השפעת המבצע של פרויקט השדרוג של מפעל לטיהור שפכים בטיאנג'ין
מפעל טיהור שפכים בטיאנג'ין עבר פרויקט שדרוג ושיפוץ המאמצים את תהליך Modified Bardenpho-MBBR, והעלה את איכות הקולחין מתקן דרגה A המצוין ב"תקן הזרמה של מזהמים למפעלים לטיהור שפכים עירוניים" (GB 18918-2002) לתקן המקומי Class A-19DBian/59 DBian. תהליך Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) כולל הוספת נשאים מרחפים MBBR לתוך הכור, מתן אתרים להתקשרות מיקרוביאלית ויצירת ביופילם מחוברים, ובכך להגדיל את הביומסה האפקטיבית במערכת ולהשיג סילוק מזהמים. תהליך MBBR מציע יתרונות כגון עומס טיפול גבוה, עמידות חזקה לעומסי זעזועים, ביצועי טיפול יציבים, ניהול תפעולי פשוט ותפעול תהליך גמיש. מספר גדל והולך של WWTP בסין מאמצים את תהליך MBBR לשיפוץ. מאמר זה מנתח את הביצועים התפעוליים של משטח מים בטיאנג'ין לאחר השדרוג שלו, במטרה לספק התייחסות לפרויקטי שדרוג דומים.
1. תהליך סילוק חנקן וזרחן ביולוגי נוכחי
המיכל הביולוגי המקורי השתמש בתהליך A²/O עם קיבולת טיפול של 12,500 t/d. גיל הבוצה הכולל בתכנון היה 14 ימים, ריכוז מוצקים מרחפים של משקה מעורב (MLSS) היה 3,500 מ"ג/ליטר, טמפרטורת המים בתכנון הייתה 10 מעלות, תפוקת הבוצה הייתה 0.936 ק"גSS/kgBOD והעמסת בוצה הייתה 0.082 ק"גBOD/kgMLSS. עומק המים האפקטיבי של המיכל הביולוגי היה 6 מ', עם נפח מיכל כולל של 9,052.2 מ"ר וזמן שמירה הידראולי כולל (HRT) של 17.4 שעות. התפלגות HRT הייתה: אזור בורר 0.58 שעות, אזור אנאירובי 1.38 שעות, אזור אנוקסי 2.85 שעות, אזור תנופה 0.92 שעות ואזור אירובי 11.67 שעות. מיחזור בוצה היה 100%, ומיחזור פנימי של משקאות חריפים היה 300%. המיכל הביולוגי המקורי כלל בעיקר מקטעים אירוביים-אנוקסיים-. ניתן להתאים את פרמטרי ההפעלה בהתבסס על תנאי ההשפעה ודרישות הקולחים כדי להשיג סילוק חנקן וזרחן, כאשר איכות הקולחים עומדת בתקן דרגה A של GB 18918-2002.
2. סקירה של פרויקט השדרוג והשיפוץ
שדרוג זה נועד לשפר את איכות הקולחים כדי לעמוד בתקן Class A של התקן המקומי טיאנג'ין "תקן הזרמה של מזהמים למפעלי טיהור שפכים עירוניים" (DB 12/599-2015). איכות ההשפעה והקולחים המעוצבת מוצגות בטבלה 1. על פי ערכי ה-TN של השפעת והקולחים המתוכננים, השגת TN של שפכים מתחת ל-10 מ"ג/ליטר מחייבת שיעור דניטריפיקציה של 75.6% במערכת המיכלים הביולוגיים. המיכל הביולוגי המקורי השתמש בתצורת A²/O. חישובים המבוססים על תצורת המיכל המקורית הצביעו על כך שיחס המיחזור הפנימי יצטרך לעלות מ-200% ל-310% המקורי, יחד עם תוספת של כמות גדולה של מקור פחמן חיצוני. זה לא רק יגדיל את עלויות התפעול אלא גם הנפח הגדול של זרימת המיחזור הפנימית עלול לשבש את הסביבה האנוקסית. זה עלול להוביל לכך שה-HRT בפועל באזור האנוקסי נמוך מהדרישה המינימלית, מה שמשפיע על יעילות הדניטריפיקציה. תהליך ה-MBBR משפר את יכולת הדניטריפיקציה של המערכת ומשפר את איכות הקולחים על ידי הוספת מנשאים תלויים כדי להגדיל את ריכוז הביומסה בתוך המיכל, ובכך לעמוד בדרישות השדרוג.
