Penyingkiran Nitrogen Lanjutan dalam WWTP: Analisis Reka Bentuk & Prestasi Proses MBBR Biofilem Tulen|Kajian Kes

Reka Bentuk Kejuruteraan dan Prestasi Proses MBBR Biofilem Tulen untuk Penyingkiran Nitrogen Lanjutan

Dengan kemajuan menyeluruh pembinaan tamadun ekologi China, piawaian pelepasan untuk loji rawatan air sisa (WWTP) telah menjadi semakin ketat. Piawaian Gred A "Standard Pelepasan Bahan Pencemar untuk Loji Rawatan Air Sisa Perbandaran" (GB 18918-2002) memerlukan TN Kurang daripada atau sama dengan 15 mg/L, manakala piawaian tempatan di wilayah seperti Beijing dan Shandong secara eksplisit menetapkan had pada TN Kurang daripada atau sama dengan 10 mg/L. Piawaian tinggi ini melangkaui hanya had kualiti air, meletakkan permintaan yang lebih ketat terhadap kestabilan efluen. Akibatnya, terdapat keperluan mendesak untuk meningkatkan kapasiti penyingkiran nitrogen dalam proses rawatan. Satu pendekatan adalah untuk meningkatkan dos sumber karbon dalam proses sedia ada untuk meningkatkan denitrifikasi, tetapi ini membawa kepada kos operasi yang tinggi dan peningkatan pelepasan karbon. Sebagai alternatif, menambah kemudahan penyingkiran nitrogen termaju, selalunya menggunakan kaedah biofilem untuk memperkayakan bakteria denitrifikasi dengan cekap, boleh meningkatkan penyingkiran TN, mengurangkan keperluan untuk sumber karbon luaran dan mengurangkan pelepasan karbon. Reaktor Biofilm Katil Bergerak (MBBR), dengan kelebihan pengayaan bakteria berfungsi yang kuat, jejak kecil, dan operasi dan penyelenggaraan yang mudah, telah digunakan secara meluas dalam pembinaan, pengembangan dan peningkatan WWTP. Ia secara stabil boleh mencapai piawaian pelepasan yang lebih baik daripada kualiti air permukaan kuasi-Kelas IV dan mempunyai potensi dan kelebihan yang ketara untuk penyingkiran nitrogen lanjutan dalam WWTP. Artikel ini mengambil WWTP di Shandong sebagai kajian kes untuk menganalisis rasional reka bentuk dan prestasi operasi menggunakan proses MBBR biofilem tulen untuk penyingkiran nitrogen lanjutan, bertujuan untuk menyediakan rujukan teknikal untuk penyahtelan air sisa yang cekap.

1. Gambaran Keseluruhan Projek

1.1 Pengenalan Projek

Sebuah WWTP di Shandong telah dibina dalam dua fasa. Fasa pertama, menggunakan proses BIOLAK, telah ditauliahkan secara rasmi pada November 2003 dengan kapasiti rawatan 40,000 m³/d. Susun atur proses BIOLAK dan kawasan yang tersedia untuk naik taraf ditunjukkan dalamRajah 1. Pada mulanya, kualiti efluen memenuhi standard Gred B GB 18918-2002. Menjelang 2020, melalui dos sumber karbon yang dipertingkatkan dan penambahan rawatan lanjutan, kualiti efluen telah dipertingkatkan kepada standard Gred A. Menjelang 2023, selepas tiga tahun beroperasi, kualiti efluen keseluruhan secara amnya boleh memenuhi standard Gred A, tetapi ia menghadapi dua cabaran utama berkaitan penyingkiran nitrogen:

Dos Sumber Karbon Tinggi: Untuk mencapai sasaran TN Kurang daripada atau sama dengan 15 mg/L, sejumlah besar sumber karbon luaran diperlukan. Pengiraan berdasarkan bahagian proses menunjukkan nisbah C/N setinggi 5.9, manakala proses AAO dalam fasa kedua loji memerlukan hanya C/N 4.5–5.0 untuk memastikan pematuhan TN yang stabil. Penambahan sumber karbon yang besar juga memberi kesan buruk kepada proses nitrifikasi aerobik, meningkatkan permintaan oksigen dalam zon aerobik.

