حذف پیشرفته نیتروژن در WWTPs: طراحی فرآیند و تجزیه و تحلیل عملکرد بیوفیلم خالص MBBR|مطالعه موردی

طراحی مهندسی و اجرای فرآیند MBBR بیوفیلم خالص برای حذف پیشرفته نیتروژن

با پیشرفت جامع ساخت تمدن زیست محیطی چین، استانداردهای تخلیه برای تصفیه خانه های فاضلاب (WWTPs) به طور فزاینده ای سختگیرانه شده است. استاندارد درجه A «استاندارد تخلیه آلاینده‌ها برای کارخانه‌های تصفیه فاضلاب شهری» (GB 18918{10}}2002) TN کمتر یا برابر با 15 میلی‌گرم در لیتر را می‌طلبد، در حالی که استانداردهای محلی در مناطقی مانند پکن و شاندونگ به صراحت حد مجاز را برابر mg/L0 یا TN10 تعیین می‌کنند. این استانداردهای بالا فراتر از محدودیت‌های کیفیت آب است و تقاضاهای سخت‌گیرانه‌تری را برای پایداری پساب ایجاد می‌کند. در نتیجه، نیاز مبرمی برای افزایش ظرفیت حذف نیتروژن در فرآیندهای تصفیه وجود دارد. یک رویکرد افزایش دوز منبع کربن در فرآیند موجود برای بهبود نیترات زدایی است، اما این منجر به هزینه های عملیاتی بالا و افزایش انتشار کربن می شود. از طرف دیگر، افزودن امکانات پیشرفته حذف نیتروژن، اغلب با استفاده از روش‌های بیوفیلم برای غنی‌سازی مؤثر باکتری‌های نیتروژن‌کننده، می‌تواند حذف TN را افزایش دهد، نیاز به منابع کربن خارجی را کاهش دهد و انتشار کربن را کاهش دهد. راکتور بیوفیلم بستر متحرک (MBBR)، با مزایای غنی‌سازی باکتری‌های عملکردی قوی، ردپای کوچک و بهره‌برداری و نگهداری ساده، به‌طور گسترده در ساخت، گسترش و ارتقای WWTP‌ها استفاده شده است. این می تواند به طور پایدار به استانداردهای تخلیه بهتر از کیفیت آب های سطحی شبه کلاس IV دست یابد و پتانسیل و مزایای قابل توجهی برای حذف پیشرفته نیتروژن در WWTP ها دارد. این مقاله یک WWTP در شاندونگ را به عنوان یک مطالعه موردی برای تجزیه و تحلیل منطق طراحی و عملکرد عملیاتی استفاده از یک فرآیند MBBR بیوفیلم خالص برای حذف پیشرفته نیتروژن، با هدف ارائه یک مرجع فنی برای نیترات زدایی کارآمد فاضلاب، مورد بررسی قرار می‌دهد.

1. بررسی اجمالی پروژه

1.1 معرفی پروژه

یک WWTP در شاندونگ در دو فاز ساخته شد. فاز اول، با استفاده از فرآیند BIOLAK، در نوامبر 2003 با ظرفیت تصفیه 40000 متر مکعب در روز به طور رسمی راه اندازی شد. طرح فرآیند BIOLAK و منطقه در دسترس برای ارتقا در نشان داده شده استشکل 1. در ابتدا، کیفیت پساب با استاندارد درجه B GB 18918-2002 مطابقت داشت. تا سال 2020، از طریق افزایش دوز منبع کربن و افزودن تصفیه پیشرفته، کیفیت پساب به استاندارد درجه A ارتقا یافت. تا سال 2023، پس از سه سال بهره برداری، کیفیت کلی پساب به طور کلی می تواند استاندارد درجه A را برآورده کند، اما در مورد حذف نیتروژن با دو چالش عمده روبرو شد:

دوز منبع کربن بالا: برای دستیابی به هدف TN کمتر یا مساوی 15 میلی گرم در لیتر، مقدار قابل توجهی منبع کربن خارجی مورد نیاز بود. محاسبات بر اساس بخش‌های فرآیند، نسبت C/N را تا 5.9 نشان داد، در حالی که فرآیند AAO در فاز دوم کارخانه تنها به C/N 4.5-5.0 برای اطمینان از انطباق پایدار TN نیاز داشت. افزودن منبع کربن زیاد نیز بر فرآیند نیتریفیکاسیون هوازی تأثیر منفی گذاشت و تقاضای اکسیژن در منطقه هوازی را افزایش داد.

