כאשר מפעל טיהור שפכים עירוני בגודל 60,000 מ"ר ליום במחוז ג'ה-ג'יאנג עמד בפני משבר עמידה בחורף של TN - פינוי חנקן ביולוגי שקרס רק28.52%כאשר טמפרטורת המים ירדה מתחת ל-12 מעלות - היא לא הצליחה לבנות אף מיכל חדש. האדמה הייתה מפוזרת, המפעל פעל ב-110% מהזרימה המתוכננת, ולא ניתן היה לשנות מבחינה מבנית את כורי ה-SBR מפלדת Lipp המזדקנים. התשובה הייתה להטמיע נושאי ביופילם של מיטה נעה של MBBR ישירות בתוך מיכלי ה-SBR הקיימים. 12 חודשים לאחר מכן, הגיעה הסרה ביולוגית של TN69.85%, הסרת TP טיפסה מ-70.9% ל-79.3%, והעלות הכוללת התפעולית הייתה רק0.024 RMB/m³.
סיכון התאימות מאחורי השדרוג
נבנה בשנת 2004 כשלב I ו-II עם קיבולת עיצובית של 60,000 מ"ק ליום, המפעל מטפל בתערובת של כ-80% ביוב ביתי ו-20% שפכים תעשייתיים ממפעלי טקסטיל ונייר. שלב הטיפול הביולוגי העיקרי הוא מערכת SBR הכוללת 12 כורי מיכל פלדה של Lipp, כל אחד בקוטר 32 מ' עם נפח עבודה של 5,000 מ"ק ותפוקה עיצובית של 5,000 מ"ק ליום. רכבת הטיפול המקורית הייתה:
ביוב גולמי ← מסך גס ← מיישב ראשוני ← בורר SBR ← מיכל SBR ← מיכל חוצץ ← מטהר- יעילות גבוהה ← Denitrification Deep-מסנן מיטה ← חיטוי ← פריקה
בשנת 2014 המפעל כבר שודרג כדי לעמוד במגבלות Class A של GB 18918-2002 על ידי הוספת מבהיר יעילות גבוהה- ומסנן מצע עמוק של דניטריפיקציה. אבל בשנת 2018 הוציאה ממשלת מחוז ג'ג'יאנג את התקן המחמיר בהרבה DB 33/2169-2018, המחייב שפכיםTN פחות או שווה ל-12 מ"ג/ליטרוTP פחות או שווה ל-0.3 מ"ג/ליטר. ניתוח הנתונים התפעוליים של 2019–2020 סיפרו סיפור ברור: COD, NH₃-N ו-SS עברו בעקביות, אבל TP קולחין ריחף קרוב לגבול העליון ו-TN הראה סיכון חריגה עונתי בחורף. כאשר טמפרטורת המים של המיכל הביולוגי ירדה מתחת ל-12 מעלות, הסרת ה-TN הביולוגית של ה-SBR ירדה ל-28.52% בלבד, מה שאילץ את מסנן הדניטריפיקציה במורד הזרם לשאת יותר מ-45% מסך הסרת ה-TN דרך מקור פחמן, תוך מינון - קב שביר ותואם-.
מדוע טנקים חדשים לא היו אופציה
השדרוג הוגבל על ידי חמש מציאויות קשות ששללו מיד הרחבת בוצה מופעלת- קונבנציונלית:
• המפעל כבר פעל בקיבולת תכנונית או מעל - שיא הזרימה היומית הגיעה ל-67,000 m³/d לעומת תכנון של 60,000 m³/d - מה שהותיר אפס מרווח הידראולי להשבתת בנייה.
• מיכלי ה-SBR היו מבני פלדה של Lipp בני 10- שנים; חיתוך או חיזוקם לצורך שינוי מבני היה קשה ומסוכן ביותר.
• קרקע זמינה בתוך גבול הצמח הייתה מפוזרת, בעלת צורה לא סדירה וקטנה מדי עבור אגני טיפול ביולוגי חדשים.