Kestabilan Penyingkiran Nitrogen yang Lemah: Memandangkan nitrifikasi dan denitrifikasi berlaku dalam tangki yang sama di bawah keadaan yang berbeza yang diperlukan, parameter operasi memerlukan pelarasan yang kerap berdasarkan perubahan influen. Mengawal NH₃-N dan TN adalah bercanggah, menjadikannya sukar untuk mengekalkan keseimbangan yang stabil antara nitrifikasi dan denitrifikasi. Rintangan beban kejutan sistem adalah sederhana, yang membawa kepada kestabilan efluen yang lemah.

Oleh itu, peningkatan proses BIOLAK asal adalah perlu, dengan objektif teras untuk menyelesaikan konflik antara nitrifikasi dan denitrifikasi, mengurangkan kos operasi penyingkiran nitrogen, dan meningkatkan kestabilan efluen.

1.2 Cabaran Naik Taraf

Memandangkan proses BIOLAK tidak sesuai untuk-pengubahsuaian tangki untuk meningkatkan prestasi, rancangannya adalah untuk mengukuhkan rawatan dengan membina unit penyingkiran nitrogen termaju baharu. Proses BIOLAK asal tertumpu terutamanya pada nitrifikasi dengan denitrifikasi sebagai sekunder, manakala proses baharu akan memberi tumpuan kepada denitrifikasi. Memandangkan keperluan pengubahsuaian sebenar, projek itu menghadapi dua cabaran utama: tanah yang tersedia terhad untuk proses baharu dan keperluan kecekapan operasi yang tinggi.

Tanah Tersedia Terhad untuk Proses Baru: Pembinaan baru perlu disiapkan di dalam tapak loji sedia ada, yang pada asasnya tidak mempunyai tanah simpanan. Pembinaan hanya boleh dilakukan pada tali pinggang hijau bersebelahan dengan tangki BIOLAK, dengan keluasan yang tersedia seluas 400 m². Ini bermakna jejak projek baharu bagi setiap unit air yang dirawat mestilah Kurang daripada atau sama dengan 0.01 m²/(m³·d).

Keperluan Kecekapan Operasi yang Tinggi: Ini bukan peningkatan mudah tetapi pengoptimuman lanjut zon fungsi biokimia. Unit baharu itu dijangka mengendalikan beban penyingkiran nitrogen sebanyak 20 mg/L. Proses ini bukan sahaja perlu disiapkan di tanah yang terhad tetapi juga perlu mengurangkan dos sumber karbon berbanding denitrifikasi BIOLAK asal sambil memastikan prestasi denitrifikasi yang stabil. Oleh itu, permintaan yang tinggi diletakkan pada kedua-dua kecekapan penyingkiran nitrogen dan kecekapan penggunaan sumber karbon.

