Sammenligning af to-AO- og tre-trins AO-processer: en ingeniørkunst Perspektiv
I øjeblikket anvender størstedelen af spildevandsbehandlingsanlæg (WWTP'er) i Kina aktiveret slam-baserede processer til spildevandsrensning. Blandt disse bruger næsten halvdelen Anoxic-Oxic (AO)-processen. AO-processen byder på fordele såsom stabil drift og lave omkostninger. Dets totale nitrogen-fjernelseseffektivitet (TN), typisk fra 60 % til 80 %, er dog begrænset af interne genanvendelsesforhold. Med stadigt strengere nationale krav til nitrogenfjernelse, kæmper konventionelle enkelt{8}} AO-processer ofte med at opfylde kravene til TN-behandling. AO-processer i flere{10}}trin er således opstået. Ved at forbinde to eller flere AO-stadier i serie giver det nitrat, der produceres i det foregående aerobe trin, substratet til denitrifikation i det efterfølgende anoxiske trin. Dette opnår målet om at reducere det interne genbrugsforhold og samtidig forbedre den samlede TN-fjernelse. Men overdrevne faser kan også øge den operationelle kompleksitet. Derfor er de mest almindeligt anvendte konfigurationer i Kina i øjeblikket AO-processerne i to- og tre-trin. Dette papir præsenterer en sammenlignende analyse af to-- og tre-trins AO-processer ved hjælp af et renseanlæg i det sydlige Kina som et casestudie, med det formål at give en reference til udvælgelsen af tekniske ruter i lignende projekter.
1 Projektoversigt
Et renseanlæg i det sydlige Kina dækker et samlet areal på 8 hektar. Dens oprindelige designkapacitet var 90.000 m³/d, med spildevandskvalitet, der kræves for at opfylde både Grade A-standarden for "Decharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002) og "Water Pollutant Discharge Limits" i Guangdong-provinsen/2} DB 20inafher (6{014) benævnt "Quasi-Klasse V"). Anlægget kørte med fuld kapacitet. Ifølge relevant planlægning var der behov for en udvidelse. De fremtidige spildevandsstandarder, baseret på den nuværende status, var nødvendige for at overveje et langsigtet krav om TN mindre end eller lig med 10 mg/L. Ud fra de faktiske forhold på stedet blev den civile skala for denne udvidelse sat til 70.000 m³/d. Anlægget vil operere med 50.000 m³/d på kort sigt og nå 70.000 m³/d skalaen på lang sigt, hvilket bringer anlæggets samlede behandlingskapacitet op på 160.000 m³/d. Den designede indløbs- og spildevandskvalitet er vist iTabel 1.
På grund af webstedsbegrænsninger, overtog den foreløbige plan for udvidelsen procesruten "Multi-AO + Perifer-In Perifer-Ud rektangulær sedimentationstank + høj-sedimentationstank + fiberplade-og filter{{8}". De civile strukturer i alle større enheder blev bygget til 70.000 m³/d skalaen, mens der blev installeret udstyr til 50.000 m³/d kapacitet. Den biologiske tank ville anvende en flertrins AO-proces på kort sigt. På lang sigt vil tilføjelse af suspenderede bærere skabe en hybrid biofilm-aktiveret slamproces for at imødekomme efterspørgslen på 40 % kapacitetsudvidelse. Til dette design blev der overvejet hydrauliske forhold for 70.000 m³/d skalaen, mens biologisk behandling blev designet til 50.000 m³/d skalaen. Da dette projekt havde til hensigt at indføre en AO-proces i flere-trin, blev der foretaget en sammenligning mellem to- og tre-trins AO.
2 Sammenligning af AO-processer i to- og tre-trin
2.1 Procesflow
Kerneprincippet i AO-processen i flere-trin er at bruge nitrat produceret i det foregående aerobe trin til denitrifikation i det efterfølgende anoxiske trin og derved reducere det interne genanvendelsesforhold. Teoretisk fører flere stadier til bedre TN-fjernelse, men kontrollen bliver mere kompleks. I ingeniørpraksis er to-- og tre-trins AO fremherskende. Deres procesflow er vist iFigur 1. For en AO i to-trin designes intern genbrug typisk inden for det første AO-trin. For en AO i tre-trin anvendes intern genbrug generelt ikke. Rensningsanlæg i Beijing, der anvender AO-processen i to-trin, omfatter Qinghe (400.000 m³/d), Xiaohongmen (500.000 m³/d), Gao'antun (400.000 m³/d), Dingfuzhuang (200.000 m³/d) og Huaidfang (60 m³). Denne proces giver fordele såsom enkelt udstyr, lave drifts- og vedligeholdelsesomkostninger, stærk modstandsdygtighed over for stødbelastninger og høj kompatibilitet med andre processer, hvilket letter fremtidige opgraderinger for at opfylde højere spildevandsstandarder. Teoretisk set kan en tre{18}}trins AO i serie eliminere behovet for internt genbrugsudstyr, tillade mere rationel allokering af kulstofkilder og reducere investerings- og driftsomkostninger. Denne proces anvendes primært i scenarier med tilstrækkelige kulstofkilder og høje krav til nitrogenfjernelse. Typiske tilfælde omfatter Qujing renseanlæg i Yunnan (80.000 m³/d), Ninghe District Urban rensningsanlæg i Tianjin (90.000 m³/d), Zhangguizhuang renseanlæg i Tianjin (200.000 m³/d) og Daoxianghu genvindingsanlæg i Beijing (80,000 m³d Beijing).