پایداری ضعیف حذف نیتروژن: از آنجایی که نیتریفیکاسیون و نیتریفیکاسیون در یک مخزن در شرایط مورد نیاز متفاوت اتفاق افتاد، پارامترهای عملیاتی نیاز به تنظیم مکرر بر اساس تغییرات ورودی داشتند. کنترل NH3-N و TN متناقض بود، و حفظ تعادل پایدار بین نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی را دشوار می‌کرد. مقاومت بار ضربه ای سیستم متوسط ​​بود که منجر به پایداری ضعیف پساب شد.

بنابراین، ارتقای فرآیند اصلی BIOLAK با اهداف اصلی حل تعارض بین نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی، کاهش هزینه های عملیاتی حذف نیتروژن و بهبود پایداری پساب ضروری بود.

1.2 چالش های ارتقا

از آنجایی که فرآیند BIOLAK برای اصلاح مخزن برای بهبود عملکرد نامناسب بود، برنامه تقویت تصفیه با ساخت یک واحد جدید حذف نیتروژن پیشرفته بود. فرآیند اصلی BIOLAK در درجه اول بر نیتریفیکاسیون با نیترات زدایی به عنوان ثانویه متمرکز بود، در حالی که فرآیند جدید بر نیتریفیکاسیون متمرکز بود. با توجه به نیازهای واقعی نوسازی، این پروژه با دو چالش عمده روبرو بود: زمین در دسترس محدود برای فرآیند جدید و الزامات بازده عملیاتی بالا.

زمین در دسترس محدود برای فرآیند جدید: ساخت و ساز جدید باید در محل کارخانه موجود، که اساساً هیچ زمین اختصاصی نداشت، تکمیل می شد. ساخت و ساز تنها در یک کمربند سبز در مجاورت مخازن BIOLAK با مساحت 400 متر مربع امکان پذیر بود. این بدان معناست که ردپای پروژه جدید در واحد آب تصفیه شده باید کمتر یا مساوی 0.01 متر مربع/(m³·d) باشد.

الزامات بازده عملیاتی بالا: این یک ارتقاء ساده نبود، بلکه یک بهینه سازی بیشتر منطقه عملکردی بیوشیمیایی بود. انتظار می رفت که واحد جدید بار حذف نیتروژن 20 میلی گرم در لیتر را تحمل کند. این فرآیند نه تنها باید در زمین های محدود تکمیل می شد، بلکه باید دوز منبع کربن را در مقایسه با نیترات زدایی اصلی BIOLAK کاهش داد و در عین حال عملکرد نیترات زدایی پایدار را تضمین کرد. بنابراین، تقاضاهای زیادی برای راندمان حذف نیتروژن و کارایی استفاده از منبع کربن قرار گرفت.

