دمای سرد دشمن حذف بیولوژیکی نیتروژن است. همانطور که دمای آب به زیر 15 درجه می رسد، باکتری های نیتریفیک کننده فعالیت متابولیک خود را به طور چشمگیری کاهش می دهند - و در ارتفاعات بالا، هوای رقیق تر مشکل را با کاهش بازده انتقال اکسیژن تا 22٪ تشدید می کند. این مطالعه موردی به بررسی این موضوع می‌پردازد که چگونه یک تصفیه‌خانه فاضلاب 85000 مترمربع در روز در فلات چینگهای-تبت در ارتفاع 2200 متری، فناوری MBBR را برای پایداری به کار گرفته است.حذف 93-96٪ آمونیاک حتی در 9 درجه، مطابق با استانداردهای پساب درجه 1A چین در تمام طول سال.
پیشینه پروژه
این WWTP که در منطقه شهری پرجمعیت فلات چینگهای-تبت واقع شده است، در ابتدا در سال 2010 با فرآیند معمولی "دیسک بیولوژیکی + مخزن هوادهی" که صرفا برای حذف COD و آمونیاک طراحی شده بود، راه اندازی شد. در آن زمان، پساب باید تنها استانداردهای درجه 1B را در زیر GB 18918-2002 - یک هدف نسبتاً ملایم برآورده کند. با این حال، با شهرنشینی سریع، افزایش حجم تخلیه و مقررات محیطی به تدریج سخت‌تر که حذف کل نیتروژن را تا درجه 1A الزامی می‌کند (NH3-N کمتر یا مساوی 5 میلی‌گرم در لیتر، TN کمتر یا برابر با 15 میلی‌گرم در لیتر)، کارخانه با نیاز فوری به مقاوم‌سازی مواجه شد. چالش فقط فنی نبود، بلکه فیزیکی بود: حجم مخزن موجود ثابت شد و با توجه به زیرساخت های متراکم اطراف، گسترش ردپای آن امکان پذیر نبود.
استراتژی مقاوم سازی حذف نیتروژن را در هندسه مخزن محدود به حداکثر رساند. کانال های 1 و نیمه اول کانال 2 به یک منطقه بدون اکسیژن برای نیتریفیکاسیون تبدیل شدند، در حالی که نیمه دوم کانال 2 و کانال های 3 و 4 به عنوان منطقه هوازی MBBR برای نیتریفیکاسیون تعیین شدند. به جای جایگزینی دیسک های هوادهی موجود، تیم مهندسی آنها را حفظ کردند و رسانه های MBBR را مستقیماً به کانال های هوازی معرفی کردند - سیستم را به یکفرآیند لجن فعال فیلم ثابت ترکیبی (IFAS).. این رویکرد هزینه های مقاوم سازی را به حداقل رساند و در عین حال از سرمایه گذاری زیرساختی موجود استفاده کرد.
پارامترهای کلیدی طراحی
| پارامتر | ارزش |
| جریان طراحی | 85,000 m³/d |
| محدوده دمای آب | 9-26 درجه (زمستان حداقل 9 درجه) |
| COD نفوذی | 350-500 میلی گرم در لیتر |
| ورودی NH3-N | 35-55 میلی گرم در لیتر |
| TN نفوذی | 45-70 میلی گرم در لیتر |
| تانک هوازی HRT | 8.2 ساعت |
| نسبت پر شدن رسانه MBBR | 30٪ (حجم رسانه / حجم مخزن) |
| مشخصات رسانه | حامل استوانه ای پلی اتیلن، Φ15 میلی متر × 15 میلی متر، 800 متر مربع بر متر مکعب، تراکم 0.96 گرم بر سانتی متر مکعب |
| هدف خروجی (درجه 1A) | COD کمتر یا مساوی 50، NH3-N کمتر یا مساوی 5، TN کمتر یا مساوی 15، SS کمتر یا مساوی 10، BOD5 کمتر یا مساوی 10 میلی گرم در لیتر |
حامل و علم بیوفیلم
انتخاب رسانه حامل مسلماً مهمترین تصمیم طراحی در کاربردهای MBBR در آب و هوای سرد است. این پروژه حامل‌های استوانه‌ای پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) را انتخاب کرد و دلیل منطقی آن نشان می‌دهد که چرا مهندسی حامل بسیار بیشتر از آنچه اکثر اپراتورها می‌دانند اهمیت دارد.
