مطالعه موردی: ارتقاء یک WWTP به استانداردهای آب کلاس III با استفاده از فرآیند MBBR+ACCA

مطالعه موردی فرآیند MBBR+ACCA برای ارتقا و بازسازی یک تصفیه خانه فاضلاب شهری

در پس زمینه اقتصاد در حال شکوفایی چین، سرعت صنعتی شدن و شهرنشینی به طور قابل توجهی سرعت گرفته است. این فرآیند ناگزیر با افزایش یک ساله--در تخلیه فاضلاب صنعتی و فاضلاب خانگی، تشدید مسائل آلودگی آب و تأثیر بر ساخت تمدن زیست‌محیطی پایدار چین همراه است. با اجرای همه جانبه برنامه اقدام پیشگیری و کنترل آلودگی آب، الزامات سخت گیرانه تری برای تخلیه در تصفیه خانه های فاضلاب شهری سراسر کشور وضع شده است. استانداردهای محلی در برخی شهرها به کیفیت آب شبه-کلاس IV رسیده است، و برای پساب‌هایی که در بدنه‌های آبی حساس تخلیه می‌شوند، برخی شاخص‌های فردی به تدریج به استاندارد کلاس III برای آب‌های سطحی نزدیک می‌شوند. با این حال، آلاینده های باقیمانده در فاضلاب شهری پس از تصفیه بیولوژیکی در درجه اول ترکیبات آلی غیرقابل تخریب زیستی با قابلیت تجزیه زیستی ضعیف هستند. تکیه صرف بر فناوری‌های سنتی بهبود بیولوژیکی برای برآورده کردن استانداردهای انتشار سخت‌گیرانه ناکافی است.

کک فعال دارای یک سیستم مزوپور بسیار توسعه یافته است که قادر به جذب آلاینده های ماکرومولکولی در آب است. با استحکام مکانیکی بالا، پایداری، عملکرد جذب خوب و هزینه نسبتاً مقرون به صرفه، به طور گسترده در تصفیه فاضلاب صنعتی که تجزیه زیستی آنها دشوار است، استفاده شده است. در سال‌های اخیر، فناوری فیلتراسیون با استفاده از کک فعال به‌عنوان یک محیط، کاربردهای خاصی را در تصفیه پیشرفته کارخانه‌های فاضلاب شهری پیدا کرده است که نتایج خوبی در حذف نهایی آلاینده‌ها به دست آورده است. نویسنده با ترکیب یک مثال مهندسی از یک پروژه ارتقاء در یک تصفیه خانه فاضلاب در استان هنان، فرآیند MBBR+ACCA (Activated Coke Circulating Adsorption) را برای ارتقای تصفیه فاضلاب شهری اتخاذ کرد. نشانگرهای COD، NH3-N و TP پساب با استاندارد آب کلاس III GB 3838-2002 مطابقت داشتند و مرجعی برای ارتقای پروژه‌ها در سایر تصفیه خانه‌های فاضلاب ارائه می‌کردند.

1. وضعیت اساسی تصفیه خانه فاضلاب

ظرفیت کل طراحی این تصفیه خانه فاضلاب 50000 مترمکعب در روز است که شامل ظرفیت طراحی فاز اول 18000 مترمکعب در روز و ظرفیت طراحی فاز II 32000 مترمکعب در روز است. در درجه اول فاضلاب خانگی شهری و مقدار کمی فاضلاب صنعتی را تصفیه می کند. ارتقاء در سال 2012 تکمیل شد و پساب خروجی با استاندارد درجه 1A استاندارد تخلیه آلاینده‌ها برای کارخانه‌های تصفیه فاضلاب شهری GB 18918-۲۰۰۲ مطابقت داشت. فرآیند اصلی چند مرحله ای AO + فیلتر نیترات زدایی + مخزن ته نشینی با چگالی بالا است. جریان فرآیند در نشان داده شده استشکل 1.

در حال حاضر، تصفیه خانه فاضلاب با ظرفیت کامل در حال فعالیت است. بر اساس داده‌های عملیاتی فعلی، تحت تعمیر و نگهداری خوب کارخانه، کیفیت پساب را می‌توان در استاندارد GB 18918{4}}2002 Grade 1A حفظ کرد. غلظت پساب برای COD، BOD5، NH3-N، TN، و TP به ترتیب بین 21.77-42.34 mg/L، 1.82-4.15 mg/L، 0.13-1.67 mg/L، 8.86-15.74 mg/L و 0.24 mg/L-0.

