Driftseffekt av uppgraderingsprojekt av avloppsreningsverk i Tianjin
Ett reningsverk för avloppsvatten i Tianjin genomgick ett uppgraderings- och renoveringsprojekt som antog Modified Bardenpho-MBBR-processen, vilket höjde avloppskvaliteten från klass A-standarden som specificeras i "Utsläppsstandarden för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk" (GB 18918-2002) till den lokala standarden klass A/59 DBian-19 DB i Tianjin. Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)-processen innebär att man lägger till MBBR-suspenderade bärare i reaktorn, tillhandahåller platser för mikrobiell vidhäftning och bildar fästa biofilmer, vilket ökar den effektiva biomassan i systemet och uppnår avlägsnande av föroreningar. MBBR-processen erbjuder fördelar som hög behandlingsbelastning, stark motståndskraft mot stötbelastningar, stabil behandlingsprestanda, enkel driftledning och flexibel processdrift. Ett ökande antal avloppsreningsverk i Kina använder MBBR-processen för renovering. Det här dokumentet analyserar den operativa prestandan för ett avloppsreningsverk i Tianjin efter dess uppgradering, i syfte att ge en referens för liknande uppgraderingsprojekt.
1. Nuvarande process för borttagning av biologisk kväve och fosfor
Den ursprungliga biologiska tanken använde en A²/O-process med en behandlingskapacitet på 12 500 t/d. Den totala slamåldern var 14 dagar, koncentrationen av blandad vätska suspenderade fasta ämnen (MLSS) var 3 500 mg/L, designvattentemperaturen var 10 grader, slamutbytet var 0,936 kgSS/kgBOD och slambelastningen var 0,082 kgBOD/kgMLSS. Den biologiska tankens effektiva vattendjup var 6 m, med en total tankvolym på 9 052,2 m³ och en total hydraulisk retentionstid (HRT) på 17,4 timmar. HRT-fördelningen var: väljarzon 0,58 h, anaerob zon 1,38 h, anoxisk zon 2,85 h, svängzon 0,92 h och aerob zon 11,67 h. Slamåtervinningen var 100 % och den interna återvinningen av blandluten var 300 %. Den ursprungliga biologiska tanken bestod främst av anaeroba-anoxiska-aeroba sektioner. Driftsparametrar skulle kunna justeras baserat på inflödesförhållanden och avloppskrav för att uppnå kväve- och fosforavskiljning, med avloppskvaliteten som uppfyller Grade A-standarden GB 18918-2002.
2. Översikt över uppgraderings- och renoveringsprojektet
Denna uppgradering syftade till att förbättra avloppskvaliteten för att uppfylla klass A-standarden i Tianjins lokala standard "Utsläppsstandard för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk" (DB 12/599-2015). Den designade inflödes- och avloppskvaliteten visas iTabell 1. Enligt designvärdena för inlopps- och avlopps-TN krävs en denitrifikationsgrad på 75,6 % i det biologiska tanksystemet för att uppnå ett avlopps-TN under 10 mg/L. Den ursprungliga biologiska tanken använde en A²/O-konfiguration. Beräkningar baserade på den ursprungliga tankkonfigurationen visade att det interna återvinningsförhållandet skulle behöva öka från de ursprungliga 200 % till 310 %, tillsammans med tillsatsen av en stor mängd extern kolkälla. Detta skulle inte bara öka driftskostnaderna utan också den stora volymen internt återvinningsflöde skulle kunna störa den anoxiska miljön. Detta kan leda till att den faktiska HRT i den anoxiska zonen är mindre än minimikravet, vilket påverkar denitrifieringseffektiviteten. MBBR-processen förbättrar systemets denitrifieringsförmåga och förbättrar avloppskvaliteten genom att lägga till suspenderade bärare för att öka biomassakoncentrationen i tanken och därigenom uppfylla uppgraderingskraven.
Utan att ändra den befintliga biologiska tankens volym, omkonfigurerades den biologiska tankens interna funktionszoner. Den ursprungliga A²/O-konfigurationen (anaerob-anoxisk-aerob) modifierades till en Bardenpho 6-stegskonfiguration: anaerob zon, anoxisk zon, svängzon, aerob zon, post-anoxisk zon och postaerob{8}. Närmare bestämt omvandlades den ursprungliga väljarzonen till en anaerob zon. Den ursprungliga anaeroba zonen, svängzonen (främre delen) och anoxiska zonen användes alla som den pre{12}}anoxiska zonen. Den främre halvan av den första korridoren i den ursprungliga aeroba zonen justerades till en svängzon. De ursprungliga första, andra och tredje aeroba korridorerna omvandlades till MBBR-zonen, där suspenderade bärare lades till, tillsammans med inlopps-/utloppsskärmningssystem och ett bottenluftningssystem. Den fjärde aeroba korridoren omvandlades till en post{14}}anoxisk zon. Den ursprungliga svängzonen var funktionellt uppdelad och justerades i post{15}}anoxiska och postaeroba zoner. Parametrarna för den renoverade biologiska tanken visas iTabell 2.
