Uppgradering av design och praxis för Xin'an Qianhes reningsanläggning för vattenkvalitet baserat på AAOAO-MBBR-processen och ozonoxidation
Qingdao, som en central nationell central stad vid kusten, har uppnått betydande resultat i ekologisk styrning. Jämfört med internationella-metropoler på toppnivå står dock dess stadsvattenhanteringssystem fortfarande inför strukturella utmaningar.
För närvarande finns det klyftor mellan täckningsgraden för dräneringsledningsnätet, den operativa effektiviteten hos reningsanläggningar för avloppsvatten och allmänhetens förväntningar på en-vattenmiljö av hög kvalitet. Det finns också ett avstånd från att förverkliga den ekologiska visionen att bygga ett "Vackert Qingdao".
För att möta dessa utmaningar behöver Qingdao omedelbart genomföra systematiska åtgärder som vetenskaplig planering, optimerad resursallokering och förstärkta infrastrukturinvesteringar. Dessa ansträngningar syftar till att övergripande förbättra effektiviteten i avloppsvattenuppsamlingsnätet och terminalreningskapaciteten, och därigenom stärka den ekologiska grunden för stadens hållbara utveckling.
Xin'an Qianhe Water Quality Purification Plant-projektet ligger i Qingdaos nya område på västkusten. Den har en designad behandlingskapacitet på 50 000 m³/d, en total platsyta på 33 154 m² och en total investering på 182,4 miljoner yuan. Förstudierapporten för projektet slutfördes i mars 2021, den preliminära utformningen och budgeten godkändes i juni samma år, och bygget påbörjades officiellt i april 2023. Det är för närvarande i byggskedet. Den ursprungliga konstruktionen krävde att viktiga avloppsparametrar uppfyller klass V-standarderna som specificeras i GB 3838-2002 "Environmental Quality Standards for Surface Water", medan totalkväve (TN) och andra indikatorer skulle uppfylla Grade A-standarderna i GB 18918-2002 "Utloppsstandard för föroreningar för kommunala avloppsvattenreningsverk."
I mars 2022 utfärdade Qingdao Water Affairs Administration "Meddelande om att utföra uppgraderings- och renoveringsarbeten för reningsverk för urbana avloppsvatten i Qingdao." Detta meddelande krävde reningsverk runt Jiaozhou Bay, Bohai Bay och längs floder för att slutföra uppgraderingar, vilket höjde utsläppsstandarden till kvasi-klass IV ytvattenkvalitet, med avloppsvatten TN kontrollerat mellan 10-12 mg/L. Utgivningen av denna policy föll inom intervallet mellan projektets preliminära konstruktionsgodkännande (juni 2021) och dess fysiska start (april 2023), vilket skapar en teknisk klyfta mellan de redan godkända ursprungliga designstandarderna och de senaste miljökraven. Som en ny avloppsvattenreningsanläggning i West Coast New Area, för att säkerställa efterlevnad vid färdigställande, blev det absolut nödvändigt att samtidigt utföra processoptimering under byggfasen och utveckla en ekonomiskt genomförbar uppgraderingsplan genom förstudier.
1. Design och urval av processschema
1.1 Designad avloppskvalitet
Projektets avloppsstandarder uppgraderades från kvasi-klass V till kvasi-klass IV ytvattenkvalitet. Rimliga tekniska lösningar behövdes för att ytterligare minska värdena på indikatorer som BOD, CODCr,TN, NH₃-N och TP i avloppsvattnet. Specifik analys visas iTabell 1.
1.2 Val av tekniskt tekniskt schema
Processflödet för anläggningen under uppbyggnad visas iBild 1.
Anläggningen under uppbyggnad använder processen "Förbehandling + Modifierad AAOAO biokemisk tank + sekundär sedimenteringstank + hög-sedimenteringstank + V-typfilter + ozonoxidation". Strukturerna är kompakta och lämnar inget överskottsmark för uppgraderingsprojektet, som därför måste baseras på det pågående bygget. Uppgraderingen syftar främst till att avlägsna föroreningar som CODCr, NH₃-N, TN och TP. Två jämförande system föreslogs, som beskrivs i detaljTabell 2.
