תיאור מקרה: שדרוג WWTP לתקני מים Class III באמצעות MBBR+ACCA Process

תיאור מקרה של תהליך MBBR+ACCA לשדרוג ובנייה מחדש של מתקן לטיהור שפכים עירוני

על רקע הכלכלה המשגשגת של סין, קצב התיעוש והעיור הואץ משמעותית. תהליך זה מלווה בהכרח בעלייה-לאחר-שנה בהזרמת שפכים תעשייתיים וביוב ביתי, מה שמחריף את בעיות זיהום המים ומשפיע על בניית הציוויליזציה האקולוגית בת-קיימא של סין. עם היישום המקיף של תוכנית הפעולה למניעת ובקרת זיהום מים, הוטלו דרישות הזרמה מחמירות יותר על מכוני טיהור שפכים עירוניים ברחבי הארץ. הסטנדרטים המקומיים בערים מסוימות הגיעו לאיכות מים מעין -מדרגה IV, ועבור שפכים המוזרמים לגופי מים רגישים, אינדיקטורים בודדים מסוימים מתקרבים בהדרגה לתקן Class III עבור מים עיליים. עם זאת, שאריות המזהמים בשפכים עירוניים לאחר טיפול ביולוגי הם בעיקר תרכובות אורגניות שאינן-מתכלות עם מתכלות ביולוגית ירודה. הסתמכות אך ורק על טכנולוגיות שיפור ביולוגיות מסורתיות הפכה לבלתי מספקת כדי לעמוד בתקני הפליטה המחמירים יותר ויותר.

לקולה פעילה יש מערכת מזופורית מפותחת המסוגלת לספוח מזהמים מקרומולקולריים במים. עם חוזק מכני גבוה, יציבות, ביצועי ספיחה טובים ועלות חסכונית יחסית, הוא מיושם באופן נרחב בטיפול בשפכים תעשייתיים שקשה לפירוק ביולוגי. בשנים האחרונות, טכנולוגיית סינון באמצעות קוק פעיל כתווך מצאה יישומים מסוימים גם בטיפול מתקדם של מפעלי שפכים עירוניים, ומשיגה תוצאות טובות בסילוק אולטימטיבי של מזהמים. בשילוב דוגמה הנדסית מפרויקט שדרוג במפעל טיהור שפכים במחוז הנאן, המחבר אימץ את תהליך MBBR+ACCA (Activated Coke Circulating Adsorption) לשדרוג הטיפול בשפכים עירוניים. מחווני הקולחין COD, NH₃-N ו-TP עמדו בתקן המים GB 3838-2002 Class III, מה שמספק התייחסות לשדרוג פרויקטים במפעלי טיהור שפכים אחרים.

1. מצב בסיסי של המתקן לטיהור שפכים

קיבולת התכנון הכוללת של מתקן טיהור שפכים זה היא 50,000 מ"ק ליום, הכוללת קיבולת תכנון שלב I של 18,000 מ"ק ליום וקיבולת תכנון שלב ב' של 32,000 מ"ק ליום. הוא מטפל בעיקר בביוב ביתי עירוני ובכמות קטנה של שפכים תעשייתיים. השדרוג הושלם בשנת 2012, כאשר הקולחים עומדים בתקן דרגה 1A של תקן ההזרמה של מזהמים למפעלי טיהור שפכים עירוניים GB 18918-2002. התהליך העיקרי הוא AO-רב-שלבי + מסנן דניטריפיקציה + מיכל שקיעה בצפיפות גבוהה. זרימת התהליך מוצגת באיור 1.

