Tynnu Nitrogen Uwch mewn WWTPs: Dylunio Proses MBBR Biofilm Pur a Dadansoddi Perfformiad|Astudiaeth Achos

Dylunio Peirianneg a Pherfformiad Proses MBBR Biofilm Pur ar gyfer Tynnu Nitrogen Uwch

Gyda datblygiad cynhwysfawr adeiladu gwareiddiad ecolegol Tsieina, mae'r safonau gollwng ar gyfer gweithfeydd trin dŵr gwastraff (WWTPs) wedi dod yn fwyfwy llym. Mae safon Gradd A y "Safon Gollwng Llygryddion ar gyfer Safleoedd Trin Dŵr Gwastraff Dinesig" (GB 18918 - 2002) yn gofyn am TN Llai na neu'n hafal i 15 mg/L, tra bod safonau lleol mewn rhanbarthau fel Beijing a Shandong yn gosod y terfyn yn benodol ar TN Llai na neu'n hafal i 10 mg/L. Mae'r safonau uwch hyn yn ymestyn y tu hwnt i derfynau ansawdd dŵr yn unig, gan osod gofynion llymach ar sefydlogrwydd elifiant. O ganlyniad, mae angen dybryd i wella gallu prosesau trin i gael gwared â nitrogen. Un dull yw cynyddu'r dos ffynhonnell carbon yn y broses bresennol i wella dadnitreiddiad, ond mae hyn yn arwain at gostau gweithredu uchel a mwy o allyriadau carbon. Fel arall, gall ychwanegu cyfleusterau tynnu nitrogen uwch, sy'n aml yn defnyddio dulliau biofilm i gyfoethogi bacteria dadnitreiddio'n effeithlon, wella'r broses o dynnu TN, lleihau'r angen am ffynonellau carbon allanol, a lleihau allyriadau carbon. Mae'r Adweithydd Biofilm Gwely Symudol (MBBR), gyda'i fanteision o gyfoethogi bacteria swyddogaethol cryf, ôl troed bach, a gweithrediad a chynnal a chadw syml, wedi'i gymhwyso'n eang wrth adeiladu, ehangu ac uwchraddio WWTPs. Gall gyflawni safonau gollwng yn well nag ansawdd dŵr wyneb lled-Ddosbarth IV yn sefydlog ac mae ganddo botensial a manteision sylweddol ar gyfer tynnu nitrogen uwch mewn WWTPs. Mae'r erthygl hon yn cymryd WWTP yn Shandong fel astudiaeth achos i ddadansoddi'r rhesymeg dylunio a pherfformiad gweithredol cymhwyso proses MBBR biofilm pur ar gyfer tynnu nitrogen uwch, gyda'r nod o ddarparu cyfeiriad technegol ar gyfer dadnitreiddiad dŵr gwastraff effeithlon.

1. Trosolwg o'r Prosiect

1.1 Cyflwyniad y Prosiect

Adeiladwyd WWTP yn Shandong mewn dau gam. Comisiynwyd y cam cyntaf, gan ddefnyddio'r broses BIOLAK, yn swyddogol ym mis Tachwedd 2003 gyda chynhwysedd triniaeth o 40,000 m³/d. Dangosir cynllun y broses BIOLAK a'r ardal sydd ar gael i'w huwchraddio ynFfigur 1. I ddechrau, roedd ansawdd yr elifiant yn bodloni safon Gradd B Prydain Fawr 18918-2002. Erbyn 2020, trwy ddosio ffynhonnell carbon uwch ac ychwanegu triniaeth uwch, cafodd ansawdd yr elifiant ei wella i safon Gradd A. Erbyn 2023, ar ôl tair blynedd o weithredu, gallai ansawdd cyffredinol yr elifiant fodloni'r safon Gradd A yn gyffredinol, ond roedd yn wynebu dwy her fawr o ran tynnu nitrogen:

Dos Ffynhonnell Carbon Uchel: Er mwyn cyrraedd y targed o TN Llai na neu'n hafal i 15 mg/L, roedd angen swm sylweddol o ffynhonnell carbon allanol. Roedd cyfrifiadau yn seiliedig ar adrannau proses yn dangos cymhareb C/N mor uchel â 5.9, ond dim ond C/N o 4.5-5.0 oedd ei angen ar y broses AAO yn ail gam y gwaith i sicrhau cydymffurfiad TN sefydlog. Roedd yr ychwanegiad ffynhonnell carbon mawr hefyd yn effeithio'n andwyol ar y broses nitreiddiad aerobig, gan gynyddu'r galw am ocsigen yn y parth aerobig.

