הסרת חנקן מתקדמת ב- WWTP: Pure Biofilm MBBR עיצוב תהליך וניתוח ביצועים|תיאור מקרה

תכנון הנדסי וביצועים של תהליך MBBR ביופילם טהור להסרת חנקן מתקדמת

עם ההתקדמות המקיפה של בניית הציוויליזציה האקולוגית של סין, תקני ההזרמה של מתקני טיהור שפכים (WWTP) הפכו מחמירים יותר ויותר. תקן דרגה A של "תקן הפריקה של מזהמים למפעלים לטיהור שפכים עירוניים" (GB 18918-2002) דורש TN של פחות או שווה ל-15 mg/L, בעוד שסטנדרטים מקומיים באזורים כמו בייג'ינג ושאנדונג קובעים במפורש את הגבול ל-TN פחות או שווה ל-10 mg/L. סטנדרטים גבוהים אלה חורגים מעבר לגבולות איכות המים בלבד, ומציבים דרישות מחמירות יותר ליציבות הקולחים. כתוצאה מכך, קיים צורך דחוף לשפר את יכולת סילוק החנקן של תהליכי טיפול. גישה אחת היא להגדיל את מינון מקור הפחמן בתהליך הקיים כדי לשפר את הדניטריפיקציה, אך הדבר מוביל לעלויות תפעול גבוהות ולפליטת פחמן מוגברת. לחלופין, הוספת מתקנים מתקדמים להסרת חנקן, לעתים קרובות תוך שימוש בשיטות ביופילם להעשרת יעילה של חיידקים מדניטריפיונים, יכולה לשפר את הסרת ה-TN, להפחית את הצורך במקורות פחמן חיצוניים ולהפחית את פליטת הפחמן. כור הביופילם של מיטות נעות (MBBR), עם יתרונותיו של העשרת חיידקים פונקציונליים חזקים, טביעת רגל קטנה ותפעול ותחזוקה פשוטים, יושם באופן נרחב בבנייה, הרחבה ושדרוג של WWTP. זה יכול להשיג ביציבות תקני הזרמה טובים יותר מאיכות מים עיליים מעין-דרגה IV, והוא מחזיק בפוטנציאל ויתרונות משמעותיים להסרת חנקן מתקדמת במי שטיפת מים. מאמר זה לוקח WWTP בשאנדונג כמחקר מקרה לניתוח הרציונל התכנוני והביצועים התפעוליים של יישום תהליך MBBR ביופילם טהור להסרת חנקן מתקדמת, במטרה לספק התייחסות טכנית לדניטריפיקציה יעילה של שפכים.

1. סקירת פרויקט

1.1 מבוא לפרויקט

תחנת שטיפה בשאנדונג נבנתה בשני שלבים. השלב הראשון, תוך שימוש בתהליך BIOLAK, הוזמן רשמית בנובמבר 2003 עם קיבולת טיפול של 40,000 מ"ק ליום. הפריסה של תהליך BIOLAK והאזור הזמין לשדרוג מוצגים באיור 1. בתחילה, איכות הקולחים עמדה בתקן Grade B של GB 18918-2002. עד שנת 2020, באמצעות מינון משופר של מקור פחמן ותוספת טיפול מתקדם, איכות הקולחים שופרה לתקן דרגה A. עד שנת 2023, לאחר שלוש שנות פעילות, איכות הקולחים הכוללת יכולה בדרך כלל לעמוד בתקן דרגה A, אך היא עמדה בפני שני אתגרים עיקריים בנוגע להרחקת חנקן:

מינון מקור פחמן גבוה: כדי להשיג את היעד של TN פחות או שווה ל-15 מ"ג/ליטר, נדרשה כמות ניכרת של מקור פחמן חיצוני. חישובים המבוססים על קטעי תהליך הראו יחס C/N גבוה כמו 5.9, בעוד שתהליך AAO בשלב השני של המפעל דרש רק C/N של 4.5-5.0 כדי להבטיח עמידה יציבה ב-TN. תוספת מקור הפחמן הגדולה השפיעה לרעה גם על תהליך הניטריפיקציה האירובית, והגדילה את דרישת החמצן באזור האירובי.

