יישום של תהליך BIOLAK בשדרוג מתקן לטיהור שפכים לסטנדרטים כמו-Class IV
תהליך ה-BIOLAK, שהוצג לסין בתחילת המאה ה-21, זכה ליישום נרחב בטיפול בשפכים עירוניים בשל המבנה הפשוט ועלויות ההשקעה הנמוכות שלו. בשנים האחרונות, עם החמרת תקני הפריקה והגברת האוטומציה, רוב מפעלי BIOLAK הקיימים עומדים בפני שדרוגים. שיפורים כמו הוספת מנשאים תלויים, תיקון טנקים והגדרה מחדש של אזורים פונקציונליים מיושמים כדי לשפר את סילוק החנקן והזרחן. בעוד שמפעלים שנבנו לאחרונה מאמצים בעיקר תהליכים של A²/O ותעלות חמצון, יש מעט דיווחים על הביצועים בפועל של BIOLAK, במיוחד תחת תקני פליטה מחמירים. תהליך BIOLAK משתמש בשרשראות אוורור מתנדנדות ליצירת אזורים אנוקסיים ואירוביים זמניים, המתפקדים למעשה כתהליך A/O רב-שלבי. באמצעות אופטימיזציה תפעולית, איכות הקולחים יכולה לעמוד ביציבות בתקן המעיין -מי עילי מסוג Class IV.
1 רקע לפרויקט
מפעל טיהור שפכים במחוז הביי משתמש בתהליך BIOLAK כטכנולוגיית הליבה שלו. הזרימה נעה בין 18,000 ל-22,000 מ"ק ליום, בממוצע של 19,000 מ"ק ליום, מטפלת בעיקר בשפכים ביתיים עירוניים וכמות קטנה של שפכים מעיבוד חקלאי. איכויות ההשפעה והקולחים המעוצבות מוצגות בטבלה 1. תקן ההזרמה המקורי היה תקן דרגה A של *"תקן הזרמה של מזהמים למפעלי טיהור שפכים עירוניים" (GB 18918-2002)*. לאחר שדרוג שכלל חלוקה של אזור אנאירובי כדי להגביר את הדניטריפיקציה והדה-פוספוריזציה, המפעל עומד כעת במגבלות אזור הבקרה העיקריות של *"תקני הזרמת מזהמי מים לאגן נהר דאצ'ינג" (DB13/2795-2018)*. מלבד חנקן כולל, כל האינדיקטורים האחרים עומדים בתקני Class IV המפורטים ב"תקני איכות הסביבה למים עיליים" (GB 3838-2002)*. זרימת התהליך מוצגת באיור 1.
המפעל משתמש בנתרן היפוכלוריט לחיטוי. בוצה מסולקת באמצעות-סינון לוחות ומסגרת בלחץ גבוה עד מתחת לתכולת לחות של 60% לפני שהיא מועברת לעיבוד-משותף בכבשני מלט.
התרומה של כל יחידת טיפול להסרת מזהמים חושבה על סמך מאזן המסה, עם שיטות ספציפיות שהתייחסו מהספרות.
2 אמצעי ייעול בקרה תפעולית
במהלך הפעולה יושמו מספר צעדי אופטימיזציה כדי לשפר את יציבות הקולחים ולהשיג חיסכון באנרגיה ובעלויות.
2.1 בקרת חמצן מומס משופרת (DO).
פרויקטים קיימים של BIOLAK מציינים לעתים קרובות את חלוקת השטחים החלשה שלו כגרסה מרובה- A/O, מה שמוביל ליעילות דניטריפיקציה נמוכה. בפרויקט זה, תוך הבטחת עמידה בחנקן אמוניה בקולחים, ה-DO המקסימלי בקצה אזור האוורור נשמר על 0.5-1.0 מ"ג/ליטר, נמוך מדרישות בקרת DO קונבנציונליות.
