Anvendelse af BIOLAK-processen ved opgradering af et spildevandsrensningsanlæg til kvasi-klasse IV-standarder
BIOLAK-processen blev introduceret til Kina i begyndelsen af det 21. århundrede, og fik bred anvendelse i kommunal spildevandsrensning på grund af dens enkle struktur og lave investeringsomkostninger. I de senere år, med stramning af udledningsstandarder og stigende automatisering, står de fleste eksisterende BIOLAK-anlæg over for opgraderinger. Forbedringer som tilføjelse af suspenderede bærere, eftermontering af tanke og omdefinering af funktionelle zoner er implementeret for at forbedre nitrogen- og fosforfjernelsen. Mens nybyggede anlæg overvejende anvender A²/O- og oxidationsgrøft-processer, er der få rapporter om den faktiske ydeevne af BIOLAK, især under strenge emissionsstandarder. BIOLAK-processen bruger svingende beluftningskæder til at skabe tidsmæssige anoxiske og aerobe zoner, der i det væsentlige fungerer som en flertrins A/O-proces. Gennem driftsoptimering kan spildevandskvaliteten stabilt opfylde kvasi-Klasse IV-overfladevandsstandarden.
1 Projektets baggrund
Et spildevandsrensningsanlæg i Hebei-provinsen bruger BIOLAK-processen som sin kerneteknologi. Tilstrømningen varierer fra 18.000 til 22.000 m³/d, i gennemsnit 19.000 m³/d, renser primært byspildevand og en lille mængde landbrugs-forarbejdningsspildevand. De designede tilløbs- og spildevandskvaliteter er vist iTabel 1. Den oprindelige udledningsstandard var Grade A-standarden for *"Udledningsstandard for forurenende stoffer til kommunale spildevandsrensningsanlæg" (GB 18918-2002)*. Efter en opgradering, der omfattede opdeling af en anaerob zone for at forbedre denitrifikation og affosforisering, overholder anlægget nu de vigtigste kontrolområdegrænser for *"Water Pollutant Discharge Standards for Daqing River Basin" (DB13/2795-2018)*. Med undtagelse af total nitrogen opfylder alle andre indikatorer klasse IV-standarderne specificeret i *"Miljøkvalitetsstandarder for overfladevand" (GB 3838-2002)*. Procesflowet er vist iFigur 1.
Anlægget anvender natriumhypoklorit til desinfektion. Slam afvandes ved høj-trykplade- og rammefiltrering til under 60 % fugtindhold, før det transporteres til sam-behandling i cementovne.
Bidraget fra hver behandlingsenhed til fjernelse af forurenende stoffer blev beregnet ud fra massebalance, med specifikke metoder refereret fra litteraturen.
2 Driftskontroloptimeringsforanstaltninger
Flere optimeringsforanstaltninger blev implementeret under driften for at forbedre spildevandsstabiliteten og opnå energi- og omkostningsbesparelser.
2.1 Forbedret kontrol med opløst ilt (DO).
Eksisterende BIOLAK-eftermonteringsprojekter bemærker ofte dens svage zoneinddeling som en flertrins A/O-variant, hvilket fører til lav denitrifikationseffektivitet. I dette projekt blev den maksimale DO i slutningen af beluftningszonen fastholdt på 0,5-1,0 mg/L, hvilket var lavere end konventionelle DO-kontrolkrav, mens det sikrede overholdelse af ammoniaknitrogen i spildevandet.
2.2 Øget overvågning af procesdata
For at vejlede DO-kontrol og ekstern kulstofkildedosering blev nitratnitrogen og ammoniaknitrogen overvåget for enden af den anaerobe zone og BIOLAK-tanken for at bestemme optimale kontrolområder. Under drift blev doseringen af ekstern kulstofkilde reduceret eller stoppet, når nitratnitrogen for enden af den anaerobe zone var<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Indstilling af mål for intern spildevandskontrol
For at sikre stabil overholdelse blev der fastsat interne kontrolmål til 30 %-80 % af udledningsgrænserne, baseret på vanskeligheden ved at kontrollere hvert enkelt forurenende stof. Overskridelse af disse interne grænser udløste øjeblikkelige procesparameterjusteringer for at returnere spildevandskoncentrationerne til et acceptabelt område. De årlige mål for intern kontrol for COD, ammoniak-kvælstof, total-nitrogen og total-fosfor var henholdsvis 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L og 0,12 mg/L.
2.4 Opretholdelse af passende slamkoncentration
Slamspild blev justeret baseret på flow, belastning og sæson. Slamtilbageholdelsestiden (SRT) blev holdt på 15-25 dage, og koncentrationen af suspenderede faste stoffer i blandet væske (MLSS) på 2.500-4.500 mg/L. Specifikt blev MLSS kontrolleret til 2.500-3.500 mg/L om sommeren og efteråret med en slambelastning på ca. 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d), og ved 3.500-4.500 mg/L om vinteren og foråret, med en slambelastning på ca. 0,04 kgMLSSCOD/(kgMLSS·d).
