Jämförelse av två-AO- och tre-stegs AO-processer: en ingenjörskonst Perspektiv
För närvarande använder majoriteten av avloppsreningsverken i Kina aktiverat slam-baserade processer för rening av avloppsvatten. Bland dessa använder nästan hälften processen Anoxic-Oxic (AO). AO-processen erbjuder fördelar som stabil drift och låg kostnad. Emellertid begränsas dess totala kväveavlägsningseffektivitet (TN), vanligtvis från 60 % till 80 %, av interna återvinningsförhållanden. Med allt strängare nationella krav för borttagning av kväve, kämpar konventionella enstegs AO-processer ofta för att möta kraven på TN-behandling. Flerstegs AO-processer har alltså uppstått. Genom att koppla två eller flera AO-steg i serie, tillhandahåller det nitrat som produceras i det föregående aeroba steget substratet för denitrifikation i det efterföljande anoxiska steget. Detta uppnår målet att minska det interna återvinningsförhållandet samtidigt som det övergripande TN-avlägsnandet förbättras. Men överdrivna steg kan också öka den operativa komplexiteten. Följaktligen är de vanligast använda konfigurationerna i Kina för närvarande AO-processerna i två-och tre-steg. Det här dokumentet presenterar en jämförande analys av AO-processer i två-och tre-steg med användning av en reningsverk i södra Kina som fallstudie, i syfte att ge en referens för valet av tekniska rutter i liknande projekt.
1 Projektöversikt
En reningsverk i södra Kina täcker en total yta på 8 hektar. Dess ursprungliga konstruktionskapacitet var 90 000 m³/d, med avloppskvalitet som krävs för att uppfylla både Grade A-standarden för "Utsläppsstandarden för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk" (GB 18918-2002) och "Water Pollutant Discharge Limits" i Guangdong-provinsen/2}DB 20inher (6{014) hänvisas till som "Quasi-Class V"). Anläggningen var i drift med full kapacitet. Enligt relevant planering krävdes en utbyggnad. De framtida avloppsstandarderna, baserade på den nuvarande statusen, behövde överväga ett långsiktigt krav på TN som är mindre än eller lika med 10 mg/L. Med tanke på platsens faktiska förhållanden, fastställdes skalan för anläggningsbyggandet för denna utbyggnad till 70 000 m³/d. Anläggningen skulle drivas med 50 000 m³/d på kort sikt och nå skalan på 70 000 m³/d på lång sikt, vilket ger anläggningens totala reningskapacitet till 160 000 m³/d. Den designade inlopps- och avloppsvattenkvaliteten visas iTabell 1.
På grund av platsbegränsningar antog den preliminära planen för expansionen processvägen "Multi-AO + Perifer-In Perifer-Ut rektangulär sedimentationstank + hög-sedimenteringstank + fiberplatta-och filter{8}". De civila strukturerna för alla större enheter byggdes för skalan 70 000 m³/d, medan utrustning installerades för kapaciteten på 50 000 m³/d. Den biologiska tanken skulle använda en AO-process i flera-steg på kort sikt. På lång sikt skulle tillsättning av suspenderade bärare skapa en hybridbiofilm-aktiverad slamprocess för att möta efterfrågan på 40 % kapacitetsutbyggnad. För denna konstruktion övervägdes hydrauliska förhållanden för 70 000 m³/d-skalan, medan biologisk rening utformades för 50 000 m³/d-skalan. Eftersom detta projekt hade för avsikt att införa en AO-process i flera-steg, gjordes en jämförelse mellan två- och tre-stegs AO.
2 Jämförelse av AO-processer i två- och tre-steg
2.1 Processflöde
Kärnprincipen i AO-processen i flera-steg är att använda nitrat som producerats i det föregående aeroba steget för denitrifikation i det efterföljande anoxiska steget, och därigenom minska det interna återvinningsförhållandet. Teoretiskt leder fler steg till bättre TN-borttagning, men kontrollen blir mer komplex. I ingenjörspraktik är två-- och tre-stegs AO dominerande. Deras processflöden visas iBild 1. För en AO i två-steg utformas intern återvinning vanligtvis inom det första AO-steget. För en AO i tre-steg används i allmänhet inte intern återvinning. Avloppsreningsverk i Peking som använder två-AO-processen inkluderar Qinghe (400 000 m³/d), Xiaohongmen (500 000 m³/d), Gao'antun (400 000 m³/d), Dingfuzhuang (200 000 m³/d) och Huaid 000 m³/d (60 m³). Denna process erbjuder fördelar som enkel utrustning, låga drift- och underhållskostnader, stark motståndskraft mot stötbelastningar och hög kompatibilitet med andra processer, vilket underlättar framtida uppgraderingar för att möta högre avloppsstandarder. Teoretiskt sett kan en trestegs AO i serie eliminera behovet av intern återvinningsutrustning, möjliggöra en mer rationell allokering av kolkällor och minska investerings- och driftskostnader. Denna process tillämpas i första hand i scenarier med tillräckliga kolkällor och höga krav på kväveavskiljning. Typiska fall inkluderar avloppsreningsverket Qujing i Yunnan (80 000 m³/d), stadsreningsverket i Ninghe District i Tianjin (90 000 m³/d), avloppsreningsverket Zhangguizhuang i Tianjin (200 000 m³/d) och återvinningsverket i Daoxianghu i Peking (80,00 m³d).