2. مقایسه و انتخاب فرآیند

پس از تصفیه توسط فرآیند BIOLAK، پساب TN عمدتاً از نیتروژن نیترات تشکیل شده است. در حال حاضر، فرآیندهای حذف نیتروژن پیشرفته بالغ عمدتاً از روش‌های بیوفیلم استفاده می‌کنند، که مشخصه آن میکروارگانیسم‌هایی هستند که به طور موثر بر روی سطوح حامل در حالت متصل غنی‌سازی می‌شوند و کارایی غنی‌سازی باکتری‌های عملکردی قابل‌توجهی نسبت به فرآیندهای لجن فعال معمولی ارائه می‌دهند. فرآیندهای بیوفیلم را می‌توان به انواع-تخت ثابت و متحرک- بر اساس سیال شدن حامل تقسیم کرد، همانطور که در نشان داده شده است.شکل 2.فیلترهای نیترات زدایی، فرآیندهای معمولی بیوفیلم{0}} بستر ثابت، از محیط فیلتر دانه ای ثابت به عنوان حامل رشد میکروبی استفاده می کنند. با افزودن یک منبع کربن خارجی، آنها از نیترات زدایی بیوفیلم و فیلتراسیون محیط برای دستیابی به حذف همزمان NO3 استفاده می کنند.^--N، SS و سایر آلاینده‌ها. مزایا شامل کیفیت آب تصفیه شده پایدار، عدم نیاز به زلال‌کننده‌های ثانویه، و چیدمان فشرده است که باعث می‌شود به طور گسترده در ارتقاء WWTP به عنوان یک واحد تصفیه پیشرفته برای تقویت حذف TN از پساب ثانویه استفاده شود. با این حال، تمرکز عملیاتی باید بر روی تاثیر C/N بر بازده نیترات زدایی پیشرفته باشد. پروژه ارتقای فاز اول WWTP Pingtang، همچنین با ظرفیت 40000 مترمربع در روز، از فیلتر نیترات زدایی + شناور هوای محلول با راندمان بالا (DAF) به عنوان فرآیند تصفیه پیشرفته برای افزایش TN پساب به شبه-کلاس IV استانداردهای آب سطحی استفاده کرد. m²/(m³·d)، صرفه جویی در زمین و امکان درمان کارآمد، اما با C/N تا 18.34. برای برآورده کردن استانداردهای محلی جدید برای TN پساب، کارخانه احیای آب چنگدو No{11} یک مخزن رسوبی با چگالی بالا و فیلتر بستر عمیق{13}}نیتریت زدایی را به عنوان فرآیند ارتقا، با C/N 5.7 اتخاذ کرد که به تصفیه پیشرفته تحت استانداردهای بالا دست یافت. WWTP Dingqiao در Haining نمی تواند استانداردهای تخلیه درجه A را که برای حوضه رودخانه Qiantang لازم است برآورده کند. گائو فیا و همکاران از یک فیلتر بستر عمیق{18}}سیت زدایی برای تصفیه پیشرفته TN استفاده کرد، به طور همزمان SS و TP را حذف کرد، کیفیت پساب را به استانداردهای شبه{19}کلاس IV نزدیک کرد، اما با C/N بالای 15.68، که منجر به هزینه‌های حذف نیتروژن بالا شد. علاوه بر این، فرآیندهای فیلتر نیاز به شستشوی معکوس منظم دارند، معمولاً با استفاده از آب شستن هوا، که می‌تواند بر پایداری عملیاتی تأثیر بگذارد.

ناپایداری در فیلترهای نیترات زدایی، تحقیقات در مورد استفاده از نیترات زدایی اتوتروفیک مبتنی بر گوگرد (SAD) در فیلترهای نیترات زدایی مورد توجه قرار گرفته است. SAD از گوگرد یا ترکیبات گوگرد عنصری به عنوان دهنده الکترون در شرایط بی هوازی یا بدون اکسیژن برای کاهش NO3 استفاده می کند.^--N تا N2. مزایایی مانند راندمان نیترات زدایی خوب، عدم نیاز به منبع کربن آلی، هزینه عملیاتی کم و تولید لجن کم را ارائه می دهد. سونگ کینگ یوان و همکاران اثر حذف نیتروژن یک فیلتر SAD بر پساب ثانویه را بررسی کرد. پس از بهینه‌سازی شرایط آزمایشی، حذف نیترات بالای 95 درصد ثابت ماند، اما میزان مصرف رسانه به 20 درصد سالانه رسید که با افزایش غلظت سولفات پساب و کاهش pH همراه بود. برای جلوگیری از خطرات آلودگی ثانویه ناشی از SAD، Li Tianxin و همکاران. محیط را با گلوله کردن مخلوطی از گوگرد و پودر سنگ آهک تهیه کرد. افزودن نسبت معینی از سنگ آهک به بستر فیلتر، اسیدیته تولید شده را خنثی کرد و رسوب CaSO4 تولید کرد، غلظت سولفات پساب را کاهش داد و به طور موثر به مسائل مربوط به تولید اسید و سطوح بالای سولفات پرداخت. با این حال، فضای اشغال شده از سنگ آهک برای رسانه های دهنده الکترون در داخل سیستم، تضعیف ظرفیت نیترات زدایی پیشرفته، افزایش سختی پساب و افزایش هزینه های عملیاتی است. تحقیقات فعلی در مورد فناوری SAD در درجه اول در مقیاس آزمایشگاهی و آزمایشی است و تجربه مهندسی کافی برای مرجع وجود ندارد. قبل از ارتقای مقیاس صنعتی، تحقیقات کاربردی بیشتری لازم است.