יציבות ירודה של סילוק חנקן: מכיוון שהניטריפיקציה והדניטריפיקציה התרחשו באותו מיכל בתנאים נדרשים שונים, פרמטרים תפעוליים היו זקוקים להתאמה תכופה על סמך שינויים בהשפעה. השליטה ב-NH₃-N ו-TN הייתה סותרת, מה שהקשה על שמירה על איזון יציב בין ניטריפיקציה לדניטריפיקציה. התנגדות עומס ההלם של המערכת הייתה ממוצעת, מה שהוביל ליציבות שפכים לקויה.

לפיכך, היה צורך בשדרוג של תהליך ה-BIOLAK המקורי, כאשר מטרות הליבה הם פתרון הקונפליקט בין ניטריפיקציה לדניטריפיקציה, הפחתת עלויות התפעול של פינוי חנקן ושיפור יציבות הקולחים.

1.2 אתגרי שדרוג

מכיוון שתהליך BIOLAK לא היה מתאים לשינוי-במיכל כדי לשפר את הביצועים, התוכנית הייתה לחזק את הטיפול על ידי בניית יחידה חדשה להסרת חנקן מתקדמת. תהליך ה-BIOLAK המקורי התמקד בעיקר בניטריפיקציה עם דניטריפיקציה כמשני, בעוד שהתהליך החדש יתמקד בדניטריפיקציה. בהתחשב בצרכי השיפוץ בפועל, הפרויקט עמד בפני שני אתגרים מרכזיים: קרקע זמינה מוגבלת לתהליך החדש ודרישות יעילות תפעוליות גבוהות.

קרקע פנויה מוגבלת לתהליך חדש: הבנייה החדשה הייתה צריכה להסתיים בתוך אתר המפעל הקיים, שבעצם לא היה בו קרקע שמורה. הבנייה התאפשרה רק בחגורה ירוקה בצמוד למיכלי BIOLAK, בשטח פנוי של 400 מ"ר. משמעות הדבר היא שטביעת הרגל של הפרויקט החדש ליחידת מים שטופלה הייתה צריכה להיות פחות או שווה ל-0.01 מ"ר/(מ"ר).

דרישות יעילות תפעוליות גבוהות: זה לא היה שדרוג פשוט אלא אופטימיזציה נוספת של האזור הפונקציונלי הביוכימי. היחידה החדשה הייתה אמורה להתמודד עם עומס סילוק חנקן של 20 מ"ג/ליטר. תהליך זה לא רק היה צריך להסתיים על קרקע מוגבלת, אלא גם היה צריך להפחית את מינון מקור הפחמן בהשוואה לדניטריפיקציה המקורית של BIOLAK תוך הבטחת ביצועי דניטריפיקציה יציבים. לפיכך, הוצבו דרישות גבוהות הן ליעילות סילוק החנקן והן ליעילות ניצול מקור הפחמן.