سطح ویژه بالا (800 m²/m³):در نسبت پر شدن 30 درصد، سطح موثر بیوفیلم تقریباً 240 متر مربع در هر متر مکعب حجم مخزن است - تقریباً 8 تا 10 برابر لجن فعال معمولی. این سطح عظیم به این معنی است که راکتور می تواند میزبان تراکم جمعیت نیتریفایر باشد که سیستم های رشد معلق به سادگی نمی توانند با آن مطابقت داشته باشند، که دلیل اساسی عملکرد MBBR در دماهای پایین است. حتی با کاهش نرخ متابولیک در 9 درجه، مقدار زیادی نیتریفایرهای باقی مانده بر روی حامل ها، سینتیک کندتر هر سلول را جبران می کند.
شناوری تقریباً خنثی (0.96 گرم بر سانتی متر مکعب):در ارتفاعات بالا، جایی که فشار جزئی اکسیژن اتمسفر تنها حدود 78 درصد از مقادیر سطح دریا است، انتقال اکسیژن در حال حاضر توسط فیزیک به خطر افتاده است. چگالی حامل درست زیر آب تضمین می‌کند که رسانه معلق بماند و آزادانه با حداقل انرژی هوادهی به گردش درآید - یک ملاحظات عملیاتی و اقتصادی حیاتی زمانی که هر کیلووات ساعت قدرت دمنده باید بر تقاضای بیولوژیکی و ناکارآمدی انتقال ناشی از ارتفاع غلبه کند.
هندسه سطح داخلی محافظت شده:شکل استوانه ای با مهاربندی متقاطع داخلی، ریزمحیط های محافظت شده ای را ایجاد می کند که در آن بیوفیلم در برابر نیروهای برشی هیدرولیکی در طول اختلاط محافظت می شود. این محافظت اجازه می دهد تا بیوفیلم های ضخیم تر و انعطاف پذیرتر ایجاد شوند - یک مزیت مهم در شرایط سرد که نرخ رشد بیوفیلم ذاتاً آهسته است و جامعه میکروبی برای ایجاد و ماندگاری در ماه های طولانی زمستان به هر مزیتی نیاز دارد.
مکانیسم نیتریفیکاسیون آب و هوای سرد
در دماهای پایین، نیتریفیکاسیون بیولوژیکی با سه چالش مرتبط با هم مواجه است که لجن فعال معمولی برای غلبه بر آنها تلاش می کند:
1. کاهش سرعت متابولیسم:باکتری های اکسید کننده آمونیاک (AOB) و باکتری های اکسید کننده نیتریت (NOB) نرخ رشد ویژه کمتری در زیر 15 درجه دارند. در سیستم رشد معلق، این بدان معناست که اگر زمان نگهداری جامدات (SRT) ناکافی باشد، جمعیت نیتریفایر را می توان به معنای واقعی کلمه از راکتور شسته شد - یک اجتناب ناپذیر ریاضی زمانی که نرخ رشد به کمتر از نرخ هدر رفت. MBBR این مشکل را با تثبیت نیتریفایرها در بیوفیلم حل می کند، جایی که SRT موثر بسیار بیشتر از زمان ماند هیدرولیکی است. حتی در 9 درجه، جمعیت پایدار و عملکردی باقی می ماند.
