שני-שלבים מול שלושה-שלבי AO: השוואה הנדסית להסרת חנקן ב-WWTP

השוואה בין תהליכי AO דו-שלבי-שלבי AO: הנדסה פֶּרספֶּקטִיבָה

נכון לעכשיו, רוב מפעלי הטיפול בשפכים (WWTP) בסין מאמצים תהליכים מבוססי בוצה פעילה- לטיפול בשפכים. מבין אלה, כמעט מחציתם משתמשים בתהליך האנוקסי-אוקסית (AO). תהליך AO מציע יתרונות כמו פעולה יציבה ועלות נמוכה. עם זאת, יעילות הסרת החנקן הכוללת שלו, הנעה בדרך כלל בין 60% ל-80%, מוגבלת על ידי יחסי מיחזור פנימיים. עם דרישות לאומיות מחמירות יותר ויותר להסרת חנקן, תהליכי AO חד-שלביים-מתקשים לעתים קרובות לעמוד בדרישות לטיפול ב-TN. לכן הופיעו תהליכי AO מרובי{10}}שלבים. על ידי חיבור שני שלבי AO או יותר בסדרה, הניטראט המיוצר בשלב האירובי הקודם מספק את המצע לדניטריפיקציה בשלב האנוקסי הבא. זה משיג את המטרה של הפחתת יחס המיחזור הפנימי תוך שיפור ההסרה הכוללת של TN. עם זאת, שלבים מוגזמים יכולים גם להגביר את המורכבות התפעולית. כתוצאה מכך, התצורות הנפוצות ביותר בסין הן כיום תהליכי AO דו-ושלושת-שלבי. מאמר זה מציג ניתוח השוואתי של תהליכי AO דו-ושלושה-שלביים תוך שימוש ב-WWTP בדרום סין כמחקר מקרה, במטרה לספק התייחסות לבחירת מסלולים טכניים בפרויקטים דומים.

1 סקירת פרויקט

תחנת מים בדרום סין משתרעת על שטח כולל של 80 דונם. קיבולת התכנון המקורית שלו הייתה 90,000 מ"ק/ד', כאשר איכות הקולחים נדרשת כדי לעמוד הן בתקן דרגה A של "תקן הזרמה של מזהמים למפעלים לטיהור שפכים עירוניים" (GB 18918-2002) והן "גבולות הזרמת מזהמי מים" של מחוז גואנגדונג/2} DB 2014 (6{014) המכונה "Quasi-Class V"). המפעל פעל בתפוקה מלאה. על פי התכנון הרלוונטי נדרשה הרחבה. תקני הקולחים העתידיים, המבוססים על המצב הנוכחי, היו צריכים לשקול דרישה ארוכת טווח של TN פחות או שווה ל-10 מ"ג/ליטר. בהתחשב באופן מקיף בתנאי האתר בפועל, היקף הבנייה האזרחית להרחבה זו נקבע על 70,000 מ"ק ליום. המפעל יפעל בטווח הקרוב ב-50,000 מ"ק ליום ויגיע בטווח הארוך לסולם של 70,000 מ"ק ליום, מה שיביא את כושר הטיפול הכולל של המפעל ל-160,000 מ"ק ליום. איכות מי ההשפעה והקולחים המעוצבת מוצגות בטבלה 1.

בשל אילוצי האתר, התוכנית המקדימה להרחבה אימצה את מסלול התהליך של "רב-שלבי AO + היקפי-בפריפריאלי-מיכל שקיעה מלבני + מיכל שקיעה ביעילות גבוהה-+ מיכל שיקוע סיבים-ומסנן{8}". המבנים האזרחיים של כל היחידות העיקריות נבנו בקנה מידה של 70,000 מ"ק ליום, בעוד שהותקן ציוד לקיבולת של 50,000 מ"ק ליום. המיכל הביולוגי ישתמש בתהליך AO רב-שלבי בטווח הקרוב. בטווח הארוך, הוספת נשאים מושעים תיצור תהליך בוצה משופעל-היברידית של ביופילם כדי לענות על הדרישה להרחבת קיבולת של 40%. עבור תכנון זה, נשקלו תנאים הידראוליים בקנה מידה של 70,000 מ"ק ליום, בעוד שטיפול ביולוגי תוכנן לסולם של 50,000 מ"ק ליום. מכיוון שפרויקט זה נועד לאמץ תהליך AO מרובה-שלבים, נערכה השוואה בין שני-שלבים לשלושה-שלבים AO.