2.2 Processjämförelse
Med tanke på att ingen ytterligare mark är tillgänglig för framtida uppgraderingar på denna plats, och att vissa nya lokala projekt redan implementerar en TN-standard för avloppsvatten på mindre än eller lika med 10 mg/L, ansåg processjämförelsen ett biologiskt tankavloppsvatten TN på mindre än eller lika med 10 mg/L för att tillgodose möjligheten till ytterligare stränga avloppskrav i framtiden. Andra indikatorer höll sig till designavloppskvaliteten. Baserat på layouten, för den närmaste- skalan på 50 000 m³/d, var den maximala hydrauliska retentionstiden (HRT) för den biologiska tanken 18 timmar. Genom att kombinera projektets faktiska förhållanden, BioWin-simuleringsresultat och bekvämligheten med koppling med hängande bärare, genomfördes en jämförelse mellan två- och tre{10}}stegs AO-processer.
2.2.1 BioWin-simulering
En initial HRT på 18 timmar sattes in och reducerades gradvis. Den lägsta HRT som uppnådde TN-kravet för avloppsvatten var 14 timmar. För AO i två-steg var inflytande distributionspunkter den anaeroba zonen, den anoxiska zonen i första-steget och den andra-anoxiska zonen. För AO i tre-steg var influenspunkter den anaeroba zonen, den andra-stadiet anoxiska zonen och den tredje-steget anoxiska zonen.
① Studie med fast inflytande distributionsförhållande
Genom att ställa in influensfördelningsförhållandet till 4:3:3 för båda, jämförde simuleringarna tre scheman: två-stegs AO (återvinningsförhållande 200%), tre-stegs AO med ett totalt återvinningsförhållande på 200% (100% återvinning inom det första AO-steget + 100% återanvändning från den tredje Oxiska zonen till den tredje Oxiska zonen till den tredje Oxiska zonen) och tre{5}Oxiska zonen. med ett återvinningsförhållande på 100 % (återvinn endast inom det första AO-steget). Simuleringsflödena visas iFigur 2.
Tabell 2visar simuleringsresultaten för ett fast inflytandeförhållande vid HRT=14 h.
Från tabell 2 kan man se att för både två-- och tre-stegs AO rekommenderas att sätta upp intern återvinning i det första AO-steget för att maximera denitrifikationen i den första anoxiska zonen genom att använda kolkällan i det råa inflödet. För AO i tre-steg förbättrades TN- och TP-borttagningen något genom att sätta upp intern återvinning från slutet av det tredje steget till den första anoxiska zonen, men effektiviteten för borttagning av organiskt material minskade. Detta är en spekulation som tillskrivs det ökade totala flödet i den biologiska tanken på grund av återvinningen, som förde löst syre in i den syrefria zonen, vilket påverkar den syrefria miljön. Dessutom förkortades den faktiska HRT i varje zon, och övergången mellan driftsförhållanden accelererade, vilket ledde till minskad effektivitet. För inflytande egenskaper som de i det här projektet i södra Kina, där TN-koncentrationen inte är särskilt hög, kan AO i två-steg uppfylla avloppskraven fullt ut, utan att visa någon tydlig fördel för AO i tre-steg. För scenarier med hög COD och hög TN-inflytande kan tre{11}}stegs AO vara mer lämplig.
② Studie om justering av inflytande distributionsförhållanden
Både två-och tre-stegs AO sattes med 100 % intern återvinningsgrad i det första AO-steget. Studier utfördes på fler-punkters influensfördelningsförhållanden (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Här betyder 1:0:0 att alla inflytande kommer in längst fram; 3:7:0 för AO i tre-steg betyder att inflödet endast distribueras till den anaeroba zonen och det andra AO-steget. Simuleringsresultat för justerade fördelningsförhållanden visas iTabell 3.