2. محدودیت انتقال اکسیژن:در ارتفاع 2200 متری، غلظت اشباع اکسیژن در آب تقریباً 22 درصد کمتر از سطح دریا است و نیروی محرکه انتقال جرم اکسیژن از حباب های گاز به مایع را کاهش می دهد. معماری بیوفیلم این را کاهش می دهد: لایه هوازی بیرونی به طور فعال اکسیژن موجود را برای نیتریفیکاسیون مصرف می کند، شیب غلظت تند را حفظ می کند که راندمان انتقال را به حداکثر می رساند، در حالی که منطقه اکسیژن داخلی از نیترات زدایی با استفاده از نیترات تولید شده در لایه بیرونی پشتیبانی می کند.
3. محدودیت انتشار بستر:آب سردتر چسبناک تر است، که انتشار مولکولی آمونیاک و اکسیژن را به بیوفیلم ها کند می کند. رویکرد MBBR با حفظ یک لایه بیوفیلم بیرونی نازک و فعال متابولیکی (معمولاً 150 تا 300 میکرومتر) که طول مسیر انتشار را به حداقل می‌رساند، این امر را برطرف می‌کند و اطمینان می‌دهد که بستر حتی در آب سرد و چسبناک به نیتریفایرها می‌رسد.
نتایج عملکرد
کارخانه مقاوم سازی شده از زمان راه اندازی به طور پایدار کار می کند و داده ها داستان قانع کننده ای را بیان می کنند. جدول زیر شاخص‌های کلیدی عملکرد را در شرایط فصلی نشان می‌دهد - به ویژه توجه داشته باشید که چقدر تخریب بین عملیات تابستان و زمستان اتفاق می‌افتد.
جدول 1: عملکرد MBBR در سراسر محدوده دمای فصلی
| پارامتر | تابستان (20-26 درجه) | زمستان (9-13 درجه) | میانگین سالانه |
| COD پساب (mg/L) | 28–35 | 32–42 | 33 |
| حذف COD (%) | 91–93 | 89–91 | 91 |
| پساب NH3-N (mg/L) | 0.8–1.5 | 1.8–3.2 | 1.6 |
| حذف NH3-N (%) | 96–98 | 93–96 | 96 |
| پساب TN (mg/L) | 9–12 | 11–14 | 10.5 |
| حذف TN (%) | 78–82 | 74–78 | 79 |
عملکرد زمستانی قابل توجه است: حتی در 9 درجه،حذف NH3-N بالای 93٪ باقی ماندبا پساب به طور مداوم زیر 3.2 میلی گرم در لیتر - به راحتی در سقف 5 میلی گرم در لیتر درجه 1A. حذف TN در 74-78٪، مطابق با استاندارد 15 میلی گرم در لیتر برگزار شد. حذف COD در 89-91٪ ثابت ماند و تأیید کرد که فعالیت هتروتروف در سیستم‌های بیوفیلم به طور قابل‌توجهی نسبت به پیکربندی‌های رشد معلق نسبت به دما حساس‌تر است.
عوامل کلیدی موفقیت
سازگاری بیوفیلم کم بار
قبل از شروع زمستان، کارخانه یک کاهش عمدی و تدریجی در میزان بارگیری آلی در یک دوره 3 هفته ای انجام داد. چرا این مهم است؟ در بارهای آلی کمتر، باکتری‌های هتروتروف - که سریع‌تر از نیتریفایرها رشد می‌کنند - از بستر اولیه خود محروم می‌شوند و به باکتری‌های نیتریفایر با رشد کندتر مزیت رقابتی می‌دهند. این استراتژی پیش از سازگاری به جمعیت نیتریفایر اجازه داد تا قبل از کاهش دما به اوج تراکم برسد و یک بافر بیولوژیکی ایجاد کند که عملکرد را در سردترین ماه‌ها حفظ کند. بدون این مرحله، نیتریفایرهایی که وارد زمستان در جمعیت‌های زیر پیک می‌شوند، کاهش عملکرد بسیار بیشتری را نشان می‌دهند.