נכון לעכשיו, המתקן לטיהור שפכים פועל כמעט בתפוקה מלאה. בהתבסס על נתונים תפעוליים נוכחיים, תחת תחזוקה טובה של המפעל, איכות הקולחים יכולה להישמר ביציבות בתקן GB 18918-2002 Grade 1A. ריכוזי הקולחים עבור COD, BOD₅, NH₃-N, TN ו-TP נעים בין 21.77-42.34 מ"ג/ליטר, 1.82-4.15 מ"ג/ליטר, 0.13-1.67 מ"ג/ליטר, 8.86-15.74 מ"ג/ליטר, ו-0.41 מ"ג/ליטר, בהתאמה

לפני השדרוג, המפעל התמודד עם הבעיות הבאות: 1) הזדקנות ומסכים פגומים בקטע של טיפול מקדים אפשרו פסולת צפה לתוך המיכלים הביולוגיים, סתמו בקלות משאבות והשפיעו על הטיפול הבא; 2) סילוק TN לא יציב בטמפרטורות חורף נמוכות ותנודות משמעותיות באיכות ובכמות המים; 3) נפח מיכל לא מספיק במיכלים הביולוגיים שלב I וחלוקת אזורים אנוקסיים בלתי סבירה, מה שמוביל ליעילות הסרת TN ירודה ומינון כימי גבוה להוספת מקור פחמן לאחר מכן; 4) מערכת האוורור המקורית השתמשה במפוחים צנטריפוגליים מסורתיים מיושנים עם צריכת אנרגיה גבוהה; 5) סתימה חמורה של חומרי הסינון במסנני הדניטריפיקציה, שטיפה לא מלאה וקושי בפעולה יציבה; 6) כשלים תכופים של ציוד ערבוב וערבול במיכלי השקיעה בצפיפות- גבוהה; 7) כשלים תכופים של שני מכבשי מסנני החגורה הקיימים לפיזור בוצה, תכולת לחות גבוהה של בוצה מפורקת, נפח בוצה גדול ועלויות גבוהות לסילוק בוצה; 8) היעדר מתקני בקרת ריחות למערכות טיפול מקדים וטיפול בבוצה; 9) מערכת בקרה מרכזית מיושנת עם קיבולת אחסון נתונים מוגבלת ואובדן רוב פונקציות ההפעלה מרחוק.

2. עיצוב איכות מים

בהתחשב בנתוני איכות מים תפעוליים של שנים מהמפעל, ברמת ביטחון של 90% וכולל מרווח מסוים, נקבעה איכות ההשפעה התכנונית. בהתבסס על דרישות איכות הסביבה של גוף המים המקבל, הקולחים המשודרגים COD, BOD₅, NH₃-N ו-TP חייבים לעמוד בתקן המים GB 3838-2002 Class III, בעוד ש-TN ו-SS יעמדו בתקן המקורי. איכויות ההשפעה והקולחים העיצוביות מוצגות בטבלה 1.

3. שדרוג קונספט וזרימת תהליכים

3.1 קונספט שדרוג

בהתאם לאיכות הקולחים בתכנון, שדרוג זה מציב דרישות גבוהות יותר עבור COD, BOD₅, NH₃-N ו-TP. בהתחשב בתהליך הנוכחי של המפעל, מאפייני איכות המים ובעיות קיימות, ההתמקדות היא בהסרה משופרת של COD, NH₃-N ו-TP תוך הבטחת הסרה יציבה של TN. יתר על כן, שטח פנוי מוגבל בתוך המפעל הקיים מחייב ניצול מלא של הפוטנציאל של מבנים קיימים באמצעות חידוש ציוד, העצמת תהליכים ושיפוץ, במטרה להסרה יעילה של COD, NH₃-N, TN ו-TP. לכן, שימוש במיכלי ה-AO הרב-שלביים-המקוריים והוספת מנשאים תלויים ליצירת תהליך MBBR של בוצה היברידי-פעיל בוצה יכולים לשפר ביעילות את יציבות הטיפול ועמידות בעומס הלם. גיל הבוצה הארוך של ביופילם על מנשאים מתאים לגידול ניטריפייר ולשמירה על ריכוזי ניטריפיר גבוהים, מה שמשפר משמעותית את יכולת הניטריפיקציה של המערכת. לביופילם הצפוף בתוך הנשאים יש גיל בוצה ארוך, המארח אוכלוסיות ניכרות של חיידקים מחנקים ודניטריפיים, המאפשר דניטריפיקציה{10}}סימולטנית (SND) ובכך מחזק את הסרת ה-TN. לפיכך, תהליך MBBR מתאים מאוד-לשדרוג של המפעל הזה.