قبل از ارتقاء، کارخانه با مشکلات زیر روبرو بود: 1) صفحه های قدیمی و آسیب دیده در بخش پیش تصفیه، مقداری زباله شناور را به مخازن بیولوژیکی اجازه می دهد، به راحتی پمپ ها را مسدود می کند و بر درمان بعدی تأثیر می گذارد. 2) حذف ناپایدار TN در طول دمای پایین زمستان و نوسانات قابل توجه در کیفیت و کمیت آب. 3) حجم ناکافی مخزن در مخازن بیولوژیکی فاز 1 و تقسیم غیر منطقی منطقه بدون اکسیژن، که منجر به راندمان حذف TN ضعیف و دوز شیمیایی بالا برای افزودن منبع کربن بعدی می شود. 4) سیستم هوادهی اصلی از دمنده های گریز از مرکز سنتی قدیمی با مصرف انرژی بالا استفاده می کرد. 5) گرفتگی شدید محیط فیلتر در فیلترهای نیترات زدایی، شستشوی معکوس ناقص و مشکل در عملکرد پایدار. 6) خرابی های مکرر تجهیزات اختلاط و همزدن در مخازن رسوب{6} با چگالی بالا. 7) خرابی های مکرر دو فیلتر پرس تسمه ای موجود برای آبگیری لجن، رطوبت بالای لجن آبگیری، حجم لجن زیاد و هزینه های بالای دفع لجن. 8) عدم وجود امکانات کنترل بو برای سیستم های پیش تصفیه و تصفیه لجن. 9) سیستم کنترل مرکزی منسوخ با ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات محدود و از بین رفتن اکثر عملکردهای عملیات از راه دور.

2. طراحی کیفیت آب

با در نظر گرفتن سال‌ها داده‌های کیفی آب عملیاتی کارخانه، با سطح اطمینان 90 درصد و با احتساب حاشیه مشخص، کیفیت تأثیرگذار طراحی تعیین شد. بر اساس الزامات کیفیت زیست محیطی بدنه آب دریافت کننده، پساب ارتقا یافته COD، BOD₅، NH3-N، و TP باید استاندارد آب کلاس III GB 3838-2002 را برآورده کند، در حالی که TN و SS به استاندارد اصلی پایبند هستند. کیفیت ورودی و پساب طراحی در نشان داده شده استجدول 1.

3. ارتقاء مفهوم و جریان فرآیند

3.1 مفهوم ارتقاء

با توجه به کیفیت پساب طراحی، این ارتقاء الزامات بالاتری را برای COD، BOD₅، NH3-N، و TP تعیین می‌کند. با در نظر گرفتن فرآیند فعلی کارخانه، ویژگی‌های کیفیت آب و مشکلات موجود، تمرکز بر حذف افزایش یافته COD، NH3-N، و TP در عین حصول اطمینان از حذف پایدار TN است. علاوه بر این، فضای محدود موجود در کارخانه موجود مستلزم بهره‌برداری کامل از پتانسیل ساختارهای موجود از طریق نوسازی تجهیزات، تشدید فرآیند و نوسازی، با هدف حذف موثر COD، NH3-N، TN و TP است. بنابراین، استفاده از مخازن اصلی چند مرحله‌ای AO و افزودن حامل‌های معلق برای تشکیل یک بیوفیلم ترکیبی-لجن فعال فرآیند MBBR می‌تواند به طور موثر پایداری تصفیه و مقاومت در برابر ضربه را بهبود بخشد. سن طولانی لجن بیوفیلم بر روی حامل ها برای رشد نیتریفایر و حفظ غلظت نیتریفایر بالا مناسب است و ظرفیت نیتریفیکاسیون سیستم را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. بیوفیلم متراکم درون حامل‌ها دارای سن لجن طولانی است، میزبان جمعیت‌های قابل توجهی از باکتری‌های نیتریف‌کننده و نیترات‌زدایی است، نیتریفیکاسیون{10}هم‌زمان (SND) را امکان‌پذیر می‌کند و در نتیجه حذف TN را تقویت می‌کند. از این رو، فرآیند MBBR برای ارتقای این کارخانه{12}مناسب است.

