Anvendelse af modificeret AAO-proces i rensning af husholdningsspildevand fra kulminer
Husspildevand i kulminer stammer primært fra personalekantiner, kollegier, kontorer, vaskerum og badeværelser, hvor badeafløb udgør over 55 % af det samlede volumen. Udledningen af badevand er relativt koncentreret, hvilket medfører betydelige strømningsudsving. Karakteriseret ved lavere organisk koncentration og højere suspenderede faste stoffer (SS), adskiller badedræning sig betydeligt fra typisk husholdningsspildevand. Dets forskudte udledningsmønster med andre spildevandsstrømme bidrager til betydelig vandkvalitetsvariabilitet.
De fleste kulminer i Kina er placeret i fjerntliggende områder, hvor omkostningerne til slamtransport er høje. Derfor bør der vælges behandlingsprocesser med lavere slamudbytte. Efterhånden som miner udvikler sig, og antallet af ansatte stiger, overstiger spildevandsstrømmen ofte den oprindelige designkapacitet, hvilket nødvendiggør processer med stærk tilpasningsevne til ændringer i vandkvalitet og -kvantitet inden for samme fodaftryk. Under stadig strengere miljøpolitikker, der kræver fuld genbrug af behandlet spildevand uden udledning, skal processer levere høj og stabil spildevandskvalitet.
I øjeblikket er AAO-processen (Anaerob-Anoxic-Oxic) det foretrukne valg i kommunal spildevandsrensning. Denne artikel analyserer anvendelseseffektiviteten af en modificeret AAO-proces (AAO + Suspended Carrier Process) til kulminespildevand baseret på dens unikke egenskaber.
1. Ændret AAO-proces
AAO-processen er den enkleste strømningskonfiguration til samtidig nitrogen- og fosforfjernelse. Filamentøse bakterier kan ikke formere sig ekstensivt under alternerende anaerobe, anoxiske og aerobe forhold, hvilket forhindrer slam, der fylder. Det kræver ingen kemisk tilsætning, kun mild blanding i anaerobe og anoxiske tanke, hvilket resulterer i lave driftsomkostninger. Slammet har et højt indhold af fosfor, hvilket giver en god gødningsværdi.
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 genbrug forbruger betydelig energi. Spildevand, der kommer ind i den sekundære klaring, skal opretholde et vist niveau for opløst oxygen (DO) for at forhindre anaerobe forhold og fosforfrigivelse, men dog ikke for højt for at undgå at forstyrre denitrifikationen i den anoxiske tank via den genbrugte blandede væske.
Den modificerede AAO-proces (AAO + Suspended Carrier Process) afbøder disse ulemper effektivt. Det øger den mikrobielle masse i de biologiske tanke, forbedrer volumetrisk belastning, opnår fuldstændig adskillelse af hydraulisk retentionstid (HRT) og slam-retentionstid (SRT), styrker modstandskraften over for hydrauliske og organiske stødbelastninger, leverer god spildevandskvalitet selv med kulstoffattige kilder, producerer mindre og mere stabilt slamhåndteringskapacitet (reducerer nedstrøms slamhåndteringskapacitet). Spildevandet kan opfylde vandkvalitetsstandarderne for "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 kulvask. Hou Feng et al. anvendte AAO+suspenderet bærerproces i et underjordisk spildevandsrensningsanlæg og opnåede Grad 1A standarder i henhold til "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002), med nøgleindikatorer (COD, BOD5, NH3-N, TP) og nåede Klasse IV-standarder for overfladevand (Environ Water Quality Standards for "GB) 3838-2002). Hao Ruigang et al. brugte "A/O Bio-contact Oxidation + Perforated Swirl Flocculation + Inclined Tube Sedimentation + Active Sand Filtration" i udvidelsen af et kulmine spildevandsanlæg, hvilket opnåede spildevandskvalitet bedre end Grade 1A. Yan Ziyu et al. opnåede også gode resultater ved at bruge biofilmprocesser til at eftermontere eksisterende kulminerensning af husholdningsspildevand. Den modificerede AAO-proces giver mulighed for kapacitetsforøgelser og forbedring af spildevandskvaliteten i eksisterende anlæg med minimale ændringer.