När det gäller processdrift recirkuleras blandad lut från den aeroba zonen till den anoxiska zonen och en kolkälla tillsätts i den anoxiska zonen. Denitrifierande bakterier använder kolkällan för denitrifiering för att avlägsna nitratkväve som produceras i den aeroba zonen. Resterande nitratkväve kommer in i den post-anoxiska zonen, där ytterligare kolkälla tillsätts för att fortsätta denitrifieringen. Efter renovering är koncentrationen av suspenderade fasta ämnen (MLSS) 4 000 mg/L, slamåtervinning är 50 %–100 %, inre återvinning av blandad lut är 200 %–250 % och löst syre i MBBR-zonen är 2–5 mg/L. Processflödesschemat efter renovering visas iBild 1.
3. Systemdriftsättning efter renovering av biologisk tank
Efter att den biologiska tankrenoveringen avslutats påbörjades driftsättningsfasen. Avvattnat slam från ett annat reningsverk tillfördes den biologiska tanken, vilket snabbt ökade slamkoncentrationen till över 3 000 mg/L på kort tid. Detta förkortade slamodlingen och acklimatiseringsperioden, vilket möjliggjorde snabb start av den biologiska tanken och återställande av dess kväve- och fosforavskiljningskapacitet. Under försöksperioden var den faktiska driftsbelastningen lägre än den dimensionerade belastningen på grund av relativt lågt inflöde och föroreningskoncentrationer. Tillvägagångssättet var att först odla och acklimatisera det aktiverade slammet tills det biologiska systemet stabiliserats och avloppskvaliteten uppfyllde standarderna, och sedan lägga till MBBR-bärare för biofilmbildning.
Efter att bärarna lagts till den aeroba delen av den biologiska tanken, sänktes de först ned. Mikroorganismer fäster gradvis till sina ytor. Visuellt ändrades färgen på bärarytan från vit till svagt jordgul när fler mikroorganismer fäste och biofilmen blev tätare. Bärarfärgen fördjupades gradvis. Två månader efter tillsats av bärare var biofilmbildningen god, med bärarytan som såg gulaktig-brun ut och färgen fördjupades gradvis. Fyra månader efter tillsats av bärare verkade biofilmen på bärarytan mörkbrun och var tät. Progressionen av biofilmbildning kunde observeras intuitivt baserat på förändringar i bärarfärg, som visas iFigur 2. I december 2021 visade mikroskopisk undersökning av aktivt slam från den biologiska tanken och slam från bärarna kompakta flockstrukturer med goda adsorptions- och sedimenteringsegenskaper. Visuellt visade bärarna uppenbar biofilmbildning. Mikroskopisk undersökning identifierade organismer som Vorticella, Opercularia och Epistylis, med enstaka iakttagelser av några mobila ciliater, vilket tyder på att biofilmbildningsstadiet har slutförts.
4. Driftsprestanda efter renovering av biologisk tank
4.1 Borttagningsprestanda för COD och BOD efter renovering
Avloppsvattnet COD och BOD-värden för 2022 visas iFigur 3. Avlopps-COD varierade från 10,2 till 24,9 mg/L, med ett genomsnitt på 18,0 mg/L. Effluent BOD varierade från 2,1 till 4,9 mg/L, med ett genomsnitt på 3,4 mg/L. Både avloppsvatten COD och BOD uppfyllde stabilt Tianjins lokala klass A-standard. Det renoverade systemet visade inte bara bra reningsprestanda för COD och BOD utan bibehöll också stabila och kompatibla COD- och BOD-nivåer för avloppsvatten under översvämningssäsongen, även när anläggningens faktiska inflytande belastning nådde 110 % av dess designkapacitet. Detta indikerar att systemet har god motståndskraft mot stötbelastningar.