بر اساس تجربه پروژه ارتقاء مشابه، برای اطمینان از انطباق پایدار برای COD و TP، امکانات درمانی حفاظتی اضافی در بالای فرآیند موجود همراه با MBBR همچنان مورد نیاز است. کک فعال به عنوان یک ماده متخلخل، عملکرد جذب قابل توجهی را در مقایسه با کربن فعال نشان می دهد و به طور موثر COD، SS، TP، رنگ و غیره را حذف می کند. این مکانیسم تعادل پویا امکان عملکرد پایدار و پایدار سیستم را فراهم می کند. فرآیند جذب در گردش کک فعال (ACCA) از کک فعال به عنوان واسطه استفاده می کند که فیلتراسیون و جذب را یکپارچه می کند. از هوای فشرده برای بلند کردن و تمیز کردن محیط فیلتر استفاده می کند. از طریق منطقه‌بندی معکوس جریان- و طراحی جریان یکنواخت، تماس کامل بین کک فعال و فاضلاب را تضمین می‌کند و به بهبود کیفیت آب نهایی می‌رسد و انطباق با پساب را تضمین می‌کند.

برای تجهیزات قدیمی و معیوب کارخانه، آنها با تجهیزات پیشرفته فن‌آوری و{0}}کارآمد برای کاهش هزینه‌های عملیاتی جایگزین می‌شوند. به طور خاص، صفحه‌های پیش تصفیه با صفحه‌های ریز تغذیه شده داخلی جایگزین می‌شوند تا موها و الیاف را قطع کنند و از گرفتگی صفحه‌های نگهدارنده حامل MBBR جلوگیری کنند.

3.2 جریان فرآیند

جریان فرآیند ارتقا یافته در نشان داده شده استشکل 2. برای برآورده کردن نیازهای سر، یک ایستگاه پمپ بالابر جدید اضافه شد. یک فیلتر نوع V- جدید ساخته شده به عنوان واحد پیش تصفیه برای جذب کک فعال بعدی عمل می کند و از پایداری سیستم ACCA اطمینان می دهد. آب خام قبل از ورود به مخازن بیولوژیکی هیبریدی MBBR برای حذف بهتر نیتروژن از روی صفحه ها و محفظه های شن عبور می کند تا مواد شناور، مو و ذرات را از بین ببرد. سپس مشروب مخلوط برای جداسازی جامدات وارد زلال‌کننده‌های ثانویه می‌شود. مایع رویی از طریق ایستگاه پمپاژ جدید به فیلترهای نیترات زدایی و مخازن رسوب{6}}با چگالی بالا منتقل می شود. سپس پساب توسط ایستگاه پمپاژ جدید به فیلتر نوع V و مخازن جذب کک فعال دو مرحله ای برای تصفیه پیشرفته، حذف بیشتر COD، TP، SS، رنگ و غیره منتقل می شود. پساب نهایی قبل از تخلیه ضد عفونی می شود.

4. پارامترهای طراحی واحدهای اصلی درمان

4.1 مخازن بیولوژیکی

مخازن بیولوژیکی فاز I موجود به دو گروه با حجم مخزن نسبتاً کم اما ساختار سالم تقسیم می شوند. بنابراین، برای این ارتقا، در حالی که نیازهای سر را برآورده می کند، دیواره های مخزن به میزان 0.5 متر بالا رفت. پس از نوسازی، کل حجم موثر 10800 مترمکعب است، با HRT کل 14.4 ساعت و HRT منطقه آنکسیک 6.4 ساعت، افزایش زمان ماند آنکسیک برای بهبود حذف TN. مخازن بیولوژیکی فاز دوم موجود دارای حجم موثر 19600 مترمکعب، HRT کل 14.7 ساعت و HRT منطقه بدون اکسیژن 6.8 ساعت هستند. این پروژه شامل جایگزینی سیستم های هوادهی و برخی از میکسرهای شناور قدیمی در مخازن بیولوژیکی فاز I و II و افزودن حامل های معلق و صفحه های نگهدارنده بود. حامل‌ها از پلی اورتان یا سایر مواد کامپوزیتی با کارایی بالا، با مشخصات مکعبی 24 میلی‌متر، سطح ویژه 4000 متر مربع بر مترمربع و نسبت پرکننده 20 درصد ساخته شده‌اند. AOR سیستم تصفیه بیولوژیکی 853.92 کیلوگرم O2/h با نرخ عرضه هوا 310.36 نیوتن متر مکعب در دقیقه است.

