Avancerat kväveborttagning i reningsverk: ren biofilm MBBR Processdesign & prestandaanalys|Fallstudie

Teknisk design och prestanda för en ren biofilm MBBR-process för avancerad kväveborttagning

Med den omfattande utvecklingen av Kinas ekologiska civilisationskonstruktion har utsläppsnormerna för reningsverk för avloppsvatten (WWTP) blivit allt strängare. Grad A-standarden för "Utsläppsstandarden för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk" (GB 18918-2002) kräver TN Mindre än eller lika med 15 mg/L, medan lokala standarder i regioner som Peking och Shandong uttryckligen anger gränsen till TN Mindre än eller lika med 10 mg/L. Dessa förhöjda standarder sträcker sig bortom bara vattenkvalitetsgränser, vilket ställer högre krav på avloppsvattnets stabilitet. Följaktligen finns det ett trängande behov av att förbättra reningsprocessernas kvävereduktionskapacitet. Ett tillvägagångssätt är att öka kolkälldoseringen i den befintliga processen för att förbättra denitrifikationen, men detta leder till höga driftskostnader och ökade koldioxidutsläpp. Alternativt kan tillförsel av avancerade anläggningar för borttagning av kväve, som ofta använder biofilmmetoder för att effektivt berika denitrifierande bakterier, förbättra TN-avlägsnandet, minska behovet av externa kolkällor och minska koldioxidutsläppen. Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), med dess fördelar med stark funktionell bakterieberikning, litet fotavtryck och enkel drift och underhåll, har använts i stor utsträckning vid konstruktion, utbyggnad och uppgradering av reningsverk. Det kan stabilt uppnå utsläppsstandarder som är bättre än kvasi-klass IV ytvattenkvalitet och har betydande potential och fördelar för avancerad kväveavskiljning i reningsverk. Den här artikeln tar ett avloppsreningsverk i Shandong som en fallstudie för att analysera designrationalen och operativa prestanda för att tillämpa en ren biofilm MBBR-process för avancerad kväveborttagning, i syfte att tillhandahålla en teknisk referens för effektiv denitrifiering av avloppsvatten.

1. Projektöversikt

1.1 Projektintroduktion

Ett reningsverk i Shandong byggdes i två etapper. Den första fasen, med användning av BIOLAK-processen, togs officiellt i drift i november 2003 med en reningskapacitet på 40 000 m³/d. Layouten för BIOLAK-processen och det tillgängliga området för uppgradering visas iBild 1. Ursprungligen uppfyllde avloppskvaliteten Grade B-standarden i GB 18918-2002. År 2020, genom förbättrad kolkällasdosering och tillägg av avancerad rening, förbättrades avloppskvaliteten till Grade A-standarden. År 2023, efter tre års drift, kunde den övergripande avloppskvaliteten i allmänhet uppfylla Grade A-standarden, men den stod inför två stora utmaningar när det gäller kväveavskiljning:

Hög kolkälla Dosering: För att uppnå målet på TN Mindre än eller lika med 15 mg/L krävdes en betydande mängd extern kolkälla. Beräkningar baserade på processsnitt visade ett C/N-förhållande så högt som 5,9, medan AAO-processen i anläggningens andra fas endast krävde ett C/N på 4,5–5,0 för att säkerställa stabil TN-överensstämmelse. Den stora tillsatsen av kolkällor påverkade också den aeroba nitrifikationsprocessen negativt, vilket ökade syrebehovet i den aeroba zonen.

Dålig stabilitet av kväveavlägsnande: Eftersom nitrifikation och denitrifikation inträffade i samma tank under olika erforderliga förhållanden, krävde driftsparametrar frekvent justering baserat på inflödesändringar. Att kontrollera NH₃-N och TN var motsägelsefulla, vilket gjorde det svårt att upprätthålla en stabil balans mellan nitrifikation och denitrifikation. Systemets stötbelastningsmotstånd var genomsnittligt, vilket ledde till dålig avloppsstabilitet.

Därför var en uppgradering av den ursprungliga BIOLAK-processen nödvändig, med huvudmålen att lösa konflikten mellan nitrifikation och denitrifikation, minska driftskostnaderna för kvävereduktion och förbättra avloppsstabiliteten.