2. השוואת תהליכים ובחירה

לאחר טיפול בתהליך BIOLAK, הקולחין TN מורכב בעיקר מחנקן חנקתי. נכון לעכשיו, תהליכי הסרת חנקן מתקדמים בוגרים משתמשים בעיקר בשיטות ביופילם, המתאפיינות במיקרואורגניזמים המתעשרים ביעילות על משטחי נשא במצב צמוד, ומציעים יעילות העשרת חיידקים פונקציונלית גבוהה משמעותית מתהליכי בוצה פעילה קונבנציונלית. ניתן לחלק עוד יותר את תהליכי הביופילם למיטה- קבועה ומיטה נעה- המבוססת על נזילות נושאת, כפי שמוצג באיור 2.מסנני דניטריפיה, תהליכי ביופילם קבועים-אופייניים למיטה, משתמשים באמצעי סינון גרגירי קבוע כנשאי צמיחה של חיידקים. על ידי הוספת מקור פחמן חיצוני, הם ממנפים את הדניטריפיקציה של הביופילם ואת הסינון של המדיה כדי להשיג הסרה בו זמנית של NO₃^--N, SS ומזהמים אחרים. היתרונות כוללים איכות מים מטופלים יציבה, אין צורך במבהירים משניים ופריסה קומפקטית, מה שהופך אותם בשימוש נרחב בשדרוגי WWTP כיחידת טיפול מתקדמת לחיזוק סילוק TN מקולחים משניים. עם זאת, התמקדות תפעולית חייבת להיות בהשפעה של C/N על יעילות דניטריפיקציה מתקדמת. פרויקט השדרוג Pingtang WWTP Phase I, גם הוא עם קיבולת של 40,000 מ"ק/ד', השתמש במסנן דניטריפי + (DAF) יעילות גבוהה-תוצפת אוויר מומסת (DAF) כתהליך הטיפול המתקדם להעלאת קולחין TN לסטנדרטים מעין-Class IV מים עיליים, הדפסה של כ-4 מ"ר/0 מ"ר, ³. חיסכון בקרקע ומאפשר טיפול יעיל, אך עם C/N גבוה של 18.34. כדי לעמוד בתקנים מקומיים חדשים עבור שפכים TN, מפעל הטיוב המים של צ'נגדו No. 9 אימץ מיכל שיקוע בצפיפות- גבוהה ומסנן מיטה עמוקה-דניטרית כתהליך השדרוג, עם C/N של 5.7, והשגת טיפול מתקדם בסטנדרטים גבוהים. תחנת המים של Dingqiao בהאיינג לא יכלה לעמוד בתקני הזרמה דרגה A הנדרשים עבור אגן נהר צ'יאנטאנג. Gao Feiya et al. השתמשו במסנן מיטה עמוקה-לטיפול מתקדם ב-TN, בו-זמנית הסרה של SS ו-TP, והביאה את איכות הקולחים קרובה לסטנדרטים מעין-Class IV, אבל עם C/N גבוה של 15.68, מה שמוביל לעלויות גבוהות של פינוי חנקן. בנוסף, תהליכי סינון דורשים שטיפה לאחור קבועה, בדרך כלל תוך שימוש בניקוי מים-באוויר, מה שעלול להשפיע על היציבות התפעולית.

חוסר יציבות במסנני דניטריפיה, מחקר על החלת דניטריפיקציה אוטוטרופית מבוססת גופרית (SAD) על מסנני דניטריפי זכה לתשומת לב. SAD משתמש בגופרית יסודית או תרכובות גופרית כתורמי אלקטרונים בתנאים אנאירוביים או אנוקסיים כדי להפחית NO₃^--N עד N₂. הוא מציע יתרונות כמו יעילות דניטריפיקציה טובה, אין צורך במקור פחמן אורגני, עלות תפעולית נמוכה וייצור בוצה נמוך. סונג צ'ינגיואן ואחרים. חקר את השפעת הסרת החנקן של מסנן SAD על שפכים משניים. לאחר אופטימיזציה של תנאי הפיילוט, הסרת החנקה נותרה יציבה מעל 95%, אך קצב צריכת המדיה הגיע ל-20% מדי שנה, מלווה בריכוז סולפט בקולחים וירידה ב-pH. כדי למנוע סיכוני זיהום משני מ-SAD, Li Tianxin et al. מדיה מוכנה על ידי כדורי תערובת של אבקת גופרית וגיר. הוספת חלק מסוים של אבן גיר למיטת המסנן ניטרלה את החומציות שנוצרה ויצרה משקעי CaSO₄, הורידה את ריכוז הסולפטים בקולחים וטיפלה ביעילות בבעיות של ייצור חומצה ורמות סולפט גבוהות. עם זאת, אבן הגיר תפסה מקום המיועד למדיה תורמת אלקטרונים בתוך המערכת, והחלשת את יכולת הדניטריפיקציה המתקדמת, הגדלת קשיות הקולחים והעלאת עלויות תפעול. המחקר הנוכחי על טכנולוגיית SAD הוא בעיקר בקנה מידה מעבדתי ופיילוט, עם ניסיון הנדסי לא מספיק לעיון. יש צורך במחקר יישומי נוסף לפני קידום-תעשייתי בקנה מידה.