2. Perbandingan dan Pemilihan Proses

Selepas rawatan melalui proses BIOLAK, TN efluen terutamanya terdiri daripada nitrogen nitrat. Pada masa ini, proses penyingkiran nitrogen lanjutan matang terutamanya menggunakan kaedah biofilem, dicirikan oleh mikroorganisma yang memperkaya dengan cekap pada permukaan pembawa dalam keadaan melekat, menawarkan kecekapan pengayaan bakteria berfungsi yang lebih tinggi daripada proses enapcemar teraktif konvensional. Proses biofilem boleh dibahagikan lagi kepada jenis-katil dan katil bergerak-berdasarkan pencairan pembawa, seperti yang ditunjukkan dalamRajah 2.Penapis denitrifikasi, proses biofilem katil tetap-biasa, menggunakan media penapis berbutir tetap sebagai pembawa pertumbuhan mikrob. Dengan menambah sumber karbon luaran, mereka memanfaatkan penyahtelan biofilm dan penapisan media untuk mencapai penyingkiran serentak NO₃^--N, SS dan bahan pencemar lain. Kelebihan termasuk kualiti air terawat yang stabil, tidak memerlukan penjernih sekunder, dan susun atur yang padat, menjadikannya digunakan secara meluas dalam peningkatan WWTP sebagai unit rawatan lanjutan untuk mengukuhkan penyingkiran TN daripada efluen sekunder. Walau bagaimanapun, tumpuan operasi mesti tertumpu pada kesan C/N pada kecekapan denitrifikasi lanjutan. Projek menaik taraf WWTP WWTP I Pingtang, juga dengan kapasiti 40,000 m³/d, menggunakan penapis denitrifikasi + pengapungan udara terlarut (DAF) berkecekapan tinggi-tinggi sebagai proses rawatan lanjutan untuk menaikkan TN efluen kepada kuasi-piawaian air permukaan Kelas IV, mencapai kira-kira 0.·m² (m³) sam³(m²) tanah dan membolehkan rawatan yang cekap, tetapi dengan C/N setinggi 18.34. Untuk memenuhi piawaian tempatan baharu bagi TN efluen, Loji Penambakan Air No{11}} Chengdu mengguna pakai{12}}tangki pemendapan berketumpatan tinggi dan menapis dasar-penyahduan dalam sebagai proses naik taraf, dengan C/N 5.7, mencapai rawatan lanjutan di bawah standard yang tinggi. LPA Dingqiao di Haining tidak dapat memenuhi piawaian pelepasan Gred A yang diperlukan untuk Lembangan Sungai Qiantang. Gao Feiya et al. menggunakan penapis katil dalam-penyahtelan untuk rawatan TN lanjutan, secara serentak mengalih keluar SS dan TP, menjadikan kualiti efluen hampir kepada piawaian-Kuasi IV, tetapi dengan C/N tinggi 15.68, yang membawa kepada kos penyingkiran nitrogen yang tinggi. Selain itu, proses penapis memerlukan pencucian belakang yang kerap, biasanya menggunakan air-udara, yang boleh menjejaskan kestabilan operasi.

ketidakstabilan dalam penapisan denitrifikasi, penyelidikan mengenai penggunaan-pendenitrifikasi autotrof berasaskan sulfur (SAD) kepada penapis pennyahidratan telah mendapat perhatian. SAD menggunakan unsur sulfur atau sebatian sulfur sebagai penderma elektron di bawah keadaan anaerobik atau anoksik untuk mengurangkan NO₃^--N hingga N₂. Ia menawarkan kelebihan seperti kecekapan denitrifikasi yang baik, tidak memerlukan sumber karbon organik, kos operasi yang rendah dan pengeluaran enapcemar yang rendah. Song Qingyuan et al. mengkaji kesan penyingkiran nitrogen penapis SAD pada efluen sekunder. Selepas mengoptimumkan keadaan perintis, penyingkiran nitrat kekal stabil melebihi 95%, tetapi kadar penggunaan media mencapai 20% setiap tahun, disertai dengan peningkatan kepekatan sulfat efluen dan penurunan pH. Untuk mengelakkan risiko pencemaran sekunder daripada SAD, Li Tianxin et al. media yang disediakan dengan membuat pelet campuran sulfur dan serbuk batu kapur. Menambah bahagian tertentu batu kapur ke dasar penapis meneutralkan keasidan yang dijana dan menghasilkan mendakan CaSO₄, menurunkan kepekatan efluen sulfat dan menangani isu pengeluaran asid dan paras sulfat yang tinggi dengan berkesan. Walau bagaimanapun, ruang yang diduduki oleh batu kapur yang dimaksudkan untuk media penderma elektron dalam sistem, melemahkan kapasiti denitrifikasi lanjutan, meningkatkan kekerasan efluen dan meningkatkan kos operasi. Penyelidikan semasa mengenai teknologi SAD terutamanya pada skala makmal dan perintis, dengan pengalaman kejuruteraan yang tidak mencukupi untuk rujukan. Penyelidikan gunaan lanjut diperlukan sebelum{13}}promosi skala industri.