• חלון הבנייה חפף את עונת השיטפונות, ולא ניתן היה להשבית את המפעל, לא יכלו להפחית את נפח הטיפול לתקופות ממושכות ולא יכלו להזרים שפכים לא תקינים במהלך הבנייה.
• לא הורחבו מתקני פיזור בוצה קיימים, מה שהגביל את יכולת המפעל לבזבז עודפי בוצה מהמיכלים הביולוגיים.
לאחר הערכת האפשרויות, צוות העיצוב בחרSBR+MBBRכפתרון הליבה: הטמעו נושאי ביופילם תלויים ישירות במיכלי ה-SBR הקיימים מבלי לשנות את מבנה המיכל, הוסף MBBR-מערבלים ספציפיים ומסכי יציאת כניסה/יציאה, וייעול מחדש-תזמון מחזור SBR כדי להעדיף דניטריפיקציה. זה שמר על ההון שכבר הושקע במיכלי הפלדה תוך ביטול נעילת צעד-ביכולת סילוק החנקן הביולוגי.
עיצוב יעדי איכות מים
פרמטרי איכות מי הקולחין והשפעת התכנון מסוכמים להלן. שים לב שהערכים בסוגריים עבור NH₃-N ו-TN הם מגבלות החורף החלות כאשר טמפרטורת המים נמוכה מ-12 מעלות - משטר ההפעלה התובעני ביותר ובדיוק היכן שמערכת ה-SBR המקורית נכשלה.
| פָּרָמֶטֶר | משפיע | קולחים |
| CODcr (מ"ג/ליטר) | פחות או שווה ל-370 | פחות או שווה ל-40 |
| BOD₅ (מ"ג/ליטר) | פחות או שווה ל-180 | פחות או שווה ל-10 |
| NH₃-N (מ"ג/ליטר) | פחות או שווה ל-25 | פחות או שווה ל-2 (4 בחורף) |
| TN (מ"ג/ליטר) | פחות או שווה ל-40 | פחות או שווה ל-12 (15 בחורף) |
| TP (מ"ג/ליטר) | פחות או שווה ל-6 | פחות או שווה ל-0.3 |
מגבלת TP של 0.3 מ"ג/ליטר תובענית במיוחד עבור מערכת ביולוגית, וזו הסיבה שהצמח משלב ספיגת זרחן ביולוגי עם מינון PAC במבהיר היעילות הגבוהה- כשלב ליטוש. יעדי התכנון של TN, בינתיים, דרשו מהשלב הביולוגי לעשות את המשימות הכבדות כך שמסנן הדניטריפיקציה במורד הזרם לא יצטרך עוד לפצות על הפסדים ביולוגיים בחורף.
עיצוב מחודש: MBBR בתוך מיכלי SBR קיימים
התיקון המיר את כל 12 מכלי ה-SBR הקיימים לכורי SBR+MBBR תוך שימור אזור הבורר הקיים ונפחי אזור התגובה הראשי. בתוך אזור התגובה הראשי, אזורי MBBR הוקמו וצוידו בנשאי ביופילם תלויים בתוספת מערכות יציאת כניסות/יציאות למניעת אובדן נשאים. ציפוי עמיד בפני שחיקה הוחל על הדופן הפנימית של כל מיכל פלדה של Lipp כדי להגן על משטח הפלדה מפני שחיקה מהמנשאים הנעים לאורך חיי השירות הארוכים.
פרמטרי תכנון הליבה של מערכת SBR+MBBR היו: כור מיכל פלדה בקוטר 32 מ' ונפח 5,000 מ"ר, שטח פנים ספציפי יעיל של נושא MBBRגדול או שווה ל-400 מ"ר/מ"ר, מהירות זרימת מסך שימור פחות או שווה ל-0.05 m/s, ונקבוביות מסך של 38%-40%. מערכת איוורור דיסק הממברנה נשמרה ונעשה בה שימוש חוזר, מה שהפחית עוד יותר הן את עלות הציוד והן את עבודות הבנייה.
