Driftseffekt af opgraderingsprojekt af spildevandsrensningsanlæg i Tianjin
Et spildevandsrensningsanlæg i Tianjin gennemgik et opgraderings- og renoveringsprojekt, der adopterede den modificerede Bardenpho-MBBR-proces, hvilket hævede spildevandskvaliteten fra Grade A-standarden specificeret i "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002) til den lokale standard Klasse A/59 DBian-19 DBian i Tianjin. Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)-processen involverer tilføjelse af MBBR-suspenderede bærere til reaktoren, tilvejebringelse af steder for mikrobiel vedhæftning og dannelse af vedhæftede biofilm, hvorved den effektive biomasse i systemet øges og forurenende stoffer fjernes. MBBR-processen byder på fordele såsom høj behandlingsbelastning, stærk modstandsdygtighed over for stødbelastninger, stabil behandlingsydelse, enkel driftsstyring og fleksibel procesdrift. Et stigende antal renseanlæg i Kina anvender MBBR-processen til renovering. Dette papir analyserer den operationelle ydeevne af et renseanlæg i Tianjin efter dets opgradering, med det formål at give en reference til lignende opgraderingsprojekter.
1. Aktuel biologisk nitrogen- og fosforfjernelsesproces
Den originale biologiske tank brugte en A²/O-proces med en behandlingskapacitet på 12.500 t/d. Designets samlede slamalder var 14 dage, koncentrationen af blandet væske suspenderet faststof (MLSS) var 3.500 mg/L, designvandtemperaturen var 10 grader, slamudbyttet var 0,936 kgSS/kgBOD, og slambelastningen var 0,082 kgBOD/kgMLSS. Den biologiske tanks effektive vanddybde var 6 m, med et samlet tankvolumen på 9.052,2 m³ og en total hydraulisk retentionstid (HRT) på 17,4 timer. HRT-fordelingen var: selektorzone 0,58 timer, anaerob zone 1,38 timer, anoxisk zone 2,85 timer, svingzone 0,92 timer og aerob zone 11,67 timer. Slamgenanvendelse var 100 %, og intern genanvendelse af blandet spiritus var 300 %. Den oprindelige biologiske tank bestod primært af anaerobe-anoksiske-aerobe sektioner. Driftsparametre kan justeres baseret på indstrømningsforhold og spildevandskrav for at opnå nitrogen- og fosforfjernelse, hvor spildevandskvaliteten opfylder Grade A-standarden GB 18918-2002.
2. Oversigt over opgraderings- og renoveringsprojektet
Denne opgradering havde til formål at forbedre spildevandskvaliteten for at opfylde klasse A-standarden i Tianjins lokale standard "Afledningsstandard for forurenende stoffer til kommunale spildevandsrensningsanlæg" (DB 12/599-2015). Den designede tilløbs- og spildevandskvalitet er vist iTabel 1. I henhold til designværdierne for influent og effluent TN kræver opnåelse af et spildevands TN under 10 mg/L en denitrifikationsrate på 75,6 % i det biologiske tanksystem. Den originale biologiske tank brugte en A²/O-konfiguration. Beregninger baseret på den originale tankkonfiguration viste, at det interne genanvendelsesforhold skulle stige fra de oprindelige 200 % til 310 %, sammen med tilføjelsen af en stor mængde ekstern kulstofkilde. Dette ville ikke kun øge driftsomkostningerne, men også den store mængde intern genbrugsstrøm kunne forstyrre det anoxiske miljø. Dette kan føre til, at den faktiske HRT i den anoxiske zone er mindre end minimumskravet, hvilket påvirker denitrifikationseffektiviteten. MBBR-processen forbedrer systemets denitrifikationsevne og forbedrer spildevandskvaliteten ved at tilføje suspenderede bærere for at øge biomassekoncentrationen i tanken og derved opfylde opgraderingskravene.
Uden at ændre den eksisterende biologiske tankvolumen blev de interne funktionszoner i den biologiske tank omkonfigureret. Den oprindelige A²/O-konfiguration (anaerob-anoxisk-aerob) blev ændret til en Bardenpho 6-trinskonfiguration: anaerob zone, anoxisk zone, svingzone, aerob zone, post-anoxisk zone og post{8}. Specifikt blev den oprindelige vælgerzone omdannet til en anaerob zone. Den oprindelige anaerobe zone, svingzone (forreste del) og anoxiske zone blev alle brugt som den præ{12}}anoxiske zone. Den forreste halvdel af den første korridor i den oprindelige aerobe zone blev justeret til en svingzone. Den oprindelige første, anden og tredje aerobe korridor blev omdannet til MBBR-zonen, hvor der blev tilføjet suspenderede bærere, sammen med indløbs-/udløbsskærme og et bundbeluftningssystem. Den fjerde aerobe korridor blev omdannet til en post{14}}anoksisk zone. Den oprindelige svingzone blev funktionelt opdelt og justeret i post{15}}anoksiske og postaerobe zoner. Parametrene for den renoverede biologiske tank er vist iTabel 2.