2 השוואה בין תהליכי AO של שני-שלבים ושלושה-שלבים

2.1 זרימת תהליך

עקרון הליבה של תהליך AO מרובה-שלבים הוא ניצול חנקה שהופק בשלב האירובי הקודם לצורך דניטריפיקציה בשלב האנוקסי הבא, ובכך להפחית את יחס המיחזור הפנימי. תיאורטית, יותר שלבים מובילים להסרה טובה יותר של TN, אך השליטה הופכת מורכבת יותר. בפרקטיקה ההנדסית, שני-שלבים ושלושה-שלבי AO הם הדומיננטיים. זרימות התהליך שלהם מוצגות באיור 1. עבור AO דו-שלבי, המיחזור הפנימי מתוכנן בדרך כלל בשלב ה-AO הראשון. עבור AO שלושה-שלבים, בדרך כלל לא נעשה שימוש במחזור פנימי. צינורות שטיפת מים בבייג'ינג המשתמשים בתהליך AO דו--שלבי כוללים את Qinghe (400,000 מ"ק/ד'), Xiaohongmen (500,000 מ"ק/ד'), Gao'antun (400,000 מ"ק/ד'), Dingfuzhuang (200,000 מ"ק/ד') ו-Huaidhuang (60,000 מ"ק/ד'). תהליך זה מציע יתרונות כגון ציוד פשוט, עלויות תפעול ותחזוקה נמוכות, עמידות חזקה לעומסי זעזועים ותאימות גבוהה לתהליכים אחרים, מה שמקל על שדרוגים עתידיים כדי לעמוד בסטנדרטים גבוהים יותר של קולחים. תיאורטית, AO בשלושה-שלבים בסדרה יכול לבטל את הצורך בציוד מיחזור פנימי, לאפשר הקצאה רציונלית יותר של מקורות פחמן ולהפחית את עלויות ההשקעה והתפעול. תהליך זה מיושם בעיקר בתרחישים עם מספיק מקורות פחמן ודרישות גבוהות להסרת חנקן. מקרים אופייניים כוללים את ה-Qujing WWTP ביונאן (80,000 מ"ק/ד'), תחנת הניקוי העירונית של מחוז Ninghe בטיאנג'ין (90,000 מ"ק/ד'), תחנת הניקוי Zhangguizhuang בטיאנג'ין (200,000 מ"ר/ד'), ומפעל ההטבה Daoxianghu,000000 בבייג'ינג (80,000 מ"ד).

2.2 השוואת תהליכים

בהתחשב בכך שאין קרקע נוספת זמינה לשדרוגים עתידיים באתר זה, ושכמה פרויקטים מקומיים חדשים כבר מיישמים תקן קולחין TN של פחות מ- או שווה ל-10 מ"ג/ליטר, השוואת התהליך התייחסה ל-TN של שפכים ביולוגיים של מיכלים ביולוגיים של פחות או שווה ל-10 מ"ג/ליטר כדי להתאים לאפשרות של דרישות שפכים מחמירות נוספות בעתיד. אינדיקטורים אחרים דבקו באיכות הקולחים העיצובית. בהתבסס על הפריסה, עבור קנה המידה הקרוב- של 50,000 מ"ק ליום, זמן השמירה ההידראולי המקסימלי (HRT) עבור המיכל הביולוגי היה 18 שעות. בשילוב התנאים בפועל של הפרויקט, תוצאות הדמיית BioWin ונוחות הצימוד עם מנשאים תלויים, נערכה השוואה בין תהליכי AO בשני-תלת{10}}שלבים.

2.2.1 הדמיית BioWin

נקבעה טיפול הורמונלי ראשוני של 18 שעות והופחתה בהדרגה. ה-HRT המינימלי שהשיג את דרישת ה-TN בשפכים היה 14 שעות. עבור שני-שלבי AO, נקודות התפלגות ההשפעה היו האזור האנאירובי, האזור האנוקסי-השלב הראשון וה-שלב השני. עבור שלושת-שלבי AO, נקודות ההשפעה היו האזור האנאירובי, האזור האנוקסי-השלב השני וה-השלב השלישי.

① מחקר עם יחס חלוקת השפעות קבוע

הגדרת יחס חלוקת ההשפעה ל-4:3:3 עבור שניהם, סימולציות השוו שלוש סכמות: שני-שלבי AO (יחס מיחזור 200%), שלושה-שלבי AO עם יחס מיחזור כולל של 200% (100% מיחזור בשלב הראשון של AO + 100% מיחזור מהאזור ה-Oxic AO השלישי לאזור {{9} הראשון), ו-3{{5} Oxic zone AO עם יחס מיחזור של 100% (מיחזור רק בשלב ה-AO הראשון). זרימות הסימולציה מוצגות באיור 2.