איור 1: זרימת תהליך משודרגת
תהליך תהליך השדרוג שלאחר-הפוסט מוצג למעלה. אסטרטגיית הבנייה העיקרית הייתה להרכיב מכל SBR אחד בכל פעם, תיאום זרימה בין שלב I/II למפעל שלב III החדש יותר במהלך תקופת הבנייה, כך שקיבולת הטיפול הכוללת מעולם לא הופחתה. גישה רציפה זו היא שאיפשרה לפרויקט לעבור את עונת השיטפונות ללא כיבוי או פריקה לא תקנית.
איור 2: פריסת תיקון מחדש של הכור SBR+MBBR
הציוד העיקרי שנוסף עבור מערכת MBBR מסוכם בטבלה למטה. יחד, פריטים אלה המירו מיכל אוורור אצווה לכור גידול תלוי-היברידי המסוגל לנטריפיקציה ודניטריפיקציה בתוך אותו מחזור.
| לֹא. | צִיוּד | מפרטים | כַּמוּת |
| 1 | מיקסרים ייעודיים של MBBR | φ=1,000 מ"מ, N=5.5 קילוואט | 36 יחידות |
| 2 | מסכי יציאת כניסה/יציאה | נירוסטה SS304 | 12 סטים |
| 3 | בַּקבּוּק | Q=1,245 m³/h, H=2.26 m, N=1.5 קילוואט | 12 יחידות |
| 4 | נושאי ביופילם MBBR | SSA יעיל גדול או שווה ל-400 מ"ר/מ"ר, פוליאוריטן | 1,830 m³ |
| 5 | מערכת אוורור | מפזרי דיסק ממברנה (קיימים, נשמרים) | 12 סטים |
מדוע הכוונון מחדש-בקרת התהליך חשוב
החומרה לבדה לא הספיקה - גם הלוגיקה של מחזור SBR הייתה צריכה להשתנות כדי ליצור חלון דניטריפיקציה אנוקסית. מחזור ה-SBR המקורי היה 6 שעות לכל אצווה: מילוי שעה אחת (עם אוורור), הגיבו 2 שעות, התייצבות 1.5 שעות, הזלפה 1.5 שעות. הבעיה עם הרצף הזה הייתה שהאוורור במהלך שלב המילוי צרך את מקור הפחמן באמצעות חמצון במקום לשמור אותו לדניטריפיקציה.
לאחר הוספת מערבלי הדניטריזציה, שלב המילוי הועבר לערבוב לא- מאוורר (אנוקסי). המחזור האופטימלי הפך: למלא שעה אחת (ערבוב אנוקסי), להגיב שעה אחת, להתיישב שעה אחת, למלא שעה אחת. הרצף הפשוט הזה- יצר אזור אנוקסי שבו דניטריפיררים הטרוטרופיים יכולים להפחית חנקה לגז חנקן באמצעות מקור הפחמן המשפיע - תוך חיתוך דרמטי של דרישת הפחמן החיצוני במורד הזרם.
במהלך החורף (אמצע-נובמבר עד אמצע-מרץ), כאשר טמפרטורת המים הביולוגית הממוצעת ירדה מתחת ל-12 מעלות, המחזור הוארך מעבר ל-6 שעות כדי לפצות על פעילות מיקרוביאלית מופחתת. בנוסף, בוצה קרושה מגנטית משלב הטיפול השלישוני הוכנסה חזרה למיכלי ה-SBR כדי לשפר את יכולת התיישבות הבוצה ולשפר את יכולת פינוי החנקן - שימוש חוזר חכם ב-מוצר לוואי שגם ייצב את שקיעת הבוצה בעונה הקרה.
תוצאות וביצועים תפעוליים
שדרוג ה-SBR+MBBR הושלם והופעל בדצמבר 2022. נתוני הביצועים להלן משווים את השלב הביולוגי לפני ואחרי התיקון המחודש - והשיפור ניכר ביותר דווקא בחודשי החורף שבעבר גרמו לכשלי התאמה.
