שדרוג AAOAO-MBBR ושדרוג חמצון אוזון: השגת תקני מים מעין-Class IV ב-Qingdao WWTP

שדרוג התכנון והפרקטיקה של מפעל לטיהור איכות המים של שינאן צ'יאנה בהתבסס על תהליך AAOAO-MBBR וחמצון אוזון

צ'ינגדאו, כעיר מרכזית מרכזית בחוף הלאומי, השיגה תוצאות משמעותיות בממשל אקולוגי. עם זאת, בהשוואה למטרופולינים-בינלאומיים מובילים, מערכת ניהול סביבת המים העירונית שלה עדיין מתמודדת עם אתגרים מבניים.

נכון לעכשיו, ישנם פערים בין שיעור הכיסוי של רשת צינורות הניקוז, היעילות התפעולית של מתקני טיפול בשפכים וציפיות הציבור לסביבת מים באיכות גבוהה-. יש גם מרחק ממימוש החזון האקולוגי של בניית "צ'ינגדאו יפה".

כדי להתמודד עם אתגרים אלה, צ'ינגדאו צריכה בדחיפות ליישם צעדים שיטתיים כגון תכנון מדעי, הקצאת משאבים אופטימלית וחיזוק השקעות בתשתיות. מאמצים אלה שואפים לשפר באופן מקיף את היעילות של רשת איסוף השפכים ויכולת הטיפול המסוף, ובכך לבסס את הבסיס האקולוגי לפיתוח בר-קיימא של העיר.

פרויקט מפעל לטיהור איכות המים של שינאן צ'יאנה ממוקם באזור החוף המערבי החדש של צ'ינגדאו. יש לו קיבולת טיפול מתוכננת של 50,000 מ"ר ליום, שטח אתר כולל של 33,154 מ"ר, והשקעה כוללת של 182.4 מיליון יואן. דו"ח בדיקת ההיתכנות לפרויקט הסתיים במרץ 2021, התכנון והתקציב המקדמיים אושרו ביוני אותה שנה, והבנייה החלה רשמית באפריל 2023. היא נמצאת כעת בשלב הקמה. התכנון המקורי דרש שפרמטרים מרכזיים של קולחין יעמדו בתקני Class V המצוינים ב-GB 3838-2002 "תקני איכות סביבה למים עיליים", בעוד שכל חנקן (TN) ואינדיקטורים אחרים היו עומדים בתקני דרגה A של GB 18918-2002 "תקן הזרמה של מזהמים למפעלי שפכים עירוניים".

במרץ 2022, מינהל לענייני המים של צ'ינגדאו פרסם את "ההודעה על ביצוע עבודות שדרוג ושיפוץ עבור מפעלי טיהור שפכים עירוניים בצ'ינגדאו". הודעה זו דרשה מפעלי טיהור מסביב למפרץ Jiaozhou, מפרץ בוהאי ולאורך נהרות להשלמת שדרוגים, מה שהעלה את תקן ההזרמה לאיכות מים עיליים מעין -Class IV, כאשר שפכים TN נשלטים בין 10-12 מ"ג/ליטר. פרסום מדיניות זו נפל בטווח שבין אישור התכנון הראשוני של הפרויקט (יוני 2021) לבין תחילתו הפיזית (אפריל 2023), ויצר פער טכני בין תקני התכנון המקוריים שכבר אושרו לבין הדרישות הסביבתיות העדכניות ביותר. כמתקן חדש לטיפול בשפכים באזור החדש של החוף המערבי, כדי להבטיח עמידה בסיומה, היה הכרחי לבצע במקביל אופטימיזציה של תהליכים בשלב הבנייה ולפתח תוכנית שדרוג כדאית מבחינה כלכלית באמצעות מחקרי היתכנות.