טבלה 2מציג את תוצאות הסימולציה עבור יחס השפעה קבוע ב-HRT=14 h.

מטבלה 2, ניתן לראות שגם עבור שני-שלבי AO וגם עבור-שלושה שלבים, מומלץ להגדיר מיחזור פנימי בשלב ה-AO הראשון כדי למקסם את הדניטריפיקציה באזור האנוקסי הראשון על ידי ניצול מקור הפחמן בשפך הגולמי. עבור שלושת-שלבי AO, הגדרת מיחזור פנימי מסוף השלב השלישי לאזור האנוקסי הראשון שיפרה מעט את הסרת TN ו-TP, אך יעילות הסרת החומר האורגני ירדה. זוהי ספקולציה המיוחסת לזרימה הכוללת המוגברת במיכל הביולוגי עקב המיחזור, שהוביל חמצן מומס לאזור האנוקסי, והשפיע על הסביבה האנוקסית. בנוסף, ה-HRT בפועל בכל אזור התקצר, והמעבר בין התנאים התפעוליים הואץ, מה שהוביל ליעילות מופחתת. עבור מאפיינים משפיעים כמו אלה בפרויקט זה בדרום סין, שבו ריכוז TN אינו גבוה במיוחד, ה-AO הדו-{8}}שלבי יכול לעמוד במלואו בדרישות הקולחים, ללא יתרון מובהק לשלושת-שלבי ה-AO. עבור תרחישים עם COD גבוה והשפעה גבוהה של TN, שלושת השלבים AO עשויים להתאים יותר.

② מחקר על התאמת יחסי התפלגות ההשפעה

שני-שלבי ושלוש-שלבי AO נקבעו עם יחס מיחזור פנימי של 100% בשלב ה-AO הראשון. מחקרים נערכו על יחסי התפלגות השפעה מרובה -(1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). כאן, 1:0:0 פירושו שכל המשפיעים נכנסים ממש בחזית; 3:7:0 עבור שלושת-שלבי AO פירושו שהשפעת מופצת רק לאזור האנאירובי ולשלב ה-AO השני. תוצאות סימולציה עבור יחסי הפצה מותאמים מוצגות בטבלה 3.

מטבלה 3 ניתן לראות שליחס החלוקה יש השפעה קלה על איכות הקולחים. המגמה הכללית היא שככל ששיעור ההשפעה המופץ לשלבים מאוחרים עולה, ריכוזי TN, NH₃-N ו-TP בשפכים עולים, וגם הדרישה לאוורור עולה בהדרגה. כאשר יחס ההשפעה היה 3:7:0, שלושת-השלבי AO הראו הסרת TN מעט טובה יותר ויחס אוויר-ל-מים מעט נמוך יותר מאשר שני-ה-AO. עם זאת, בפעולה בפועל, הבדל זה הוא בדרך כלל זניח. יתרה מכך, הגדלת שיעור ההשפעה לשלבים מאוחרים יותר, על אף שהיא מועילה לניצול מקור פחמן בדניטריפיקציה, מגדילה בהכרח את העומס על תגובות ביוכימיות עקב הזנת NH₃-N, חומרים אורגניים ו-TP. לכן, מומלץ לשמור על תצורת ההשפעה המרובת-נקודות ולבצע התאמות שלבים על סמך איכות המים בפועל במהלך הפעולה. ראוי לציין שלמרות ששלושת-שלבי AO הראו הסרת TN טובה יותר משני-שלבי AO ביחס שפע של 2:4:4, ככל שההשפעה לשלבים מאוחרים יותר גדלה, הקולחים NH₃-N הראו מגמת עלייה, ובשלב זה NH3₃} לא יכלה יותר לעמוד בתקן- שפחה.

③ ביצועי טיפול של שני-שלב ושלישי-שלב AO

תצורת AO בשלושה-שלבים בוצעה הדמיה עם HRT=14 h, יחסי נפח שווים לכל שלב (1:1:1), 100% מיחזור פנימי שנקבע בשלב AO הראשון ויחס השפעה של 4:3:3, בשני תנאים: עם 100% מיחזור ועם מיחזור סגור. תצורת AO דו-שלבית בוצעה הדמיה עם HRT=14 שעות, 100% מיחזור פנימי ויחס השפעה של 4:3:3. התוצאות הראו ששני-השלבים AO השיגו את ה-TN האופטימלי של שפכים ב-6.29 מ"ג/ליטר; שלושת-השלבי AO עם 100% מיחזור פנימי בחזית השיגו את הטוב הבא ב-7.51 מ"ג/ליטר; שלושת-שלבי AO ללא מיחזור פנימי הניבו ביצועים גרועים יותר ב-8.52 מ"ג/ליטר. כל שלושת התרחישים יכולים לעמוד בדרישת אימות הקולחים (TN פחות או שווה ל-10 מ"ג/ליטר).