הסרת חנקן כוללת: מ-28.52% ל-69.85%
לאחר השדרוג, יעילות הסרת TN בשלב הביולוגי של SBR עלתה מכ-28.52% לערך69.85%. שני מנגנונים מניעים את השיפור הזה. ראשית, ערבוב אנוקסי במהלך שלב המילוי סיפק תנאים אופטימליים לדניטריפיקציה על ידי מתן הפחתת פחמן משפיע לדלק חנקה. שנית, הספקים של MBBR קיבעו והעשירו חיידקים מחנקים איטיים-על פני השטח המוגנים שלהם, מה שמגביר את הניטריפיקציה אפילו בטמפרטורה נמוכה שבה מתקשים ניטריפירים בצמיחה-. במערכת הדניטריפיקציה הדו-שלבית המותאמת- (שלב ביולוגי SBR + מסנן דניטריפיקציה במורד הזרם), השלב הביולוגי מהווה כעת בערך85% מסך הסרת החנקן, בהשוואה מתחת ל-24% לפני השדרוג - וזו הסיבה שצריכת מקור הפחמן במסנן הדניטריפיקציה ירדה בצורה כה חדה.
איור 3: שפכים TN לפני ואחרי השדרוג
סילוק זרחן כולל: 70.9% עד 79.3%
ללא הוספת חומרים כימיים להסרת זרחן בשלב הביולוגי, ההסרה הביולוגית של SBR השתפרה מ-70.9% (השפעה 2.86 מ"ג/ליטר, שפכים 0.81 מ"ג/ליטר) ל79.3%(השפעה 3.05 מ"ג/ליטר, שפכים 0.63 מ"ג/ליטר) - בשנה-לשנה-שיפור של 8.4%. הביומסה הצפופה והיציבה יותר הנתמכת על ידי המובילים, בשילוב עם יכולת התיישבות הבוצה המשופרת, תרמו לרווח זה. בשילוב עם מינון PAC ב--מבהיר היעילות הגבוהה, ה-TP של הקולחין הסופי עמד בצורה מהימנה בתקן המחמיר של פחות או שווה ל-0.3 mg/L.
איור 4: קולחים TP לפני ואחרי השדרוג
השוואה טכנית וכלכלית
סך ההשקעה עבור תיקון SBR+MBBR היה בקירוב19 מיליון יואן, ועליית עלות התפעול הישירה הייתה בלבד0.024 RMB/m³. הטבלה שלהלן משווה את תהליך SBR+MBBR מול שתי טכנולוגיות השדרוג האלטרנטיביות העיקריות: בוצה מופעלת A²/O קונבנציונלית וביוריאקטור ממברנת MBR.
| פריט השוואה | A²/O קונבנציונלי | SBR+MBBR (מקרה זה) | MBR |
| השקעת ציוד (ל-10,000 מ"ק ליום) | 150–200 万元 | 300–450 万元 | 1,000–1,200 万元 |
| נדרש שטח קרקע | 7,000–8,000 מ"ר לכל 10,000 מ"ר ליום | ~30% פחות מהרגיל | קָטָן |
| עלות תפעול ישירה | 0.04–0.05 RMB/m³ | 0.06–0.08 RMB/m³ | 0.7–0.8 RMB/m³ |
| דרישות O&M | נָמוּך | נמוך יחסית | גבוה (ניקוי ממברנות רגיל) |
ההשוואה מבהירה את הצעת הערך. MBR מספק איכות שפכים מצוינת אך בהשקעה של פי 3-4 בציוד ובערך פי 10 מעלות התפעול של SBR+MBBR, בתוספת תחזוקה כבדה של ניקוי ממברנות-. A²/O קונבנציונלי זול לבנייה אך דורש שטח קרקע גדול - בדיוק המשאב שלא היה למפעל הזה. SBR+MBBR נמצא באמצע מאוזן: השקעה מתונה, בערך 30% פחות קרקע מהרגיל, עלות תפעול נמוכה יחסית ותחזוקה פשוטה. עבור שדרוגי מפעל קיימים שבהם הקרקע מוגבלת ויש למזער שיבושי בנייה, הוא המנצח הפרגמטי.