Schema 1: AAOAO-MBBR + hög-process för sedimenteringstank
- Biokemisk systemmodifiering: Optimera strukturen för AAOAO biokemiska tank under konstruktion. Förbättra denitrifieringskapaciteten genom att utöka volymen av den anoxiska zonen. Tillsätt samtidigt MBBR-bärare lokalt i den aeroba zonen för att bilda en sammansatt process, vilket stärker den biokemiska borttagningseffektiviteten av NH₃-N och TN.
- Fysikalisk-kemiska systemuppgradering: Optimera tankstrukturen och parametrarna för stödutrustning för den högeffektiva sedimenteringstanken för att säkerställa stabil TP-efterlevnad.
- Avancerad behandlingsförbättring: Öka dosen i ozonoxidationsenheten för att ytterligare bryta ned eldfast organiskt material, vilket säkerställer CODCrefterlevnad av ansvarsfrihet.
Schema 2: Hög-sedimentationstank + denitrifierande djupbäddsfilterprocess
- Driftlägesoptimering: Behåll den ursprungliga strukturen för AAOAO-biokemiska tanken. Lägg till justerbara luftningsanordningar i den post-anoxiska zonen för att dynamiskt växla mellan anoxiska/aerobiska lägen baserat på influenskvalitet, vilket säkerställer NH₃-N-behandlingseffektivitet.
- Fysikalisk-kemiska systemuppgradering: Optimera tankstrukturen och parametrarna för stödutrustning för den högeffektiva sedimenteringstanken för att säkerställa stabil TP-efterlevnad.
- Användning av denitrifierande filter: Konvertera filtret av V-typ till ett denitrifierande djupbäddsfilter, med hjälp av kolkälldosering för att förbättra TN-borttagningsförmågan.
- Avancerad behandlingsförbättring: Öka dosen i ozonoxidationsenheten för att ytterligare bryta ned eldfast organiskt material, vilket säkerställer CODCrefterlevnad av ansvarsfrihet.
Båda systemen kan uppfylla kraven för kväve- och fosforavskiljning. Schema 1 använder modifieringar av den biokemiska tanken för att uppnå TN-avlägsnande. Dess fördel ligger i att utnyttja den inflytande kolkällan fullt ut. När influent TN fluktuerar kan en extern kolkälla också tillsättas i den anoxiska zonen för TN-avlägsnande. Som jämförelse kräver det denitrifierande djupbäddsfiltret som används i Schema 2 användningen av en extern kolkälla och kräver långsiktigt underhåll av mikrobiell aktivitet i filtret, vilket ökar driftskostnaderna. Även om kostnaderna för bygginvesteringar för båda systemen är jämförbara, baserat på flerdimensionella överväganden inklusive driftskostnadskontroll, processstabilitet och effektivitet i kolkällans utnyttjande, valdes schema 1-som erbjuder både ekonomisk effektivitet och driftsflexibilitet slutligen som implementeringsprocessen för uppgraderingsprojektet.
2. Viktiga tekniska designpunkter
2.1 Biokemisk systemmodifiering
Kärnteknologin i MBBR-processen ligger i att uppnå effektiv fluidiserad rörelse av suspenderade bärare genom design, vilket avsevärt förbättrar systemets biologiska nedbrytningseffektivitet för föroreningar. Detta processsystem består av fem nyckelelement: hög-mekanisk-hållfast biofilmsbärare, en anpassad hydraulisk tankstruktur, ett riktat luftningssystem, en exakt avlyssningsanordning och vätskeframdrivningsutrustning. Baserat på de justerade tankvolymerna och designparametrarna för ett operativt 20 000 m³/d uthyrningsprojekt för avloppsvattenrening (MBBR) inom det regionala avloppssystemet, är den beräknade totala erforderliga effektiva ytan för de upphängda bärarna cirka 2 164 000 m². Den designade effektiva specifika ytan för MBBR-hållarna är större än 750 m²/m³. Designberäkningstabellen för den modifierade AAOAO-MBBR-tankvolymen visas iTabell 3.
2.2 Fysikalisk-kemisk systemuppgradering
Den högeffektiva sedimenteringstanken är utformad för att fungera i två parallella grupper. Denna enhets renovering antar en processpaketform, där utrustningsleverantören tillhandahåller fullständiga-processtekniska garantier och prestationsåtaganden. Kärnprocessparametrarna och utrustningskonfigurationerna är som följer.