1.2 Uppgraderingsutmaningar

Eftersom BIOLAK-processen var olämplig för modifiering i-tank för att förbättra prestandan var planen att förstärka reningen genom att bygga en ny avancerad kväveborttagningsenhet. Den ursprungliga BIOLAK-processen fokuserade främst på nitrifikation med denitrifikation som sekundär, medan den nya processen skulle fokusera på denitrifikation. Med tanke på de faktiska renoveringsbehoven stod projektet inför två stora utmaningar: begränsad tillgänglig mark för den nya processen och höga krav på operativ effektivitet.

Begränsad tillgänglig mark för ny process: Nybyggnaden måste slutföras inom den befintliga anläggningsplatsen, som i princip inte hade någon reserverad mark. Konstruktion var endast möjlig på ett grönt bälte i anslutning till BIOLAK-tankarna, med en tillgänglig yta på 400 m². Detta innebar att det nya projektets fotavtryck per enhet behandlat vatten måste vara mindre än eller lika med 0,01 m²/(m³·d).

Höga operativa effektivitetskrav: Detta var inte en enkel uppgradering utan en ytterligare optimering av den biokemiska funktionszonen. Den nya enheten förväntades klara en kvävereduktionsbelastning på 20 mg/L. Denna process behövde inte bara slutföras på begränsad mark utan också för att minska kolkällans dosering jämfört med den ursprungliga BIOLAK-denitrifieringen samtidigt som stabil denitrifikationsprestanda säkerställdes. Sålunda ställdes höga krav på både kvävereduktionseffektivitet och kolkällans utnyttjandeeffektivitet.

2. Processjämförelse och urval

Efter rening med BIOLAK-processen består avloppsvattnet TN huvudsakligen av nitratkväve. För närvarande använder mogna avancerade kväveborttagningsprocesser främst biofilmmetoder, kännetecknade av att mikroorganismer effektivt anrikas på bärarytor i ett vidhäftat tillstånd, vilket erbjuder avsevärt högre funktionell bakterieanrikningseffektivitet än konventionella aktiverade slamprocesser. Biofilmprocesser kan ytterligare delas in i typer av fast-bädd och rörlig-bädd baserat på bärarfluidisering, som visas iFigur 2.Denitrifierande filter, typiska biofilmprocesser med fast-bädd, använder fasta granulära filtermedia som bärare av mikrobiell tillväxt. Genom att lägga till en extern kolkälla utnyttjar de denitrifieringen av biofilmen och filtreringen av media för att uppnå samtidigt avlägsnande av NO₃^--N, SS och andra föroreningar. Fördelarna inkluderar stabil behandlat vattenkvalitet, inget behov av sekundära klarare och en kompakt layout, vilket gör att de används i stor utsträckning i uppgraderingar av reningsverk som en avancerad reningsenhet för att stärka TN-avlägsnandet från sekundärt avlopp. Verksamhetsfokus måste dock ligga på effekten av C/N på avancerad denitrifieringseffektivitet. Uppgraderingsprojektet för Pingtang WWTP Fas I, även det med en kapacitet på 40 000 m³/d, använde ett denitrifierande filter + hög-effektiv upplöst luftflotation (DAF) som den avancerade reningsprocessen för att höja avloppsvattnet TN till kvasi-klass IV ytvattenstandarder, vilket uppnådde cirka 4,0 m²/m²/m², (0 fot) sparar mark och möjliggör effektiv behandling, men med ett C/N så högt som 18,34. För att möta nya lokala standarder för avloppsvatten TN, använde Chengdu No. 9 Water Reclamation Plant en sedimentationstank med hög-densitet och denitrifierande djup-bäddfilter som uppgraderingsprocessen, med ett C/N på 5,7, för att uppnå avancerad rening under höga standarder. Dingqiao-reningsverket i Haining kunde inte uppfylla de utsläppsstandarder av grad A som krävdes för Qiantang-flodbassängen. Gao Feiya et al. använde ett denitrifierande djup-filter för avancerad TN-behandling, samtidigt som SS och TP avlägsnades, vilket förde avloppskvaliteten nära kvasi-klass IV-standarder, men med ett högt C/N på 15,68, vilket leder till höga kostnader för kväveavskiljning. Dessutom kräver filterprocesser regelbunden backspolning, vanligtvis med luft-vattenskurning, vilket kan påverka driftsstabiliteten.

