvolumener og designparametrene for et operationelt 20.000 m³/d spildevandsrensningsudstyr (MBBR) udlejningsprojekt inden for det regionale kloaksystem, er det beregnede samlede nødvendige effektive overfladeareal af de ophængte transportører cirka 2.164.000 m². Det designet effektive specifikke overfladeareal af MBBR-bærerne er større end 750 m²/m³. Designberegningstabellen for den modificerede AAOAO-MBBR-tankvolumen er vist iTabel 3.
2.2 Fysisk-kemisk systemopgradering
Den højeffektive sedimentationstank er designet til at fungere i to parallelle grupper. Denne enheds renovering vedtager en procespakkeform, hvor udstyrsleverandøren giver fuld-procestekniske garantier og ydeevneforpligtelser. Kerneprocesparametrene og udstyrskonfigurationerne er som følger.
Koagulationstanken består af to grupper med i alt 4 rum. Den designede enkeltrumsstørrelse er 2.675 m × 2.725 m × 5.9 m. Den maksimale tilbageholdelsestid er cirka 3,8 minutter med en hastighedsgradient (G) større end eller lig med 250 s-¹. Hver omrører er konfigureret med en enkelt{10}}enhedseffekt på 4 kW.
Flokkuleringstanken består af to grupper med i alt 2 rum. Den designede enkeltrumsstørrelse er 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. Den maksimale tilbageholdelsestid er cirka 8,3 minutter. Den indvendige diameter af trækrøret er 2.575 mm. Den er konfigureret med Φ2.500 mm turbine{13}}omrørere, hver med en effekt på 7,5 kW.
Sedimentationstanken består af to grupper. Det skrå rørareal for en enkelt gruppe er ca. 84 m². Sedimentationstankens diameter er 11,7 m. Den beregnede gennemsnitlige hydrauliske belastningshastighed på den skrå røroverflade er 12,4 m³/(m²·h), med en spidsværdi på 16,1 m³/(m²·h). Den beregnede gennemsnitlige hydrauliske belastningshastighed for sedimentationszonen er 7,6 m³/(m²·h), med en spidsværdi på 9,9 m³/(m²·h).
Det kemiske doseringssystem er konfigureret som følger: Kommerciel polyaluminiumchlorid (PAC) væske (10% Al2O3) er designet som koaguleringsmidlet, doseret på flere punkter i koagulationstankens indløbssektion. Den beregnede maksimale dosis er 300 mg/L, med en gennemsnitlig dosis på 150-200 mg/L. Der anvendes mekaniske membrandoseringspumper, konfigureret med et 10-fold online fortyndingssystem. Anionisk polyacrylamid (PAM) er designet som flokkuleringsmidlet, doseret i flokkuleringssektionen af den højeffektive sedimentationstank. Der anvendes et sæt fuldautomatisk kontinuerlig PAM-opløsningsforberedelse og doseringsenhed med en opløsningskoncentration på 2 g/L. Den beregnede maksimale dosis er 0,6 mg/L, med en gennemsnitlig dosis på 0,3 mg/L. Doseringspumper er doseringspumper af skruetype, også udstyret med et 10-fold online fortyndingssystem.
2.3 Pilot-Ozonoxidationseksperimentbekræftelse i skala
For at verificere gennemførligheden af, at det opgraderede anlægs spildevand stabilt lever op til Klasse IV overfladevandsstandarder (COD-koncentration Mindre end eller lig med 30 mg/L), valgte denne undersøgelse det sekundære spildevand fra den første og anden fase af Lianwanhe Water Quality Purification Plant som forskningsemne i juni 2024. Et præstationsverifikationseksperiment for "Sand O-filtrering blev udført" + Ozone O-filtrering. Eksperimentet havde til formål at evaluere anvendeligheden af denne proces til Xin'an-projektets design og opnåeligheden af målet.
Dette eksperiment udnyttede den eksisterende lille-skala sandfiltreringsenhed (behandlingskapacitet 1,5 m³/h) i Lianwanhe-anlægget. En pilot-skala ozonoxidationsreaktionsanordning (tårnreaktor, effektiv volumen 0,5 m³) blev opsat på-stedet. Den eksisterende sekundære sedimentationstanks spildevand blev filtreret af det lille sandfilter, derefter løftet af en pumpe for at komme ind i ozonoxidationstårnet fra toppen. Ozonens oxiderende virkning blev brugt til at fjerne ildfast organisk materiale fra indløbet, hvilket opnåede yderligere COD-reduktion.