MBBR הוא נציג טיפוסי של תהליכי ביופילם-נוזל במיטה וטכנולוגיה חדשה לטיפול בשפכים שזכתה לתשומת לב משמעותית בשנים האחרונות. הוא משתמש בנשאים מרחפים עם צפיפות קרובה למים כדי להעשיר במיוחד מיקרואורגניזמים, ויוצרים ביופילם להשגת הסרת חנקן מתקדמת. תהליכי ביופילם-נוזל במיטה גם מונעים בעיות של סתימת מדיה ושטיפה לאחור. נכון לעכשיו, MBBR ביופילם טהור לדניטריפיקציה מתקדמת של WWTP יש למעלה מ-20 שנות ניסיון תפעולי מוצלח בחו"ל והוא רואה יישום רחב יותר ויותר בסין. Zheng Zhijia et al. השתמש בתהליך MBBR ביופילם טהור דו--שלבי עבור דניטריפיקציה מתקדמת. ב-C/N=4.0, חנקן החנקתי הקולחי של המערכת התייצב על (1.87 ± 1.07) מ"ג/ליטר, עם שיעור הסרת TN ממוצע של 93.3%. אזור פיתוח שטיפת מים בעיר מסוימת בנה מיכל ביו- MBBR חדש כטיפול מתקדם שלישוני לדניטריפיקציה משופרת. עומס הסרת ה-TN בקטע האנוקסי של הביופילם הטהור MBBR היה 1.1 גרם/(m²·d), מה שמשפר את אמינות הדניטריפיקציה של המערכת. Gao Yanbo וחב', במטרה להגדיל את הקיבולת של המפעל המקורי, בנו מיכל חדש של שני-AO biofilm טהור MBBR ביו-, והשיג TN שפכים יציב מתחת ל-5 מ"ג/ליטר עם יעילות דניטריפיקציה גבוהה. לפיכך, תהליך MBBR הביופילם הטהור מראה פוטנציאל גדול להסרת חנקן מתקדמת ב-WWTP, המשלב יתרונות כמו יעילות ניצול גבוה של מקור פחמן, עומס טיפול גבוה וטביעת רגל קטנה. עם זאת, הוא גם מציב דרישות גבוהות יותר לציוד, ודורש ציוד אמין כדי לתמוך בפעולת תהליך יציבה. השוואה של תהליכי הסרת חנקן מתקדמים נפוצים מוצגת בטבלה 1.

בהתבסס על השוואה מקיפה, למרות שתהליך SAD אינו מצריך תוספת מקור פחמן, היישום הנוכחי שלו עדיין לא בשל וטומן בחובו סיכוני זיהום משניים, ולכן הוא לא נשקל לשדרוג זה. למרות ששימוש נרחב במסנני דניטריפיציה, הם משמשים בעיקר בשדרוגי WWTP כאשר ה-TN של השפעת/קולח התכנון הוא לרוב 15/12 מ"ג/ליטר, ומטפלים בעומס הסרת TN קטן יחסית. מכיוון שפרויקט זה דרש עמידה בדרישות גבוהות-להסרת TN לטווח ארוך, הפעולה תקצר משמעותית את מחזור השטיפה לאחור של המסנן, ויגדיל את הקושי התפעולי וחוסר היציבות. תהליך MBBR הביופילם הטהור משלב יתרונות כמו יעילות גבוהה של ניצול פחמן, ללא צורך בשטיפה לאחור, יישום בוגר וללא זיהום משני. בהתחשב באתגרי התהליך ודרישות השיפוץ, הפרויקט בחר בסופו של דבר בבניית מיכל ביו-פילם טהור MBBR ביו- (להלן מיכל MBBR) כפתרון המתקדם להסרת חנקן לשלב הראשון, שתוכנן עם C/N=4.5, ותקופת החזר מתוכננת להשקעה של 7.37 שנים.