2.2 ניטור מוגבר של נתוני תהליך
כדי להנחות בקרת DO ומינון מקור פחמן חיצוני, ניטרו חנקן חנקן וחנקן אמוניה בקצה האזור האנאירובי ובמיכל BIOLAK כדי לקבוע טווחי בקרה אופטימליים. במהלך הפעולה, מינון מקור הפחמן החיצוני הופחת או הופסק כאשר חנקן חנקתי בקצה האזור האנאירובי.<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 הגדרת יעדי בקרת שפכים פנימיים
כדי להבטיח עמידה יציבה, נקבעו יעדי בקרה פנימיים ב-30%–80% ממגבלות ההזרמה, בהתבסס על הקושי בשליטה על כל מזהם. חריגה מהמגבלות הפנימיות הללו גרמה להתאמת פרמטרים מיידית של התהליך כדי להחזיר את ריכוזי הקולחים לטווח מקובל. יעדי הבקרה הפנימית השנתיים עבור COD, חנקן אמוניה, חנקן כולל וסך זרחן היו 15 מ"ג/ליטר, 0.5 מ"ג/ליטר, 12 מ"ג/ליטר ו-0.12 מ"ג/ליטר, בהתאמה.
2.4 שמירה על ריכוז בוצה מתאים
בזבוז הבוצה מותאם לפי זרימה, עומס ועונה. זמן החזקת הבוצה (SRT) נשמר על 15-25 ימים, וריכוז המוצקים המרחפים של המשקאות המעורבים (MLSS) על 2,500-4,500 מ"ג/ליטר. באופן ספציפי, MLSS נשלט ב-2,500-3,500 מ"ג/ליטר בקיץ ובסתיו, עם עומס בוצה של כ-0.06 kgCOD/(kgMLSS·d), וב-3,500-4,500 מ"ג/ליטר בחורף ובאביב, עם עומס בוצה של כ-0.04 kgMLSSCOD/(kgMLSS·d).
2.5 התאמת פעולת יחידות טיפול מתקדמות
טמפרטורות נמוכות בחורף השפיעו על צקיפות ושקיעה. שטיפה לאחור בטרם עת של מסננים מסוג -V עלולה להוביל לעלייה במוצקים מרחפים ו-COD בשפכים. לכן, במהלך פעולת החורף, תדירות השטיפה לאחור הוגדלה בהתבסס על ביצועי הקרישה, ופליטת בוצה ממיכל השקיעה- של הקרישה הוגברה כדי להפחית את ריכוז המוצקים המרחפים בשפכים.
3 ביצועי טיפול
COD משפיע שנתי נע בין 109 ל-248 מ"ג/ליטר, בממוצע 176 מ"ג/ליטר. COD קולחין נע בין 9.5 ל-20.1 מ"ג/ליטר, בממוצע 12.1 מ"ג/ליטר. כאשר COD קולחין עלה על יעד הבקרה הפנימי (15 מ"ג/ליטר), תדירות שטיפת המסננים לאחור הוגדלה כדי להפחית מוצקים מרחפים. מומלץ לשדרג את מיכל השקיעה-לקרישה למיכל-צפיפות או קרישה מגנטית-גבוהה ליעילות קרישה טובה יותר.
חנקן אמוניה בשפע שנתי נע בין 17.8 ל-54.9 מ"ג/ליטר, בממוצע 31.9 מ"ג/ליטר. חנקן אמוניה בקולחים נע בין 0.12 ל-1.30 מ"ג/ליטר, בממוצע 0.5 מ"ג/ליטר. כאשר הוא חרג מיעד הבקרה הפנימית, האוורור מותאם לפי אמצעי האופטימיזציה. איכות הקולחים עמדה ביציבות במגבלות אזור הבקרה העיקריות של *DB13/2795-2018* לאורך כל השנה.
בשל ריכוז נמוך של מקור פחמן משפיע, ההתמקדות הייתה באופטימיזציה של תנאי התהליך כדי לשפר את סילוק החנקן והזרחן, במטרה לחסוך באנרגיה ובעלויות.