2.3.1 Udførelse af "Sand Filtration + Ozon Oxidation" ved ozondosering på 20 mg/L og HRT på 30 min.
I løbet af denne forskningsfase varierede den indgående COD-koncentration fra 38,2 til 43,4 mg/L, med et gennemsnit på 40,4 mg/L. Efter behandling med "Sand Filtration + Ozon Oxidation"-processen var den endelige COD-COD i gennemsnit 28,8 mg/L. Eksperimentet viste, at når COD-koncentrationen var høj, var der stadig tilfælde, hvor COD-spildevandet ikke opfyldte standarden. Derudover forblev den endelige spildevandsfarve fra pilottesten højere end tilløbsvandet og levede ikke op til udledningsstandarden. Detaljer er vist iFigur 2(a).
2.3.2 Udførelse af "Sand Filtration + Ozon Oxidation" ved ozondosering på 25 mg/L og HRT på 30 min.
For yderligere at forbedre COD-fjernelsen og reducere spildevandets farve, fortsatte denne fase med at øge ozondoseringen, mens HRT blev holdt på 30 min. I denne eksperimentelle fase varierede den indgående COD-koncentration fra 36,3 til 46,2 mg/L, i gennemsnit 40,4 mg/L. Efter behandling blev COD-koncentrationen reduceret til 28 mg/L. Den endelige spildevandsfarve fra pilottesten forblev stadig højere end tilløbsvandet og opfyldte ikke udledningsstandarden. Detaljer er vist iFigur 2(b).
2.3.3 Ydelse af "Sand Filtration + Ozon Oxidation" ved ozondosering på 30 mg/L og HRT på 30 min.
Under betingelserne med en ozondosis på 30 mg/L og en HRT på 30 minutter viste "Sand Filtration + Ozon Oxidation"-processen god behandlingseffektivitet for sekundært spildevands-COD. I denne testfase varierede den indgående COD-koncentration fra 38,2 til 42,2 mg/L, i gennemsnit 40,2 mg/L. Efter behandling forblev COD-koncentrationen i spildevandet stabil under 30 mg/L, i gennemsnit 26 mg/L. I denne fase viste processen også god farvefjernelseseffektivitet, med målt farve konsekvent under 20, hvilket stabilt levede op til udledningsstandarden. Detaljer er vist iFigur 2(c).
2.3.4 Eksperimentel konklusion
Baseret på de eksperimentelle resultater, under optimale reaktionsbetingelser, var forholdet mellem ozondosering (30 mg/L) og COD-fjernelse (12,2 mg/L) i ozonbehandlingsenheden 2,45:1,00.
Piloteksperimentet viste, at den avancerede behandlingsproces "Sand Filtration + Ozon Oxidation" effektivt kan reducere COD-værdien af det repræsentative sekundære spildevand fra Lianwanhe-anlægget. Derfor har det god gennemførlighed at anvende "Sand Filtration + Ozon Oxidation"-processen som den avancerede behandlingsproces for Xin'an Qianhe-projektet og kan sikre, at projektets COD-spildevand forbliver stabilt under 30 mg/L.
3. Konklusion
Denne forskning fokuserer på tre kernemodifikationsmoduler: Det biokemiske behandlingssystem anvender AAOAO-MBBR hybridprocessen (suspenderet og vedhæftet vækst); den fysisk-kemiske behandlingsenhed optimerer tankstrukturen og udstyrsvalget til den højeffektive sedimentationstank; og det avancerede behandlingslink valideres gennem et pilotforsøg med-skala ozonoxidation.
Gennem den synergistiske optimering af denne proceskæde konstrueres et komplet-procesbehandlingssystem med "Biokemisk forbedring – Fysisk-kemisk forbedring – Avanceret sikkerhedskontrol". Samtidig følger dette tekniske design den objektive kendsgerning af det igangværende nuværende projektbyggeri, hvilket nødvendiggør koordineret optimering af byggesekvenser for alle strukturer for at maksimere brugen af eksisterende faciliteter og minimere renoveringsarbejdet.
Projektet bruger spildevandskvalitetsstandarden for anlægget under opførelse som benchmark for designinfluent kvalitet. Udledningskoncentrationerne af CODCr, BOD₅, NH₃-N og TP skal overholde klasse IV-standarderne (TN mindre end eller lig med 10/12 mg/L) specificeret i GB 3838-2002 "Environmental Quality Standards for Surface Water." Andre indikatorer skal overholde Grade A-standarderne i GB 18918-2002 "Udledningsstandard for forurenende stoffer til kommunale spildevandsrensningsanlæg." Dette opgraderingsprojekt har en designskala på 50.000 m³/d, en samlet investering på 27,507 millioner yuan, en driftsomkostning på 0,3 yuan/m³, en samlet omkostning på 0,39 yuan/m³ og en driftsvandpris på 0,45 yuan/m³.