3. תכנית בנייה חדשה

3.1 זרימת תהליך

זרימת תהליך הטיפול בשפכים לאחר השיפוץ מוצגת באיור 3. ההשפעה של המפעל עוברת במסכים עדינים, תאי גרגירי מערבולת ומיכלי שיקוע ראשוניים לפני הכניסה למיכל הביו- של BIOLAK להסרת חומרים אורגניים, חנקן אמוניה וכו'. לאחר מכן הוא מורם על ידי משאבות לתוך מיכל MBBR להסרה מתקדמת של TN. מיכל MBBR מיועד ל-TN השפע של 35 מ"ג/ליטר ו-TN של שפכים פחות או שווה ל-15 מ"ג/ליטר. שפכי MBBR מועלים על ידי משאבות משניות לטיפול המתקדם הקיים של המפעל להפרדת נוזלים מוצקים ובזבוז בוצה. הקולחים הסופיים עוברים חיטוי לפני הזרמה לנהר הקולט. עודפי בוצה מעבים, מפורקים ומועברים{10} מהאתר לסילוק.

3.2 טנק MBBR חדש

מיכל MBBR משתמש בתהליך AO, שנבנה באמצעות מיכלי Lipp להרכבה מודולרית, שהושלם תוך 30 יום. זמן השמירה ההידראולי הכולל של המערכת (HRT) הוא 1.43 שעות. מנשאים מרחפים מסוג SPR-III מיוחדים אירוביים ואנוקסיים מתווספים בתוך המיכלים, עם יחס מילוי של 60% באזור האירובי ו-55% באזור האנוקסי. הנשאים הם גליליים אופטיים, בקוטר 25 מ"מ ובגובה של 10 מ"מ, עם שטח פנים ספציפי יעיל גדול או שווה ל-800 מ"ר/מ"ר. האזור האנוקסי מצויד במערבלי תדרים משתנים-יעודיים של 4 MBBR-(סוג הספק כימי SPR), N=5.5 קילוואט כל אחד, המספקים נוזליזציה אחידה ומספקת עבור הספקים. לאחר התבגרות ביופילם, 2 מיקסרים מופעלים באופן שגרתי, כאשר 2 האחרים כמתנה חמה. האזור האירובי משתמש במפוחי בורג לאוורור. למפוח יחיד קיבולת אוויר של 14.50 מ"ק/דקה, לחץ של 90 קילוואט, N=22 קילוואט. מותקן סט אחד של מפזרי צינור מחוררים ייעודיים לאזור אירובי (סוג SPR). בשל נפח האוורור הנמוך הנדרש, לרוב ניתן להשתמש במפוחי Phase I הקיימים, כאשר המפוח החדש ומפוחי Phase I משמשים כגיבויים הדדיים. מסכי יירוט חומרים חדשים (סוג SPR), בעובי 12 מ"מ, עם חיי שירות מתוכננים של 30 שנה, מותקנים הן באזור האירובי והן באזור האנוקסי.

3.3 מתקנים תומכים חדשים

• מערכת משפיעה: שפכים מהמיכל הביולוגי- של BIOLAK מועלים לתוך מיכל MBBR. 4 מותקנות משאבות כניסת (2 שירותים, 2 המתנה), כל אחת עם Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• מערכת מינון מקור פחמן: הקולחים מהמיכל הביולוגי של Phase I BIOLAK- מכילים רק COD שקשה לנצל אותו. כדי להבטיח דניטריפיקציה מתקדמת באזור האנוקסי של מיכל MBBR, נתרן אצטט משמש כמקור הפחמן החיצוני. 4 מותקנות משאבות מדידה (2 תפעול, 2 המתנה), כל אחת עם Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.