Avanceret nitrogenfjernelse i spildevandsanlæg: Ren biofilm MBBR procesdesign og præstationsanalyse|Casestudie

Teknisk design og ydeevne af en ren biofilm MBBR-proces til avanceret nitrogenfjernelse

Med den omfattende udvikling af Kinas økologiske civilisationskonstruktion er udledningsstandarderne for spildevandsrensningsanlæg (WWTP'er) blevet stadig strengere. Grad A-standarden for "Decharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002) kræver TN mindre end eller lig med 15 mg/L, mens lokale standarder i regioner som Beijing og Shandong udtrykkeligt sætter grænsen til TN mindre end eller lig med 10 mg/L. Disse forhøjede standarder strækker sig ud over kun vandkvalitetsgrænser og stiller strengere krav til spildevandsstabilitet. Som følge heraf er der et presserende behov for at forbedre nitrogenfjernelseskapaciteten i behandlingsprocesser. En tilgang er at øge kulstofkildedoseringen i den eksisterende proces for at forbedre denitrifikationen, men dette fører til høje driftsomkostninger og øgede kulstofemissioner. Alternativt kan tilføjelse af avancerede faciliteter til fjernelse af nitrogen, der ofte anvender biofilmmetoder til effektivt at berige denitrificerende bakterier, forbedre TN-fjernelsen, reducere behovet for eksterne kulstofkilder og sænke kulstofemissionerne. Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), med dens fordele ved stærk funktionel bakterieberigelse, lille fodaftryk og enkel betjening og vedligeholdelse, er blevet bredt anvendt i konstruktion, udvidelse og opgradering af renseanlæg. Det kan stabilt opnå udledningsstandarder bedre end kvasi-Klasse IV overfladevandskvalitet og rummer et betydeligt potentiale og fordele for avanceret nitrogenfjernelse i renseanlæg. Denne artikel tager et renseanlæg i Shandong som et casestudie for at analysere designrationalet og den operationelle ydeevne ved at anvende en ren biofilm MBBR-proces til avanceret nitrogenfjernelse, med det formål at give en teknisk reference til effektiv spildevandsdenitrifikation.

1. Projektoversigt

1.1 Projektintroduktion

Et renseanlæg i Shandong blev bygget i to faser. Den første fase, der udnytter BIOLAK-processen, blev officielt sat i drift i november 2003 med en behandlingskapacitet på 40.000 m³/d. Layoutet af BIOLAK-processen og det tilgængelige område for opgradering er vist iFigur 1. Til at begynde med opfyldte spildevandskvaliteten Grade B-standarden i GB 18918-2002. I 2020, gennem forbedret kulstofkildedosering og tilføjelse af avanceret behandling, blev spildevandskvaliteten forbedret til Grade A-standarden. I 2023, efter tre års drift, kunne den samlede spildevandskvalitet generelt opfylde Grade A-standarden, men den stod over for to store udfordringer med hensyn til nitrogenfjernelse:

Høj kulstofkildedosering: For at nå målet om TN Mindre end eller lig med 15 mg/L krævedes en betydelig mængde ekstern kulstofkilde. Beregninger baseret på procesafsnit viste et C/N-forhold så højt som 5,9, hvorimod AAO-processen i anlæggets anden fase kun krævede en C/N på 4,5-5,0 for at sikre stabil TN-overholdelse. Den store tilsætning af kulstofkilder påvirkede også den aerobe nitrifikationsproces negativt, hvilket øgede iltbehovet i den aerobe zone.

Dårlig stabilitet af nitrogenfjernelse: Da nitrifikation og denitrifikation fandt sted i den samme tank under forskellige påkrævede betingelser, krævede driftsparametre hyppig justering baseret på indstrømningsændringer. Kontrol af NH₃-N og TN var modstridende, hvilket gjorde det vanskeligt at opretholde en stabil balance mellem nitrifikation og denitrifikation. Systemets stødbelastningsmodstand var gennemsnitlig, hvilket førte til dårlig spildevandsstabilitet.

Derfor var en opgradering af den oprindelige BIOLAK-proces nødvendig med kernemålene at løse konflikten mellem nitrifikation og denitrifikation, reducere driftsomkostningerne til fjernelse af nitrogen og forbedre spildevandsstabiliteten.