MBBR ialah wakil tipikal proses biofilem katil{0}}bendalir dan teknologi rawatan air sisa baharu yang telah mendapat perhatian penting sejak beberapa tahun kebelakangan ini. Ia menggunakan pembawa terampai dengan ketumpatan yang hampir dengan air untuk memperkayakan mikroorganisma secara khusus, membentuk biofilem untuk mencapai penyingkiran nitrogen lanjutan. Proses biofilem katil terbendalir{3}}juga mengelakkan isu tersumbat dan pencucian balik media. Pada masa ini, MBBR biofilem tulen untuk denitrifikasi WWTP lanjutan mempunyai lebih 20 tahun pengalaman operasi yang berjaya di luar negara dan melihat aplikasi yang semakin meluas di China. Zheng Zhijia et al. menggunakan proses MBBR biofilm tulen dua-peringkat untuk denitrifikasi lanjutan. Pada C/N=4.0, nitrogen efluen nitrat sistem stabil pada (1.87 ± 1.07) mg/L, dengan purata kadar penyingkiran TN sebanyak 93.3%. Zon pembangunan WWTP di bandar tertentu membina tangki bio{15}}MBBR baharu sebagai rawatan lanjutan tertiari untuk penyahtinjaan dipertingkat. Beban penyingkiran TN dalam bahagian anoksik bagi biofilm tulen MBBR ialah 1.1 g/(m²·d), meningkatkan kebolehpercayaan pendenitrifikasian sistem. Gao Yanbo et al., yang bertujuan untuk meningkatkan kapasiti loji asal, membina tangki biofilem MBBR tulen dua-peringkat AO-} baharu, mencapai TN efluen yang stabil di bawah 5 mg/L dengan kecekapan denitrifikasi yang tinggi. Oleh itu, proses MBBR biofilem tulen menunjukkan potensi besar untuk penyingkiran nitrogen lanjutan dalam WWTP, menggabungkan kelebihan seperti kecekapan penggunaan sumber karbon tinggi, beban rawatan tinggi dan jejak kecil. Walau bagaimanapun, ia juga meletakkan permintaan yang lebih tinggi pada peralatan, memerlukan peralatan yang boleh dipercayai untuk menyokong operasi proses yang stabil. Perbandingan proses penyingkiran nitrogen lanjutan biasa ditunjukkan dalamJadual 1.

Berdasarkan perbandingan menyeluruh, walaupun proses SAD tidak memerlukan penambahan sumber karbon, aplikasi semasanya masih belum matang dan membawa risiko pencemaran sekunder, jadi ia tidak dipertimbangkan untuk naik taraf ini. Walaupun penapis denitrifikasi digunakan secara meluas, ia kebanyakannya digunakan dalam peningkatan WWTP di mana TN influen/efluen reka bentuk selalunya 15/12 mg/L, mengendalikan beban penyingkiran TN yang agak kecil. Memandangkan projek ini memerlukan pemenuhan-permintaan penyingkiran TN jangka panjang yang tinggi, operasi akan memendekkan kitaran cuci belakang penapis dengan ketara, meningkatkan kesukaran operasi dan ketidakstabilan. Proses MBBR biofilem tulen menggabungkan kelebihan seperti kecekapan penggunaan karbon tinggi, tidak perlu mencuci belakang, aplikasi matang dan tiada pencemaran sekunder. Memandangkan cabaran proses dan keperluan pengubahsuaian, projek akhirnya memilih pembinaan tangki bio-tulen biofilem MBBR baharu (selepas ini dirujuk sebagai tangki MBBR) sebagai penyelesaian penyingkiran nitrogen lanjutan untuk fasa pertama, direka bentuk dengan C/N=4.5, dan tempoh bayaran balik pelaburan yang dirancang selama 7.37 tahun.