4.2 بالابر ایستگاه پمپ و مخزن فاضلاب

یک ایستگاه پمپاژ بالابر جدید برای پمپاژ پساب از مخازن رسوبی با چگالی بالا به فیلتر نوع V- برای تصفیه بیشتر ساخته شد. یک مخزن فاضلاب فاضلاب پساب شستشو را از فیلترها ذخیره می کند. از پمپ های کوچک برای پمپاژ یکنواخت فاضلاب پساب شستشو به مخازن بیولوژیکی فاز II استفاده می شود تا از بارگذاری ضربه ای جلوگیری شود. سه پمپ بالابر ثانویه (2 وظیفه + 1 آماده به کار، Q{7}}، 300 m³/h، H=12 m، N=75 kW) با کنترل درایو فرکانس متغیر (VFD) نصب شد. مخزن فاضلاب بک واش مجهز به 2 پمپ انتقال (1 وظیفه + 1 آماده به کار، Q=140 m³/h، H=7 m، N=5.5 کیلووات) و یک مخلوط کن شناور (N=2.2 کیلووات) برای جلوگیری از ته نشین شدن است.

4.3 V{1}}نوع فیلتر

یک فیلتر جدید از نوع V با ابعاد ساختاری 36.9 متر (L) × 29.7 متر (W) × 8.0 متر (H) ساخته شد. از فیلتر شنی کوارتز همگن استفاده می کند. فیلتر به 6 سلول تقسیم می شود که در دو ردیف قرار گرفته اند. لوله خروجی هر سلول دارای یک شیر تنظیم کننده الکتریکی برای کنترل عملکرد سطح آب ثابت است. فرآیند شستشوی معکوس را می توان از طریق PLC تنظیم کرد. نرخ فیلتراسیون طراحی 7.0 متر در ساعت، نرخ فیلتراسیون اجباری 8.4 متر در ساعت و منطقه فیلتر تک سلولی 49.4 متر مربع است. شدت آب شستشوی معکوس 11 m³/(m²·h)، شدت هوای شستشوی معکوس 55 m³/(m²·h) و شدت جاروب سطحی 7 m³/(m²·h) است. مدت زمان شستشوی معکوس 10 دقیقه است. چرخه شستشوی معکوس 24 ساعته (قابل تنظیم)، شستشوی یک سلول در یک زمان. اندازه رسانه شن کوارتز 1{25}}1.6 میلی متر با k₈₀ <1.3 است. صفحات فیلتر یکپارچه در محل ریخته گری استفاده می شود.

4.4 مخازن جذب کک فعال

یک مخزن جذب کک فعال جدید با ابعاد ساختاری 49.5 متر (L) × 30.15 متر (W) × 11.0 متر (H) ساخته شد. از یک پیکربندی فیلتراسیون دو مرحله‌ای با مجموع 36 سلول، 18 سلول در هر مرحله استفاده می‌کند. حداکثر نرخ فیلتراسیون 6.02 m³/(m²·h) با میانگین 4.63 m³/(m²·h) است. ابعاد سلول اول{11}}تک مرحله- L×W×H=5.0 متر × 5.0 متر × 11.0 متر، با زمان تماس تخت خالی (EBCT) 1.4 ساعت است. ابعاد سلولی{18}}تک مرحله دوم- L×W×H=5.0 m × 5.0 m × 9.5 m، با EBCT 1.08 ساعت است. این سیستم از 2000 تن کک فعال با اندازه ذرات 2-8 میلی متر، مجهز به شوینده کک سیار، توزیع کننده آب، سرریزهای ورودی/خروجی و غیره استفاده می کند.