טבלה 4מציג את השוואת פרמטרי העיצוב בין שני-שלבים לשלושה-שלבים AO. ניתן לראות כי עבור שני התהליכים, ה-HRT הנדרש להשגת דרישת ה-TN של שפכים הוא פחות מ-18 שעות. ההבדלים העיקריים בין שני התהליכים הם כדלקמן:

א. תיאורטית, לשלושת-שלבי AO יש גבול עליון גבוה יותר; כלומר, אם מופעלים כראוי, הן עלויות ההשקעה והן עלויות התפעול יכולות להיות נמוכות יותר. ל-AO הדו-שלבי יש פחות פריטי ציוד ושלבים, וכתוצאה מכך עלויות ציוד נמוכות יותר וקושי ניהול תפעולי נמוך יותר.

ב. לפרויקט הספציפי הזה, מכיוון שהטווח הארוך נשקל ונפח המיכל תוכנן עבור HRT של 18-שעות, ההשקעה האזרחית תהיה זהה בין אם אימוץ את הדו-שלבי או שלושת-שלבי AO. עלות הציוד עבור שלושת-שלבי AO גבוהה יותר. לכן, מנקודת מבט של השקעה, אימוץ ה-AO הדו-שלבי הוא חסכוני יותר.

ג. לגבי עלויות התפעול, שלושת-שלבי AO יכול לחסוך כ-0.002 CNY/m³ על ידי ביטול 100% עלות האנרגיה של מיחזור משקאות מעורבים. בהתחשב בירידה הפוטנציאלית ביעילות ניצול מקור הפחמן בפעולה בפועל עקב תנאים אנוקסיים/אוקסיים מתחלפים בשלושת-שלבי AO, סביר להניח שההבדל בפועל בעלויות התפעול יהיה קטן עוד יותר.

2.2.2 ניתוח תרחיש-לטווח ארוך של ספק מושעה

בשל הדרישות הייחודיות של פרויקט זה, המיכל הביולוגי היה צריך לשקול את ההיתכנות והנוחות של תוכנית הרחבת הקיבולת לטווח ארוך-, כלומר, את ההשפעה של הוספת מובילים מושעים.

הליבה של תהליך MBBR היא הגדלת הביומסה בכור על ידי הוספת נשאים מרחפים. ניתן להוסיף אותם למיכלים אירוביים, אנוקסיים או אנאירוביים. עם זאת, בהתחשב בנזילות נושאות, הוספתם למיכלים אנאירוביים או אנוקסיים תגביר משמעותית את דרישות כוח הערבוב. לכן, תוספת למיכלים אירוביים מומלצת בעדיפות. ניתן להשלים את הנפח עבור אזורים אנאירוביים/אנוקסיים על ידי חלוקה מהאזור האירובי, בעוד שהמחסור בנפח האירובי מפוצה על ידי הנשאים שנוספו. במילים אחרות, הנפח האירובי הבלתי מספק נושא על ידי שטח הפנים המוגדל של המובילים התלויים, אשר מחושב על סמך המרת עומס המזהמים כדי לקבוע את כמות המוביל הנדרשת, תוך שליטה על יחס מילוי מסוים כדי לקבל את הנפח המוסף.

בהתבסס על חישובים, אם מאמצים את תהליך ה-AO הדו--שלבי ומוסיפים את כל הספקים המושעים לאזור האירובי-השלב הראשון בטווח הארוך, שטח הפנים הנדרש של הספק MBBR יהיה 2,597,708 מ"ר, בעלות של 12.99 מיליון CNY. עלויות ציוד קבועות אחרות הקשורות (כולל מערכות זרימה של MBBR, מערבלים ייעודיים, מערכות סינון ומערכות בקרה חכמות) יהיו 6.15 מיליון CNY. אם מאמצים את תהליך AO בשלושת-שלבי, בשל אזורים מפוזרים יותר, יהיה צורך לחלק את אזור MBBR לשני חלקים (אזורים אירוביים-ראשון ושלב-שני). כתוצאה מכך, עלות התקנת ציוד קבוע MBBR תואם (ללא הספקים עצמם) תגדל מעט ל-7.77 מיליון CNY, בעוד שעלות הספק נשארת זהה. המשמעות היא שאימוץ של שלושת-השלבי AO יגדיל את ההשקעה העתידית בשיפוץ ב-1.62 מיליון CNY וגם יגדיל את מורכבות השיפוץ. יתר על כן, מערכת ההקרנה היא האזור המועד ביותר לבעיות לאחר הוספת הספק. שלושת-השלבי AO מוסיף קטע נוסף של מסכים, ומגביר את הקושי התפעולי.