1.2 Opgraderingsudfordringer

Da BIOLAK-processen var uegnet til modifikation i-tanke for at forbedre ydeevnen, var planen at styrke behandlingen ved at konstruere en ny avanceret nitrogenfjernelsesenhed. Den oprindelige BIOLAK-proces fokuserede primært på nitrifikation med denitrifikation som sekundær, mens den nye proces ville fokusere på denitrifikation. I betragtning af de faktiske renoveringsbehov stod projektet over for to store udfordringer: begrænset tilgængeligt areal til den nye proces og høje krav til driftseffektivitet.

Begrænset tilgængelig jord til ny proces: Nybyggeriet skulle færdiggøres inden for den eksisterende anlægsgrund, som i det væsentlige ikke havde reserveret grund. Byggeriet var kun muligt på et grønt bånd, der støder op til BIOLAK-tankene, med et disponibelt areal på 400 m². Dette betød, at det nye projekts fodaftryk pr. behandlet vandenhed skulle være mindre end eller lig med 0,01 m²/(m³·d).

Høje krav til driftseffektivitet: Dette var ikke en simpel opgradering, men en yderligere optimering af den biokemiske funktionszone. Den nye enhed forventedes at håndtere en nitrogenfjernelsesbelastning på 20 mg/L. Denne proces skulle ikke kun gennemføres på begrænset jord, men også for at reducere kulstofkildedoseringen sammenlignet med den oprindelige BIOLAK-denitrifikation og samtidig sikre stabil denitrifikationsydelse. Der blev således stillet høje krav til både nitrogenfjernelseseffektivitet og kulstofkildeudnyttelseseffektivitet.

2. Processammenligning og udvælgelse

Efter behandling med BIOLAK-processen består spildevandet TN hovedsageligt af nitrat-nitrogen. I øjeblikket anvender modne avancerede nitrogenfjernelsesprocesser primært biofilmmetoder, kendetegnet ved, at mikroorganismer effektivt beriger på bæreroverflader i en vedhæftet tilstand, hvilket tilbyder betydeligt højere funktionel bakterieberigelseseffektivitet end konventionelle aktiveret slamprocesser. Biofilmprocesser kan yderligere opdeles i faste-leje og bevægelige-lejetyper baseret på bærerfluidisering, som vist iFigur 2.Denitrificerende filtre, typiske biofilmprocesser med fast-leje, bruger faste granulære filtermedier som mikrobielle vækstbærere. Ved at tilføje en ekstern kulstofkilde udnytter de denitrifikationen af ​​biofilmen og filtreringen af ​​medierne for at opnå samtidig fjernelse af NO₃^--N, SS og andre forurenende stoffer. Fordelene omfatter stabil behandlet vandkvalitet, intet behov for sekundære klaringsapparater og et kompakt layout, hvilket gør dem meget udbredt i rensningsanlægsopgraderinger som en avanceret behandlingsenhed for at styrke TN-fjernelsen fra sekundært spildevand. Operationelt fokus skal dog være på virkningen af ​​C/N på avanceret denitrifikationseffektivitet. Pingtang WWTP fase I opgraderingsprojektet, også med en kapacitet på 40.000 m³/d, brugte et denitrificerende filter + høj-effektiv opløst luftflotation (DAF) som den avancerede behandlingsproces for at hæve spildevandet TN til kvasi-Klasse IV overfladevandsstandarder, hvilket opnåede ca. sparer jord og muliggør effektiv behandling, men med et C/N så højt som 18,34. For at imødekomme nye lokale standarder for spildevands-TN, har Chengdu No. 9 Vandgenvindingsanlægget vedtaget en sedimentationstank med høj-densitet og denitrificerende dybt-filter som opgraderingsprocessen med en C/N på 5,7, hvilket opnår avanceret behandling under høje standarder. Dingqiao rensningsanlægget i Haining kunne ikke leve op til de grad A-udledningsstandarder, der kræves for Qiantang-flodbassinet. Gao Feiya et al. brugte et denitrificerende dybt-filter til avanceret TN-behandling, samtidig med at SS og TP blev fjernet, hvilket bringer spildevandskvaliteten tæt på kvasi-klasse IV-standarder, men med et højt C/N på 15,68, hvilket fører til høje omkostninger til nitrogenfjernelse. Derudover kræver filterprocesser regelmæssig tilbageskylning, typisk ved brug af luft-vandskuring, hvilket kan påvirke driftsstabiliteten.