3.1 אופטימיזציה של בקרת DO והסרת חנקן כוללת
החנקן ההשפעה השנתי (TN) נע בין 20.3 ל-55.6 מ"ג/ליטר (ראהאיור 2), בממוצע 42.1 מ"ג/ליטר. TN קולחים נע בין 2.5 ל-14.2 מ"ג/ליטר, בממוצע 8.8 מ"ג/ליטר, במסגרת יעד הבקרה הפנימית (12 מ"ג/ליטר). שיעור הסרת TN הממוצע היה 79.1%. עם יחס מיחזור בוצה של 90% (ללא מיחזור פנימי של משקאות חריפים מעורבים), יעילות הדניטריפיקציה התיאורטית הייתה 47.4%, מה שמעיד על כך שהדניטריפיקציה התרחשה גם באזורי תהליך אחרים מעבר לבורר האנאירובי. שינויים בחנקן לאורך הרכבת הטיפול במחזור טיפוסי מוצגים באיור 3.
במחזור טיפוסי, TN ההשפעה היה 42.0 מ"ג/ליטר, כאשר סכום האמוניה והחנקן החנקתי הוא 35.2 מ"ג/ליטר. לאחר הבורר האנאירובי, TN היה 16.7 מ"ג/ליטר, מה שהביא לשיעור הסרה של 43.5% באמצעות איזון מסה, בהתאם לערך התיאורטי. מיכל BIOLAK תרם הסרה של 24.0% TN. שפכים TN הצטמצמו עוד יותר במיכל השקיעה המשני, ותרם הרחקה נוספת של 11.3%, בעיקר בשל זמן השמירה ההידראולי הארוך שלו (8.6 שעות) המאפשר דניטריפיקציה מונעת- של פחמן אנדוגני. יחידות אחרות תרמו 1.9% הסרה. TN סופי של שפכים היה 8.1 מ"ג/ליטר, עם שיעור פינוי כולל של 80.7%.
ניסיון תפעולי מראה שבקרת DO חיונית להסרת TN בתהליך BIOLAK. בתהליכים קונבנציונליים, DO נמדד בדרך כלל בקצה האזור האירובי במבנה תעלה שבו DO אחיד יחסית על פני החתך-. עם זאת, במיכל BIOLAK, קצה אזור האוורור רוחב כמעט 70 מטרים, כאשר ה-DO עולה מקצה המדרון למרכז, הבדל של 0.5-1.0 מ"ג/ליטר. לכן, המיקום של בדיקות DO דורש תשומת לב זהירה.
על ידי שליטה קפדנית על ה-DO המקסימלי בקצה אזור האוורור של BIOLAK, הובטחה למעשה סביבה אנוקסית הנחוצה לדניטריפיקציה. הושג ניטריפיקציה ודניטריפיקציה סימולטנית (SND) תוך שימוש במקורות פחמן אנדוגניים, וכתוצאה מכך הסרה יעילה של TN.
3.2 סילוק זרחן כולל ואופטימיזציה תפעולית
השפעת זרחן שנתי (TP) נעה בין 1.47 ל-4.80 מ"ג/ליטר (ראהאיור 4), בממוצע 2.99 מ"ג/ליטר. TP קולחים נע בין 0.04 ל-0.17 מ"ג/ליטר. מינון התרופה להסרת זרחן הותאם על סמך יעד הבקרה הפנימי (0.12 מ"ג/ליטר). ריכוז ה-TP הממוצע בשפכים היה 0.07 מ"ג/ליטר, עומד ביציבות בתקן ההזרמה, עם שיעור סילוק TP ממוצע של 98.3%.
שינויים בפוספט לאורך הרכבת הטיפול במחזור טיפוסי מוצגים באיור 5.
פוספט משפיע היה 2.70 מ"ג/ליטר, ופוספט בוצה חוזר היה 0.58 מ"ג/ליטר, מה שהופך את הפוספט התיאורטי שנכנס לבורר האנאירובי ל-1.70 מ"ג/ליטר. לאחר שחרור זרחן אנאירובי על ידי יצורים מצטברים של פוליפוספט (PAOs), ריכוז הפוספט הגיע ל-3.2 מ"ג/ליטר. יחס ריכוז הפוספט (מקסימום באזור אנאירובי/השפעה) היה 1.9, מה שמצביע על שחרור משמעותי. הסיבה העיקרית הייתה דניטריפיקציה יעילה בתנאי DO נמוך, וכתוצאה מכך ריכוז חנקה נמוך בבוצה החזרה לאזור האנאירובי, שמירה על סביבה אנאירובית טובה (ORP בדרך כלל מתחת ל-200 mV) וקידום שחרור זרחן.
