Tillämpning av modifierad AAO-process vid rening av hushållsavloppsvatten från kolgruvor
Hushållsavloppsvatten från kolgruvor kommer främst från personalmatsalar, sovsalar, kontor, tvättstugor och badrum, där badavloppet står för över 55 % av den totala volymen. Utsläppet av badvatten är relativt koncentrerat vilket leder till betydande flödesfluktuationer. Karaktäriserad av lägre organisk koncentration och högre suspenderade ämnen (SS), skiljer sig baddräneringen avsevärt från typiskt hushållsavlopp. Dess förskjutna utsläppsmönster med andra avloppsvattenströmmar bidrar till betydande vattenkvalitetsvariationer.
De flesta kolgruvor i Kina ligger i avlägsna områden där slamtransportkostnaderna är höga. Därför bör reningsprocesser med lägre slamavkastning väljas. När gruvor utvecklas och antalet anställda ökar överstiger avloppsvattenflödet ofta den ursprungliga designkapaciteten, vilket kräver processer med stark anpassningsförmåga till förändringar i vattenkvalitet och kvantitet inom samma fotavtryck. Enligt allt strängare miljöpolicyer som kräver full återanvändning av behandlat avloppsvatten utan utsläpp måste processer leverera hög och stabil avloppskvalitet.
För närvarande är AAO-processen (Anaerob-Anoxic-Oxic) det föredragna valet vid rening av kommunalt avloppsvatten. Den här artikeln analyserar tillämpningseffektiviteten av en modifierad AAO-process (AAO + Suspended Carrier Process) för hushållsavloppsvatten från kolgruvor, baserat på dess unika egenskaper.
1. Modifierad AAO-process
AAO-processen är den enklaste flödeskonfigurationen för samtidig kväve- och fosforavskiljning. Filamentösa bakterier kan inte föröka sig i stor utsträckning under alternerande anaeroba, anoxiska och aeroba förhållanden, vilket förhindrar slambulkning. Det kräver ingen kemisk tillsats, endast mild blandning i anaeroba och anoxiska tankar, vilket resulterar i låga driftskostnader. Slammet har hög fosforhalt vilket ger ett bra gödselvärde.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200 %, denna interna återvinning förbrukar betydande energi. Avloppsvatten som kommer in i det sekundära klarningsmedlet måste bibehålla en viss nivå av upplöst syre (DO) för att förhindra anaeroba förhållanden och fosforfrisättning, men ändå inte för högt för att undvika att störa denitrifikationen i den anoxiska tanken via den återvunna blandluten.
Den modifierade AAO-processen (AAO + Suspended Carrier Process) mildrar effektivt dessa nackdelar. Det ökar mikrobiell massa i de biologiska tankarna, förbättrar den volymetriska belastningen, uppnår fullständig separation av hydraulisk retentionstid (HRT) och slamretentionstid (SRT), stärker motståndskraften mot hydrauliska och organiska stötbelastningar, levererar god avloppskvalitet även med låga koldioxidkällor, producerar mindre och mer stabil slamhanteringskapacitet (minska nedströms slamhanteringskrav). Avloppsvattnet kan uppfylla vattenkvalitetsstandarderna för "The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water" (GB/T 18920-2020) och "Code for Design of Coal Preparation Engineering" (GB 50359-2016) för koltvätt. Hou Feng et al. tillämpade AAO+suspended carrier-processen i ett underjordiskt reningsverk för avloppsvatten, och uppnådde Grad 1A-standarder enligt "Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002), med nyckelindikatorer (COD, BOD5, NH3-N, TP) som uppnår klass IV-standarder för ytvattenkvalitet (Environ Water Quality Standards per"GB) 3838-2002). Hao Ruigang et al. använde "A/O Bio-contact Oxidation + Perforated Swirl Flocculation + Inclined Tube Sedimentation + Active Sand Filtration" i utbyggnaden av en kolgruva för hushållsavloppsvatten, vilket uppnådde en avloppskvalitet bättre än Grad 1A. Yan Ziyu et al. uppnådde också goda resultat med hjälp av biofilmprocesser för att eftermontera befintliga kolgruvors avloppsvattenrening. Den modifierade AAO-processen möjliggör kapacitetsökningar och förbättring av avloppskvaliteten i befintliga anläggningar med minimala modifieringar.