طراحی حفظ حامل
صفحه های سیم گوه ای فولادی ضد زنگ با شکاف دقیق 3 میلی متری در خروجی مخزن نصب شده بودند. این اندازه دهانه با دقت انتخاب شد - به اندازه‌ای بزرگ که اجازه می‌دهد مواد جامد معلق مشروب مخلوط (MLSS) آزادانه از آن عبور کنند، اما به اندازه‌ای کوچک که به طور قابل اعتماد حامل‌های قطر 15 میلی‌متری را حفظ کند. گرفتگی صفحه، یک سردرد رایج در عملیات MBBR، با شستشوی خودکار متناوب هوا که هر جامد انباشته شده را قبل از تشکیل تشک از محل خارج می کرد، جلوگیری شد.
استراتژی هوادهی پیشرونده
شدت هوادهی به تدریج از مناطق ورودی به خروجی کاهش می‌یابد و عرضه اکسیژن را با تقاضای فضایی متفاوت مطابقت می‌دهد. در ورودی، جایی که غلظت آمونیاک در بالاترین حد است، نرخ هوادهی بالاتر باعث نیتریفیکاسیون سریع می شود. به سمت خروجی، کاهش هوادهی باعث صرفه جویی در انرژی می شود در حالی که DO در 2-3 میلی گرم در لیتر در مناطق نیتریفیکاسیون حفظ می شود. این نمایه مخروطی همچنین ریز گرادیان هایی را در بیوفیلم ایجاد می کند که باعث ارتقاء می شودنیتریفیکاسیون و نیترات زدایی همزمان (SND)- جام مقدس حذف بیولوژیکی نیتروژن - جایی که نیترات تولید شده در لایه بیوفیلم بیرونی هوازی به داخل پخش می شود و در هسته بدون اکسیژن، همه در یک حامل واحد، نیترات زدایی می شود.
معیارهای بین اقلیم
چگونه کارخانه Qinghai با تاسیسات MBBR در آب و هوای گرمتر مقایسه می شود؟ جدول 2 پاسخ را ارائه می دهد - و دلگرم کننده تر از آن چیزی است که بسیاری از مهندسان انتظار دارند.
جدول 2: مقایسه عملکرد MBBR در سراسر مناطق آب و هوایی
| پارامتر | چینگهای (فلات سرد 9–26 درجه) | شمال چین (معتدل 12-30 درجه) | آسیای جنوب شرقی (گرمسیری 25-32 درجه) |
| ارتفاع (متر) | 2,200 | 50 | 5 |
| حذف NH3-N زمستان (%) | 93–96 | 94–97 | 95–98 |
| HRT (ساعت) | 8.2 | 6.5 | 5.0 |
| نسبت پر شدن رسانه (%) | 30 | 25 | 20 |
| انرژی هوادهی (کیلووات ساعت/کیلوگرم COD حذف شده) | 0.38 | 0.31 | 0.28 |
داده‌ها یک الگوی ثابت را تأیید می‌کنند: سیستم‌های MBBR در آب و هوای سرد به HRT نسبتاً بالاتری (8.2 در مقابل. 5.0 ساعت) و نسبت پر کردن (30% در مقابل. 20%) برای جبران سینتیک‌های بیولوژیکی کندتر نیاز دارند، اما آنهادستیابی به عملکرد درمانی قابل مقایسه با سیستم های آب و هوای گرم. تفاوت 2-3 درصدی در حذف NH3-N زمستان بین چینگهای و سیستم های گرمسیری با توجه به شکاف دمایی 16-23 درجه به طور قابل توجهی کم است. این یک تایید قدرتمند برای حذف نیتروژن مبتنی بر بیوفیلم به عنوان یک فناوری مقاوم در برابر آب و هوا است.