MBBR نماینده معمولی فرآیندهای بیوفیلم بستر سیال-و فناوری جدید تصفیه فاضلاب است که در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. از حامل های معلق با چگالی نزدیک به آب برای غنی سازی خاص میکروارگانیسم ها استفاده می کند و یک بیوفیلم برای دستیابی به حذف پیشرفته نیتروژن تشکیل می دهد. فرآیندهای بیوفیلم بستر سیال- همچنین از مشکلات مسدود شدن رسانه و شستشوی معکوس جلوگیری می کند. در حال حاضر، بیوفیلم خالص MBBR برای نیترات زدایی پیشرفته WWTP بیش از 20 سال تجربه عملیاتی موفق در خارج از کشور دارد و به طور فزاینده ای کاربرد گسترده تری در چین دارد. ژنگ ژیجیا و همکاران از یک-فرایند بیوفیلم خالص دو مرحله ای MBBR برای نیترات زدایی پیشرفته استفاده کرد. در C/N{10}}، نیتروژن نیترات پساب سیستم در (1.07 ± 1.87) میلی‌گرم در لیتر، با میانگین نرخ حذف TN 93.3٪ تثبیت شد. یک منطقه توسعه WWTP در یک شهر خاص، یک مخزن زیستی{15} MBBR جدید به عنوان درمان پیشرفته سوم برای نیترات زدایی پیشرفته ساخته است. بار حذف TN در بخش بدون اکسیژن از بیوفیلم خالص MBBR 1.1 گرم در (m²·d) بود که قابلیت اطمینان نیترات زدایی سیستم را بهبود می بخشد. گائو یانبو و همکاران، با هدف افزایش ظرفیت کارخانه اصلی، یک مخزن زیستی بیوفیلم خالص دو مرحله‌ای MBBR بیوفیلم AO جدید ساختند که به TN پساب پایدار زیر 5 میلی‌گرم در لیتر با راندمان نیترات زدایی بالا دست یافت. بنابراین، فرآیند بیوفیلم خالص MBBR پتانسیل زیادی برای حذف نیتروژن پیشرفته در WWTPs نشان می‌دهد، که مزایایی مانند راندمان استفاده از منبع کربن بالا، بار تصفیه بالا و ردپای کوچک را با هم ترکیب می‌کند. با این حال، همچنین تقاضاهای بیشتری را برای تجهیزات ایجاد می کند و به تجهیزات قابل اعتماد برای پشتیبانی از عملیات پایدار نیاز دارد. مقایسه فرآیندهای رایج حذف نیتروژن پیشرفته در نشان داده شده استجدول 1.

بر اساس یک مقایسه جامع، اگرچه فرآیند SAD نیازی به افزودن منبع کربن ندارد، کاربرد فعلی آن هنوز بالغ نشده است و خطرات آلودگی ثانویه را به همراه دارد، بنابراین برای این ارتقا در نظر گرفته نشد. اگرچه فیلترهای نیترات زدایی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند، آنها بیشتر در ارتقاء WWTP استفاده می شوند که در آن TN ورودی/پساب طراحی اغلب 15/12 میلی گرم در لیتر است و بار حذف نسبتاً کوچک TN را تحمل می کند. از آنجایی که این پروژه نیازمند پاسخگویی به تقاضاهای حذف بلندمدت{4} و TN بالا بود، عملیات به طور قابل توجهی چرخه شستشوی معکوس فیلتر را کوتاه می‌کند و دشواری عملیاتی و ناپایداری را افزایش می‌دهد. فرآیند بیوفیلم خالص MBBR مزایایی مانند راندمان استفاده از کربن بالا، عدم نیاز به شستشوی معکوس، کاربرد بالغ و عدم آلودگی ثانویه را ترکیب می کند. با توجه به چالش‌های فرآیند و نیازمندی‌های نوسازی، پروژه در نهایت ساخت یک مخزن زیستی بیوفیلم خالص جدید MBBR (که از این پس مخزن MBBR نامیده می‌شود) را به عنوان راه‌حل پیشرفته حذف نیتروژن برای فاز اول، طراحی شده با C/N=4.5 و دوره بازپرداخت سرمایه‌گذاری برنامه‌ریزی‌شده 7.37 سال انتخاب کرد.