בהתבסס על ניסיון דומה בפרויקט שדרוג, כדי להבטיח תאימות יציבה ל-COD ו-TP, עדיין נדרשים מתקני טיפול הגנה נוספים על התהליך הקיים יחד עם MBBR. קוק פעיל, כחומר נקבובי, מציג ביצועי ספיחה משמעותיים יותר בהשוואה לפחם פעיל, מסיר ביעילות COD, SS, TP, צבע וכו'. יתרה מכך, קוק פעיל ביולוגית יכול לנצל מיקרואורגניזמים מחוברים כדי לפרק חומרים אורגניים, מה שמאפשר חידוש אתרי ספיחה תוך ספיחת מזהמים. מנגנון שיווי משקל דינמי זה מאפשר פעולת מערכת מתמשכת ויציבה. תהליך Activated Coke Circulating Adsorption (ACCA) משתמש בקוק מופעל כמדיום, המשלב סינון וספיחה. הוא משתמש באוויר דחוס כדי להרים ולנקות את מדיית המסנן. באמצעות אזורי זרימה הפוכה- ותכנון זרימה אחידה, הוא מבטיח מגע מלא בין קוק פעיל ומי שפכים, השגת שיפור אולטימטיבי באיכות המים והבטחת תאימות יציבה לקולחים.

עבור הציוד המזדקן והמקולקל של המפעל, הם יוחלפו בציוד מתקדם טכנולוגית,- יעיל באנרגיה כדי להפחית עלויות תפעול. באופן ספציפי, מסכי הטיפול המקדים יוחלפו במסכים עדינים המוזנים פנימית כדי ליירט שיער וסיבים, ולמנוע סתימה של מסכי שמירת נושא MBBR.

3.2 זרימת תהליך

זרימת התהליך המשודרגת מוצגת באיור 2. כדי לעמוד בדרישות הראש, נוספה תחנת משאבת הרמה חדשה. מסנן מסוג V- שנבנה לאחרונה משמש כיחידת הטיפול המקדים לספיחת הקוקס המופעלת לאחר מכן, ומבטיחה יציבות מערכת ACCA. מים גולמיים עוברים דרך מסכים ותאי חצץ כדי להסיר חומרים צפים, שיער וחלקיקים לפני שהם נכנסים למכלים הביולוגיים ההיברידיים של MBBR להסרת חנקן משופרת. לאחר מכן, המשקה המעורב נכנס למבהירים משניים להפרדת מוצקים. הסופרנטנט מורם דרך תחנת המשאבה החדשה לתוך מסנני דניטריפיקציה ומיכלי שקיעה בצפיפות- גבוהה. לאחר מכן, הקולחים מועלים על ידי תחנת המשאבה החדשה לתוך המסנן מסוג -V ואל מיכלי ספיחת קוקס מופעלים בשני-שלבים לטיפול מתקדם, הסרה נוספת של COD, TP, SS, צבע וכו'. הקולחין הסופי עובר חיטוי לפני השחרור.

4. עיצוב פרמטרים של יחידות טיפול עיקריות

4.1 מיכלים ביולוגיים

המיכלים הביולוגיים הקיימים שלב I מחולקים לשתי קבוצות בעלות נפח מיכל קטן יחסית אך מבנה תקין. לכן, לשדרוג זה, תוך עמידה בדרישות הראש, הוגבו קירות המיכל ב-0.5 מ'. לאחר שיפוץ, הנפח האפקטיבי הכולל הוא 10,800 מ"ר, עם HRT כולל של 14.4 שעות ו-HRT של אזור אנוקסי של 6.4 שעות, מה שמגדיל את זמן האחזקה האנוקסית כדי לשפר את הסרת ה-TN. למיכלים הביולוגיים הקיימים שלב II יש נפח אפקטיבי של 19,600 מ"ר, סה"כ HRT של 14.7 שעות, ו-HRT של אזור אנוקסי של 6.8 שעות. פרויקט זה כלל החלפת מערכות האוורור וכמה מערבלים צוללים מזדקנים במיכלים ביולוגיים שלב I ו-II, והוספת מנשאים תלויים ומסכי שמירה. המנשאים עשויים מפוליאוריתן או חומרים מרוכבים אחרים בעלי ביצועים גבוהים, עם מפרט מעוקב של 24 מ"מ, שטח פנים ספציפי של 4,000 מ"ר/מ"ר ויחס מילוי של 20%. AOR של מערכת הטיפול הביולוגי הוא 853.92 ק"ג O₂/h, עם קצב אספקת אוויר של 310.36 Nm³/min.