4.2 Borttagningsprestanda för TN och NH₃-N efter renovering
Avloppsvattnet TN- och NH₃-N-värden för 2022 visas iFigur 4. TN varierade från 3,72 till 8,74 mg/L, med ett genomsnitt på 6,43 mg/L. NH₃-N varierade från 0,02 till 1,25 mg/L, med ett genomsnitt på 0,12 mg/L. Under vinterdrift, på grund av lägre temperaturer, minskade nitrifikations- och denitrifikationshastigheterna. I praktiken höjdes slamkoncentrationen till över 6 000 mg/L. Att arbeta med hög slamkoncentration är fördelaktigt för att förbättra det biologiska systemets motståndskraft mot stötbelastningar, särskilt vid låga temperaturer. Synergin mellan hög slamkoncentration och biofilmen fäst på MBBR-bärare förstärker det biologiska systemets reningseffekt.
MBBR-bärare ger en gynnsam miljö för mikrobiella samhällen och stödjer deras tillväxt och reproduktion. Efter acklimatisering och mognad förstärks biofilmens nitrifikations- och denitrifikationskapacitet. Mikroorganismer fäster och växer i lager på bärarytan, ökar tätheten av zoogloea och bildar stora, täta och snabbt stabila slamstrukturer. När de står inför förändringar i yttre vattenkvalitet utsöndrar mikroorganismer på bärarytan extracellulära polymera ämnen (EPS) för självskydd, vilket minskar effekten av plötsliga förändringar i vattenkvaliteten på mikroorganismerna i det inre-skiktet.
I avloppsreningsverk som använder MBBR-processen har samtidiga nitrifikations- och denitrifikationsfenomen (SND) observerats i den aeroba bärarzonen. Testning av TN-värdena för influent och effluent från den aeroba bärarzonen visade en skillnad på 2–6 mg/L. Denna skillnad var mer uttalad, särskilt när det lösta syret i den aeroba tanken kontrollerades under 2 mg/L, vilket indikerar mer signifikant SND under låga syreförhållanden. Avloppsvattnet TN från den sekundära sedimentationstanken har till fullo uppfyllt standarderna, vilket innebär att TN-borttagningen slutfördes inom det biologiska reningsstadiet. I verklig drift fungerar det denitrifierande djup-bäddfiltret som en skyddsprocess. Under normala förhållanden fungerar den som ett vanligt filter för att säkerställa att SS-indikatorerna uppfyller standarderna.
4.3 Borttagningsprestanda för TP och SS efter renovering
Avloppsvatten TP och SS värden för 2022 visas iFigur 5. Reningsverkets avloppsvattenhalt varierade från 0,04 till 0,22 mg/L, med ett genomsnitt på 0,10 mg/L. Effluent SS varierade från 1 till 4 mg/L, med ett genomsnitt på 2,2 mg/L. Efter uppgraderingen var den sekundära sedimenteringstankens avloppsvatten TP cirka 1,0 mg/L och SS cirka 26 mg/L. Genom att tillsätta järnklorid och PAM i den högeffektiva sedimenteringstanken för att förbättra koaguleringen och genom ytterligare rening i det denitrifierande djupfiltret-, uppfyllde avloppsvattnet TP och SS stabilt Tianjins lokala klass A-standard, och färgvärdet reducerades avsevärt.
5. Slutsats
För att möta Tianjins lokala klass A-standard omvandlades den ursprungliga A²/O-processen vid reningsverket till en Bardenpho fem-stegskonfiguration, där MBBR-processen införlivades i den aeroba sektionen för att förbättra borttagningen av biologiskt kväve, vilket minskade avloppsvattnet TN och NH₃-N. Under översvämningssäsongen med överbelastningsflöde uppfyllde alla indikatorer stabilt standarderna, vilket visade god slagtålighet. Efter renoveringen av den biologiska tanken var den interna återvinningsgraden 200 %–300 %, extern slamåtervinning var 50 %–100 %, slamkoncentrationen var 4 000–6 000 mg/L, löst syre i den aeroba zonen kontrollerades till 3–5 mg/L och löst syre i anaerobic zonen var 5.–0. mg/L. År 2022 var reningsverkets avloppsvattenkvalitet: COD 10,2–24,9 mg/L, i genomsnitt 18,0 mg/L; BOD 2,1–4,9 mg/L, genomsnitt 3,4 mg/L; NH3-N 0,02–1,25 mg/L, genomsnitt 0,12 mg/L; TN 3,72–8,74 mg/L, genomsnitt 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, genomsnitt 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, snitt 2,2 mg/L. Alla uppfyllde stabilt klass A-standarden i Tianjins lokala standard "Utsläppsstandard för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk" (DB 12/599-2015).