3. طرح ساخت و ساز جدید

3.1 جریان فرآیند

جریان فرآیند تصفیه فاضلاب پس از نوسازی در نشان داده شده استشکل 3. پساب گیاه قبل از ورود به مخزن زیستی{1} BIOLAK برای حذف مواد آلی، نیتروژن آمونیاکی و غیره از صفحه های ریز، محفظه های گردابی و مخازن رسوب اولیه عبور می کند. سپس توسط پمپ ها به مخزن MBBR برای حذف پیشرفته TN منتقل می شود. مخزن MBBR برای TN ورودی 35 میلی گرم در لیتر و TN پساب کمتر یا مساوی 15 میلی گرم در لیتر طراحی شده است. پساب MBBR توسط پمپ های ثانویه به تصفیه پیشرفته موجود کارخانه برای جداسازی مایعات جامد و هدر رفتن لجن منتقل می شود. پساب نهایی قبل از تخلیه به رودخانه پذیرنده ضد عفونی می شود. لجن مازاد غلیظ می شود، آبگیری می شود و برای دفع به خارج از محل{10} منتقل می شود.

3.2 تانک جدید MBBR

مخزن MBBR از فرآیند AO استفاده می کند که با استفاده از مخازن Lipp برای مونتاژ مدولار ساخته شده است و در 30 روز تکمیل می شود. کل زمان نگهداری هیدرولیک سیستم (HRT) 1.43 ساعت است. SPR{4}} حامل های معلق هوازی و بدون اکسیژن تخصصی نوع III در داخل مخازن با نسبت پر شدن 60 درصد در ناحیه هوازی و 55 درصد در منطقه بدون اکسیژن اضافه می شود. حامل ها استوانه ای مایل به قطر 25 میلی متر و ارتفاع 10 میلی متر، با سطح ویژه موثر بیشتر یا مساوی 800 متر مربع بر متر مکعب هستند. منطقه بدون اکسیژن مجهز به 4 مگابایت{13}}میکسر فرکانس متغیر{14} اختصاصی (نوع توان شیمیایی SPR)، هر کدام N{15}} کیلووات است که سیال شدن یکنواخت و کافی را برای حامل‌ها فراهم می‌کند. پس از بلوغ بیوفیلم، 2 میکسر به طور معمول کار می کنند و 2 تای دیگر در حالت آماده به کار هستند. منطقه هوازی از دمنده های پیچ برای هوادهی استفاده می کند. یک دمنده تک ظرفیت هوا 14.50 m³/min، فشار 90 kPa، N{23}} kW است. یک مجموعه از دیفیوزرهای لوله سوراخ دار اختصاصی منطقه هوازی (نوع SPR) نصب شده است. به دلیل حجم کم هوادهی مورد نیاز، معمولاً می توان از دمنده های فاز I موجود استفاده کرد و دمنده های جدید و دمنده های فاز I به عنوان پشتیبان متقابل عمل می کنند. صفحه نمایش های جدید رهگیری مواد (نوع SPR) به ضخامت 12 میلی متر با طول عمر طراحی شده 30 سال در هر دو منطقه هوازی و بدون اکسیژن نصب شده است.

3.3 تسهیلات پشتیبانی جدید

• سیستم نفوذی: پساب مخزن زیستی BIOLAK به داخل مخزن MBBR منتقل می‌شود{{1} پمپ‌های ورودی نصب می‌شوند (2 کاره، 2 آماده به کار)، هر کدام با Q=840 m³/h، H=65 kPa، N=30 کیلووات.
• سیستم دوز منبع کربن: پساب مخزن زیستی-فاز I BIOLAK فقط حاوی COD است که استفاده از آن دشوار است. برای اطمینان از نیترات زدایی پیشرفته در منطقه بدون اکسیژن مخزن MBBR، از استات سدیم به عنوان منبع کربن خارجی{2}} پمپ اندازه گیری نصب می شود (2 وظیفه، 2 در حالت آماده به کار)، هر کدام با Q=300 L/h، H=200 kPa، N=0.37 kW.