Med hensyn til procesdrift recirkuleres blandet væske fra den aerobe zone til den iltfattige zone, og en kulstofkilde tilsættes i den iltfattige zone. Denitrificerende bakterier udnytter kulstofkilden til denitrifikation for at fjerne nitratnitrogen produceret i den aerobe zone. Resterende nitratnitrogen kommer ind i den post-anoxiske zone, hvor yderligere kulstofkilde tilsættes for at fortsætte denitrifikationen. Efter renovering er koncentrationen af mixed liquor suspended solids (MLSS) 4.000 mg/L, slamgenanvendelse er 50 %–100 %, blandet væske intern recirkulering er 200 %–250 %, og opløst oxygen i MBBR-zonen er 2–5 mg/L. Procesflowdiagrammet efter renovering er vist iFigur 1.
3. System idriftsættelse efter biologisk tankrenovering
Efter den biologiske tankrenovering var afsluttet, begyndte idriftsættelsesfasen. Afvandet slam fra et andet renseanlæg blev tilsat den biologiske tank, hvilket hurtigt øgede slamkoncentrationen til over 3.000 mg/L på kort tid. Dette forkortede slamdyrknings- og akklimatiseringsperioden, hvilket muliggjorde hurtig opstart af den biologiske tank og genopretning af dens nitrogen- og fosforfjernelseskapacitet. I løbet af forsøgsdriftsperioden var den faktiske driftsbelastning på grund af relativt lav indstrømningsstrøm og forureningskoncentrationer lavere end designbelastningen. Fremgangsmåden var først at dyrke og akklimatisere det aktiverede slam, indtil det biologiske system stabiliserede sig og spildevandskvaliteten opfyldte standarderne, og derefter tilføje MBBR-bærere til biofilmdannelse.
Efter at bærestofferne var blevet tilføjet til den aerobe del af den biologiske tank, blev de først nedsænket. Mikroorganismer fæstner sig gradvist til deres overflader. Visuelt ændrede farven på bæreroverfladen sig fra hvid til en svag jordgul, efterhånden som flere mikroorganismer fæstede sig, og biofilmen blev tættere. Bærefarven blev gradvist uddybet. To måneder efter tilsætning af bærer var biofilmdannelsen god, med bæreroverfladen tilsyneladende gullig-brun, og farven blev gradvist dybere. Fire måneder efter tilsætning af bærer virkede biofilmen på bæreroverfladen mørkebrun og var tæt. Progressionen af biofilmdannelse kunne observeres intuitivt baseret på ændringer i bærerfarve, som vist iFigur 2. I december 2021 afslørede mikroskopisk undersøgelse af aktivt slam fra den biologiske tank og slam fra transportørerne kompakte flokstrukturer med gode adsorptions- og bundfældningsegenskaber. Visuelt viste bærerne tydelig biofilmdannelse. Mikroskopisk undersøgelse identificerede organismer som Vorticella, Opercularia og Epistylis, med lejlighedsvise observationer af nogle få mobile ciliater, hvilket indikerer afslutningen af biofilmdannelsesstadiet.
4. Driftsydelse efter renovering af biologisk tank
4.1 Fjernelsesydelse for COD og BOD efter renovering
COD- og BOD-værdierne for spildevandet for 2022 er vist iFigur 3. Spildevands-COD varierede fra 10,2 til 24,9 mg/L med et gennemsnit på 18,0 mg/L. Spildevands BOD varierede fra 2,1 til 4,9 mg/L med et gennemsnit på 3,4 mg/L. Både spildevandet COD og BOD opfyldte stabilt den lokale klasse A-standard i Tianjin. Det renoverede system demonstrerede ikke kun god fjernelsesevne for COD og BOD, men bibeholdt også stabile og kompatible spildevands-COD- og BOD-niveauer under oversvømmelsessæsonen, selv når anlæggets faktiske indløbsbelastning nåede 110 % af dets designkapacitet. Dette indikerer, at systemet har god modstandsdygtighed over for stødbelastninger.