Denne proces involverer tilføjelse af suspenderede bærere til de anoxiske og aerobe tanke, der kombinerer fordelene ved aktiveret slam og biofilmprocesser. Den har høj volumetrisk belastning, stor biomasse, høj behandlingseffektivitet, stærk tilpasningsevne til 水质和水量的变化, forbedret processtabilitet og god fjernelse af næringsstoffer. Den danner højt specialiserede aktive biofilm, der øger effektiviteten pr. reaktorvolumen og stabilitet, hvilket giver mulighed for mindre reaktorer. Sloughing biofilm slam indeholder flere protozoer/metazoer, har højere densitet og større partikelstørrelse, hvilket resulterer i god bundfældning og let fast-væskeseparation. Det muliggør fuldstændig SRT-HRT-separation, eliminerer slambuling og er velegnet til spildevand rigt på opløselige organiske stoffer.
2.1 Casestudie
En kulmine i Yan'an City, cirka 16 km fra Zichang City, har et rensningsanlæg til husholdningsspildevand med en designkapacitet på 1200 m³/d. Processen er: "Skærm + Udligningsbeholder + AAO med suspenderede bærere + Avanceret behandling (koagulation-Sedimentering-Filtrering) + Desinfektion". Slam behandles via "Gravity Thickening + Screw Press Dewatering". Spildevandet opfylder de strengere grænser for *GB/T 18920-2020* og GB 50359-2016 for kulvaskevand. Det behandlede vand genbruges til minegrønt og som makeupvand i kulberedningsanlægget. Design influent/spildevandskvalitet er indeTabel 1. Procesflowet er vist iFigur 1.
Spildevand passerer gennem en skærm (5 mm mellemrum, 75 graders installationsvinkel) ind i en udligningstank (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, effektiv dybde 2,95 m, volumen 247,8 m³, HRT 4,13 h), der opfylder GB 50810-2012-kravene. To blandere forhindrer bundfældning. Tre dykpumper (2 duty +1 standby, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) løfter vand til de biologiske tanke.
Det biologiske system består af 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.
- Anoxisk tank: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, effektiv dybde 4,25 m, HRT 2,83 t.
- Aerob tank: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, effektiv dybde 4,0 m, HRT 10,0 t. Samlet system HRT er 15,75 t. Suspenderede bærere (fyldningsforhold 80%, specifikt overfladeareal 600 m²/m³) er installeret i den aerobe tank. Design luft-til-vandforholdet er 13,7:1. Three Roots blæsere (2 duty +1 standby, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa) bruges. Genbrugsforholdet for slam er 100 %, genbrugsforholdet for blandet spiritus er 200 %.
To rektangulære perifere -indløbs-/udløbssekundære klaringsapparater (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m hver) har en overfladebelastningshastighed på 1,2 m³/(m²·h) og HRT på 2,5 timer.
En integreret vandrenser (som kombinerer koagulering, sedimentering, filtrering) giver avanceret behandling til yderligere fjernelse af SS og fosfor.
Slambehandling omfatter gravitationsfortykkelse (Φ2,5 m×5,0 m kulstofståltank) efterfulgt af skruepresseafvanding. Polyacrylamid (PAM) doseres med 3,0-5,0 kg/t tørstof før afvanding. Daglig afvandet slamkage er Mindre end eller lig med 150 kg med fugtindhold Mindre end eller lig med 80 %, transporteret fra-stedet.
Desinfektion bruger en -på stedet ClO2-generator (effektiv klordosering 120 g/t) doseret ved det klare brøndindløb. Den klare brønd har et effektivt volumen på 250 m³, hvilket giver en kontakttid på 4,2 timer.
Anlægget er udstyret med omfattende online overvågning (flowmålere, restklor, pH, DO, COD, turbiditet, slamniveau/koncentration) og automatiserede styresystemer til pumper, blæsere, returskylning, kemikaliedosering og blanding, hvilket sikrer intelligent, uovervåget drift.
2.2 Præstationsanalyse
Anlægget afsluttede idriftsættelsen i 2021 og har været i drift i over to år. Faktisk 2024 indløbs-/afløbskvalitet er vist iTabel 2.
Indstrømmende BOD5/N-forhold er 5,5, hvilket indikerer lavt kulstof-til-nitrogen (C/N)-spildevandsforhold, som falder yderligere om sommeren på grund af nedbørsinfiltration og vaneændringer. Ekstreme vintertemperaturer i Yan'an kan nå -21 grader. Den faktiske spildevandskvalitet er bedre end designet, med fjernelseshastigheder, der når op på: COD 97,8 %, BOD5 99.7 %, SS 99,7 %, NH3-N 93,5 %, TP 87,10 %, hvilket opfylder standarderne for 绿化 og kulvask.