Koaguleringstanken består av två grupper med totalt 4 fack. Det designade enstaka fackstorleken är 2,675 m × 2,725 m × 5,9 m. Den maximala kvarhållandetiden är cirka 3,8 minuter, med en hastighetsgradient (G) större än eller lika med 250 s-¹. Varje omrörare är konfigurerad med en enda-enhetseffekt på 4 kW.
Flockningstanken består av två grupper med totalt 2 fack. Det designade enkla fackstorleken är 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. Den maximala kvarhållandetiden är cirka 8,3 minuter. Dragrörets innerdiameter är 2 575 mm. Den är konfigurerad med Φ2 500 mm turbin{13}}omrörare, var och en med en effekt på 7,5 kW.
Sedimentationstanken består av två grupper. Den lutande rörytan för en enda grupp är cirka 84 m². Sedimentationstankens diameter är 11,7 m. Den planerade genomsnittliga hydrauliska belastningen på den lutande rörytan är 12,4 m³/(m²·h), med ett toppvärde på 16,1 m³/(m²·h). Den planerade genomsnittliga hydrauliska belastningshastigheten för sedimentationszonen är 7,6 m³/(m²·h), med ett toppvärde på 9,9 m³/(m²·h).
Det kemiska doseringssystemet är konfigurerat enligt följande: Kommersiell polyaluminiumklorid (PAC) vätska (10 % Al2O3) är utformad som koaguleringsmedlet, doserat på flera punkter i inloppssektionen av koaguleringstanken. Den designade maximala dosen är 300 mg/L, med en genomsnittlig dos på 150–200 mg/L. Mekaniska membrandoseringspumpar används, konfigurerade med ett 10-faldigt onlineutspädningssystem. Anjonisk polyakrylamid (PAM) är designad som flockningsmedel, doserad i flockningsdelen av den högeffektiva sedimenteringstanken.{15} En uppsättning helautomatiska kontinuerliga PAM-lösningsberednings- och doseringsenheter används, med en lösningskoncentration på 2 g/L. Den designade maximala dosen är 0,6 mg/L, med en genomsnittlig dos på 0,3 mg/L. Doseringspumpar är doseringspumpar av skruvtyp, även utrustade med ett 10-faldigt onlineutspädningssystem.
2.3 Pilot-Ozonoxidationsexperimentverifiering i skala
För att verifiera genomförbarheten av att den uppgraderade anläggningens avloppsvatten stabilt uppfyller klass IV ytvattenstandarder (COD-koncentration Mindre än eller lika med 30 mg/L), valde denna studie det sekundära avloppsvattnet från den första och andra fasen av Lianwanhe Water Quality Purification Plant som forskningsämne i juni 2024. Ett prestandaverifieringsexperiment för "Sand O-filtrering utfördes" + Ozon O-filtrering. Experimentet syftade till att utvärdera tillämpligheten av denna process på Xin'an-projektets design och huruvida målet är uppnåeligt.
Detta experiment använde den befintliga små-skaliga sandfiltreringsenheten (behandlingskapacitet 1,5 m³/h) i Lianwanhe-anläggningen. En ozonoxidationsreaktionsanordning i pilotskala- (tornreaktor, effektiv volym 0,5 m³) sattes upp på-platsen. Det befintliga avloppet från den sekundära sedimentationstanken filtrerades av det lilla sandfiltret och lyftes sedan upp av en pump för att komma in i ozonoxidationstornet från toppen. Ozonets oxiderande effekt användes för att avlägsna eldfast organiskt material från inflödet, vilket uppnådde ytterligare COD-reduktion.
2.3.1 Utförande av "Sandfiltrering + Ozonoxidation" vid ozondosering på 20 mg/L och HRT på 30 min
Under denna forskningsfas varierade den inflytande COD-koncentrationen från 38,2 till 43,4 mg/L, med ett genomsnitt på 40,4 mg/L. Efter behandling med "Sand Filtration + Ozon Oxidation"-processen var det slutliga avloppsvattnet COD i genomsnitt 28,8 mg/L. Experimentet fann att när COD-koncentrationen var hög, fanns det fortfarande fall där COD-avloppsvattnet inte uppfyllde standarden. Dessutom förblev den slutliga avloppsfärgen från pilottestet högre än inflödet och uppfyllde inte utsläppsstandarden. Detaljer visas iFigur 2(a).