ustabilitet i denitrificerende filtre, forskning i anvendelse af svovl-baseret autotrofisk denitrifikation (SAD) på denitrificerende filtre har fået opmærksomhed. SAD anvender elementært svovl eller svovlforbindelser som elektrondonorer under anaerobe eller anoxiske forhold for at reducere NO3^--N til N₂. Det giver fordele såsom god denitrifikationseffektivitet, intet behov for en organisk kulstofkilde, lave driftsomkostninger og lav slamproduktion. Song Qingyuan et al. undersøgte nitrogenfjernelseseffekten af ​​et SAD-filter på sekundært spildevand. Efter optimering af pilotforhold forblev nitratfjernelsen stabil over 95 %, men medieforbrugshastigheden nåede 20 % årligt, ledsaget af øget sulfatkoncentration af spildevand og nedsat pH. For at undgå sekundære forureningsrisici fra SAD, Li Tianxin et al. tilberedte medier ved pelletisering af en blanding af svovl og kalkstenspulver. Tilsætning af en vis andel kalksten til filterlejet neutraliserede den genererede surhed og producerede CaSO4-udfældning, hvilket sænkede sulfatkoncentrationen i spildevandet og effektivt adresserede problemerne med syreproduktion og høje sulfatniveauer. Imidlertid optog kalkstenen plads beregnet til elektrondonormedier i systemet, hvilket svækkede avanceret denitrifikationskapacitet, øgede spildevandshårdheden og øgede driftsomkostningerne. Aktuel forskning i SAD-teknologi er primært i laboratorie- og pilotskala, med utilstrækkelig ingeniørerfaring til reference. Der er behov for yderligere anvendt forskning før markedsføring i industriel{13}}skala.

MBBR er en typisk repræsentant for biofilmprocesser med fluidiseret-lag og en ny spildevandsbehandlingsteknologi, som har fået stor opmærksomhed i de seneste år. Den bruger suspenderede bærere med en densitet tæt på vand til specifikt at berige mikroorganismer, der danner en biofilm for at opnå avanceret nitrogenfjernelse. Processer med fluidiseret-sengs biofilm undgår også problemer med tilstopning af medier og tilbageskylning. I øjeblikket har ren biofilm MBBR til avanceret rensningsanlæg denitrifikation over 20 års succesfuld driftserfaring i udlandet og får en stadig bredere anvendelse i Kina. Zheng Zhijia et al. brugt en to-ren biofilm MBBR-proces til avanceret denitrifikation. Ved C/N=4.0 stabiliserede systemets udløbende nitratnitrogen sig ved (1,87 ± 1,07) mg/L med en gennemsnitlig TN-fjernelsesrate på 93,3 %. Et spildevandsanlæg i en udviklingszone i en bestemt by byggede en ny MBBR-bio-tank som tertiær avanceret behandling til forbedret denitrifikation. TN-fjernelsesbelastningen i den anoxiske sektion af den rene biofilm MBBR var 1,1 g/(m²·d), hvilket forbedrede systemets denitrifikationspålidelighed. Gao Yanbo et al., der havde til formål at øge det oprindelige anlægs kapacitet, konstruerede en ny to-AO ren biofilm MBBR bio-tank, der opnåede stabilt spildevands-TN under 5 mg/L med høj denitrifikationseffektivitet. Den rene biofilm MBBR-proces viser således et stort potentiale for avanceret nitrogenfjernelse i spildevandsanlæg, der kombinerer fordele som høj kulstofkildeudnyttelseseffektivitet, høj behandlingsbelastning og lille fodaftryk. Det stiller dog også højere krav til udstyr, hvilket kræver pålideligt udstyr for at understøtte stabil procesdrift. En sammenligning af almindelige avancerede nitrogenfjernelsesprocesser er vist iTabel 1.