Av tabell 3 kan man se att fördelningskvoten har en liten inverkan på avloppskvaliteten. Den allmänna trenden är att när andelen inflöde som distribueras till senare stadier ökar, ökar koncentrationerna av utloppsvatten TN, NH₃-N och TP, och efterfrågan på luftning ökar också gradvis. När inflödesförhållandet var 3:7:0 visade AO i tre-steg något bättre TN-avlägsnande och ett något lägre luft-till-förhållande än två-AO. Men i verklig drift är denna skillnad i allmänhet försumbar. Att öka andelen inflytande till senare stadier, samtidigt som det är fördelaktigt för användningen av kolkällor vid denitrifikation, ökar oundvikligen belastningen på biokemiska reaktioner på grund av tillförseln av NH₃-N, organiskt material och TP. Därför rekommenderas det att behålla konfigurationen för fler-inflöde och göra stegvisa justeringar baserat på faktisk vattenkvalitet under drift. Det är värt att notera att även om AO i tre-steg visade bättre TN-avlägsnande än två-AO vid ett inflödesförhållande på 2:4:4, när inflödet till senare stadier ökade, visade avloppsvattnet NH₃-N en stigande trend, vid vilken tidpunkten-NH3₂}n inte längre kunde uppfylla{{1} utflödesstandarden.
③ Behandlingsprestanda i två-steg och tre-steg AO
En AO-konfiguration i tre-steg simulerades med HRT=14 h, lika volymförhållanden för varje steg (1:1:1), 100 % intern återvinning inställd i det första AO-steget och ett inflödesförhållande på 4:3:3, under två förhållanden: med 100 % återvinning och med återvinning stängd. En AO-konfiguration i två-steg simulerades med HRT=14 h, 100 % intern återvinningsuppsättning och ett inflödesförhållande på 4:3:3. Resultaten visade att AO i två-steg uppnådde det optimala TN för avloppsvatten vid 6,29 mg/L; AO i tre-steg med 100 % intern återvinning i fronten uppnådde näst bäst med 7,51 mg/L; AO i tre-steg utan intern återvinning presterade sämre med 8,52 mg/L. Alla tre scenarierna skulle kunna uppfylla kravet på kontroll av avloppsvatten (TN Mindre än eller lika med 10 mg/L).
Tabell 4visar designparameterjämförelsen mellan två-steg och tre-stegs AO. Det kan ses att för båda processerna är den HRT som krävs för att uppnå TN-kravet för avloppsvatten mindre än 18 timmar. De huvudsakliga skillnaderna mellan de två processerna är följande:
a. Teoretiskt sett, tre-stegs AO har en högre övre gräns; dvs om det används på rätt sätt kan både investerings- och driftskostnaderna bli lägre. AO i två-steg har färre utrustningsartiklar och stadier, vilket resulterar i lägre utrustningskostnader och lägre operativa hanteringssvårigheter.
b. För detta specifika projekt, eftersom man övervägde lång sikt och tankvolymen var designad för en 18-timmars HRT, skulle den civila investeringen vara identisk oavsett om man använder två- eller tre-stegs AO. Utrustningskostnaden för AO i tre-steg är högre. Ur ett investeringsperspektiv är det därför mer ekonomiskt att anta tvåstegs AO.
c. Angående driftskostnader, skulle AO i tre-steg kunna spara cirka 0,002 CNY/m³ genom att eliminera energikostnaden för återvinning av blandad sprit till 100 %. Med tanke på den potentiella minskningen av kolkällans utnyttjandeeffektivitet i faktisk drift på grund av alternerande anoxiska/oxiska förhållanden i tre-stegs AO, skulle den faktiska skillnaden i driftskostnader sannolikt vara ännu mindre.
2.2.2 Analys av Långsiktigt-scenario för avstängd operatör
På grund av de unika kraven i det här projektet behövde den biologiska tanken överväga genomförbarheten och bekvämligheten med den långsiktiga-kapacitetsplanen för kapacitetsutbyggnad, dvs. effekten av att lägga till suspenderade bärare.
Kärnan i MBBR-processen är att öka biomassan i reaktorn genom att tillsätta suspenderade bärare. Dessa kan läggas till aeroba, anoxiska eller anaeroba tankar. Men med tanke på bärarfluidisering, skulle tillsats av dem till anaeroba eller anoxiska tankar avsevärt öka kraven på blandningseffekt. Därför rekommenderas tillägg till aeroba tankar. Volymen för anaeroba/anoxiska zoner kan kompletteras genom avskiljning från den aeroba zonen, medan bristen i aerob volym kompenseras av de tillsatta bärarna. Med andra ord, den otillräckliga aeroba volymen bärs av den ökade ytan hos de upphängda bärarna, som beräknas baserat på föroreningsbelastningsomvandling för att bestämma den erforderliga bärarmängden, kontrollerar ett visst fyllningsförhållande för att erhålla den tillförda volymen.