instabilitet i denitrifierande filter, forskning om att tillämpa svavel-baserad autotrofisk denitrifiering (SAD) på denitrifierande filter har fått uppmärksamhet. SAD använder elementärt svavel eller svavelföreningar som elektrondonatorer under anaeroba eller anoxiska förhållanden för att reducera NO3^--N till N₂. Det erbjuder fördelar som god denitrifieringseffektivitet, inget behov av en organisk kolkälla, låg driftskostnad och låg slamproduktion. Song Qingyuan et al. studerade kväveavlägsnande effekten av ett SAD-filter på sekundärt avlopp. Efter att ha optimerat pilotförhållandena förblev nitratavlägsnandet stabilt över 95 %, men mediakonsumtionen nådde 20 % årligen, åtföljt av ökad sulfatkoncentration av utloppsvatten och sänkt pH. För att undvika sekundära föroreningsrisker från SAD, Li Tianxin et al. beredd media genom pelletisering av en blandning av svavel och kalkstenspulver. Genom att lägga till en viss andel kalksten till filterbädden neutraliserades den genererade surheten och producerade CaSO4-fällning, vilket sänkte sulfatkoncentrationen i avloppsvattnet och effektivt åtgärdade problem med syraproduktion och höga sulfatnivåer. Emellertid tog kalkstenen upp utrymme avsett för elektrondonatormedia i systemet, vilket försvagade avancerad denitrifieringskapacitet, ökade avloppshårdheten och höjde driftskostnaderna. Aktuell forskning om SAD-teknik är främst i labb- och pilotskala, med otillräcklig ingenjörserfarenhet som referens. Ytterligare tillämpad forskning behövs innan marknadsföring i industriell-skala.

MBBR är en typisk representant för processer för fluidiserad-bäddsbiofilm och en ny teknik för avloppsvattenrening som har fått stor uppmärksamhet de senaste åren. Den använder suspenderade bärare med en densitet nära vatten för att specifikt berika mikroorganismer, vilket bildar en biofilm för att uppnå avancerad kväveavskiljning. Fluidiserade-bäddbiofilmsprocesser undviker också problem med att media täpps till och bakspolning. För närvarande har ren biofilm MBBR för avancerad denitrifiering av reningsverk över 20 års framgångsrik operativ erfarenhet utomlands och får en allt bredare tillämpning i Kina. Zheng Zhijia et al. använde en två-ren biofilm MBBR-process för avancerad denitrifiering. Vid C/N=4.0 stabiliserades systemets utgående nitratkväve vid (1,87 ± 1,07) mg/L, med en genomsnittlig TN-avlägsningshastighet på 93,3 %. En avloppsreningsanläggning i en utvecklingszon i en viss stad byggde en ny MBBR-bio-tank som tertiär avancerad behandling för förbättrad denitrifikation. TN-avlägsningsbelastningen i den anoxiska delen av den rena biofilmen MBBR var 1,1 g/(m²·d), vilket förbättrade systemets denitrifieringstillförlitlighet. Gao Yanbo et al., som syftade till att öka den ursprungliga anläggningens kapacitet, konstruerade en ny två{20}}AO ren biofilm MBBR bio-tank, vilket uppnådde ett stabilt avloppsvatten TN under 5 mg/L med hög denitrifikationseffektivitet. Således visar den rena biofilm MBBR-processen stor potential för avancerad kväveavskiljning i avloppsreningsverk, och kombinerar fördelar som hög effektivitet i kolkällan, hög reningsbelastning och litet fotavtryck. Men det ställer också högre krav på utrustning, vilket kräver pålitlig utrustning för att stödja stabil processdrift. En jämförelse av vanliga avancerade kvävereduktionsprocesser visas iTabell 1.