2.3.2 Utförande av "Sandfiltrering + Ozonoxidation" vid ozondosering på 25 mg/L och HRT på 30 min
För att ytterligare förbättra COD-avlägsnandet och minska avloppsfärgen fortsatte denna fas att öka ozondoseringen samtidigt som HRT hölls på 30 minuter. I denna experimentella fas varierade den inflytande COD-koncentrationen från 36,3 till 46,2 mg/L, i genomsnitt 40,4 mg/L. Efter behandling reducerades COD-koncentrationen till 28 mg/L. Den slutliga avloppsfärgen från pilottestet förblev fortfarande högre än inflödet och uppfyllde inte utsläppsstandarden. Detaljer visas iFigur 2(b).
2.3.3 Utförande av "Sandfiltrering + Ozonoxidation" vid ozondosering på 30 mg/L och HRT på 30 min
Under förhållanden med en ozondosering på 30 mg/L och en HRT på 30 minuter visade "Sand Filtration + Ozone Oxidation"-processen god behandlingseffektivitet för sekundärt avloppsvatten COD. I denna testfas varierade den inflytande COD-koncentrationen från 38,2 till 42,2 mg/L, i genomsnitt 40,2 mg/L. Efter behandling förblev COD-koncentrationen av avloppsvattnet stabil under 30 mg/L, i genomsnitt 26 mg/L. I denna fas visade processen också god färgborttagningseffektivitet, med uppmätt färg konsekvent under 20, vilket stabilt uppfyllde urladdningsstandarden. Detaljer visas iFigur 2(c).
2.3.4 Experimentell slutsats
Baserat på de experimentella resultaten, under optimala reaktionsförhållanden, var förhållandet mellan ozondosering (30 mg/L) och COD-avlägsnande (12,2 mg/L) i ozonbehandlingsenheten 2,45:1,00.
Pilotexperimentet visade att den avancerade reningsprocessen "Sand Filtration + Ozone Oxidation" effektivt kan minska COD-värdet för det representativa sekundära avloppsvattnet från Lianwanhe-anläggningen. Att anta "Sand Filtration + Ozon Oxidation"-processen som den avancerade behandlingsprocessen för Xin'an Qianhe-projektet har därför god genomförbarhet och kan säkerställa att projektets avloppsvatten COD förblir stabilt under 30 mg/L.
3. Slutsats
Den här forskningen fokuserar på tre centrala modifieringsmoduler: det biokemiska behandlingssystemet använder AAOAO-MBBR-hybridprocessen (suspenderad och vidhäftad tillväxt); den fysikalisk-kemiska behandlingsenheten optimerar tankstrukturen och valet av utrustning för den högeffektiva sedimenteringstanken; och länken för avancerad behandling valideras genom ett pilotexperiment med-skala ozonoxidation.
Genom den synergistiska optimeringen av denna processkedja, konstrueras ett fullständigt-processbehandlingssystem av "Biokemisk förbättring – fysikalisk-kemisk förbättring – avancerad skyddsåtgärd". Samtidigt följer denna tekniska design det objektiva faktumet i den pågående pågående projektkonstruktionen, vilket kräver en samordnad optimering av byggsekvenser för alla strukturer för att maximera användningen av befintliga anläggningar och minimera renoveringsarbetet.
Projektet använder avloppskvalitetsstandarden för anläggningen under uppbyggnad som riktmärke för designinflytande kvalitet. Utsläppskoncentrationerna av CODCr, BOD₅, NH₃-N och TP ska uppfylla klass IV-standarderna (TN Mindre än eller lika med 10/12 mg/L) specificerade i GB 3838-2002 "Environmental Quality Standards for Surface Water". Andra indikatorer ska överensstämma med Grade A-standarderna i GB 18918-2002 "Utsläppsstandard för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk." Detta uppgraderingsprojekt har en designskala på 50 000 m³/d, en total investering på 27,507 miljoner yuan, en driftskostnad på 0,3 yuan/m³, en total kostnad på 0,39 yuan/m³ och ett driftsvattenpris på 0,45 yuan/m³.