1. עיצוב ובחירה של סכמת תהליך

1.1 איכות שפכים מעוצבת

תקני הקולחים של הפרויקט שודרגו מאיכות מים עיליים מעין-מדרגה V לאיכות מים עיליים מעין-מדרגה IV. היה צורך בפתרונות טכניים סבירים כדי להפחית עוד יותר את הערכים של אינדיקטורים כגון BOD, COD_Cr,TN, NH₃-N ו-TP בשפכים. ניתוח ספציפי מוצג בטבלה 1.

1.2 בחירת תכנית טכנית הנדסית

זרימת התהליך של המפעל בבנייה מוצג באיור 1.

המפעל בבנייה מאמץ את תהליך "טיפול מוקדם + מיכל ביוכימי AAOAO שונה + מיכל שיקוע משני + מיכל שיקוע ביעילות גבוהה-+V-מסנן מסוג + חמצון אוזון". מתווה המבנים קומפקטי, לא מותיר עודפי קרקע לפרויקט השדרוג, ולכן יש להתבסס על הבנייה השוטפת. השדרוג מכוון בעיקר להסרת מזהמים כמו COD_Cr, NH₃-N, TN ו-TP. הוצעו שתי תוכניות השוואה, כמפורט בטבלה 2.

תכנית 1: AAOAO-MBBR +-תהליך מיכל שקיעה ביעילות גבוהה

• שינוי מערכת ביוכימית: ייעל את המבנה של המיכל הביוכימי AAOAO בבנייה. שפר את יכולת הדניטריפיקציה על ידי הרחבת נפח האזור האנוקסי. במקביל, הוסף נושאי MBBR באופן מקומי באזור האירובי ליצירת תהליך מורכב, חיזוק יעילות ההסרה הביוכימית של NH₃-N ו-TN.
• שדרוג מערכת פיזיקוכימי: בצע אופטימיזציה של מבנה המיכל ופרמטרי הציוד התומך של מיכל השקיעה ביעילות גבוהה- כדי להבטיח תאימות יציבה ל-TP.
• שיפור טיפול מתקדם: הגדל את המינון ביחידת חמצון האוזון כדי לפרק עוד יותר חומר אורגני עקשן, תוך הבטחת COD_Crתאימות לשחרור.

תכנית 2: מיכל שיקוע-ביעילות גבוהה + תהליך סינון מיטה עמוקה

• אופטימיזציה של מצב פעולה: לשמור על המבנה המקורי של המיכל הביוכימי AAOAO. הוסף מכשירי אוורור מתכווננים באזור האנוקסי שלאחר-המעבר באופן דינמי בין מצבים אנוקסיים/אירוביים על סמך איכות ההשפעה, מה שמבטיח את יעילות הטיפול ב-NH₃-N.
• שדרוג מערכת פיזיקוכימי: בצע אופטימיזציה של מבנה המיכל ופרמטרי הציוד התומך של מיכל השקיעה ביעילות גבוהה- כדי להבטיח תאימות יציבה ל-TP.
• אימוץ מסנן Denitrifying: המר את המסנן מסוג -V למסנן מיטה עמוקה מונעת דחיסות, תוך שימוש במינון מקור פחמן כדי לשפר את יכולת הסרת TN.
• שיפור טיפול מתקדם: הגדל את המינון ביחידת חמצון האוזון כדי לפרק עוד יותר חומר אורגני עקשן, תוך הבטחת COD_Crתאימות לשחרור.

שתי התוכניות יכולות לעמוד בדרישות להסרת חנקן וזרחן. תכנית 1 משתמשת בשינויים במיכל הביוכימי כדי להשיג הסרת TN. היתרון שלו טמון בניצול מלא של מקור הפחמן המשפיע. כאשר TN השפע משתנה, ניתן להוסיף גם מקור פחמן חיצוני באזור האנוקסי להסרת TN. לשם השוואה, מסנן המיטה העמוק המדניטרית המשמש בתכנית 2 מחייב שימוש במקור פחמן חיצוני ודורש תחזוקה ארוכת טווח של פעילות מיקרוביאלית במסנן, מה שמגדיל את עלויות התפעול. למרות שעלויות ההשקעה בבנייה עבור שתי התכניות הן דומות, בהתבסס על שיקולים רב-ממדיים הכוללים בקרת עלויות תפעוליות, יציבות תהליכים ויעילות ניצול מקור פחמן, תכנית 1- המציעה הן יעילות כלכלית והן גמישות תפעולית - נבחרה בסופו של דבר כתהליך היישום עבור פרויקט השדרוג.