Sefydlogrwydd Tynnu Nitrogen Gwael: Ers i nitreiddiad a dadnitreiddiad ddigwydd yn yr un tanc o dan amodau gofynnol gwahanol, roedd angen addasu paramedrau gweithredol yn aml yn seiliedig ar newidiadau dylanwadol. Roedd rheoli NH₃-N a TN yn gwrth-ddweud ei gilydd, gan ei gwneud yn anodd cynnal cydbwysedd sefydlog rhwng nitreiddiad a dadnitreiddiad. Roedd ymwrthedd llwyth sioc y system yn gyfartalog, gan arwain at sefydlogrwydd elifiant gwael.

Felly, roedd angen uwchraddio'r broses BIOLAK wreiddiol, gyda'r amcanion craidd o ddatrys y gwrthdaro rhwng nitreiddiad a dadnitreiddiad, lleihau costau gweithredu tynnu nitrogen, a gwella sefydlogrwydd elifiant.

1.2 Heriau Uwchraddio

Gan fod y broses BIOLAK yn anaddas ar gyfer-addasu tanc er mwyn gwella perfformiad, y cynllun oedd cryfhau'r driniaeth drwy adeiladu uned tynnu nitrogen uwch newydd. Roedd y broses BIOLAK wreiddiol yn canolbwyntio'n bennaf ar nitreiddiad gyda dadnitreiddiad yn eilaidd, tra byddai'r broses newydd yn canolbwyntio ar ddadnitreiddiad. O ystyried yr anghenion adnewyddu gwirioneddol, roedd y prosiect yn wynebu dwy her fawr: tir cyfyngedig ar gael ar gyfer y broses newydd a gofynion effeithlonrwydd gweithredol uchel.

Tir Cyfyngedig Ar Gael ar gyfer Proses Newydd: Roedd yn rhaid i'r gwaith adeiladu newydd gael ei gwblhau o fewn y safle peiriannau presennol, nad oedd yn ei hanfod unrhyw dir wedi'i gadw. Dim ond ar lain las ger y tanciau BIOLAK yr oedd yn bosibl adeiladu, gydag arwynebedd o 400 m² ar gael. Roedd hyn yn golygu bod yn rhaid i ôl troed y prosiect newydd fesul uned o ddŵr a gafodd ei drin fod yn Llai na neu'n hafal i 0.01 m²/(m³·d).

Gofynion Effeithlonrwydd Gweithredol Uchel: Nid uwchraddio syml oedd hwn ond optimeiddio pellach o'r parth swyddogaethol biocemegol. Roedd disgwyl i'r uned newydd drin llwyth tynnu nitrogen o 20 mg/L. Roedd yn rhaid cwblhau'r broses hon nid yn unig ar dir cyfyngedig ond roedd angen hefyd i leihau'r dos ffynhonnell carbon o'i gymharu â dadnitreiddiad BIOLAK gwreiddiol tra'n sicrhau perfformiad dadnitreiddiad sefydlog. Felly, gosodwyd gofynion uchel ar effeithlonrwydd tynnu nitrogen ac effeithlonrwydd defnyddio ffynhonnell carbon.