Baserat på en omfattande jämförelse, även om SAD-processen inte kräver någon kolkälla, är dess nuvarande tillämpning ännu inte mogen och medför sekundära föroreningsrisker, så den övervägdes inte för denna uppgradering. Även om denitrifieringsfilter används i stor utsträckning, används de mest vid uppgraderingar av avloppsreningsverk där designen av influent/avloppsvatten TN ofta är 15/12 mg/L, vilket hanterar en relativt liten TN-avskiljningsbelastning. Eftersom detta projekt krävde att uppfylla långa-, höga krav på TN-borttagning, skulle driften avsevärt förkorta filtrets backspolningscykel, vilket ökar driftssvårigheterna och instabiliteten. Den rena biofilm MBBR-processen kombinerar fördelar som hög kolutnyttjande effektivitet, inget behov av backwashing, mogen applicering och ingen sekundär förorening. Med tanke på processutmaningarna och renoveringskraven valde projektet slutligen konstruktionen av en ny ren biofilm MBBR bio-tank (hädanefter kallad MBBR-tanken) som den avancerade lösningen för borttagning av kväve för den första fasen, designad med ett C/N=4.5, och en planerad återbetalningstid på 7,37 år.

3. Nybyggnadsplan

3.1 Processflöde

Processflödet för avloppsvattenrening efter renovering visas iFigur 3. Anläggningens inflöde passerar genom fina siktar, virvelkornskammare och primära sedimenteringstankar innan det går in i BIOLAK bio-tanken för avlägsnande av organiskt material, ammoniakkväve etc. Det lyfts sedan med pumpar in i MBBR-tanken för avancerad TN-borttagning. MBBR-tanken är konstruerad för ett inflödes-TN på 35 mg/L och ett avlopps-TN som är mindre än eller lika med 15 mg/L. MBBR-avloppsvattnet lyfts av sekundära pumpar till anläggningens befintliga avancerade rening för fast-vätskeseparering och slamavfall. Det slutliga avloppsvattnet desinficeras innan det släpps ut i den mottagande floden. Överskottsslam förtjockas, avvattnas och transporteras bort{10}} för bortskaffande.

3.2 Ny MBBR Tank

MBBR-tanken använder en AO-process, konstruerad med Lipp-tankar för modulär montering, färdig på 30 dagar. Den totala systemets hydrauliska retentionstid (HRT) är 1,43 timmar. SPR-III-typ specialiserade aeroba och anoxiska suspenderade bärare läggs inuti tankarna, med ett fyllningsförhållande på 60 % i den aeroba zonen och 55 % i den anoxiska zonen. Bärarna är oblate cylindriska, 25 mm i diameter och 10 mm i höjd, med en effektiv specifik yta större än eller lika med 800 m²/m³. Den anoxiska zonen är utrustad med 4 MBBR-dedikerade variabla-frekvensblandare (SPR kemisk effekttyp), N=5.5 kW vardera, vilket ger enhetlig och tillräcklig fluidisering för bärarna. Efter biofilmmognad körs 2 blandare rutinmässigt, med de andra 2 som varm standby. Den aeroba zonen använder skruvfläktar för luftning. En fläkt har en luftkapacitet på 14,50 m³/min, tryck 90 kPa, N=22 kW. En uppsättning av perforerade rördiffusorer för aeroba zoner (SPR-typ) är installerade. På grund av den låga erforderliga luftningsvolymen kan de befintliga Fas I-fläktarna vanligtvis användas, med den nya fläkten och Fas I-fläktarna som ömsesidiga backuper. Nya materialavlyssningsskärmar (SPR-typ), 12 mm tjocka, med en designad livslängd på 30 år, installeras i både aeroba och anoxiska zoner.

3.3 Nya stödjande anläggningar

• Inflytande system: Avloppsvatten från BIOLAK bio-tanken lyfts in i MBBR-tanken. 4 inloppspumpar installeras (2 drift, 2 standby), var och en med Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Doseringssystem för kolkällor: Avloppsvattnet från Fas I BIOLAK bio-tanken innehåller endast COD som är svår att använda. För att säkerställa avancerad denitrifikation i MBBR-tankens anoxiska zon, används natriumacetat som extern kolkälla.