2. נקודות מפתח לתכנון הנדסי

2.1 שינוי מערכת ביוכימית

טכנולוגיית הליבה של תהליך MBBR טמונה בהשגת תנועה נוזלית יעילה של נשאים תלויים באמצעות תכנון, ובכך לשפר משמעותית את יעילות הפירוק הביולוגי של המערכת עבור מזהמים. מערכת תהליך זו מורכבת מחמישה אלמנטים מרכזיים: נושאי ביופילם-מכניים-גבוהים, מבנה מיכל הידראולי מותאם, מערכת אוורור כיוונית, התקן מסך יירוט מדויק וציוד הנעה נוזלי. בהתבסס על נפחי המיכלים המותאמים ופרמטרי התכנון של פרויקט השכרת ציוד לטיפול בשפכים תפעולי של 20,000 מ"ר ליום (MBBR) בתוך מערכת הביוב האזורית, מחושב שטח הפנים האפקטיבי הכולל הנדרש של המובילים התלויים הוא כ-2,164,000 מ"ר. שטח הפנים הספציפי המעוצב והיעיל של מנשאי MBBR גדול מ-750 מ"ר/מ"ר. טבלת חישוב התכנון עבור נפח מיכל AAOAO-MBBR שהשתנה מוצגת בטבלה 3.

2.2 שדרוג מערכת פיזיקוכימי

מיכל השקיעה-הגבוהה נועד לפעול בשתי קבוצות מקבילות. השיפוץ של יחידה זו מאמץ טופס של חבילת תהליכים, כאשר ספק הציוד מספק ערבויות טכניות מלאות לתהליך והתחייבויות לביצועים. פרמטרי הליבה של תהליך ותצורות הציוד הם כדלקמן.

מיכל הקרישה מורכב משתי קבוצות הכוללות 4 תאים בסך הכל. גודל התא היחיד המעוצב הוא 2.675 מ' × 2.725 מ' × 5.9 מ'. זמן המעצר הוא כ-3.8 דקות, עם שיפוע מהירות (G) גדול או שווה ל-250 שניות-¹. כל מפעיל מוגדר עם הספק{10}}יחידה של 4 קילוואט.

מיכל הצפירה מורכב משתי קבוצות הכוללות 2 תאים בסך הכל. גודל התא היחיד המעוצב הוא 5.65 מ' × 5.65 מ' × 5.9 מ'. שיא זמן המעצר הוא כ-8.3 דקות. הקוטר הפנימי של צינור הטיוטה הוא 2,575 מ"מ. הוא מוגדר עם טורבינות מסוג Φ2,500 מ"מ-, כל אחד בהספק של 7.5 קילוואט.

מיכל השקיעה מורכב משתי קבוצות. שטח הצינור המשופע עבור קבוצה בודדת הוא כ-84 מ"ר. קוטר מיכל השקיעה הוא 11.7 מ'. קצב הטעינה ההידראולי הממוצע המתוכנן על פני הצינור המשופע הוא 12.4 מ"ר/(מ"ר לשעה), עם ערך שיא של 16.1 מ"ר/(מ"ר לשעה). קצב העמסה ההידראולי הממוצע המתוכנן לאזור השקיעה הוא 7.6 מ"ר/(מ"ר לשעה), עם ערך שיא של 9.9 מ"ר/(מ"ר לשעה).