4.2 Ydeevne for fjernelse af TN og NH₃-N efter renovering
Spildevands-TN- og NH₃-N-værdierne for 2022 er vist iFigur 4. TN varierede fra 3,72 til 8,74 mg/L, med et gennemsnit på 6,43 mg/L. NH₃-N varierede fra 0,02 til 1,25 mg/L, med et gennemsnit på 0,12 mg/L. Under vinterdrift faldt nitrifikations- og denitrifikationshastighederne på grund af lavere temperaturer. I praksis blev slamkoncentrationen øget til over 6.000 mg/L. At arbejde ved høj slamkoncentration er gavnligt for at forbedre det biologiske systems modstandsdygtighed over for stødbelastninger, især ved lave temperaturer. Synergien mellem høj slamkoncentration og biofilmen knyttet til MBBR-bærere forstærker det biologiske systems behandlingseffekt.
MBBR-bærere giver et gunstigt miljø for mikrobielle samfund, der understøtter deres vækst og reproduktion. Efter akklimatisering og modning styrkes biofilmens nitrifikations- og denitrifikationskapacitet. Mikroorganismer hæfter og vokser lagdelt på bæreroverfladen, øger tætheden af zoogloea og danner store, tætte og hurtigt stabile slamstrukturer. Når de står over for ændringer i ydre vandkvalitet, udskiller mikroorganismer på bæreroverfladen ekstracellulære polymere stoffer (EPS) til selvbeskyttelse, hvorved virkningen af pludselige ændringer i vandkvaliteten på mikroorganismerne i det indre-lag reduceres.
I spildevandsanlæg, der anvender MBBR-processen, er der observeret simultan nitrifikation og denitrifikation (SND) fænomener i den aerobe bærerzone. Afprøvning af TN-værdierne for influent og effluent fra den aerobe bærerzone afslørede en forskel på 2-6 mg/L. Denne forskel var mere udtalt, især når den opløste oxygen i den aerobe tank blev kontrolleret under 2 mg/L, hvilket indikerer mere signifikant SND under lavt opløst oxygenforhold. Spildevandet TN fra den sekundære sedimentationstank har fuldt ud opfyldt standarderne, hvilket betyder, at TN-fjernelsen blev afsluttet inden for den biologiske behandlingsfase. I faktisk drift fungerer det denitrificerende dybe-bedfilter som en beskyttelsesproces. Under normale forhold fungerer det som et almindeligt filter for at sikre, at SS-indikatorerne opfylder standarderne.
4.3 Fjernelsesydelse for TP og SS efter renovering
Spildevandets TP- og SS-værdier for 2022 er vist iFigur 5. Renseanlæggets spildevands-TP varierede fra 0,04 til 0,22 mg/L med et gennemsnit på 0,10 mg/L. Spildevands-SS varierede fra 1 til 4 mg/L med et gennemsnit på 2,2 mg/L. Efter opgraderingen var den sekundære sedimentationstanks effluent TP omkring 1,0 mg/L og SS omkring 26 mg/L. Ved at tilsætte ferrichlorid og PAM i den højeffektive sedimentationstank for at forbedre koagulationen og gennem yderligere oprensning i det denitrificerende dyb{13}}filter opfyldte spildevandet TP og SS stabilt Tianjins lokale klasse A-standard, og farveværdien blev væsentligt reduceret.
5. Konklusion
For at opfylde Tianjins lokale klasse A-standard blev den oprindelige A²/O-proces ved renseanlægget omdannet til en Bardenpho fem-trinskonfiguration, der inkorporerede MBBR-processen i den aerobe sektion for at forbedre den biologiske nitrogenfjernelse og reducere spildevandet TN og NH₃-N. I løbet af oversvømmelsessæsonen med overbelastningsflow opfyldte alle indikatorer stabilt standarderne, hvilket viser god slagfasthed. Efter den biologiske tankrenovering var det interne genanvendelsesforhold 200%–300%, eksternt slamgenanvendelse var 50%–100%, slamkoncentrationen var 4.000–6.000 mg/L, opløst ilt i den aerobe zone var kontrolleret til 3–5 mg/L, og opløst ilt ved anaerobic 5 var 5. mg/L. I 2022 var renseanlæggets spildevandskvalitet: COD 10,2–24,9 mg/L, gennemsnitlig 18,0 mg/L; BOD 2,1-4,9 mg/L, gennemsnit 3,4 mg/L; NH3-N 0,02-1,25 mg/L, gennemsnit 0,12 mg/L; TN 3,72-8,74 mg/L, gennemsnit 6,43 mg/L; TP 0,04-0,22 mg/L, gennemsnit 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, gennemsnit 2,2 mg/L. Alle opfyldte stabilt klasse A-standarden i Tianjins lokale standard "Afledningsstandard for forurenende stoffer til kommunale spildevandsrensningsanlæg" (DB 12/599-2015).