SBR+MBBR Retrofit Case Study: Boost TN-fjernelse fra 28,52 % til 69,85 % i et kommunalt renseanlæg på 60.000 M³/d

Da et 60.000 m³/d kommunalt spildevandsrensningsanlæg i Zhejiang-provinsen stod over for en vinter TN-overholdelseskrise, - kollapsede den biologiske nitrogenfjernelse til kun28.52%når vandtemperaturen faldt til under 12 grader - kunne den ikke bygge en eneste ny tank. Jorden var spredt, anlægget kørte med 110 % af designet flow, og de aldrende Lipp stål SBR reaktorer kunne ikke strukturelt modificeres. Svaret var at indlejre MBBR moving bed biofilmbærere direkte inde i de eksisterende SBR tanke. Tolv måneder senere nåede biologisk TN-fjernelse69.85%TP-fjernelse steg fra 70,9 % til 79,3 %, og de samlede trinvise driftsomkostninger var kun0,024 RMB/m³.

Overholdelsesrisikoen bag opgraderingen

Anlægget blev bygget i 2004 som fase I & II med en designkapacitet på 60.000 m³/d og behandler en blanding af ca. 80 % husholdningsspildevand og 20 % industrispildevand fra tekstil- og papirfabrikker. Det vigtigste biologiske behandlingstrin er et SBR-system bestående af 12 Lipp ståltankreaktorer, hver 32 m i diameter med et arbejdsvolumen på 5.000 m³ og en designgennemstrømning på 5.000 m³/d. Det oprindelige behandlingstog var:

Rå spildevand → Grov skærm → Primær Settler → SBR-vælger → SBR-tank → Buffertank → Høj-effektiv klaring → Denitrifikation Dyb-Sengefilter → Desinfektion → Udledning

I 2014 var anlægget allerede blevet opgraderet til at opfylde Klasse A-grænserne i GB 18918-2002 ved at tilføje en høj-effektiv klaring og et denitrifikationsfilter i dybt leje. Men i 2018 udstedte Zhejiang-provinsregeringen den langt strengere DB 33/2169-2018-standard, som kræver spildevandTN Mindre end eller lig med 12 mg/LogTP Mindre end eller lig med 0,3 mg/L. Analyse af driftsdata for 2019-2020 fortalte en klar historie: COD, NH₃-N og SS bestod konsekvent, men spildevands-TP svævede nær den øvre grænse, og TN viste en sæsonbestemt overskridelsesrisiko om vinteren. Da den biologiske tankvandstemperatur faldt til under 12 grader, faldt SBR's biologiske TN-fjernelse til kun 28,52 %, hvilket tvang nedstrøms denitrifikationsfilteret til at bære mere end 45 % af den samlede TN-fjernelse gennem kulstofkildedosering - en dyr og overensstemmende- skrøbelig krykke.

Hvorfor nye tanke ikke var en mulighed

Opgraderingen var begrænset af fem hårde realiteter, der umiddelbart udelukkede konventionel aktiveret-slamudvidelse:

• Anlægget var allerede i drift ved eller over designkapaciteten - det maksimale daglige flow nåede 67.000 m³/d mod et design på 60.000 m³/d -, hvilket efterlod nul hydraulisk margen for nedlukning af byggeriet.
• SBR-tankene var 10-år gamle Lipp-stålkonstruktioner; at skære i eller forstærke dem til strukturelle ændringer var ekstremt vanskeligt og risikabelt.
• Tilgængelig jord indenfor plantegrænsen var spredt, uregelmæssigt formet og alt for lille til nye biologiske rensebassiner.
• Byggevinduet overlappede oversvømmelsessæsonen, og anlægget kunne ikke lukkes ned, kunne ikke reducere behandlingsvolumen i længere perioder og kunne ikke udlede unormalt spildevand under byggeriet.
• Eksisterende slamafvandingsanlæg var ikke blevet udvidet, hvilket begrænsede anlæggets mulighed for at spilde overskydende slam fra de biologiske tanke.

Efter at have evalueret mulighederne valgte designteametSBR+MBBRsom kerneløsningen: indlejr suspenderede biofilmbærere direkte i de eksisterende SBR-tanke uden at ændre tankstrukturen, tilføj MBBR-specifikke blandere og indløbs-/udløbsretentionsskærme, og re-optimer SBR-cyklus-timingen for at fremme denitrifikation. Dette bevarede den kapital, der allerede var investeret i ståltankene, og låste samtidig op for en trinvis-ændring i den biologiske nitrogenfjernelseskapacitet.

Design vandkvalitetsmål

Indløbs- og spildevandskvalitetsparametrene er opsummeret nedenfor. Bemærk, at de parentetiske værdier for NH₃-N og TN er de vintergrænser, der anvendes, når vandtemperaturen er under 12 grader - det mest krævende driftsregime og præcis hvor det originale SBR-system fejlede.

0,3 mg/L TP-grænsen er særligt krævende for et biologisk system, hvorfor planten kombinerer biologisk fosforoptagelse med PAC-dosering ved den høje-effektive klaring som et poleringstrin. TN-designmålene krævede i mellemtiden, at den biologiske fase skulle udføre det tunge løft, så det nedstrøms denitrifikationsfilter ikke længere skulle kompensere for vinterens biologiske tab.