מערכת המינון הכימי מוגדרת כדלקמן: נוזל פוליאלומיניום כלוריד (PAC) מסחרי (10% Al₂O₃) מתוכנן כחומר הקרישה, במינון במספר נקודות בחלק המשפיע של מיכל הקרישה. המינון המרבי המתוכנן הוא 300 מ"ג/ליטר, עם מינון ממוצע של 150-200 מ"ג/ליטר. נעשה שימוש במשאבות מדידת דיאפרגמה מכנית, המוגדרות עם מערכת דילול מקוונת פי 10-. פוליאקרילאמיד אניוני (PAM) מתוכנן כחומר הצפיפות, במינון בקטע הצפצופים של מיכל השקיעה ביעילות גבוהה-. נעשה שימוש בסט של יחידת הכנה ומינון תמיסת PAM רציפה אוטומטית לחלוטין, עם ריכוז תמיסה של 2 גרם/ליטר. המינון המרבי המתוכנן הוא 0.6 מ"ג/ליטר, עם מינון ממוצע של 0.3 מ"ג/ליטר. משאבות מינון הן משאבות מדידה מסוג בורג, המצוידות גם במערכת דילול מקוונת פי 10.

2.3 ניסוי פיילוט-אימות חמצון אוזון בקנה מידה

כדי לאמת את היתכנות שפכי המפעל המשודרג עומדים ביציבות בתקני מים עיליים Class IV (ריכוז COD פחות או שווה ל-30 מ"ג/ליטר), מחקר זה בחר בשפכים המשניים מהשלב הראשון והשני של מפעל טיהור איכות המים של Lianwanhe כנושא המחקר ביוני 2024. בוצע ניסוי אימות ביצועים עבור "התהליך טיפול מתקדם של Ozone Ozone". הניסוי נועד להעריך את הישימות של תהליך זה לתכנון פרויקט שין ואת יכולת ההשגה של היעד.

ניסוי זה השתמש ביחידת סינון החול הקיימת-בקנה מידה קטן (קיבולת טיפול של 1.5 מ"ק לשעה) בתוך מפעל Lianwanhe. מכשיר -תגובה פיילוט לחמצון אוזון (כור מגדל, נפח אפקטיבי 0.5 מ"ק) הוקם באתר-. קולחי מיכל השקיעה המשני הקיים סונן על ידי מסנן החול הקטן, ולאחר מכן הורם על ידי משאבה כדי להיכנס למגדל חמצון האוזון מלמעלה. השפעת החמצון של האוזון שימשה להסרת חומר אורגני עקשן מההשפעה, והשגת הפחתת COD נוספת.

2.3.1 ביצוע של "סינון חול + חמצון אוזון" במינון אוזון של 20 מ"ג/ליטר ו-HRT של 30 דקות

במהלך שלב המחקר הזה, ריכוז COD המשפיע נע בין 38.2 ל-43.4 מ"ג/ליטר, עם ממוצע של 40.4 מ"ג/ליטר. לאחר טיפול בתהליך "סינון חול + חמצון אוזון", ה-COD הסופי של הקולחין עמד על 28.8 מ"ג/ליטר בממוצע. הניסוי מצא שכאשר ריכוז ה-COD היה גבוה, עדיין היו מקרים שבהם ה-COD הקולחין לא עמד בתקן. בנוסף, צבע הקולחים הסופי מבדיקת הפיילוט נשאר גבוה מהקולח, ולא עומד בתקן ההזרמה. הפרטים מוצגים באיור 2(א).

2.3.2 ביצוע של "סינון חול + חמצון אוזון" במינון אוזון של 25 מ"ג/ליטר ו-HRT של 30 דקות

כדי לשפר עוד יותר את הסרת COD ולהפחית את צבע הקולחין, שלב זה המשיך להגדיל את מינון האוזון תוך שמירה על HRT ב-30 דקות. בשלב ניסוי זה, ריכוז COD המשפיע נע בין 36.3 ל-46.2 מ"ג/ליטר, בממוצע של 40.4 מ"ג/ליטר. לאחר הטיפול, ריכוז COD הופחת ל-28 מ"ג/ליטר. צבע הקולחים הסופי מבדיקת הפיילוט עדיין נשאר גבוה מהקולח, לא עומד בתקן ההזרמה. הפרטים מוצגים באיור 2(ב).