2.2 Processammenligning
I betragtning af, at der ikke er yderligere jord til rådighed for fremtidige opgraderinger på dette sted, og at nogle nye lokale projekter allerede implementerer en spildevands-TN-standard på mindre end eller lig med 10 mg/L, betragtede processammenligningen et biologisk tankspildevands-TN på mindre end eller lig med 10 mg/L for at imødekomme muligheden for yderligere stringente spildevandskrav i fremtiden. Andre indikatorer overholdt design spildevandskvaliteten. Baseret på layoutet, for den nærmeste-skala på 50.000 m³/d, var den maksimale hydrauliske retentionstid (HRT) for den biologiske tank 18 timer. Ved at kombinere projektets faktiske forhold, BioWin-simuleringsresultater og bekvemmeligheden ved at koble med ophængte bærere, blev der foretaget en sammenligning mellem to- og tre{10}trins AO-processer.
2.2.1 BioWin-simulering
En initial HRT på 18 timer blev fastsat og gradvist reduceret. Den minimale HRT, der opnåede spildevands-TN-kravet, var 14 timer. For de to-trin AO var indflydende distributionspunkter den anaerobe zone, den første-anoksiske zone og den anden-anoksiske zone. For de tre-trin AO var indflydelsespunkter den anaerobe zone, den anden-anoksiske zone og den tredje-trins anoxiske zone.
① Undersøgelse med fast indflydelsesfordelingsforhold
Ved at indstille indvirkningsfordelingsforholdet til 4:3:3 for begge, sammenlignede simuleringer tre skemaer: to-trin AO (genbrugsforhold 200%), tre-trins AO med et samlet genbrugsforhold på 200% (100% genanvendelse inden for det første AO-trin + 100% genanvendelse fra den tredje Oxiske zone til den tredje Oxiske zone} og tre{5}Oxisk zone} med et genbrugsforhold på 100 % (genbrug kun inden for det første AO-trin). Simuleringsstrømmene er vist iFigur 2.
Tabel 2viser simuleringsresultaterne for et fast påvirkningsforhold ved HRT=14 h.
Fra tabel 2 kan det ses, at for både to- og tre-trins AO anbefales det at opsætte intern genanvendelse i det første AO-stadie for at maksimere denitrifikationen i den første anoxiske zone ved at udnytte kulstofkilden i det rå influent. For tre-trins AO forbedrede opsætning af intern genbrug fra slutningen af tredje fase til den første anoxiske zone TN- og TP-fjernelsen en smule, men effektiviteten til fjernelse af organisk stof faldt. Dette er en spekulation, der tilskrives det øgede samlede flow i den biologiske tank på grund af recirkuleringen, som transporterede opløst ilt ind i den anoxiske zone, hvilket påvirker det anoxiske miljø. Derudover blev den faktiske HRT i hver zone forkortet, og overgangen mellem driftsbetingelser accelererede, hvilket førte til reduceret effektivitet. For påvirkningskarakteristika som dem i dette projekt i det sydlige Kina, hvor TN-koncentrationen ikke er særlig høj, kan to-AO fuldt ud opfylde spildevandskravene, uden at vise nogen klar fordel for tre-trins AO. Til scenarier med høj COD og høj TN-indflydelse er tre{11}}trins AO måske mere egnet.
② Undersøgelse om justering af indflydelsesfordelingsforhold
Både to-- og tre-trins AO blev sat med et internt genbrugsforhold på 100 % i det første AO-trin. Undersøgelser blev udført på multi-punkts indflydelsesfordelingsforhold (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Her betyder 1:0:0, at alle indflydelsesrige kommer ind helt forrest; 3:7:0 for de tre-trin AO betyder, at influenten kun distribueres til den anaerobe zone og det andet AO-trin. Simuleringsresultater for justerede fordelingsforhold er vist iTabel 3.