4.2 תחנת משאבת הרמה ומיכל שפכים

תחנת משאבת עילוי חדשה נבנתה כדי לשאוב שפכים ממיכלי השקיעה בצפיפות- גבוהה למסנן מסוג V- להמשך טיפול. מיכל שפכים אוגר מי שפכים לשטיפה מהפילטרים. משאבות קטנות משמשות לשאיבת מי שפכי השטיפה באופן שווה לתוך המיכלים הביולוגיים שלב II כדי למנוע עומס הלם. הותקנו שלוש משאבות הרמה משניות (2 דוט + 1 המתנה, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 קילוואט), עם בקרת כונן תדר משתנה (VFD). מיכל השפכים לאחור מצויד ב-2 משאבות העברה (כוננות אחת בתפעול + 1, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 קילוואט) ומערבל טבול אחד (N=2.2 קילוואט) כדי למנוע שיקוע.

4.3 V-מסנן סוג

מסנן חדש מסוג V- נבנה במידות מבניות של 36.9 מ' (L) × 29.7 מ' (W) × 8.0 מ' (H). הוא משתמש במדיית סינון חול קוורץ הומוגנית. המסנן מחולק ל-6 תאים המסודרים בשתי שורות. לצינור היציאה של כל תא יש שסתום ויסות חשמלי לשליטה על פעולת מפלס מים קבועה. ניתן לווסת את תהליך השטיפה לאחור באמצעות PLC. קצב הסינון המתוכנן הוא 7.0 מ"ש, קצב הסינון המאולץ הוא 8.4 מ"ש, ואזור הסינון הבודד- הוא 49.4 מ"ר. עוצמת מי השטיפה חזרה היא 11 מ"ר/(מ"ר · שעה), עוצמת האוויר לשטיפה לאחור היא 55 מ"ר/(מ"ר · שעה), ועוצמת טאטוא פני השטח היא 7 מ"ר/(מ"ר · שעה). משך השטיפה לאחור הוא 10 דקות. מחזור השטיפה לאחור הוא 24 שעות (ניתן להתאמה), שטיפה של תא אחד בכל פעם. גודל המדיה של חול קוורץ הוא 1-1.6 מ"מ עם k₈₀ < 1.3. נעשה שימוש בפלטות סינון מונוליטיות-יצוקות במקום.

4.4 מיכלי ספיחה קולה פעילים

נבנה מיכל ספיחה קוק פעיל חדש במידות מבניות של 49.5 מ' (L) × 30.15 מ' (W) × 11.0 מ' (H). הוא משתמש בתצורת סינון דו--שלבית עם סך של 36 תאים, 18 תאים בכל שלב. קצב הסינון המרבי הוא 6.02 m³/(m²·h), עם ממוצע של 4.63 m³/(m²·h). ממדי התא-השלב הראשון- הם L×W×H=5.0 מ' × 5.0 מ' × 11.0 מ', עם זמן מגע עם מיטה ריקה (EBCT) של 1.4 שעות. מידות התא-השלב השני הן L×W×H=5.0 מ' × 5.0 מ' × 9.5 מ', עם EBCT של 1.08 שעות. המערכת משתמשת ב-2,000 טונות של קוק פעיל בגודל חלקיקים 2-8 מ"מ, מצויד במכונות שטיפה קוליות ניידות, מפיצי מים, צינורות כניסה/יציאה וכו'.