מבלי לשנות את נפח המיכל הביולוגי הקיים, הוגדרו מחדש אזורי התפקוד הפנימיים של המיכל הביולוגי. תצורת A²/O המקורית (אנאירובית-אנוקסית-אירובית) שונתה לתצורת Bardenpho 6-שלב: אזור אנאירובי, אזור אנוקסי, אזור נדנדה, אזור אירובי, אזור פוסט-נוקסי ופוסט{8}. באופן ספציפי, אזור הבורר המקורי הומר לאזור אנאירובי. האזור האנאירובי המקורי, אזור התנופה (החלק הקדמי) והאזור האנוקסי שימשו כולם כאזור הפרה-האנוקסי. החצי הקדמי של המסדרון הראשון באזור האירובי המקורי הותאם לאזור נדנדה. המסדרונות האירוביים הראשונים, השניים והשלישיים הוסבו לאזור MBBR, שם נוספו מנשאים תלויים, יחד עם מערכות סינון כניסה/יציאה ומערכת אוורור עזר תחתית. המסדרון האירובי הרביעי הוסב לאזור פוסט-אנוקסי. אזור התנופה המקורי חולק באופן פונקציונלי והותאם לאזורים שלאחר-אנוקסיים ופוסט-אירוביים. הפרמטרים של המיכל הביולוגי המשופץ מוצגים בטבלה 2.
לגבי פעולת התהליך, משקאות מעורבים מהאזור האירובי ממוחזר לאזור האנוקסי, ומוסיפים מקור פחמן בתוך האזור האנוקסי. חיידקים דניטריפיי מנצלים את מקור הפחמן לצורך דניטריפיקציה כדי להסיר חנקן חנקתי המיוצר באזור האירובי. שאריות חנקן חנקתי נכנסות לאזור האנוקסי שלאחר-המקום שבו מתווסף מקור פחמן נוסף להמשך הדניטריפיקציה. לאחר שיפוץ, ריכוז המוצקים המרחפים (MLSS) הוא 4,000 מ"ג/ליטר, מיחזור הבוצה הוא 50%-100%, המיחזור הפנימי של המשקאות המעורבים הוא 200%-250%, וחמצן מומס באזור MBBR הוא 2-5 מ"ג/ליטר. תרשים זרימת התהליך לאחר השיפוץ מוצג באיור 1.
3. הפעלת המערכת לאחר שיפוץ מיכל ביולוגי
לאחר סיום שיפוץ המיכל הביולוגי, החל שלב ההזמנה. למיכל הביולוגי נוספה בוצה מושטת ממי שטיפה אחרת, תוך העלאת ריכוז הבוצה במהירות למעל 3,000 מ"ג/ליטר תוך זמן קצר. זה קיצר את תקופת הגידול וההתאקלמות של הבוצה, ואיפשר הפעלה מהירה של המיכל הביולוגי ושיקום יכולת סילוק החנקן והזרחן שלו. במהלך תקופת הניסוי, עקב זרימת שפע וריכוזי מזהמים נמוכים יחסית, העומס התפעולי בפועל היה נמוך מעומס התכנון. הגישה הייתה תחילה לטפח ולהתאקלם של הבוצה הפעילה עד שהמערכת הביולוגית תתייצב ואיכות הקולחים תעמוד בתקנים, ולאחר מכן להוסיף נשאי MBBR ליצירת ביופילם.