Af tabel 3 kan det ses, at fordelingsforholdet har en lille indvirkning på spildevandskvaliteten. Den generelle tendens er, at efterhånden som andelen af influent fordelt til senere stadier stiger, stiger koncentrationerne af spildevands TN, NH₃-N og TP, og efterspørgslen efter beluftning stiger også gradvist. Når indstrømningsforholdet var 3:7:0, viste tre-AO en lidt bedre TN-fjernelse og et lidt lavere luft-til-forhold end to-AO. Men i den faktiske drift er denne forskel generelt ubetydelig. Desuden øger en forøgelse af andelen af influent til senere stadier, selv om det er gavnligt for kulstofkildeudnyttelsen i denitrifikation, uundgåeligt belastningen på biokemiske reaktioner på grund af input af NH₃-N, organisk materiale og TP. Derfor anbefales det at bibeholde multi-indløbskonfigurationen og foretage trinvise justeringer baseret på den faktiske vandkvalitet under drift. Det er værd at bemærke, at selvom tre-trins AO viste bedre TN-fjernelse end to-AO ved et 2:4:4 indvirkningsforhold, efterhånden som influenten til senere stadier steg, viste spildevands-NH₃-N en stigende tendens, hvorefter NH3₂}-standarden ikke længere kunne opfylde--standarden.
③ Behandlingsydelse i to-trin og tre-trin AO
En AO-konfiguration i tre-trin blev simuleret med HRT=14 h, lige volumenforhold for hvert trin (1:1:1), 100 % intern genanvendelse indstillet i det første AO-trin og et indstrømningsforhold på 4:3:3 under to forhold: med 100 % genbrug og med lukket genbrug. En AO-konfiguration i to-trin blev simuleret med HRT=14 time, 100 % internt genbrugssæt og et påvirkningsforhold på 4:3:3. Resultaterne viste, at AO i to-trin opnåede det optimale spildevands-TN ved 6,29 mg/L; tre{19}}trins AO med 100 % intern genanvendelse foran opnåede det næstbedste ved 7,51 mg/L; tre-trins AO uden intern genbrug klarede sig dårligere ved 8,52 mg/L. Alle tre scenarier kunne opfylde spildevandsverifikationskravet (TN Mindre end eller lig med 10 mg/L).
Tabel 4viser designparameter-sammenligningen mellem to-trin og tre-trins AO. Det kan ses, at for begge processer er den nødvendige HRT for at opnå spildevands-TN-kravet mindre end 18 timer. De vigtigste forskelle mellem de to processer er som følger:
en. Teoretisk set, de tre-trins AO har en højere øvre grænse; dvs. hvis det drives korrekt, kan både investerings- og driftsomkostninger være lavere. AO'en i to-trin har færre udstyrselementer og -trin, hvilket resulterer i lavere udstyrsomkostninger og lavere operationelle styringsbesvær.
b. Til dette specifikke projekt, da det langsigtede blev overvejet, og tankvolumenet var designet til en 18-timers HRT, ville den civile investering være identisk, uanset om man anvender to-trins eller tre-trins AO. Udstyrsomkostningerne for de tre-trins AO er højere. Ud fra et investeringsperspektiv er det derfor mere økonomisk at vedtage to-trins AO.
c. Angående driftsomkostninger, kunne tre-trins AO spare ca. 0,002 CNY/m³ ved at eliminere energiomkostningerne for genanvendelse af 100 % blandet spiritus. I betragtning af det potentielle fald i kulstofkildeudnyttelseseffektiviteten i faktisk drift på grund af vekslende anoxiske/oxiske forhold i de tre-trin AO, vil den faktiske forskel i driftsomkostninger sandsynligvis være endnu mindre.
2.2.2 Analyse af langsigtet-scenarie for suspenderet operatør
På grund af de unikke krav i dette projekt var den biologiske tank nødt til at overveje gennemførligheden og bekvemmeligheden af den langsigtede-kapacitetsudvidelsesplan, dvs. virkningen af at tilføje suspenderede transportører.
Kernen i MBBR-processen er at øge biomassen i reaktoren ved at tilføje suspenderede bærere. Disse kan tilføjes til aerobe, anoxiske eller anaerobe tanke. Men i betragtning af bærerfluidisering vil tilføjelse af dem til anaerobe eller anoxiske tanke øge kravene til blandeeffekt betydeligt. Derfor anbefales tilsætning til aerobe tanke fortrinsvis. Volumenet for anaerobe/anoxiske zoner kan suppleres med adskillelse fra den aerobe zone, mens manglen på aerobe volumen kompenseres af de tilførte bærere. Med andre ord, det utilstrækkelige aerobe volumen bæres af det øgede overfladeareal af de suspenderede bærere, som beregnes baseret på forureningsbelastningskonvertering for at bestemme den nødvendige bærermængde, der kontrollerer et bestemt fyldningsforhold for at opnå det tilføjede volumen.