Baserat på beräkningar, om man använder två-AO-processen och lägger till alla suspenderade bärare till den första-aeroba zonen på lång sikt, skulle den erforderliga MBBR-bärarens yta vara 2 597 708 m², vilket kostar 12,99 miljoner CNY. Andra relaterade kostnader för fast utrustning (inklusive MBBR-fluidiseringssystem, dedikerade blandare, screeningsystem och intelligenta styrsystem) skulle vara 6,15 miljoner CNY. Om man använder AO-processen i tre-steg, på grund av mer spridda zoner, skulle MBBR-zonen behöva delas upp i två sektioner (första-steget och andra-steget aeroba zoner). Följaktligen skulle kostnaden för att installera motsvarande fast MBBR-utrustning (exklusive transportörerna själva) öka något till 7,77 miljoner CNY, medan transportörens kostnad förblir densamma. Detta innebär att antagande av AO i tre-steg skulle öka framtida renoveringsinvesteringar med 1,62 miljoner CNY och även öka komplexiteten i eftermonteringen. Dessutom är screeningsystemet det område som är mest utsatt för problem efter tillsats av bärare. AO i tre-steg lägger till en extra del av skärmar, vilket ökar driftssvårigheterna.
Från ovanstående jämförelse, på grund av den överdrivna partitioneringen i tre-stegs AO, med varje partition som har en liknande volym, är dess eftermonteringssvårigheter högre än den för två-stegs AO. Konstruktion, driftskomplexitet och tillägg av screeningutrustning resulterar också i högre investeringar än två-AO. Därför är det bättre att använda två-stegs AO för framtida koppling med upphängda bärare.
2.3 Jämförelseresultat
Baserat på ovanstående analys kan både två-- och tre-stegs AO-processer uppnå målet för avlopps-TN Mindre än eller lika med 10 mg/L. Under gränsvillkoren för detta projekt-begränsat utrymme, behovet av att maximera-tankvolymen på kort sikt och den långsiktiga-planen för att lägga till suspenderade transportörer-har de två-stegs AO fördelar när det gäller-investeringar och bekvämlighet för utrustningshantering/underhåll. Det erbjuder också högre kompatibilitet för framtida eftermontering med suspenderade bärare, vilket resulterar i lägre totala investeringar och minskade eftermonterings- och driftssvårigheter. Efter omfattande övervägande rekommenderades därför AO-processen i två-steg för denna design.
3 Operationell prestanda
Den totala uppskattade investeringen för detta projekt är 304,5721 miljoner CNY, med byggkostnader på 243,6019 miljoner CNY, vilket motsvarar en byggkostnad per enhet på 3 480,03 CNY/m³. Behandlingskostnaden är 1,95 CNY/m³ och driftskostnaden är 1,20 CNY/m³.
För detta projekt har den biologiska tanken en total HRT på 18 timmar (innefattande: anaerob zon 2 h, första-steget anoxisk zon 3,5 h, första-steget aerob zon 7,5 h, avgasningszon 0,5 h, andra-steget anoxisk zon.-anoxisk zon. 2 h), med ett effektivt vattendjup på 8,6 m. Justerbart sektionsvattenintag är implementerat, vilket möjliggör justeringar av inflödesfördelningsförhållandet i steg om 20 % efter behov. I verklig drift sträcker sig koncentrationen av suspenderade fasta ämnen (Mixed Liquor Suspended Solids) i den biologiska tanken från 3 500 till 4 000 mg/L, slamreturförhållandet varierar från 40 % till 100 % och det interna återvinningsförhållandet för blandad lut varierar från 100 % till 200 %. Faktiskt inflöde och avloppskvalitet visas iTabell 5, vilket i princip överensstämmer med simuleringsresultaten.
4 Slutsats
Med hjälp av en reningsverk i södra Kina som fallstudie genomfördes en teknisk och ekonomisk jämförelse mellan två- och tre{1}}stegs AO-processer med hjälp av BioWin-simulering. Två- AO, med färre utrustningsartiklar och stadier, lägre utrustningskostnader och lägre operativ hanteringssvårigheter, är mer lämplig för förhållanden i södra Kina där inflytande TN inte är särskilt hög. För tre-stegs AO påverkade inställningen av intern återvinning från slutet av det tredje steget till den första anoxiska zonen negativt effektiviteten för TN-borttagning, ökade svårigheterna med operativ hantering och ökade investeringskostnaderna. Konstruktionen uppfyller samtidigt de nära-behandlingskraven på 50 000 m³/d och TN Mindre än eller lika med 10 mg/L, medan den långsiktiga skalan på 70 000 m³/d kan uppnås genom koppling med upphängda bärare. Faktiska driftsresultat överensstämmer i stort sett med BioWin-simuleringsresultaten, med ett genomsnittligt TN för avloppsvatten på 6,86 mg/L, vilket uppfyller designkraven.