לאחר אזור האוורור BIOLAK, התרחשה ספיגת זרחן משמעותית, שהפחיתה את ריכוז הפוספט בסוף ל-0.3 מ"ג/ליטר, והשיגה יעילות סילוק זרחן ביולוגית של 88.9%. לאחר מיכלי השקיעה והייצוב, ריכוז הפוספט עלה ל-0.64 מ"ג/ליטר. ניתוח מצביע על כך שזה נבע מה-HRT הארוך במיכל השקיעה וה-DO המבוקרת בקפדנות במיכל BIOLAK, שיצר מצב אנאירובי במיכל השקיעה וגרם לשחרור זרחן משני. לאחר מינון כימי ביחידת הקרישה, הפוספט הקולחין הופחת ל-0.06 מ"ג/ליטר. לכן, בהתחשב בעלויות כלכליות ומורכבות תפעולית, הקרבת יעילות סילוק זרחן ביולוגית כדי לשפר את הדניטריפיקציה היא אסטרטגיית אופטימיזציה בת קיימא עבור מפעלים דומים.
4 עלויות תפעול
עלויות תפעול ישירות כוללות חשמל, כימיקלים וסילוק בוצה. בהתבסס על סטטיסטיקה שנתית, צריכת החשמל הספציפית הייתה 0.66 קוט"ש/מ"ר. עם מחיר חשמל של 0.65 CNY/kWh (בהתבסס על שילוב של תעריפי שיא/שיא-), עלות החשמל הייתה 0.429 CNY/m³. צריכה זו היא על הצד הגבוה על פי "תקן הערכה לאיכות תפעולית של מכוני טיהור שפכים עירוניים", בעיקר בשל יעילות ניצול החמצן הנמוכה במעט של מערכת האוורור. עלויות כימיקלים, כולל נתרן אצטט, חומר להסרת זרחן, PAM, נתרן היפוכלוריט וכימיקלים להסרת מים, הסתכמו ב-0.151 CNY/m³. שימוש ועלויות ספציפיות מוצגים בטבלה 2.
הבוצה מקורה בעיקר במקורות ביולוגיים וכימיים (מיכל קרישה). סינון לוחות ומסגרת בלחץ גבוה- משמש עם סיד וכלוריד ברזל כחומרי מיזוג. מינון הגיר הוא כ-25% ממשקל הבוצה היבשה. לעוגה מפושטת יש תכולת לחות של 60%. ייצור בוצה מנוקת מים הוא כ-9 טון, עם תפוקת בוצה יבשה ספציפית של כ-0.15%. הובלת בוצה עולה 250 CNY/טון, וכתוצאה מכך עלות סילוק בוצה של כ-0.118 CNY/m³. לכן, עלות הייצור הישירה הכוללת היא 0.698 CNY/m³.
5 מסקנות
① מפעל טיהור שפכים במחוז הביי, המשתמש בתהליך BIOLAK לטיפול בשפכים עירוניים, פעל ברציפות במשך שנה אחת כשאיכות הקולחים עומדת ביציבות במגבלות אזור הבקרה העיקריות של *DB13/2795-2018* (תקן מי עילי Quasi-Class IV).
② כגרסה של תהליך A/O רב-שלבי, שליטה ב-DO המקסימלית בסוף אזור האוורור של BIOLAK ב-0.5-1.0 מ"ג/ליטר הביאה לשיעור הסרת TN של 24.0% באזור BIOLAK ו-11.3% במיכל השקיעה. זה השיג דניטריפיקציה-בו-זמנית ודיניטריפיקציה של מקור פחמן אנדוגני, המדגים יכולת סילוק חנקן משמעותית.
③ העלות התפעולית הישירה עבור תהליך BIOLAK הייתה 0.698 CNY/m³. אמצעי אופטימיזציה תפעולית, לרבות ניטור נתוני תהליכים וקביעת יעדי בקרה פנימיים סבירים, יכולים לספק אסמכתאות לייעול התפעול ולהשגת חיסכון באנרגיה/עלויות במפעלי טיהור שפכים דומים.