4.5 בניין קולה פעיל

נבנה מבנה קוק פעיל חדש לאחסון קוק פעיל ואספקתו למיכלי הספיחה. מידות המבנה הן 33.5 מ' (L) × 13.0 מ' (W) × 6.5 מ' (H). ציוד נלווה עיקרי כולל: מסך רטט פעיל לפיזור קוק, 3 משאבות הזנת קוקס (2 דוטי + 1 המתנה, Q=40 m³/h, H=25 m³/h, H=25 m, N=7.5 קילוואט), 2 משאבות פריקת סינון (1 חובה {{14}1}/5}}} מ',{16} מ"ר, H{10} מ"ר N=18.5 קילוואט), 2 מדחסי אוויר (1 כוננות הפעלה + 1, Q=7.1 m³/min, N=37 קילוואט), ומיכל קולט אוויר (V=2 m³, P=0.8 MPa).

4.6 צלחת-ו-חדר הסרת מים למסגרת

חדר התייבשות חדש של פלטות-ו-מסגרת נבנה ליד חדר הפיזור הבוצה הקיים. עקב מגבלת מקום, הוגדרה סט אחד של לוחות-ו-מסנן מסנן מסגרת (שטח סינון 300 מ"ר), המשמשת כגיבוי למכבש מסנן החגורה. מתקנים נלווים כוללים מיכל מיזוג אחד (נפח אפקטיבי 80 מ"ר). כמות הבוצה היא 6,150 ק"ג DS/d, עם תכולת לחות של בוצת הזנה מעובה של 97% ותכולת לחות של עוגה מנוחת מים של 60%. ציוד נלווה עיקרי כולל: 2 משאבות הזנה (1 דוטי + 1 המתנה, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 קילוואט), 2 משאבות מים עיתונות (1 כוננות בתפקוד + 1, Q=12 m³/h, H=120 מ', N{{24} היה משאבת מים (Q=20 m³/h, H=70 מ', N=7.5 קילוואט), 2 משאבות מינון (1 דוטי + 1 המתנה, Q=4 m³/h, H=60 מ', N=3 קילוואט), סט מדחס אוויר אחד של מ'{{37} ק"מ, N{{37} מ"ר, N{37} מיכל מקלט אוויר (V=5 m³, P=1.0 MPa), ו-סט אחד של יחידת הכנה PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 קילוואט).

4.7 מערכת בקרת ריחות

נוספה מערכת חדשה לבקרת ריחות סינון ביולוגי עם קצב זרימת אוויר עיצובי של 12,000 מ"ק לשעה. צינורות פלסטיק מחוזקים בזכוכית (GRP) משמשים לאיסוף וטיפול בריחות ממערכות הטיפול המקדים והטיפול בבוצה. מסגרות נירוסטה ולוחות סיבולת למחשב משמשים לאיטום ציוד טיפול מקדים.

4.8 עדכוני מתקנים אחרים

1. הוחלף ב-2 מסכים עדינים המוזנים פנימית עם פתח של 5 מ"מ, עם מסועי ברגים ומיכל מי כביסה, V=10 m³ ו-2 משאבות מי שטיפה (1 חובה + 1 המתנה, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 קילוואט).
2. הוחלף ב-4 מפוחי מתלי אוויר יעילים יותר, מבוקרת VFD (3 תפעול + 1 המתנה, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 קילוואט).
3. החליף את אמצעי הסינון במסנני הדניטריפיקציה הקיימים ב-1,800 מ"ר של מדיה קרמית (גודל חלקיקים 3-5 מ"מ).
4. החליפו 2 מערבלים לערבול במיכלי השקיעה בצפיפות- גבוהה (מהירות 60-80 סל"ד, N=5.5 קילוואט), 4 מערבלים של קצף (מהירות 10-20 סל"ד, N=2.2 קילוואט), ומתיישבי הצינורות (260 מ"ר).
5. החלפת מכבש מסנן הרצועה בחגורה ברוחב 2 מ' ומדחס אוויר תואם, סט 1.
6. ניצול חדר הבקרה המרכזי המקורי, הציוד המעודכן, המכשירים ובקרה מרכזית הוקמה, הקימה מערכת תקשורת נתונים-רחבה במפעל כדי להשיג תקשורת נתונים בין חדר הבקרה המרכזי ותחנות המשנה, כמו גם אוטומציה של בקרת תהליך הייצור.