Baseret på en omfattende sammenligning, selvom SAD-processen ikke kræver nogen kulstofkildetilsætning, er dens nuværende anvendelse endnu ikke moden og indebærer sekundære forureningsrisici, så den blev ikke overvejet til denne opgradering. Selvom denitrificerende filtre er meget udbredt, anvendes de for det meste i opgraderinger af spildevandsanlæg, hvor designet af indløbs-/spildevands-TN ofte er 15/12 mg/L, hvilket håndterer en relativt lille TN-fjernelsesbelastning. Da dette projekt krævede at opfylde langsigtede, høje krav til TN-fjernelse, ville driften væsentligt forkorte filterets tilbageskylningscyklus, hvilket øgede driftsbesvær og ustabilitet. Den rene biofilm MBBR-proces kombinerer fordele som høj kulstofudnyttelseseffektivitet, intet behov for tilbageskylning, moden påføring og ingen sekundær forurening. I betragtning af procesudfordringerne og renoveringskravene valgte projektet i sidste ende konstruktionen af ​​en ny ren biofilm MBBR bio-tank (herefter benævnt MBBR-tanken) som den avancerede løsning til fjernelse af nitrogen i første fase, designet med et C/N=4.5, og en planlagt tilbagebetalingsperiode på 7,37 år.

3. Ny Byggeplan

3.1 Procesflow

Spildevandsbehandlingsprocessens flow efter renovering er vist iFigur 3. Anlæggets influent passerer gennem fine sigter, hvirvelkornskamre og primære sedimentationstanke, før det kommer ind i BIOLAK bio-tanken til fjernelse af organisk stof, ammoniak-nitrogen osv. Det løftes derefter med pumper ind i MBBR-tanken for avanceret TN-fjernelse. MBBR-tanken er designet til et indløbs-TN på 35 mg/L og et spildevands-TN, der er mindre end eller lig med 15 mg/L. MBBR-spildevandet løftes af sekundære pumper til anlæggets eksisterende avancerede behandling til fast-væskeseparation og slamspild. Det endelige spildevand desinficeres før udledning til den modtagende flod. Overskydende slam fortykkes, afvandes og transporteres fra{10}}stedet til bortskaffelse.

3.2 Ny MBBR Tank

MBBR-tanken anvender en AO-proces, konstrueret ved hjælp af Lipp-tanke til modulær samling, afsluttet på 30 dage. Systemets samlede hydrauliske retentionstid (HRT) er 1,43 timer. SPR-III type specialiserede aerobe og iltfattige suspenderede bærere tilføjes inde i tankene med et fyldningsforhold på 60 % i den aerobe zone og 55 % i den iltfattige zone. Bærerne er afrundede cylindriske, 25 mm i diameter og 10 mm i højden, med et effektivt specifikt overfladeareal større end eller lig med 800 m²/m³. Den anoxiske zone er udstyret med 4 MBBR-dedikerede variable-frekvensblandere (SPR kemisk effekttype), hver N=5.5 kW, hvilket giver ensartet og tilstrækkelig fluidisering til bærerne. Efter biofilmmodning betjenes 2 blandere rutinemæssigt, med de 2 andre som varm standby. Den aerobe zone bruger skrueblæsere til beluftning. En enkelt blæser har en luftkapacitet på 14,50 m³/min, tryk 90 kPa, N=22 kW. Et sæt aerobe zonededikerede perforerede rørdiffusorer (SPR-type) er installeret. På grund af den lave påkrævede beluftningsvolumen kan de eksisterende fase I blæsere normalt bruges, hvor den nye blæser og fase I blæsere fungerer som gensidig backup. Nye materialeopfangningsskærme (SPR-type), 12 mm tykke, med en designet levetid på 30 år, er installeret i både den aerobe og den anoxiske zone.

3.3 Nye støttefaciliteter

• Indflydelsessystem: Spildevand fra BIOLAK bio-tanken løftes ind i MBBR-tanken. 4 indløbspumper er installeret (2 drift, 2 standby), hver med Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Kulstofkildedoseringssystem: Spildevandet fra fase I BIOLAK bio-tanken indeholder kun COD, der er vanskeligt at udnytte. For at sikre avanceret denitrifikation i MBBR-tankens anoxiske zone, anvendes natriumacetat som den eksterne kulstofkilde. 4 målepumper er installeret (2 duty, 2 standby), hver med Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.