2. Cymharu Proses a Dethol

Ar ôl triniaeth gan y broses BIOLAK, mae'r elifiant TN yn cynnwys nitrogen nitrad yn bennaf. Ar hyn o bryd, mae prosesau tynnu nitrogen datblygedig aeddfed yn defnyddio dulliau biofilm yn bennaf, a nodweddir gan ficro-organebau sy'n cyfoethogi'n effeithlon ar arwynebau cludo mewn cyflwr cysylltiedig, gan gynnig effeithlonrwydd cyfoethogi bacteria swyddogaethol sylweddol uwch na phrosesau llaid actifedig confensiynol. Gellir rhannu prosesau biofilm ymhellach yn fathau o welyau sefydlog a gwelyau symudol yn seiliedig ar hylifeiddio cludwyr, fel y dangosir ynFfigur 2.Mae hidlwyr dadnitreiddio, prosesau biofilm gwelyau sefydlog nodweddiadol, yn defnyddio cyfryngau hidlo gronynnog sefydlog fel cludwyr twf microbaidd. Trwy ychwanegu ffynhonnell garbon allanol, maent yn trosoledd dadnitreiddiad y biofilm a hidlo'r cyfryngau i gael gwared ar NO₃ ar yr un pryd.^--N, SS, a llygryddion eraill. Mae'r manteision yn cynnwys ansawdd dŵr wedi'i drin yn sefydlog, dim angen eglurwyr eilaidd, a chynllun cryno, sy'n golygu eu bod yn cael eu defnyddio'n helaeth mewn uwchraddio WWTP fel uned driniaeth uwch i gryfhau tynnu TN o elifiant eilaidd. Fodd bynnag, rhaid canolbwyntio'n weithredol ar effaith C/N ar effeithlonrwydd dadnitreiddio uwch. Defnyddiodd prosiect uwchraddio Cam I WWTP Pingtang, sydd hefyd â chapasiti o 40,000 m³/d, hidlydd dadnitreiddio + arnofio aer toddedig effeithlonrwydd uchel (DAF) fel y broses drin uwch i godi TN elifiant i led-effeithlon-safonau dŵr wyneb Dosbarth IV, gan gyflawni ôl-troed o tua 0.04m², ond sy'n galluogi triniaeth o tua 0.5m², gan arbed tir a thrin tir, 0.04m², ac arbediad o tua 0.04m², a 0.04m². a C/N mor uchel â 18.34. Er mwyn bodloni safonau lleol newydd ar gyfer elifiant TN, mabwysiadodd Gwaith Adfer Dŵr Chengdu No{12}} danc gwaddodi dwysedd uchel a hidlydd gwely dwfn dadnitreiddio fel y broses uwchraddio, gyda C/N o 5.7, gan gyflawni triniaeth uwch o dan safonau uchel. Ni allai WWTP Dingqiao yn Haining fodloni'r safonau gollwng Gradd A sy'n ofynnol ar gyfer Basn Afon Qiantang. Roedd Gao Feiya et al. defnyddio hidlydd gwely dwfn dadnitreiddio ar gyfer triniaeth TN uwch, gan dynnu SS a TP ar yr un pryd, gan ddod ag ansawdd elifiant yn agos at led-safonau Dosbarth IV, ond gyda C/N uchel o 15.68, gan arwain at gostau tynnu nitrogen uchel. Yn ogystal, mae angen golchi adlif rheolaidd ar brosesau hidlo, gan ddefnyddio sgwrio aer yn nodweddiadol, a all effeithio ar sefydlogrwydd gweithredol.

ansefydlogrwydd mewn hidlwyr dadnitreiddio, mae ymchwil ar gymhwyso dadnitreiddiad awtotroffig (SAD) sy'n seiliedig ar sylffwr i ffilterau dadnitreiddio wedi cael sylw. Mae SAD yn defnyddio cyfansoddion sylffwr neu sylffwr elfennol fel rhoddwyr electronau o dan amodau anaerobig neu anocsig i leihau NO₃^--N i N₂. Mae'n cynnig manteision megis effeithlonrwydd dadnitreiddiad da, dim angen ffynhonnell carbon organig, cost gweithredu isel, a chynhyrchu llaid isel. Cân Qingyuan et al. astudio effaith tynnu nitrogen hidlydd SAD ar elifiant eilaidd. Ar ôl optimeiddio amodau peilot, arhosodd tynnu nitrad yn sefydlog uwchlaw 95%, ond cyrhaeddodd y gyfradd defnydd o gyfryngau 20% yn flynyddol, ynghyd â mwy o grynodiad sylffad elifiant a gostyngiad mewn pH. Er mwyn osgoi risgiau llygredd eilaidd o SAD, Li Tianxin et al. cyfrwng parod trwy beledu cymysgedd o bowdr sylffwr a chalchfaen. Roedd ychwanegu cyfran benodol o galchfaen i'r gwely hidlo yn niwtraleiddio'r asidedd a gynhyrchwyd ac yn cynhyrchu gwaddod CaSO₄, gan ostwng crynodiad elifiant sylffad a mynd i'r afael yn effeithiol â materion cynhyrchu asid a lefelau uchel o sylffad. Fodd bynnag, roedd y gofod a feddiannwyd gan galchfaen yn golygu cyfryngau rhoddwyr electron o fewn y system, gan wanhau gallu dadnitreiddio uwch, cynyddu caledwch elifiant, a chodi costau gweithredu. Mae ymchwil gyfredol ar dechnoleg SAD ar raddfa labordy a pheilot yn bennaf, heb ddigon o brofiad peirianneg i gyfeirio ato. Mae angen ymchwil gymhwysol pellach cyn hyrwyddo ar raddfa ddiwydiannol.