לאחר הוספת הנשאים לחלק האירובי של המיכל הביולוגי, הם נטבלו תחילה. מיקרואורגניזמים מחוברים בהדרגה למשטחים שלהם. מבחינה ויזואלית, צבע משטח הנשא השתנה מלבן לצהוב אדמתי חלש ככל שמיקרואורגניזמים נוספים נצמדו והביופילם נעשה צפוף יותר. צבע הנשא העמיק בהדרגה. חודשיים לאחר הוספת הנשא, היווצרות הביופילם הייתה טובה, כאשר פני הנשא נראה חום צהבהב- והצבע מעמיק בהדרגה. ארבעה חודשים לאחר הוספת הנשא, הביופילם על פני הנשא נראה חום כהה והיה צפוף. ניתן היה לצפות באופן אינטואיטיבי בהתקדמות של יצירת ביופילם על סמך שינויים בצבע הנשא, כפי שמוצג באיור 2. בדצמבר 2021, בדיקה מיקרוסקופית של בוצה פעילה מהמיכל הביולוגי ובוצה מהמובילים גילתה מבני פלומה קומפקטיים בעלי תכונות ספיחה ושקיעה טובות. מבחינה ויזואלית, הנשאים הראו היווצרות ביופילם ברור. בדיקה מיקרוסקופית זיהתה אורגניזמים כמו Vorticella, Opercularia ו-Epistylis, עם תצפיות מזדמנות של כמה ריסים ניידים, המעידים על השלמת שלב יצירת הביופילם.
4. ביצועים תפעוליים לאחר שיפוץ טנק ביולוגי
4.1 ביצועי הסרה עבור COD ו-BOD לאחר שיפוץ
ערכי COD ו- BOD של קולחין לשנת 2022 מוצגים באיור 3. COD קולחין נע בין 10.2 ל-24.9 מ"ג/ליטר, עם ממוצע של 18.0 מ"ג/ליטר. BOD של שפכים נע בין 2.1 ל-4.9 מ"ג/ליטר, עם ממוצע של 3.4 מ"ג/ליטר. גם COD של קולחין וגם BOD עמדו ביציבות בתקן Tianjin המקומי Class A. המערכת המשופצת לא רק הפגינה ביצועי סילוק טובים עבור COD ו-BOD, אלא גם שמרה על רמות COD ו-BOD של קולחים יציבות ותואמות במהלך עונת השיטפונות, גם כאשר עומס ההשפעה בפועל של המפעל הגיע ל-110% מיכולת התכנון שלו. זה מצביע על כך שלמערכת יש עמידות טובה לעומסי זעזועים.
4.2 ביצועי הסרה עבור TN ו-NH₃-N לאחר שיפוץ
ערכי קולחין TN ו-NH₃-N לשנת 2022 מוצגים באיור 4. TN נע בין 3.72 ל-8.74 מ"ג/ליטר, עם ממוצע של 6.43 מ"ג/ליטר. NH₃-N נע בין 0.02 ל-1.25 מ"ג/ליטר, עם ממוצע של 0.12 מ"ג/ליטר. במהלך פעילות החורף, עקב טמפרטורות נמוכות יותר, ירדו שיעורי הניטריפיקציה והדיניטריפיקציה. בפועל, ריכוז הבוצה הועלה למעל 6,000 מ"ג/ליטר. הפעלה בריכוז בוצה גבוה מועילה לשיפור עמידות המערכת הביולוגית בפני עומסי זעזועים, במיוחד בטמפרטורות נמוכות. הסינרגיה בין ריכוז בוצה גבוה לביופילם המחובר לנשאי MBBR משפרת את השפעת הטיפול של המערכת הביולוגית.
נשאי MBBR מספקים סביבה נוחה לקהילות מיקרוביאליות, התומכים בצמיחתן ובהתרבותן. לאחר ההתאקלמות וההתבגרות, יכולת הניטריפיקציה והדיניטריפיקציה של הביופילם מתחזקת. מיקרואורגניזמים מתחברים וגדלים בשכבות על פני הנשא, מגבירים את צפיפות הזווגלואה ויוצרים מבני בוצה גדולים, צפופים ויציבים במהירות. כאשר מתמודדים עם שינויים חיצוניים באיכות המים, מיקרואורגניזמים על משטח הנשא מפרישים חומרים פולימריים חוץ-תאיים (EPS) להגנה עצמית-, ובכך מפחיתים את ההשפעה של שינויים פתאומיים באיכות המים על המיקרואורגניזמים הפנימיים של השכבה-.