מההשוואה לעיל, עקב החלוקה המוגזמת בשלושת-שלבי AO, כאשר לכל מחיצה יש נפח דומה, קושי התיקון שלה גבוה יותר מזה של שני-שלבי AO. בנייה, מורכבות תפעולית והוספת ציוד סינון מביאים גם הם להשקעה גבוהה יותר מאשר ה-AO הדו--שלבי. לכן, אימוץ ה-AO של שני-שלבים תורם יותר לחיבור עתידי עם ספקים מושעים.

2.3 תוצאת השוואה

בהתבסס על הניתוח שלמעלה, גם תהליכי AO דו-ושלושה-שלבים יכולים להשיג את היעד של TN של שפכים פחות או שווה ל-10 מ"ג/ליטר. בתנאי הגבול של פרויקט-השטח המוגבל הזה, הצורך למקסם את נפח המיכלים-לטווח הקרוב, והתוכנית-ארוכת הטווח להוספת מובילים מושעים-לשני-שלבי ה-AO יש יתרונות במונחים של השקעה-לטווח הקרוב ונוחות ניהול/תחזוקה של ציוד. הוא גם מציע תאימות גבוהה יותר עבור שיפוץ עתידי עם ספקים מושעים, וכתוצאה מכך השקעה כוללת נמוכה יותר והפחתת תיקון וקושי תפעולי. לכן, לאחר בדיקה מקיפה, הומלץ על תהליך AO דו-שלבי- עבור עיצוב זה.

3 ביצועים תפעוליים

ההשקעה הכוללת המשוערת עבור פרויקט זה היא 304.5721 מיליון CNY, עם עלויות בנייה של 243.6019 מיליון CNY, המתורגמות לעלות בנייה יחידה של 3,480.03 CNY/m³. עלות הטיפול היא 1.95 CNY/m³, ועלות התפעול היא 1.20 CNY/m³.

עבור פרויקט זה, למיכל הביולוגי HRT כולל של 18 שעות (הכולל: אזור אנאירובי 2 שעות, שלב-ראשון אנוקסי 3.5 שעות,-שלב אירובי ראשון 7.5 שעות, אזור דה-גז 0.5 שעות, שני-אזור אנוקסי-שני, אזור-שני- אזור anoxic.9} אזור שני. 2 שעות), עם עומק מים יעיל של 8.6 מ'. מיושמת צריכת מים חלקית מתכווננת, המאפשרת התאמות ביחס חלוקת ההשפעה במרווחים של 20% לפי הצורך. בפעולה בפועל, הריכוז של Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) במיכל הביולוגי נע בין 3,500 ל-4,000 מ"ג/ליטר, יחס החזרת הבוצה נע בין 40% ל-100%, ויחס המיחזור הפנימי של המשקאות המעורבים נע בין 100% ל-200%. איכות ההשפעה והקולחים בפועל מוצגות בטבלה 5, שמתיישר בעצם עם תוצאות הסימולציה.

4 מסקנה

באמצעות שימוש ב-WWTP בדרום סין כמחקר מקרה, השוואה טכנית וכלכלית בין תהליכי AO דו-תלת-שלבים נערכה בעזרת הדמיית BioWin. ה-AO הדו-שלבי, עם פחות פריטי ציוד ושלבים, עלויות ציוד נמוכות יותר וקושי ניהול תפעולי נמוך יותר, מתאים יותר לתנאים בדרום סין שבהם TN המשפיע אינו גבוה במיוחד. עבור שלושת- השלבים AO, הגדרת מיחזור פנימי מסוף השלב השלישי לאזור האנוקסי הראשון השפיעה לרעה על יעילות הסרת TN, הגבירה את הקושי בניהול תפעולי והעלתה את עלויות ההשקעה. העיצוב עומד בו זמנית בדרישות הטיפול לטווח הקרוב של 50,000 מ"ג/ד ו-TN פחות או שווה ל-10 מ"ג/ליטר, בעוד שקנה ​​המידה לטווח ארוך של 70,000 מ"ק ליום יכול להיות מושגת על ידי חיבור עם מנשאים תלויים. התוצאות התפעוליות בפועל תואמות במידה רבה את תוצאות הדמיית BioWin, עם TN ממוצע של שפכים של 6.86 מ"ג/ליטר, העומד בדרישות התכנון.