Den aktive biofilmmasse i de anoxiske/aerobe tanke er så høj som 125 g/m² bærer, svarende til MLSS på 13 g/L-fire gange så stor som konventionelt aktiveret slam. Mikroorganismer er i den endogene respirationsfase, hvilket resulterer i daglig slamproduktion omkring 1/3 af konventionelle metoder, med bedre bundfældning, hvilket giver mulighed for mindre slambehandlingsudstyr.
Selvom bio-kontaktoxidation kan fungere uden genanvendelse af slam, har forskning af Xiong Ren et al. viser, at systemer med recirkulering opnår højere fjernelsesrater for COD, TN, NH3-N, SS og reducerer slamudbyttet med 29,6%. Dette design inkorporerer genbrug af blandet spiritus med driftsfleksibilitet baseret på spildevandskvalitet.
Anlægget (1200 m³/d) fylder 1350,3 m² med en kapitalinvestering på 20 millioner CNY og driftsomkostninger på 1,05 CNY/m³.
Sammenlignet med konventionel AAO, som kræver udvidet SRT for effektiv lav-temperaturdrift, bevarer denne modificerede proces enkelheden ved samtidig fjernelse af næringsstoffer, mens den beriger det biologiske samfund med bærere. SRT-HRT-separationen forbedrer bio-stabiliteten og sikrer pålidelig drift under forhold med lavt C/N og lave-temperaturer. Stabilt spildevand kan opretholdes med lidt eller ingen slamgenanvendelse, hvilket muliggør in- slamreduktion og lavere omkostninger til slamhåndtering. Dens enkelhed og mangel på fylde gør den særdeles velegnet til rensning af husholdningsspildevand fra kulminer.
3. Optimeringsforskning for AAO-processen
Modificerede AAO-processer er typisk designet efter parametre i "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021). Der er dog behov for optimering af driftsparametre (HRT, SRT, beluftning, recirkuleringsforhold, MLSS) specifikke for kulminespildevand for at identificere optimale betingelser for fremtidig design og drift.
I konventionel AAO genanvendes slam fra den aerobe til den anaerobe tank med nitrat og høj DO, hvilket kan forringe den biologiske fosforfjernelse. University of Cape Town (UCT)-processen kan overvejes, hvor slam genanvendes til den iltfattige tank, nitrificeret væske til den iltfrie tank, og en yderligere genanvendelse fra anoxisk til anaerob tank tilføjes for at forbedre bio-P-fjernelsen.
Slambehandling kan udgøre 50-60 % af et anlægs driftsomkostninger. In-slamreduktionsteknologier bør vedtages. Den høje MLSS i modificerede AAO-bio-tanke fører til et højt F/M-forhold, hvor afkoblingsstofskiftet kan forekomme, hvilket fremmer slamreduktion og sænker omkostningerne til slamhåndtering. Fremtidigt fokus bør være på at anvende in-situ-reduktionsteknologier som kryptisk vækst via mikro-lyse, Oxic-Setting-Anaerob (OSA)-proces og afkobling af metabolisme i kulminernes spildevandsbehandling.
Denne proces er velegnet til eftermontering af eksisterende AAO-anlæg i kulminer. Tilføjelse af bærere til anoxiske/aerobe tanke kan forbedre spildevandskvaliteten, øge kapaciteten og forbedre systemets stabilitet. For anlæg med skærpede spildevandskrav kan udskiftning af den sekundære renser med et MBR-system yderligere opgradere vandkvaliteten.
4. Konklusion
- Den modificerede AAO-proces er velegnet til at opgradere eksisterende AAO-systemer i kulminer for at øge stabiliteten, øge kapaciteten eller opfylde strengere standarder.
- Ved behandling af husspildevand fra kulminer kan spildevandet samtidigt opfylde *GB/T 18920-2002* standarder for vejvanding/grønt og GB 50359-2016 standarder for kulvaskevand, hvilket viser stærk tilpasningsevne til ændringer i vandkvalitet og -mængde.
- Processen producerer stabilt slam med god bundfældningsevne og let adskillelse, genererer mindre slam og reducerer omkostningerne til slambehandling.