Baseret på beregninger, hvis man anvender AO-processen i to-trin og tilføjer alle suspenderede bærere til den første-aerobe zone på lang sigt, vil det påkrævede MBBR-bæreroverfladeareal være 2.597.708 m², hvilket koster 12,99 millioner CNY. Andre relaterede omkostninger til fast udstyr (herunder MBBR-fluidiseringssystemer, dedikerede blandere, screeningssystemer og intelligente kontrolsystemer) ville være 6,15 millioner CNY. Hvis man anvender AO-processen i tre-trin, på grund af mere spredte zoner, skal MBBR-zonen opdeles i 2 sektioner (første-fase og anden-aerobe zoner). Som følge heraf vil omkostningerne til installation af tilsvarende MBBR-fast udstyr (ekskl. transportørerne selv) stige lidt til 7,77 millioner CNY, mens transportomkostningerne forbliver de samme. Det betyder, at en anvendelse af tre-trins AO vil øge fremtidige eftermonteringsinvesteringer med 1,62 millioner CNY og også øge eftermonteringskompleksiteten. Ydermere er screeningssystemet det område, der er mest udsat for problemer efter transportørtilsætning. Den tre{20}}trins AO tilføjer en ekstra sektion af skærme, hvilket øger betjeningsproblemerne.
Fra ovenstående sammenligning, på grund af den overdrevne partitionering i de tre-trins AO, hvor hver partition har en lignende volumen, er dens eftermonteringsvanskelighed højere end den for to-trins AO. Konstruktion, driftskompleksitet og tilføjelse af screeningsudstyr resulterer også i højere investeringer end to-AO. Derfor er det mere befordrende for fremtidig kobling med ophængte transportører at anvende den to-trins AO.
2.3 Sammenligningsresultat
Baseret på ovenstående analyse kan både to-- og tre-trins AO-processer nå målet om spildevands-TN, der er mindre end eller lig med 10 mg/L. Under grænsebetingelserne for dette projekt har-begrænset plads, behovet for at maksimere-tankvolumen på kort sigt og den langsigtede-plan for at tilføje suspenderede transportører-de to-trins AO fordele med hensyn til-investering på kort sigt og bekvemmelighed for udstyrsstyring/vedligeholdelse. Det giver også højere kompatibilitet for fremtidig eftermontering med suspenderede transportører, hvilket resulterer i lavere samlede investeringer og reducerede eftermonterings- og driftsproblemer. Derfor blev AO-processen i to-trin efter grundig overvejelse anbefalet til dette design.
3 Operationel ydeevne
Den samlede estimerede investering for dette projekt er 304,5721 millioner CNY, med byggeomkostninger på 243,6019 millioner CNY, svarende til en enhedsbyggeomkostning på 3.480,03 CNY/m³. Behandlingsomkostningerne er 1,95 CNY/m³, og driftsomkostningerne er 1,20 CNY/m³.
For dette projekt har den biologiske tank en samlet HRT på 18 timer (bestående af: anaerob zone 2 timer, første-fase anoxisk zone 3,5 timer, første-fase aerob zone 7,5 timer, afgasningszone 0,5 timer, anden-fase anoxisk zone- zone 2 t. 9 t. 2 timer), med en effektiv vanddybde på 8,6 m. Justerbart sektionsvandindtag er implementeret, hvilket muliggør justeringer i indstrømningsfordelingsforholdet i trin på 20 % efter behov. I den faktiske drift varierer koncentrationen af Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) i den biologiske tank fra 3.500 til 4.000 mg/L, slamreturforholdet varierer fra 40 % til 100 %, og det interne genbrugsforhold for blandet væske varierer fra 100 % til 200 %. Faktisk tilløbs- og spildevandskvalitet er vist iTabel 5, som stort set stemmer overens med simuleringsresultaterne.
4 Konklusion
Ved at bruge et renseanlæg i det sydlige Kina som casestudie blev der udført en teknisk og økonomisk sammenligning mellem to- og tre{1}}trins AO-processer ved hjælp af BioWin-simulering. AO i to-trin, med færre udstyrselementer og -trin, lavere udstyrsomkostninger og lavere operationelle styringsbesvær, er mere velegnet til forhold i det sydlige Kina, hvor den indflydelsesrige TN ikke er særlig høj. For tre-trins AO påvirkede opsætning af intern genanvendelse fra slutningen af tredje fase til den første anoxiske zone TN-fjernelseseffektiviteten negativt, øgede operationelle styringsproblemer og øgede investeringsomkostningerne. Designet opfylder samtidig de nære-behandlingskrav på 50.000 m³/d og TN Mindre end eller lig med 10 mg/L, mens den langsigtede{11}}skala på 70.000 m³/d kan opnås ved kobling med ophængte bærere. Faktiske driftsresultater er stort set i overensstemmelse med BioWin-simuleringsresultaterne, med en gennemsnitlig spildevands-TN på 6,86 mg/L, der opfylder designkravene.