בשטחי WWTP המשתמשים בתהליך MBBR, נצפו תופעות של ניטריפיקציה ודניטריפיקציה סימולטנית (SND) באזור הנשא האירובי. בדיקת ערכי ה-TN של שפכים ושפכים מאזור הנשא האירובי גילתה הבדל של 2-6 מ"ג/ליטר. הבדל זה היה בולט יותר, במיוחד כאשר החמצן המומס במיכל האירובי נשלט מתחת ל-2 mg/L, מה שמעיד על SND משמעותי יותר בתנאי חמצן מומס נמוך. הקולחין TN ממיכל השקיעה המשני עמד במלואו בתקנים, כלומר פינוי TN הושלם בשלב הטיפול הביולוגי. בפעולה בפועל, מסנן המיטה העמוק-הדניטריפי פועל כתהליך הגנה. בתנאים רגילים, הוא מתפקד כמסנן רגיל כדי להבטיח שמחווני SS עומדים בתקנים.
4.3 ביצועי הסרה עבור TP ו-SS לאחר שיפוץ
ערכי TP ו-SS של קולחין לשנת 2022 מוצגים באיור 5. TP הקולחין של ה-WWTP נע בין 0.04 ל-0.22 מ"ג/ליטר, עם ממוצע של 0.10 מ"ג/ליטר. SS של קולחים נע בין 1 ל-4 מ"ג/ליטר, עם ממוצע של 2.2 מ"ג/ליטר. לאחר השדרוג, קולחי מיכל השקיעה המשני היה סביב 1.0 מ"ג/ליטר ו-SS סביב 26 מ"ג/ליטר. על ידי הוספת כלוריד ברזל ו-PAM במיכל השקיעה היעיל-על מנת לשפר את הקרישה ובאמצעות טיהור נוסף במסנן המיטה העמוק-המדניטרית, הקולחין TP ו-SS עמדו ביציבות בתקן Tianjin מקומי Class A, וערך הצבע הופחת משמעותית.
5. מסקנה
כדי לעמוד בתקן Tianjin המקומי Class A, תהליך A²/O המקורי ב-WWTP הומר לתצורת Bardenpho חמישה-שלבים, תוך שילוב תהליך MBBR בקטע האירובי כדי לשפר את הסרת החנקן הביולוגי, הפחתת קולחין TN ו-NH₃-N. במהלך עונת השיטפונות עם זרימת עומס יתר, כל האינדיקטורים עמדו בסטנדרטים ביציבות, והדגימו עמידות טובה בפני פגיעה. לאחר שיפוץ המיכל הביולוגי, יחס המיחזור הפנימי היה 200%-300%, מיחזור הבוצה החיצוני היה 50%-100%, ריכוז הבוצה היה 4,000-6,000 מ"ג/ליטר, החמצן המומס באזור האירובי נשלט ב-3-5 מ"ג/ליטר, וחמצן מומס מומס ב-020-5 באזור. מ"ג/ליטר. בשנת 2022, איכות השפכים של השטף הייתה: COD 10.2–24.9 מ"ג לליטר, ממוצע 18.0 מ"ג לליטר; BOD 2.1-4.9 מ"ג/ליטר, ממוצע 3.4 מ"ג/ליטר; NH₃-N 0.02–1.25 מ"ג/ליטר, ממוצע 0.12 מ"ג/ליטר; TN 3.72–8.74 מ"ג/ליטר, ממוצע 6.43 מ"ג/ליטר; TP 0.04–0.22 מ"ג/ליטר, ממוצע 0.1 מ"ג/ליטר; SS 1-4 מ"ג/ליטר, ממוצע 2.2 מ"ג/ליטר. כולם עמדו ביציבות בתקן Class A של התקן המקומי טיאנג'ין "תקן הזרמה של מזהמים למפעלי טיהור שפכים עירוניים" (DB 12/599-2015).