Denna process innebär att man lägger till suspenderade bärare till de anoxiska och aeroba tankarna, och kombinerar fördelarna med aktiverat slam och biofilmprocesser. Den har hög volymetrisk belastning, stor biomassa, hög behandlingseffektivitet, stark anpassningsförmåga till 水质和水量的变化, förbättrad processstabilitet och bra avlägsnande av näringsämnen. Den bildar högspecialiserade aktiva biofilmer, vilket ökar effektiviteten per reaktorvolym och stabilitet, vilket möjliggör mindre reaktorer. Avslamningsbiofilmslam innehåller fler protozoer/metazoer, har högre densitet och större partikelstorlek, vilket resulterar i god sedimentering och enkel fast-vätskeseparation. Den möjliggör fullständig SRT-HRT-separering, eliminerar bulkbildning av slam och är lämplig för avloppsvatten rikt på lösliga organiska ämnen.
2.1 Fallstudie
En kolgruva i Yan'an City, cirka 16 km från Zichang City, har ett reningsverk för hushållsavlopp med en designkapacitet på 1200 m³/d. Processen är: "Skärm + utjämningstank + AAO med upphängda bärare + avancerad behandling (koagulering-sedimentering-filtrering) + desinfektion". Slam behandlas via "Gravity Thickening + Screw Press Dewatering". Avloppsvattnet uppfyller de strängare gränserna för *GB/T 18920-2020* och GB 50359-2016 för koltvättvatten. Det behandlade vattnet återanvänds för gruvgrönska och som tillsatsvatten i kolberedningsverket. Design influent/avloppskvalitet är inTabell 1. Processflödet visas iBild 1.
Avloppsvatten passerar genom en skärm (5 mm gap, 75 graders installationsvinkel) in i en utjämningstank (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, effektivt djup 2,95 m, volym 247,8 m³, HRT 4,13 h), som uppfyller kraven i GB 50810-2012. Två blandare förhindrar sättning. Tre dränkbara pumpar (2 duty +1 standby, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) lyfter vatten till de biologiska tankarna.
Det biologiska systemet består av två parallella tåg. Per tåg:
- Anaerob tank: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, effektivt djup 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Anoxisk tank: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, effektivt djup 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Aerobic tank: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, effektivt djup 4,0 m, HRT 10,0 h. Totalt system HRT är 15,75 h. Upphängda bärare (fyllnadsgrad 80 %, specifik yta 600 m²/m³) är installerade i den aeroba tanken. Designförhållandet luft-till-vatten är 13,7:1. Tre Roots-fläktar (2 duty +1 standby, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa) används. Återvinningsförhållandet för slam är 100 %, återvinningsförhållandet för blandad sprit är 200 %.
Två rektangulära perifera-inlopps-/utloppssekundära klarare (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m vardera) har en ytbelastningshastighet på 1,2 m³/(m²·h) och HRT på 2,5 timmar.
En integrerad vattenrenare (som kombinerar koagulering, sedimentering, filtrering) ger avancerad behandling för ytterligare avlägsnande av SS och fosfor.
Slambehandling inkluderar gravitationsförtjockning (Φ2,5 m×5,0 m kolståltank) följt av skruvpressawattning. Polyakrylamid (PAM) doseras med 3,0–5,0 kg/t torrsubstans före avvattning. Daglig avvattnad slamkaka är Mindre än eller lika med 150 kg med en fukthalt Mindre än eller lika med 80 %, transporterad från-platsen.
Desinfektion använder en -ClO2-generator på plats (effektiv klordosering 120 g/h) doserad vid det fria brunnens inlopp. Den klara brunnen har en effektiv volym på 250 m³, vilket ger en kontakttid på 4,2 timmar.
Anläggningen är utrustad med omfattande onlineövervakning (flödesmätare, restklor, pH, DO, COD, grumlighet, slamnivå/koncentration) och automatiserade styrsystem för pumpar, fläktar, backspolning, kemikaliedosering och blandning, vilket säkerställer intelligent, obevakad drift.
2.2 Prestandaanalys
Anläggningen slutfördes i drift 2021 och har varit i drift i över två år. Faktisk 2024 influens/avloppskvalitet visas iTabell 2.
Det inflytande BOD5/N-förhållandet är 5,5, vilket indikerar lågt förhållande mellan kol-till-kväve (C/N), vilket minskar ytterligare på sommaren på grund av nederbördsinfiltration och vaneförändringar. Extrema vintertemperaturer i Yan'an kan nå -21 grader. Den faktiska avloppskvaliteten är bättre än designen, med avlägsningshastigheter som når: COD 97,8 %, BOD5 99.7 %, SS 99,7 %, NH3-N 93,5 %, TP 87,10 %, vilket uppfyller standarderna för 绿化 och koltvätt.