2.5 Justering af driften af avancerede behandlingsenheder
Lave temperaturer om vinteren påvirkede flokkulering og sedimentation. Utidig tilbageskylning af filtre af -type kan føre til forhøjet spildevandssuspenderede faste stoffer og COD. Derfor blev tilbageskylningsfrekvensen øget under vinterdrift baseret på koagulationsydelse, og slamudledning fra koagulerings-sedimentationstanken blev intensiveret for at reducere koncentrationen af suspenderede faste stoffer i spildevandet.
3 Behandlingsydelse
Den årlige indflydende COD varierede fra 109 til 248 mg/L, i gennemsnit 176 mg/L. Spildevands-COD varierede fra 9,5 til 20,1 mg/L, i gennemsnit 12,1 mg/L. Når spildevands-COD oversteg det interne kontrolmål (15 mg/L), blev filtertilbageskylningsfrekvensen øget for at reducere suspenderede faste stoffer. Det anbefales at opgradere koagulerings-sedimentationstanken til en høj-densitet eller magnetisk koagulation-sedimentationstank for bedre koagulationseffektivitet.
Den årlige indstrømning af ammoniaknitrogen varierede fra 17,8 til 54,9 mg/L, i gennemsnit 31,9 mg/L. Afgangs ammoniaknitrogen varierede fra 0,12 til 1,30 mg/L, i gennemsnit 0,5 mg/L. Når det oversteg det interne kontrolmål, blev beluftningen justeret i henhold til optimeringsforanstaltningerne. Spildevandskvaliteten opfyldte stabilt de vigtigste kontrolområdegrænser på *DB13/2795-2018* hele året.
På grund af den lave koncentration af kulstofkilder var fokus på at optimere procesbetingelserne for at forbedre nitrogen- og fosforfjernelsen med henblik på energi- og omkostningsbesparelser.
3.1 DO-kontroloptimering og total nitrogenfjernelse
Den årlige indstrømning af total nitrogen (TN) varierede fra 20,3 til 55,6 mg/L (seFigur 2), i gennemsnit 42,1 mg/L. Spildevands-TN varierede fra 2,5 til 14,2 mg/L, i gennemsnit 8,8 mg/L, inden for det interne kontrolmål (12 mg/L). Den gennemsnitlige TN-fjernelsesrate var 79,1%. Med et slamgenanvendelsesforhold på 90 % (ingen intern genanvendelse af blandet væske) var den teoretiske denitrifikationseffektivitet 47,4 %, hvilket indikerer, at denitrifikation også fandt sted i andre proceszoner ud over den anaerobe vælger. Ændringer i nitrogen langs behandlingstoget i en typisk cyklus er vist iFigur 3.
I en typisk cyklus var indstrømmende TN 42,0 mg/L, hvor summen af ammoniak og nitratnitrogen var 35,2 mg/L. Efter den anaerobe selektor var TN 16,7 mg/L, hvilket resulterede i en fjernelseshastighed på 43,5 % via massebalance, i overensstemmelse med den teoretiske værdi. BIOLAK-tanken bidrog med 24,0 % TN-fjernelse. Spildevands-TN blev yderligere reduceret i den sekundære sedimentationstank, hvilket bidrog med yderligere 11,3 % fjernelse, hovedsageligt på grund af dens lange hydrauliske retentionstid (8,6 timer), hvilket muliggør endogene kulstofkilde-drevet denitrifikation. Andre enheder bidrog med 1,9 % fjernelse. Slutspildevands-TN var 8,1 mg/L med en total fjernelseshastighed på 80,7%.
Operationel erfaring viser, at DO-kontrol er afgørende for fjernelse af TN i BIOLAK-processen. I konventionelle processer måles DO typisk for enden af den aerobe zone i en kanalstruktur, hvor DO er relativt ensartet på tværs af tværsnittet. I BIOLAK-tanken er beluftningszonens ende dog næsten 70 meter bred, hvor DO stiger fra skråningskanten til midten og afviger med 0,5-1,0 mg/L. Derfor kræver placeringen af DO-sonder omhyggelig opmærksomhed.
Ved strengt at kontrollere den maksimale DO i slutningen af BIOLAK-beluftningszonen blev et iltfattigt miljø, der var nødvendigt for denitrifikation, effektivt sikret. Samtidig nitrifikation og denitrifikation (SND) ved hjælp af endogene kulstofkilder blev opnået, hvilket resulterede i effektiv TN-fjernelse.