4.5 ساختمان کک فعال

یک ساختمان جدید کک فعال برای ذخیره کک فعال و تامین آن به مخازن جذب ساخته شد. ابعاد سازه 33.5 متر (L) × 13.0 متر (W) × 6.5 متر (H) است. تجهیزات جانبی اصلی شامل: 1 صفحه ارتعاشی آبگیری کک فعال، 3 پمپ تغذیه کک (2 وظیفه + 1 آماده به کار، Q=40 m³/h، H=25 m، N=7.5 کیلووات)، 2 پمپ تخلیه فیلتر (1 وظیفه {{14} m³/h، Q{14}) H=20 m، N{=18.5 kW)، 2 کمپرسور هوا (1 وظیفه + 1 آماده به کار، Q=7.1 m³/min، N=37 kW) و یک مخزن گیرنده هوا (V=2 m³، P=0.8 MPa).

4.6 صفحه-و-اتاق آبگیری قاب

یک صفحه-و-اتاق آبگیری جدید در کنار اتاق آبگیری لجن موجود ساخته شد. به دلیل محدودیت فضا، یک مجموعه صفحه-و-فیلتر پرس قاب (مساحت فیلتر 300 متر مربع) پیکربندی شد که به عنوان پشتیبان فیلتر پرس تسمه ای عمل می کند. امکانات جانبی شامل یک مخزن تهویه مطبوع (حجم موثر 80 متر مکعب) است. مقدار لجن 6150 کیلوگرم DS/d با رطوبت لجن خوراک غلیظ شده 97 درصد و رطوبت کیک آبگیری 60 درصد است. تجهیزات جانبی اصلی شامل: 2 پمپ تغذیه (1 کارکرد + 1 آماده به کار، Q=60 m³/h، H=120 m، N=7.5 کیلووات)، 2 پمپ آب پرس (1 کارکرد + 1 آماده به کار، Q=12 m³/h، Q=12 m³/h، H{1} KW{24}) (Q=20 m³/h، H=70 m، N=7.5 kW)، 2 پمپ دوز (1 کارکرد + 1 آماده به کار، Q=4 m³/h، H=60 m، N=3 kW)، 1 کمپرسور هوا (Q{32}N) مخزن گیرنده هوا (V=5 m³، P{41}} MPa) و 1 مجموعه واحد آماده‌سازی PAM (Q{43}} m³/h، N=1.5 kW).

4.7 سیستم کنترل بو

یک سیستم کنترل بو بیوفیلتراسیون جدید با سرعت جریان هوای طراحی 12000 m³/h اضافه شد. لوله های پلاستیکی تقویت شده با شیشه (GRP) برای جمع آوری و درمان بوهای سیستم های پیش تصفیه و تصفیه لجن استفاده می شود. از قاب های فولادی ضد زنگ و تخته های استقامتی رایانه شخصی برای آب بندی تجهیزات پیش تصفیه استفاده می شود.

4.8 سایر به روز رسانی های تسهیلات

1. با 2 صفحه نمایش خوب تغذیه شده داخلی با دیافراگم 5 میلی متر، با نوار نقاله پیچ و مخزن آب شستشو، V{2}} m³ و 2 پمپ آب شستشو (1 وظیفه + 1 آماده به کار، Q=25 m³/h، H=70 m، N=11 کیلووات) جایگزین شده است.
2. جایگزین شده با 4 دمنده تعلیق بادی کارآمدتر، با کنترل VFD (3 وظیفه + 1 آماده به کار، Q=130 m³/min، P=63 kPa، N=150 کیلووات).
3. محیط فیلتر را در فیلترهای نیترات زدایی موجود با 1800 متر مکعب از محیط سرامیکی (اندازه ذرات 3-5 میلی متر) جایگزین کرد.
4. 2 همزن اختلاط در مخازن ته نشینی با چگالی بالا (سرعت 60-80 دور در دقیقه، N=5.5 کیلووات)، 4 همزن لخته سازی (سرعت 10-20 دور در دقیقه، N=2.2 کیلووات) و ته نشین کننده های لوله (260 متر مربع) جایگزین شدند.
5. فیلتر پرس تسمه ای را با یک کمپرسور هوای منطبق با تسمه 2 متری، 1 مجموعه جایگزین کنید.
6. با استفاده از اتاق کنترل مرکزی اصلی، تجهیزات به روز شده، ابزار، و ایجاد کنترل متمرکز، یک سیستم{0}}وسیع ارتباط داده برای دستیابی به ارتباطات داده بین اتاق کنترل مرکزی و پست‌ها و همچنین اتوماسیون کنترل فرآیند تولید ایجاد کرد.

