Tillämpning av BIOLAK-processen vid uppgraderingen av ett avloppsreningsverk till kvasi-klass IV-standarder
BIOLAK-processen introducerades i Kina i början av 2000-talet och fick bred tillämpning inom kommunal avloppsvattenrening på grund av dess enkla struktur och låga investeringskostnader. Under de senaste åren, med skärpning av utsläppsstandarder och ökande automatisering, står de flesta befintliga BIOLAK-anläggningar inför uppgraderingar. Förbättringar som att lägga till suspenderade bärare, eftermontera tankar och omdefiniera funktionella zoner implementeras för att förbättra kväve- och fosforavskiljningen. Medan nybyggda anläggningar övervägande använder A²/O och oxidationsdikeprocesser, finns det få rapporter om BIOLAKs faktiska prestanda, särskilt under stränga utsläppsnormer. BIOLAK-processen använder svängande luftningskedjor för att skapa tidsmässiga anoxiska och aeroba zoner, som i huvudsak fungerar som en A/O-process i flera-steg. Genom driftsoptimering kan avloppskvaliteten stabilt uppfylla kvasi-klass IV ytvattenstandarden.
1 Projektets bakgrund
Ett reningsverk i Hebeiprovinsen använder BIOLAK-processen som sin kärnteknologi. Inflödet sträcker sig från 18 000 till 22 000 m³/d, i genomsnitt 19 000 m³/d, och behandlar främst hushållsavlopp från städer och en liten mängd avloppsvatten från jordbruket. De designade inflödes- och avloppskvaliteterna visas iTabell 1. Den ursprungliga utsläppsstandarden var Grade A-standarden för *"Utsläppsstandard för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk" (GB 18918-2002)*. Efter en uppgradering som inkluderade uppdelning av en anaerob zon för att förbättra denitrifikation och avfosforisering, uppfyller anläggningen nu de viktigaste kontrollområdena gränserna för *"Water Pollutant Discharge Standards for the Daqing River Basin" (DB13/2795-2018)*. Förutom totalt kväve uppfyller alla andra indikatorer klass IV-standarderna som specificeras i *"Environmental Quality Standards for Surface Water" (GB 3838-2002)*. Processflödet visas iBild 1.
Anläggningen använder natriumhypoklorit för desinfektion. Slam avvattnas genom hög-tryckplåt- och ramfiltrering till under 60 % fukthalt innan det transporteras för sam-bearbetning i cementugnar.
Bidraget från varje behandlingsenhet till avlägsnandet av föroreningar beräknades utifrån massbalans, med specifika metoder som refereras från litteraturen.
2 Åtgärder för optimering av driftstyrning
Flera optimeringsåtgärder genomfördes under driften för att förbättra avloppsvattnets stabilitet och uppnå energi- och kostnadsbesparingar.
2.1 Förbättrad kontroll av upplöst syre (DO).
Befintliga BIOLAK eftermonteringsprojekt noterar ofta dess svaga zonindelning som en A/O-variant i flera-steg, vilket leder till låg denitrifieringseffektivitet. I detta projekt hölls den maximala DO i slutet av luftningszonen vid 0,5–1,0 mg/L, lägre än konventionella DO-kontrollkrav, samtidigt som man säkerställde överensstämmelse med ammoniakkväve i avloppsvattnet.
2.2 Ökad övervakning av processdata
För att styra DO-kontroll och extern kolkälladosering övervakades nitratkväve och ammoniakkväve i slutet av den anaeroba zonen och BIOLAK-tanken för att bestämma optimala kontrollområden. Under drift reducerades eller stoppades doseringen av externa kolkällor när nitratkväve i slutet av den anaeroba zonen<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Ställa in mål för intern avloppskontroll
För att säkerställa stabil efterlevnad sattes internkontrollmål till 30 %–80 % av utsläppsgränserna, baserat på svårigheten att kontrollera varje förorening. Överskridandet av dessa interna gränser utlöste omedelbara processparameterjusteringar för att återföra avloppskoncentrationerna till ett acceptabelt intervall. De årliga målen för internkontroll för COD, ammoniakkväve, totalt kväve och totalt fosfor var 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L respektive 0,12 mg/L.
2.4 Upprätthålla lämplig slamkoncentration
Slamspillan justerades utifrån flöde, belastning och säsong. Slamretentionstiden (SRT) hölls vid 15–25 dagar och koncentrationen av suspenderade fasta ämnen (MLSS) vid 2 500–4 500 mg/L. Specifikt kontrollerades MLSS till 2 500–3 500 mg/L sommar och höst, med en slambelastning på cirka 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d), och vid 3 500–4 500 mg/L på vintern och våren, med en slambelastning på cirka 0,04 kgMLSSCOD/(kgMLSS·d).