3.2 Total fosforfjernelse og driftsoptimering
Den årlige tilførsel af totalt fosfor (TP) varierede fra 1,47 til 4,80 mg/L (seFigur 4), i gennemsnit 2,99 mg/L. Spildevands-TP varierede fra 0,04 til 0,17 mg/L. Fosforfjernelsesmiddeldoseringen blev justeret baseret på det interne kontrolmål (0,12 mg/L). Den gennemsnitlige TP-koncentration af spildevand var 0,07 mg/L, hvilket stabilt opfylder udledningsstandarden, med en gennemsnitlig TP-fjernelsesrate på 98,3%.
Ændringer i fosfat langs behandlingstoget i en typisk cyklus er vist iFigur 5.
Influent fosfat var 2,70 mg/L, og returslamfosfat var 0,58 mg/L, hvilket gør det teoretiske fosfat, der kommer ind i den anaerobe selektor, til 1,70 mg/L. Efter anaerob fosforfrigivelse fra polyphosphat-akkumulerende organismer (PAO'er) nåede fosfatkoncentrationen 3,2 mg/L. Fosfatkoncentrationsforholdet (maksimalt i anaerob zone/indløb) var 1,9, hvilket indikerer signifikant frigivelse. Hovedårsagen var den effektive denitrifikation under lave DO-forhold, hvilket resulterede i lav nitratkoncentration i returslammet til den anaerobe zone, opretholdelse af et godt anaerobt miljø (ORP generelt under -200 mV) og fremme af fosforfrigivelse.
Efter BIOLAK beluftningszonen skete der en betydelig fosforoptagelse, hvilket reducerede fosfatkoncentrationen i slutningen til 0,3 mg/L, hvilket opnåede en biologisk fosforfjernelseseffektivitet på 88,9%. Efter sedimenterings- og stabiliseringstankene steg fosfatkoncentrationen til 0,64 mg/L. Analyse tyder på, at dette skyldtes den lange HRT i sedimentationstanken og den strengt kontrollerede DO i BIOLAK tanken, hvilket skabte en anaerob tilstand i sedimentationstanken og forårsagede sekundær fosforfrigivelse. Efter kemikaliedosering i koagulationsenheden blev spildevandsphosphat reduceret til 0,06 mg/L. I betragtning af økonomiske omkostninger og driftskompleksitet er det derfor en levedygtig optimeringsstrategi for lignende anlæg at ofre noget biologisk fosforfjernelseseffektivitet for at forbedre denitrifikationen.
4 Driftsomkostninger
Direkte driftsomkostninger omfatter elektricitet, kemikalier og bortskaffelse af slam. Baseret på årsstatistikker var det specifikke strømforbrug 0,66 kWh/m³. Med en elpris på 0,65 CNY/kWh (baseret på en sammensætning af peak/off-peak-priser), var elprisen 0,429 CNY/m³. Dette forbrug er i overkanten ifølge "Evalueringsstandard for driftskvalitet for kommunale renseanlæg", primært på grund af den lidt lavere iltudnyttelseseffektivitet i beluftningssystemet. Kemikalieomkostninger, herunder natriumacetat, fosforfjernende middel, PAM, natriumhypochlorit og afvandingskemikalier, udgjorde i alt 0,151 CNY/m³. Specifik brug og omkostninger er vist iTabel 2.
Slam stammer hovedsageligt fra biologiske og kemiske (koagulationstank) kilder. Høj-trykplade- og rammefiltrering bruges med kalk og jernklorid som konditioneringsmidler. Kalkdosering er ca. 25 % af tørslamvægten. Afvandet kage har et fugtindhold på 60%. Daglig afvandet slamproduktion er omkring 9 tons, med et specifikt tørslamudbytte på omkring 0,15%. Slamtransport koster 250 CNY/ton, hvilket resulterer i en slambortskaffelsesomkostning på ca. 0,118 CNY/m³. Derfor er den samlede direkte produktionsomkostning 0,698 CNY/m³.
5 Konklusioner
① Et spildevandsrensningsanlæg i Hebei-provinsen, der bruger BIOLAK-processen til at behandle kommunalt spildevand, drev kontinuerligt i et år med spildevandskvalitet, der stabilt levede op til grænserne for nøglekontrolområdet i *DB13/2795-2018* (Quasi-Klasse IV overfladevandsstandard).
② Som en variant af fler- A/O-processen resulterede styring af den maksimale DO i slutningen af BIOLAK-beluftningszonen ved 0,5-1,0 mg/L i en TN-fjernelseshastighed på 24,0 % i BIOLAK-zonen og 11,3 % i sedimentationstanken. Dette opnåede samtidig nitrifikation-denitrifikation og endogen kulstofkildedenitrifikation, hvilket demonstrerede en betydelig evne til at fjerne nitrogen.
③ De direkte driftsomkostninger for BIOLAK-processen var 0,698 CNY/m³. Driftsoptimeringstiltag, herunder overvågning af procesdata og fastsættelse af rimelige interne kontrolmål, kan give referencer til optimering af driften og opnåelse af energi-/omkostningsbesparelser i lignende spildevandsrensningsanlæg.