5. ביצועים תפעוליים ואינדיקטורים-טכניים כלכליים

5.1 ביצועים תפעוליים

לאחר השלמת פרויקט השדרוג הזה, כל יחידות הטיפול פעלו ביציבות. נתוני ניטור איכות מי השפע והקולחים לשנת 2023 מוצגים בטבלה 2.

כפי שמוצג, ריכוזי הקולחים הממוצעים עבור COD, NH₃-N, TN, TP ו-SS היו 11.2, 0.18, 8.47, 0.15 ו-2.63 מ"ג/ליטר, עם שיעורי הסרה ממוצעים של 95.16%, 99.45%, 7.45%, 7.7%, 7.45%, 7.5% 97.38%, בהתאמה. הקולחין COD, NH₃-N ו-TP עמדו בעקביות בתקן המים GB 3838-2002 Class III.

הפרויקט המשודרג פועל כבר קרוב לשנתיים. התוצאות מצביעות על כך שתהליך MBBR+ACCA יציב, יעיל ומייצר שפכים- באיכות גבוהה, המפגינים עמידות חזקה לעומסי זעזועים ותנאי טמפרטורה-נמוכים. גם עם טמפרטורת מים מינימלית בחורף של 9.4 מעלות ותנודות משמעותיות באיכות המים, איכות הקולחים נשארה יציבה ועמדה בתקני הזרמה. לפני ואחרי השדרוג, מינון מקור הפחמן לא עלה, אך הסרת TN גדלה משמעותית. הסיבה לכך היא שמצד אחד, מיקרואורגניזמים ניטריפייתיים המחוברים לנשאי MBBR גדלים ומצטברים בסביבה אירובית יציבה, מה שמוביל לניטריפיקציה מלאה יותר. מאידך גיסא, החנקה הוסר עוד יותר במיכלי MBBR המשודרגים ובמיכלי האנוקסי. מערכת ה-ACCA הסופית פועלת כאמצעי הגנה, סופחת והסרה נוספת של COD, TP, SS וכו' סוררים, מה שהופך את איכות הקולחים ליציבה יותר. יתרה מכך, לאחר יישום הפרויקט, המפעל יכול לייצר-מים מוחזרים באיכות גבוהה, מה שמניח את הבסיס לשימוש חוזר במים עתידי.

5.2 אינדיקטורים-טכניים כלכליים

ההשקעה הכוללת עבור פרויקט זה הייתה 86,937,600 RMB, הכוללת עלויות בנייה והתקנה של 74,438,500 RMB, הוצאות אחרות של 7,593,500 RMB, עלויות חירום של 4,101,600 RMB והון חוזר ראשוני של 804,000 RMB. לאחר הפעלה יציבה של המערכת, עלות החשמל הנוספת למפעל כולו היא 0.11 RMB/m³, עלות הקוק המופעל היא 0.39 RMB/m³, מה שמביא לעלייה כוללת בעלויות התפעול של כ-0.50 RMB/m³.

6. מסקנה

1. פרויקט זה יישם חידוש ציוד, העצמת תהליכים ושיפוץ במפעל טיהור שפכים הקיים, והוסיף טיפול מתקדם, שיפור יעילות ההסרה של COD, NH₃-N, TN ו-TP.
2. לאחר השדרוג, באמצעות תהליך "MBBR+ACCA" הראשי, הקולחים COD, NH₃-N, ו-TP השתפרו באופן יציב מדרגה 1A לתקן מים עילי Class III, והסרת TN שופרה משמעותית.
3. התרגול מראה שתהליך זה פועל ביציבות וביעילות, עמיד בפני זעזועים בעומס, מייצר שפכים- באיכות גבוהה ומוסיף עלות תפעול של כ-0.50 RMB/m³. זה יכול לשמש אסמכתא לשדרוג פרויקטים ויוזמות לשימוש חוזר במים במפעלי טיהור שפכים אחרים.