2.5 Justera driften av avancerade behandlingsenheter
Låga temperaturer på vintern påverkade flockning och sedimentation. Otidig återspolning av filter av V-typ kan leda till förhöjda suspenderade fasta partiklar och COD. Under vinterdrift ökades därför återspolningsfrekvensen baserat på koaguleringsprestanda, och slamutsläppet från koagulerings-sedimenteringstanken intensifierades för att minska koncentrationen av suspenderade fasta ämnen i avloppsvattnet.
3 Behandlingsprestanda
Den årliga inflytande COD varierade från 109 till 248 mg/L, i genomsnitt 176 mg/L. Avloppsvattnet COD varierade från 9,5 till 20,1 mg/L, i genomsnitt 12,1 mg/L. När avloppsvattnet COD överskred det interna kontrollmålet (15 mg/L), ökades frekvensen för återspolning av filter för att minska suspenderade fasta partiklar. Det rekommenderas att uppgradera sedimentationstanken-till en-högtäthet eller magnetisk koagulations-sedimentationstank för bättre koagulationseffektivitet.
Årligt inflöde av ammoniakkväve varierade från 17,8 till 54,9 mg/L, i genomsnitt 31,9 mg/L. Utgående ammoniakkväve varierade från 0,12 till 1,30 mg/L, i genomsnitt 0,5 mg/L. När det översteg mål för intern kontroll justerades luftningen enligt optimeringsåtgärderna. Avloppskvaliteten uppfyllde stabilt gränsvärdena för nyckelområdena *DB13/2795-2018* under hela året.
På grund av den låga koncentrationen av kolkällor låg fokus på att optimera processförhållandena för att förbättra kväve- och fosforavskiljningen, i syfte att spara energi och kostnader.
3.1 Optimering av DO-kontroll och total kväveavskiljning
Det årliga inflödet av totalt kväve (TN) varierade från 20,3 till 55,6 mg/L (seFigur 2), i genomsnitt 42,1 mg/L. Effluent TN varierade från 2,5 till 14,2 mg/L, i genomsnitt 8,8 mg/L, inom internkontrollmålet (12 mg/L). Den genomsnittliga TN-borttagningsgraden var 79,1 %. Med ett slamåtervinningsförhållande på 90 % (ingen intern återvinning av blandad lut) var den teoretiska denitrifikationseffektiviteten 47,4 %, vilket indikerar att denitrifiering även förekom i andra processzoner bortom den anaeroba väljaren. Förändringar i kväve längs reningståget i en typisk cykel visas iFigur 3.
I en typisk cykel var influent TN 42,0 mg/L, varvid summan av ammoniak och nitratkväve var 35,2 mg/L. Efter den anaeroba väljaren var TN 16,7 mg/L, vilket resulterade i en borttagningshastighet på 43,5 % via massbalans, i överensstämmelse med det teoretiska värdet. BIOLAK-tanken bidrog med 24,0 % TN-borttagning. Effluent TN reducerades ytterligare i den sekundära sedimenteringstanken, vilket bidrog med ytterligare 11,3 % avlägsnande, främst på grund av dess långa hydrauliska retentionstid (8,6 timmar) som möjliggör endogen kolkälla-driven denitrifikation. Övriga enheter bidrog med 1,9 % bortfall. Slutligt utflöde TN var 8,1 mg/L, med en total avskiljningsgrad på 80,7 %.
Operativ erfarenhet visar att DO-kontroll är avgörande för TN-borttagning i BIOLAK-processen. I konventionella processer mäts DO vanligtvis i slutet av den aeroba zonen i en kanalstruktur där DO är relativt enhetlig över tvärsnittet. Men i BIOLAK-tanken är luftningszonens ände nästan 70 meter bred, med DO som ökar från sluttningskanten till mitten, vilket skiljer sig med 0,5–1,0 mg/L. Därför kräver placeringen av DO-sonder noggrann uppmärksamhet.
Genom att strikt kontrollera den maximala DO i slutet av BIOLAK-luftningszonen säkerställdes effektivt en anoxisk miljö som var nödvändig för denitrifiering. Samtidig nitrifikation och denitrifikation (SND) med användning av endogena kolkällor uppnåddes, vilket resulterade i effektivt avlägsnande av TN.
3.2 Totalt fosforavskiljande och driftsoptimering
Det årliga inflödet av total fosfor (TP) varierade från 1,47 till 4,80 mg/L (seFigur 4), i genomsnitt 2,99 mg/L. Effluent TP varierade från 0,04 till 0,17 mg/L. Doseringen av fosforborttagningsmedel justerades baserat på mål för intern kontroll (0,12 mg/L). Den genomsnittliga koncentrationen av TP-avloppsvatten var 0,07 mg/L, vilket stabilt uppfyllde utsläppsstandarden, med en genomsnittlig TP-avlägsningsgrad på 98,3%.