Den aktiva biofilmmassan i de anoxiska/aeroba tankarna är så hög som 125 g/m² bärare, vilket motsvarar en MLSS på 13 g/L-fyra gånger så stor som för konventionellt aktivt slam. Mikroorganismer befinner sig i den endogena respirationsfasen, vilket resulterar i daglig slamproduktion omkring 1/3 av konventionella metoder, med bättre sedimentering, vilket möjliggör mindre slambehandlingsutrustning.
Även om bio-kontaktoxidation kan fungera utan slamåtervinning, har forskning av Xiong Ren et al. visar att system med återvinning uppnår högre avverkningsgrader för COD, TN, NH3-N, SS och minskar slamutbytet med 29,6 %. Denna design inkluderar återvinning av blandad sprit, med driftsflexibilitet baserad på avloppskvalitet.
Anläggningen (1200 m³/d) upptar 1350,3 m², med en kapitalinvestering på 20 miljoner CNY och en driftskostnad på 1,05 CNY/m³.
Jämfört med konventionell AAO, som kräver utökad SRT för effektiv drift vid låg-temperatur, bibehåller denna modifierade process enkelheten med samtidig borttagning av näringsämnen samtidigt som den berikar det biologiska samhället med bärare. SRT-HRT-separationen förbättrar bio-stabiliteten, vilket säkerställer tillförlitlig drift under låga C/N och låga-temperaturer. Stabilt avloppsvatten kan upprätthållas med liten eller ingen slamåtervinning, vilket möjliggör in-slamminskning och lägre kostnader för slamhantering. Dess enkelhet och brist på bulk gör den mycket lämplig för rening av hushållsavloppsvatten från kolgruvor.
3. Optimeringsforskning för AAO-process
Modifierade AAO-processer utformas vanligtvis enligt parametrar i "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021). Emellertid behövs optimering av driftsparametrar (HRT, SRT, luftning, återvinningsförhållanden, MLSS) specifika för kolgruvans avloppsvatten för att identifiera optimala förhållanden för framtida design och drift.
I konventionell AAO återvinns slam från den aeroba tanken till den anaeroba tanken, med nitrat och hög DO, vilket kan försämra biologisk fosforavskiljning. University of Cape Town (UCT)-processen kan övervägas, där slam återvinns till den syrefria tanken, nitrifierad vätska till den syrefria tanken och ytterligare en återvinning från anoxisk till anaerob tank läggs till för att förbättra bio-P-avlägsnandet.
Slambehandling kan stå för 50–60 % av en anläggnings driftskostnad. In-slamreduktionsteknik bör användas. Den höga MLSS i modifierade AAO bio-tankar leder till ett högt F/M-förhållande, där urkopplingsmetabolism kan inträffa, vilket främjar slamminskning och sänker slamhanteringskostnaderna. Framtida fokus bör ligga på att tillämpa in-situ-reduktionstekniker som kryptisk tillväxt via mikro-lys, Oxic-Setting-Anaerobic (OSA) process och frikoppling av metabolism vid rening av avloppsvatten från kolgruvor.
Denna process är lämplig för eftermontering av befintliga AAO-anläggningar vid kolgruvor. Att lägga till bärare till anoxiska/aeroba tankar kan förbättra avloppskvaliteten, öka kapaciteten och förbättra systemets stabilitet. För anläggningar med strängare krav på avloppsvatten kan vattenkvaliteten uppgraderas ytterligare genom att ersätta den sekundära renaren med ett MBR-system.
4. Slutsats
- Den modifierade AAO-processen är lämplig för att uppgradera befintliga AAO-system i kolgruvor för att förbättra stabiliteten, öka kapaciteten eller uppfylla strängare standarder.
- Vid behandling av hushållsavloppsvatten från kolgruvor kan avloppsvattnet samtidigt uppfylla *GB/T 18920-2002* standarder för vägvattning/grönska och GB 50359-2016 standarder för koltvättvatten, vilket visar stark anpassningsförmåga till förändringar i vattenkvalitet och kvantitet.
- Processen ger stabilt slam med god sedimentering och enkel separering, genererar mindre slam och minskar slambehandlingskostnaderna.