Eftermonteringsdesign: MBBR inde i eksisterende SBR-tanke

Eftermonteringen konverterede alle 12 eksisterende SBR-tanke til SBR+MBBR-reaktorer, samtidig med at den eksisterende selektorzone og hovedreaktionszonevolumen blev bevaret. Inden for hovedreaktionszonen blev MBBR-zoner etableret og udstyret med suspenderede biofilmbærere plus indløbs-/udløbsretentionssystemer for at forhindre tab af bærer. En slidbestandig belægning blev påført indervæggen af ​​hver Lipp ståltank for at beskytte ståloverfladen mod slid fra de bevægelige bærere i den lange levetid.

Kernedesignparametre for SBR+MBBR-systemet var: ståltankreaktor med 32 m diameter og 5.000 m³ volumen, MBBR-bærer-effektivt specifikt overfladearealStørre end eller lig med 400 m²/m³, retentionsskærmstrømningshastighed Mindre end eller lig med 0,05 m/s og skærmporøsitet på 38 %-40 %. Det eksisterende membranskivebeluftningssystem blev bibeholdt og genbrugt, hvilket yderligere reducerede både udstyrsomkostninger og konstruktionsarbejde.

Figur 1: Opgraderet procesflow

Efter-opgraderingsprocessen er vist ovenfor. Nøglekonstruktionsstrategien var at eftermontere en SBR-tank ad gangen, koordinere flowet mellem fase I/II og det nyere fase III-anlæg i byggeperioden, så den samlede behandlingskapacitet aldrig blev reduceret. Denne sekventielle tilgang er, hvad der tillod projektet at løbe gennem oversvømmelsessæsonen uden nedlukning eller substandard udledning.

Figur 2: Layout for eftermontering af SBR+MBBR-reaktor

Det vigtigste udstyr, der er tilføjet til MBBR-systemet, er opsummeret i tabellen nedenfor. Tilsammen omdannede disse elementer en batch-beluftningstank til en hybrid suspenderet-tilsluttet vækstreaktor, der var i stand til både nitrifikation og denitrifikation inden for samme cyklus.

Hvorfor Process Control Re-Tuning betød noget

Hardware alene var ikke nok - SBR-cykluslogikken skulle også ændres for at skabe et anoxisk denitrifikationsvindue. Den oprindelige SBR-cyklus var 6 timer pr. batch: fyld 1 time (med beluftning), reaktion 2 timer, bundfældning 1,5 timer, dekantér 1,5 timer. Problemet med denne sekvens var, at beluftning under påfyldningsfasen forbrugte kulstofkilden gennem oxidation i stedet for at gemme den til denitrifikation.

Efter tilsætning af denitrifikationsblanderne blev fyldningsfasen skiftet til ikke--beluftet (anoxisk) blanding. Den optimerede cyklus blev: fyld 1 time (anoxisk blanding), reaktion 1 time, bundfældning 1 time, dekantér 1 time. Denne simple re-sekvensering skabte en anoxisk zone, hvor heterotrofe denitrifiers kunne reducere nitrat til nitrogengas ved hjælp af den indflydende kulstofkilde -, hvilket dramatisk reducerede det eksterne kulstofbehov nedstrøms.

Om vinteren (midten-november til midten af-marts), når den gennemsnitlige biologiske tankvandtemperatur faldt til under 12 grader, blev cyklussen forlænget ud over 6 timer for at kompensere for reduceret mikrobiel aktivitet. Derudover blev magnetisk koaguleret slam fra det tertiære behandlingsstadium doseret tilbage i SBR-tankene for at forbedre slammets bundfældning og forbedre nitrogenfjernelseskapaciteten - en smart genbrug af et-biprodukt, der også stabiliserede slamsedimentation i den kolde årstid.

Operationelle resultater og ydeevne

SBR+MBBR-opgraderingen blev afsluttet og idriftsat i december 2022. Ydeevnedataene nedenfor sammenligner den biologiske fase før og efter eftermonteringen -, og forbedringen er mest synlig præcis i vintermånederne, der tidligere forårsagede overholdelsesfejl.

Total nitrogenfjernelse: Fra 28,52 % til 69,85 %

Efter opgraderingen steg effektiviteten til fjernelse af SBR biologiske trin TN fra ca. 28,52 % til69.85%. To mekanismer driver denne forbedring. For det første gav anoxisk blanding under påfyldningsfasen optimale betingelser for denitrifikation ved at lade indstrømmende kulbrændstofnitrat reducere. For det andet fikserede og berigede MBBR-bærerne langsomtvoksende-nitrificerende bakterier på deres beskyttede overflade, hvilket forbedrede nitrifikation selv ved lave temperaturer, hvor suspenderede-vækstnitrificerende stoffer kæmper. I det optimerede to-denitrifikationssystem (SBR biologisk stadium + nedstrøms denitrifikationsfilter) tegner det biologiske stadium sig nu for ca.85 % af den samlede nitrogenfjernelse, sammenlignet med under 24 % før opgraderingen -, hvilket er grunden til, at kulstofforbruget ved denitrifikationsfilteret faldt så kraftigt.