Mae MBBR yn gynrychiolydd nodweddiadol o brosesau biofilm gwely hylifol a thechnoleg trin dŵr gwastraff newydd sydd wedi cael cryn sylw yn y blynyddoedd diwethaf. Mae'n defnyddio cludwyr crog gyda dwysedd sy'n agos at ddŵr i gyfoethogi micro-organebau yn benodol, gan ffurfio biofilm i gael gwared â nitrogen uwch. Mae prosesau biofilm gwely wedi'u hylifo hefyd yn osgoi problemau clocsio cyfryngau ac adlif. Ar hyn o bryd, mae gan MBBR biofilm pur ar gyfer dadnitreiddiad WWTP uwch dros 20 mlynedd o brofiad gweithredol llwyddiannus dramor ac mae'n gweld cymhwysiad cynyddol ehangach yn Tsieina. Dywedodd Zheng Zhijia et al. defnyddio proses MBBR biofilm pur dau-gyfnod ar gyfer dadnitreiddiad uwch. Ar C/N=4.0, sefydlogodd nitrogen nitrad elifiant y system ar (1.87 ± 1.07) mg/L, gyda chyfradd tynnu TN gyfartalog o 93.3%. Adeiladodd parth datblygu WWTP mewn dinas benodol danc bio MBBR newydd fel triniaeth ddatblygedig drydyddol ar gyfer dadnitreiddiad uwch. Y llwyth tynnu TN yn adran anocsig y biofilm pur MBBR oedd 1.1 g/(m²·d), gan wella dibynadwyedd dadnitreiddiad y system. Adeiladodd Gao Yanbo et al., gyda'r nod o gynyddu capasiti'r gwaith gwreiddiol, danc biofilm MBBR pur dau gam AO newydd, gan gyflawni elifiant sefydlog TN o dan 5 mg/L gydag effeithlonrwydd dadnitreiddiad uchel. Felly, mae'r broses MBBR biofilm pur yn dangos potensial mawr ar gyfer tynnu nitrogen uwch mewn WWTPs, gan gyfuno manteision fel effeithlonrwydd defnyddio ffynhonnell carbon uchel, llwyth triniaeth uchel, ac ôl troed bach. Fodd bynnag, mae hefyd yn gosod gofynion uwch ar offer, sy'n gofyn am offer dibynadwy i gefnogi gweithrediad proses sefydlog. Dangosir cymhariaeth o brosesau tynnu nitrogen datblygedig cyffredin ynTabl 1.

Yn seiliedig ar gymhariaeth gynhwysfawr, er nad yw'r broses SAD yn gofyn am unrhyw ychwanegiad ffynhonnell carbon, nid yw ei gymhwysiad presennol yn aeddfed eto ac mae ganddo risgiau llygredd eilaidd, felly ni chafodd ei ystyried ar gyfer yr uwchraddiad hwn. Er bod hidlwyr dadnitreiddio'n cael eu defnyddio'n helaeth, fe'u defnyddir yn bennaf mewn uwchraddiadau WWTP lle mae'r cynllun TN mewnlifol / elifiant yn aml yn 15/12 mg/L, gan drin llwyth tynnu TN cymharol fach. Gan fod angen i'r prosiect hwn fodloni gofynion tynnu TN hirdymor, uchel, byddai gweithrediad yn byrhau cylch golchi'r hidlydd yn sylweddol, gan gynyddu anhawster gweithredol ac ansefydlogrwydd. Mae'r broses MBBR biofilm pur yn cyfuno manteision fel effeithlonrwydd defnyddio carbon uchel, dim angen adlif, cymhwysiad aeddfed, a dim llygredd eilaidd. O ystyried yr heriau proses a'r gofynion adnewyddu, yn y pen draw, dewisodd y prosiect adeiladu tanc biofilm MBBR pur newydd (y cyfeirir ato o hyn ymlaen fel y tanc MBBR) fel yr ateb tynnu nitrogen datblygedig ar gyfer y cam cyntaf, wedi'i ddylunio gyda C/N=4.5, a chyfnod ad-dalu buddsoddiad arfaethedig o 7.37 mlynedd.