5. عملکرد عملیاتی و شاخص‌های فنی{1}}اقتصادی

5.1 عملکرد عملیاتی

پس از اتمام این پروژه ارتقاء، تمامی واحدهای درمانی به صورت پایدار در حال فعالیت هستند. داده های پایش کیفیت آب ورودی و خروجی برای سال 2023 در نشان داده شده استجدول 2.

همانطور که نشان داده شده است، میانگین غلظت پساب برای COD، NH3-N، TN، TP، و SS 11.2، 0.18، 8.47، 0.15، و 2.63 میلی گرم در لیتر، با میانگین نرخ های حذف به ترتیب 95.16، 99.45، 99.5 درصد، 77.3 درصد، 77.3 درصد بود. پساب COD، NH3-N، و TP به طور مداوم با استاندارد آب کلاس III GB 3838-2002 مطابقت داشت.

پروژه ارتقا یافته نزدیک به دو سال است که عملیاتی شده است. نتایج نشان می‌دهد که فرآیند MBBR+ACCA پایدار، کارآمد است و پساب با کیفیت بالا تولید می‌کند و مقاومت قوی در برابر بارهای ضربه‌ای و شرایط دمای پایین- نشان می‌دهد. حتی با حداقل دمای آب زمستانی 9.4 درجه و نوسانات قابل توجه کیفیت آب، کیفیت پساب ثابت ماند و استانداردهای تخلیه را برآورده کرد. قبل و بعد از ارتقا، دوز منبع کربن افزایش پیدا نکرد، با این حال حذف TN به طور قابل توجهی افزایش یافت. این به این دلیل است که از یک طرف، میکروارگانیسم های نیتریفیک کننده متصل به حامل های MBBR رشد کرده و در یک محیط هوازی پایدار تجمع می کنند و منجر به نیتریفیکاسیون کامل تر می شود. از سوی دیگر، نیترات در مخازن ارتقا یافته MBBR و مخازن بدون اکسیژن بیشتر حذف شد. سیستم نهایی ACCA به عنوان یک محافظ عمل می کند، COD، TP، SS و غیره را جذب و حذف می کند و کیفیت پساب را پایدارتر می کند. علاوه بر این، پس از اجرای پروژه، این کارخانه می‌تواند آب{12}}بازیابی شده با کیفیت بالا تولید کند و پایه‌ای را برای استفاده مجدد از آب در آینده ایجاد کند.

5.2 {1}شاخص‌های اقتصادی{1} فنی

کل سرمایه‌گذاری برای این پروژه 86،937،600 RMB بود که شامل هزینه‌های ساخت و نصب 74،438،500 RMB، سایر هزینه‌ها 7،593،500 RMB، هزینه‌های احتمالی 4،101،600 RMB و سرمایه در گردش اولیه 804،000 RMB بود. پس از عملیات پایدار سیستم، هزینه برق اضافی برای کل نیروگاه 0.11 RMB/m³ است، هزینه کک فعال 0.39 RMB/m³ است که منجر به افزایش کل هزینه های عملیاتی تقریباً 0.50 RMB/m³ می شود.

6. نتیجه گیری

1. این پروژه نوسازی تجهیزات، تشدید فرآیند، و نوسازی در تصفیه خانه فاضلاب موجود را اجرا کرد و تصفیه پیشرفته را اضافه کرد و راندمان حذف COD، NH3-N، TN و TP را بهبود بخشید.
2. پس از ارتقا، با استفاده از فرآیند اصلی "MBBR+ACCA"، COD، NH3-N و TP پساب به طور پایدار از درجه 1A به استاندارد کلاس III آب های سطحی بهبود یافتند و حذف TN به طور قابل توجهی افزایش یافت.
3. تمرین نشان می‌دهد که این فرآیند پایدار و کارآمد عمل می‌کند، در برابر ضربه‌های بار مقاوم است، پساب با کیفیت-تولید می‌کند و هزینه عملیاتی تقریباً 0.50 RMB/m³ اضافه می‌کند. این می تواند به عنوان مرجعی برای ارتقاء پروژه ها و طرح های استفاده مجدد از آب در سایر تصفیه خانه های فاضلاب باشد.