Figur 3: Spildevand TN før og efter opgradering

Total fosforfjernelse: 70,9 % til 79,3 %

Uden tilsætning af kemiske fosforfjernende midler på det biologiske stadium forbedredes den biologiske TP-fjernelse fra SBR fra 70,9 % (indløb 2,86 mg/L, spildevand 0,81 mg/L) til79.3%(indstrømning 3,05 mg/L, spildevand 0,63 mg/L) - en år-til-forbedring på 8,4 %. Den tættere, mere stabile biomasse understøttet af transportørerne, kombineret med den forbedrede slamudfældningsevne, bidrog til denne gevinst. Når det kombineres med PAC-dosering ved den høje-effektivitetsklarer, opfyldte det endelige spildevands TP pålideligt den stringente Mindre end eller lig med 0,3 mg/L-standarden.

Figur 4: Spildevand TP før og efter opgradering

Teknisk og økonomisk sammenligning

Den samlede investering for SBR+MBBR eftermontering var ca19 millioner RMB, og den direkte driftsomkostningsstigning var kun0,024 RMB/m³. Tabellen nedenfor sammenligner SBR+MBBR-processen med de to vigtigste alternative opgraderingsteknologier: konventionelt A²/O-aktiveret slam og MBR-membranbioreaktor.

Sammenligningen gør værdiforslaget klart. MBR leverer fremragende spildevandskvalitet, men med 3-4 gange så stor udstyrsinvestering og ca. 10 gange driftsomkostningerne for SBR+MBBR plus tung membran-vedligeholdelse. Konventionel A²/O er billig at bygge, men kræver stort landareal -, præcis den ressource, som denne plante ikke havde. SBR+MBBR ligger i den afbalancerede midte: moderat investering, omkring 30 % mindre jord end konventionelt, relativt lave driftsomkostninger og enkel vedligeholdelse. For eksisterende anlægsopgraderinger, hvor jord er begrænset, og byggeforstyrrelser skal minimeres, er det den pragmatiske vinder.

Konklusioner og industriimplikationer

Dette tekniske casestudie viser adskillige konklusioner, der har betydning for den bredere vandbehandlingsindustri:

• SBR+MBBR løser TN-fjernelse i SBR-systemer.Ved at indlejre MBBR-bærere i eksisterende SBR-reaktorer og optimere beluftnings-/blandingscyklussen steg biologisk TN-fjernelse fra 28,52 % til 69,85 %. Dette eliminerede behovet for overdreven kulkildedosering ved nedstrøms denitrifikationsfilteret og sikrede overholdelse selv under vinterlave-temperaturforhold.
• Ingen nye strukturer påkrævet.Hele den biologiske opgradering blev opnået uden at bygge nogen nye tanke - en afgørende fordel for plads-planter. Den eksisterende Lipp-ståltankstruktur blev bevaret med kun mindre ændringer: en slidbestandig-belægning, tilføjede blandere og fastholdelsesskærme.
• Lave inkrementelle driftsomkostninger.En samlet investering på 19 millioner RMB og en driftsomkostningsstigning på kun 0,024 RMB/m³ gør dette yderst omkostningseffektivt- sammenlignet med alternativer som MBR på 0,7-0,8 RMB/m³.
• Bevist vinterpræstation.Processen leverede robust fjernelse ved vandtemperaturer under 12 grader, en fælles udfordring for biologisk nitrogenfjernelse i tempererede klimaer.
• Skalerbar og replikerbar.Den sekventielle enkelt-tank-eftermonteringstilgang muliggør implementering uden nedlukning af fabrikken, hvilket gør den velegnet til andre aldrende SBR-baserede anlæg, der står over for lignende opgraderingskrav.

Vores MBBR- og skrårørsløsninger

Dette casestudie fremhæver den kritiske rolle, som integrerede biologiske og fysiske rensningsprocesser spiller i moderne opgraderinger af spildevandsrensningsanlæg. Vores virksomhed tilbyder et komplet udvalg af komplementære produkter til netop denne type projekt:

• MBBR biofilm bærere- polyurethan- og HDPE-medier med specifikke overfladearealer fra 400 til 800 m²/m³, der passer til forskellige proceskonfigurationer og behandlingsmål;
• MBBR-retentionsskærme og -systemer- specialdesignede- SS304-indløbs-/udløbs-screeningsløsninger for at forhindre tab af transportør;
• Tilbøjelige rørbosættere- PP/PVC honeycomb-rørmedier til høj-effektiv faststof-væskeseparation i klaringsanlæg og sedimentationstanke, som komplementerer MBBR biologisk behandling;
• Fine bobleskive diffusorer- EPDM-membranskivediffusorer med 20-50 μm porestørrelse til høj-beluftning i biologiske reaktorer;
• Teknisk support- komplet designhjælp til MBBR-eftermontering, herunder valg af bærer, beluftningsdesign, fastholdelsesskærmstørrelse og procesoptimering.