2.3.3 ביצוע של "סינון חול + חמצון אוזון" במינון אוזון של 30 מ"ג/ליטר ו-HRT של 30 דקות

בתנאים של מינון אוזון של 30 מ"ג/ליטר ו-HRT של 30 דקות, תהליך "סינון חול + חמצון אוזון" הראה יעילות טיפול טובה ב-COD משני בשפכים. בשלב בדיקה זה, ריכוז COD המשפיע נע בין 38.2 ל-42.2 מ"ג/ליטר, בממוצע של 40.2 מ"ג/ליטר. לאחר הטיפול, ריכוז COD בשפכים נשאר יציב מתחת ל-30 מ"ג/ליטר, בממוצע של 26 מ"ג/ליטר. בשלב זה, התהליך גם הוכיח יעילות הסרת צבע טובה, כאשר צבע נמדד בעקביות מתחת ל-20, ועומד ביציבות בתקן הפריקה. הפרטים מוצגים באיור 2(ג).

2.3.4 מסקנה ניסויית

בהתבסס על תוצאות הניסוי, בתנאי תגובה אופטימליים, היחס בין מינון האוזון (30 מ"ג/ליטר) להסרת COD (12.2 מ"ג/ליטר) ביחידה לטיפול באוזון היה 2.45:1.00.

ניסוי הפיילוט הוכיח שתהליך הטיפול המתקדם "סינון חול + חמצון אוזון" יכול להפחית ביעילות את ערך ה-COD של השפכים המשניים המייצגים ממפעל Lianwanhe. לכן, אימוץ תהליך "סינון חול + חמצון אוזון" כתהליך הטיפול המתקדם עבור פרויקט Xin'an Qianhe יש היתכנות טובה ויכול להבטיח שה-COD של הפרויקט יישאר יציב מתחת ל-30 מ"ג/ליטר.

3. מסקנה

מחקר זה מתמקד בשלושה מודולי שינוי הליבה: מערכת הטיפול הביוכימי מאמצת את התהליך ההיברידי AAOAO-MBBR (גידול מושעה ומצורף); יחידת הטיפול הפיזי-כימי מייעלת את מבנה המיכל ואת בחירת הציוד עבור מיכל השקיעה ביעילות גבוהה-; והקישור לטיפול המתקדם מאומת באמצעות ניסוי פיילוט של חמצון אוזון בקנה מידה-.

באמצעות אופטימיזציה סינרגטית של שרשרת תהליכים זו, נבנית מערכת מלאה-לטיפול בתהליך של "שיפור ביוכימי – שיפור פיזיקוכימי – הגנה מתקדמת". במקביל, תכנון הנדסי זה עוקב אחר העובדה האובייקטיבית של בניית הפרויקט הנוכחית המתמשכת, ומחייב אופטימיזציה מתואמת של רצפי הבנייה עבור כל המבנים כדי למקסם את השימוש במתקנים הקיימים ולמזער את עומס העבודה בשיפוץ.

הפרויקט משתמש בתקן איכות הקולחים של המפעל בהקמה כאמת מידה לאיכות המשפיעה על התכנון. ריכוזי הפריקה של COD_Cr, BOD₅, NH₃-N ו-TP יתאימו לתקני Class IV (TN פחות או שווה ל-10/12 mg/L) המפורטים ב-GB 3838-2002 "תקני איכות סביבה למים עיליים". אינדיקטורים אחרים יתאימו לתקני דרגה A של GB 18918-2002 "תקן הזרמה של מזהמים עבור מכוני טיהור שפכים עירוניים". לפרויקט שדרוג זה יש קנה מידה עיצובי של 50,000 מ"ק ליום, השקעה כוללת של 27.507 מיליון יואן, עלות תפעול של 0.3 יואן/מ"ר, עלות כוללת של 0.39 יואן/מ"ר ומחיר מים תפעולי של 0.45 יואן/מ"ר.