3. Rancangan Pembinaan Baru

3.1 Aliran Proses

Aliran proses rawatan air sisa selepas pengubahsuaian ditunjukkan dalamRajah 3. Pengaruh tumbuhan melepasi skrin halus, ruang pasir vorteks dan tangki pemendapan primer sebelum memasuki tangki bio-BIOLAK untuk penyingkiran bahan organik, nitrogen ammonia, dsb. Ia kemudian diangkat dengan pam ke dalam tangki MBBR untuk penyingkiran TN lanjutan. Tangki MBBR direka untuk TN influen 35 mg/L dan TN efluen Kurang daripada atau sama dengan 15 mg/L. Efluen MBBR dialihkan oleh pam sekunder kepada rawatan lanjutan sedia ada loji untuk-pemisahan cecair pepejal dan pembaziran enap cemar. Efluen akhir dibasmi kuman sebelum dibuang ke sungai penerima. Enap cemar lebihan dipekatkan, dinyahair dan diangkut dari{10}}tapak untuk dilupuskan.

3.2 Tangki MBBR Baharu

Tangki MBBR menggunakan proses AO, dibina menggunakan tangki Lipp untuk pemasangan modular, disiapkan dalam masa 30 hari. Jumlah masa pengekalan hidraulik sistem (HRT) ialah 1.43 jam. Pembawa terampai aerobik dan anoksik khusus jenis SPR-III ditambah di dalam tangki, dengan nisbah isian 60% dalam zon aerobik dan 55% dalam zon anoksik. Pembawa adalah silinder oblat, diameter 25 mm dan ketinggian 10 mm, dengan luas permukaan spesifik yang berkesan Lebih besar daripada atau sama dengan 800 m²/m³. Zon anoksik dilengkapi dengan 4 MBBR-pencampur frekuensi-pembolehubah khusus (jenis kuasa kimia SPR), N=5.5 kW setiap satu, memberikan pencairan seragam dan mencukupi untuk pembawa. Selepas kematangan biofilm, 2 pengadun dikendalikan secara rutin, dengan 2 lagi sebagai siap sedia panas. Zon aerobik menggunakan peniup skru untuk pengudaraan. Satu blower mempunyai kapasiti udara 14.50 m³/min, tekanan 90 kPa, N=22 kW. Satu set penyebar paip berlubang khusus zon aerobik (jenis SPR) dipasang. Oleh kerana jumlah pengudaraan yang diperlukan rendah, peniup Fasa I sedia ada biasanya boleh digunakan, dengan peniup baharu dan peniup Fasa I berfungsi sebagai sandaran bersama. Skrin pemintasan bahan baharu (jenis SPR), tebal 12 mm, dengan hayat perkhidmatan direka selama 30 tahun, dipasang di kedua-dua zon aerobik dan anoksik.

3.3 Kemudahan Sokongan Baharu

• Sistem Pengaruh: Efluen daripada tangki bio-BIOLAK dialihkan ke dalam tangki MBBR. 4 pam masuk dipasang (2 tugas, 2 siap sedia), setiap satu dengan Q=840 m³/j, H=65 kPa, N=30 kW.
• Sistem Dos Sumber Karbon: Efluen dari tangki bio-Fasa I BIOLAK hanya mengandungi COD yang sukar digunakan. Untuk memastikan denitrifikasi lanjutan dalam zon anoksik tangki MBBR, natrium asetat digunakan semasa pam pemeteran. 4 karbon luaran dipasang (2 tugas, 2 siap sedia), setiap satu dengan Q=300 L/j, H=200 kPa, N=0.37 kW.