מסקנות והשלכות תעשייתיות
מקרה הנדסי זה מדגים מספר מסקנות שחשובות לתעשיית הטיפול במים הרחבה יותר:
• SBR+MBBR פותר הסרת TN במערכות SBR.על ידי הטמעת נושאי MBBR בכורי SBR קיימים ואופטימיזציה של מחזור האוורור/ערבוב, הסרת TN ביולוגית עלתה מ-28.52% ל-69.85%. זה ביטל את הצורך במינון מוגזם של מקור פחמן במסנן הדניטריפיקציה במורד הזרם והבטיח תאימות גם בתנאי חורף-נמוכים.
• אין צורך במבנים חדשים.השדרוג הביולוגי כולו הושג ללא בניית מכלים חדשים - יתרון מכריע עבור צמחים מוגבלים-בשטח. מבנה מיכל הפלדה הקיים של Lipp נשמר עם שינויים קלים בלבד: ציפוי- עמיד בפני שחיקה, הוספת מיקסרים ומסכי שמירה.
• עלות תפעול מצטברת נמוכה.השקעה כוללת של 19 מיליון RMB ועליית עלות תפעול של 0.024 RMB/m³ בלבד הופכים את העלות הזו-ליעיל ביותר בהשוואה לחלופות כגון MBR ב-0.7–0.8 RMB/m³.
• ביצועי חורף מוכחים.התהליך סיפק הסרה חזקה בטמפרטורות מים מתחת ל-12 מעלות, אתגר נפוץ להסרת חנקן ביולוגי באקלים ממוזג.
• ניתן להרחבה וניתן לשכפול.גישת התיקון הרציף של-מיכל יחיד מאפשרת הטמעה ללא השבתת מפעל, מה שהופך אותו למתאים למפעלים מזדקנים אחרים מבוססי SBR- העומדים בפני דרישות שדרוג דומות.
פתרונות ה-MBBR והמתנחלים הנטויים שלנו
מחקר מקרה זה מדגיש את התפקיד הקריטי שתהליכי טיפול ביולוגי ופיזי משולבים ממלאים בשדרוגים מודרניים של מפעלי טיהור שפכים. החברה שלנו מציעה מגוון שלם של מוצרים משלימים בדיוק לפרויקט מסוג זה:
• נושאי ביופילם MBBR- מדיית פוליאוריטן ו-HDPE עם שטחי פנים ספציפיים מ-400 עד 800 מ"ר/מ"ר כדי להתאים לתצורות תהליך וליעדי טיפול שונים;
• מסכים ומערכות שימור MBBR- פתרונות סינון כניסות/יציאות של SS304-בהתאמה אישית למניעת אובדן ספק;
• מתיישבי צינור נוטה- מדיית צינורות חלת דבש מסוג PP/PVC להפרדת נוזלים מוצקים-ביעילות גבוהה במכלי מבהירים ובמיכלי שיקוע, משלימה טיפול ביולוגי של MBBR;
• מפזרי דיסק בועות עדינים- מפזרי דיסק ממברנת EPDM עם גודל נקבוביות של 20–50 מיקרומטר לאוורור-ביעילות גבוהה בכורים ביולוגיים;
• תמיכה טכנית- סיוע מלא בעיצוב עבור חידושים של MBBR, כולל בחירת ספק, עיצוב אוורור, גודל מסך שמירה ואופטימיזציה של תהליך.
הסרת TN מהרמה מ-28% ל-70% ב-SBR
התקנה מחדש של מיכלי SBR עם מדיה MBBR העלתה את הסרת ה-TN ל-69.85% בעלות נוספת של 0.024 RMB/m3 בלבד - ללא מיכלים חדשים. Juntai MBBR media הופכת את השדרוג לפשוט.