درس های عملیاتی آموخته شده
راه اندازی در هوای سرد:راه اندازی در طول زمستان چالش برانگیز است اما با لجن بذر از یک سیستم نیتریفیکاسیون بالغ و یک دوره افزایش 4 تا 6 هفته ای کاملاً امکان پذیر است. ایجاد بیوفیلم در دماهای پایین به زمان بیشتری نیاز دارد، اما پس از تشکیل، خود نگهدار است. تلاش برای کوتاه کردن این دوره سازگاری همیشه منجر به عملکرد ضعیف اولیه می شود.
بهینه سازی اختلاط حامل:در نسبت پر شدن 30 درصد، نرخ هوادهی 3-5 نیوتن متر بر متر مربع · ساعت برای گردش کامل حامل کافی است. این تیم دریافت که هوادهی بیش از حد فراتر از این محدوده انرژی را بدون بهبود اختلاط هدر می دهد - یک اشتباه رایج در عملیات MBBR که در آن اپراتورها فرض می کنند "هوای بیشتر برابر است با اختلاط بهتر."
پایش ضخامت بیوفیلم:اندازه گیری دوره ای ضخامت بیوفیلم با استفاده از نمونه برداری حامل و میکروسکوپ - با هدف قرار دادن 150-300 میکرومتر - برای بهینه سازی SRT و جلوگیری از تجمع بیش از حد بیوفیلم ضروری است. بیوفیلم‌های ضخیم‌تر از 300 میکرومتر در معرض خطر ایجاد مناطق بی‌هوازی هستند که می‌تواند باعث ریزش و نوسانات عملکرد غیرقابل پیش‌بینی شود.
کنترل کف در زمستان:راه اندازی در ماه های سرد ممکن است باعث ایجاد کف رشته ای خفیف به دلیل نسبت کم غذا به میکروارگانیسم (F/M) شود. این کارخانه با هدر رفتن لجن کنترل‌شده و دوز موقت ضد کف - یک مزاحمت عملیاتی جزئی که نباید کارخانه‌ها را از راه‌اندازی زمستانی منصرف کند، مدیریت کرد.
نتیجه گیری
پروژه Qinghai به طور قطعی نشان می دهد که فناوری MBBR می تواند حذف نیتروژن قابل اعتماد و با راندمان بالا را در محیط های فلات سرد که در آن لجن فعال معمولی برای برآورده کردن استانداردهای تخلیه مدرن تلاش می کند، ارائه دهد. چهار عامل کلیدی فنی - حامل‌های HDPE با سطح ویژه بالا که نیتریفایرهای با رشد آهسته را حفظ می‌کنند، معماری بیوفیلم که از نیتریفیکاسیون و نیترات‌زدایی همزمان پشتیبانی می‌کند، استراتژی‌های سازگاری قبل از زمستان که جوامع میکروبی ارتجاعی ایجاد می‌کنند، و طراحی هوادهی مخروطی که می‌تواند چارچوبی برای بهینه‌سازی مجدد کارخانه را با استفاده از انرژی بهینه کند - تشکیل می‌دهند.
برای مهندسان و مدیران کارخانه که با آب و هوای سرد، ارتفاعات بالا، ردپای محدود یا تشدید محدودیت‌های تخلیه نیتروژن سروکار دارند، MBBRمسیر مقاوم سازی اثبات شده و مقرون به صرفهکه نیازی به کارهای عمرانی عمده یا مخازن توسعه یافته ندارد.
رسانه MBBR با کارایی بالا را برای برنامه Cold-Climate خود مشخص کنید
Juntai Plastic حامل های HDPE MBBR را با مساحت سطح محافظت شده 800 متر مربع در متر مکعب تولید می کند که برای تصفیه فاضلاب در آب و هوای سرد و در ارتفاع بالا طراحی شده است. حامل های ما دارای هندسه استوانه ای اختصاصی با مهاربندی متقاطع داخلی برای حداکثر ماندگاری بیوفیلم و حداقل تلفات برشی هستند - با پشتیبانی فنی کامل از طراحی فرآیند تا راه اندازی.