3. Cynllun Adeiladu Newydd

3.1 Llif Proses

Dangosir llif y broses trin dŵr gwastraff ar ôl adnewyddu ynFfigur 3. Mae mewnlifiad y planhigyn yn mynd trwy sgriniau mân, siambrau graean fortecs, a thanciau gwaddodiad cynradd cyn mynd i mewn i danc bio BIOLAK i gael gwared ar ddeunydd organig, nitrogen amonia, ac ati. Yna caiff ei godi gan bympiau i mewn i'r tanc MBBR ar gyfer tynnu TN uwch. Mae'r tanc MBBR wedi'i gynllunio ar gyfer TN mewnlifol o 35 mg/L ac elifiant TN Llai na neu'n hafal i 15 mg/L. Mae elifiant MBBR yn cael ei godi gan bympiau eilaidd i driniaeth uwch bresennol y gwaith ar gyfer gwahanu hylif solet a gwastraffu llaid. Mae'r elifiant terfynol yn cael ei ddiheintio cyn ei ollwng i'r afon sy'n derbyn. Mae llaid dros ben yn cael ei dewychu, ei ddad-ddyfrio, a'i gludo oddi ar y safle i'w waredu.

3.2 Tanc MBBR Newydd

Mae'r tanc MBBR yn defnyddio proses AO, a adeiladwyd gan ddefnyddio tanciau Lipp ar gyfer cydosod modiwlaidd, a gwblhawyd mewn 30 diwrnod. Cyfanswm amser cadw hydrolig y system (HRT) yw 1.43 awr. Ychwanegir cludwyr crog aerobig ac anocsig arbenigol math SPR y tu mewn i'r tanciau, gyda chymhareb llenwi o 60% yn y parth aerobig a 55% yn y parth anocsig. Mae'r cludwyr yn silindrog oblate, 25 mm mewn diamedr a 10 mm o uchder, gydag arwynebedd arwyneb penodol effeithiol Yn fwy na neu'n hafal i 800 m²/m³. Mae'r parth anocsig wedi'i gyfarparu â 4 MBBR-cymysgwyr amledd newidyn pwrpasol (math pŵer cemegol SPR), N=5.5 kW yr un, gan ddarparu hylifiad unffurf a digonol ar gyfer y cludwyr. Ar ôl aeddfedu biofilm, mae 2 gymysgydd yn cael eu gweithredu fel mater o drefn, gyda'r 2 arall fel wrth gefn poeth. Mae'r parth aerobig yn defnyddio chwythwyr sgriw ar gyfer awyru. Mae gan un chwythwr gapasiti aer o 14.50 m³/min, gwasgedd 90 kPa, N=22 kW. Gosodir un set o dryledwyr pibell tyllog pwrpasol parth aerobig (math SPR). Oherwydd y cyfaint awyru gofynnol isel, gellir defnyddio'r chwythwyr Cam I presennol fel arfer, gyda'r chwythwr newydd a chwythwyr Cam I yn gwasanaethu fel copïau wrth gefn ar y cyd. Mae sgriniau rhyng-gipio deunydd newydd (math SPR), 12 mm o drwch, gyda bywyd gwasanaeth wedi'i ddylunio o 30 mlynedd, yn cael eu gosod yn y parthau aerobig ac anocsig.

3.3 Cyfleusterau Cefnogi Newydd

• System Dylanwadol: Elifiant o'r tanc bio BIOLAK yn cael ei godi i'r tanc MBBR . 4 gosodir pympiau mewnfa (2 ddyletswydd, 2 wrth gefn), pob un â Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• System Dosio Ffynhonnell Carbon: Dim ond COD sy'n anodd ei ddefnyddio y mae'r elifiant o'r tanc bio-BIOLAK Cam I yn ei gynnwys. Er mwyn sicrhau dadnitreiddiad datblygedig ym mharth anocsig y tanc MBBR, defnyddir asetad sodiwm fel y ffynhonnell carbon allanol. 4 gosodir pympiau mesur (2 ddyletswydd, 2 wrth gefn), pob un â Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.