Förändringar i fosfat längs behandlingståget i en typisk cykel visas iFigur 5.
Influent fosfat var 2,70 mg/L, och returslamfosfat var 0,58 mg/L, vilket gjorde det teoretiska fosfatet som kom in i den anaeroba väljaren till 1,70 mg/L. Efter anaerob fosforfrisättning av polyfosfat-ackumulerande organismer (PAO) nådde fosfatkoncentrationen 3,2 mg/L. Fosfatkoncentrationsförhållandet (maximalt i anaerob zon/inflöde) var 1,9, vilket indikerar signifikant frisättning. Huvudorsaken var den effektiva denitrifieringen under låga DO-förhållanden, vilket resulterade i låg nitratkoncentration i returslammet till den anaeroba zonen, upprätthållande av en god anaerob miljö (ORP i allmänhet under -200 mV) och främjande av fosforfrisättning.
Efter BIOLAK-luftningszonen inträffade ett betydande fosforupptag, vilket minskade fosfatkoncentrationen i slutet till 0,3 mg/L, vilket uppnådde en biologisk fosforavskiljningseffektivitet på 88,9%. Efter sedimenterings- och stabiliseringstanken ökade fosfatkoncentrationen till 0,64 mg/L. Analys tyder på att detta berodde på den långa HRT i sedimentationstanken och den strikt kontrollerade DO i BIOLAK-tanken, vilket skapade ett anaerobt tillstånd i sedimentationstanken och orsakade sekundär fosforfrisättning. Efter kemikaliedosering i koagulationsenheten reducerades effluentfosfat till 0,06 mg/L. Med tanke på ekonomiska kostnader och driftskomplexitet är det därför en hållbar optimeringsstrategi för liknande anläggningar att offra en viss effektivitet av biologisk fosforavskiljning för att förbättra denitrifieringen.
4 Driftskostnader
Direkta driftskostnader inkluderar el, kemikalier och slamhantering. Baserat på årsstatistik var den specifika energiförbrukningen 0,66 kWh/m³. Med ett elpris på 0,65 CNY/kWh (baserat på en sammansättning av topp/off-taxa), var elkostnaden 0,429 CNY/m³. Denna förbrukning är i överkant enligt "Utvärderingsstandarden för driftkvalitet av kommunala avloppsreningsverk", främst på grund av luftningssystemets något lägre syreutnyttjandeeffektivitet. Kemiska kostnader, inklusive natriumacetat, fosforborttagningsmedel, PAM, natriumhypoklorit och awattningskemikalier, uppgick till 0,151 CNY/m³. Specifik användning och kostnader visas iTabell 2.
Slam härrör huvudsakligen från biologiska och kemiska (koaguleringstank) källor. Hög-tryckplåt- och ramfiltrering används med kalk och järnklorid som konditioneringsmedel. Kalkdosering är cirka 25 % av torrslamvikten. Avvattnad kaka har en fukthalt på 60%. Daglig avvattnad slamproduktion är cirka 9 ton, med ett specifikt torrslamavkastning på cirka 0,15 %. Slamtransport kostar 250 CNY/ton, vilket resulterar i en slamomhändertagande kostnad på cirka 0,118 CNY/m³. Därför är den totala direkta produktionskostnaden 0,698 CNY/m³.
5 Slutsatser
① Ett avloppsreningsverk i Hebei-provinsen, som använder BIOLAK-processen för att behandla kommunalt avloppsvatten, drevs kontinuerligt under ett år med avloppskvaliteten som stabilt uppfyllde de viktigaste kontrollområdenas gränser för *DB13/2795-2018* (Quasi-Klass IV ytvattenstandard).
② Som en variant av A/O-processen i flera-steg, resulterade styrning av den maximala DO i slutet av BIOLAK-luftningszonen vid 0,5–1,0 mg/L i en TN-avlägsningshastighet på 24,0 % i BIOLAK-zonen och 11,3 % i sedimenteringstanken. Detta uppnådde samtidig nitrifikation-denitrifiering och endogen kolkälla denitrifiering, vilket visar betydande kväveavlägsnande förmåga.
③ Den direkta driftskostnaden för BIOLAK-processen var 0,698 CNY/m³. Driftsoptimeringsåtgärder, inklusive processdataövervakning och fastställande av rimliga mål för intern kontroll, kan ge referenser för att optimera driften och uppnå energi-/kostnadsbesparingar i liknande avloppsreningsverk.