فرآیند AO دو مرحله‌ای-در مقابل سه-مرحله‌ای: مقایسه مهندسی برای حذف نیتروژن WWTP

مقایسه فرآیندهای دو مرحله‌ای-AO و سه مرحله‌ای-AO: یک مهندسی چشم انداز

در حال حاضر، اکثر تصفیه خانه های فاضلاب (WWTPs) در چین از فرآیندهای مبتنی بر لجن فعال- برای تصفیه فاضلاب استفاده می کنند. در میان این موارد، تقریباً نیمی از فرآیند Anoxic-Oxic (AO) استفاده می‌کنند. فرآیند AO مزایایی مانند عملکرد پایدار و هزینه کم را ارائه می دهد. با این حال، راندمان حذف کل نیتروژن (TN) آن، که معمولاً از 60٪ تا 80٪ متغیر است، توسط نسبت های بازیافت داخلی محدود می شود. با الزامات ملی سختگیرانه فزاینده برای حذف نیتروژن، فرآیندهای AO تک مرحله ای معمولی اغلب برای برآورده کردن نیازها برای تصفیه TN مشکل دارند. بنابراین فرآیندهای AO چند مرحله ای{10}}به وجود آمده اند. با اتصال دو یا چند مرحله AO به صورت سری، نیترات تولید شده در مرحله هوازی قبلی، بستری را برای نیترات زدایی در مرحله بدون اکسیژن بعدی فراهم می کند. این به هدف کاهش نسبت بازیافت داخلی و در عین حال افزایش حذف کلی TN دست می یابد. با این حال، مراحل بیش از حد نیز می تواند پیچیدگی عملیاتی را افزایش دهد. در نتیجه، رایج‌ترین پیکربندی‌های کاربردی در چین در حال حاضر فرآیندهای AO دو مرحله‌ای و سه مرحله‌ای{16}} هستند. این مقاله یک تحلیل مقایسه‌ای از فرآیندهای AO دو مرحله‌ای و سه مرحله‌ای با استفاده از WWTP در جنوب چین را به عنوان مطالعه موردی ارائه می‌کند، با هدف ارائه مرجعی برای انتخاب مسیرهای فنی در پروژه‌های مشابه.

1 بررسی اجمالی پروژه

یک WWTP در جنوب چین مساحت کل 8 هکتار را پوشش می دهد. ظرفیت طراحی اولیه آن 90000 مترمربع در روز بود، با کیفیت پساب مورد نیاز برای مطابقت با استاندارد درجه A "استاندارد تخلیه آلاینده‌ها برای کارخانه‌های تصفیه فاضلاب شهری" (GB 18918-2002) و "آلودگی آب" (Guernang Province Limitdongs) 44/26{11}}2001) (از این پس "شبه کلاس V" نامیده می شود). کارخانه با تمام ظرفیت کار می کرد. طبق برنامه ریزی مربوطه، نیاز به توسعه بود. استانداردهای آتی پساب، بر اساس وضعیت فعلی، نیاز به در نظر گرفتن نیاز طولانی مدت TN کمتر یا مساوی 10 میلی گرم در لیتر داشتند. به طور جامع با در نظر گرفتن شرایط واقعی سایت، مقیاس ساخت و ساز عمرانی برای این توسعه 70000 متر مکعب در روز تعیین شد. این نیروگاه در کوتاه مدت با سرعت 50000 مترمکعب در روز کار می کند و در دراز مدت به مقیاس 70000 مترمکعب در روز می رسد و ظرفیت کل تصفیه نیروگاه را به 160000 مترمکعب در روز می رساند. کیفیت آب ورودی و پساب طراحی شده در نشان داده شده استجدول 1.

با توجه به محدودیت‌های سایت، طرح اولیه برای توسعه، مسیر فرآیند "چند مرحله‌ای AO + محیطی-در محیطی{3}}مخزن رسوب‌گذاری مستطیلی بیرونی +-مخزن رسوب‌گذاری با راندمان بالا + صفحه فیبر{8}{8}} را اتخاذ کرد. سازه های عمرانی تمام واحدهای اصلی در مقیاس 70000 مترمکعب در روز ساخته شد، در حالی که تجهیزات برای ظرفیت 50000 مترمکعب در روز نصب شد. مخزن بیولوژیکی از یک فرآیند چند مرحله‌ای{15}AO در کوتاه مدت استفاده می‌کند. در درازمدت، افزودن حامل‌های معلق، فرآیند لجن فعال بیوفیلم هیبریدی-برای پاسخگویی به تقاضای افزایش ظرفیت 40% ایجاد می‌کند. برای این طرح، شرایط هیدرولیکی برای مقیاس 70000 مترمکعب در روز در نظر گرفته شد، در حالی که تصفیه بیولوژیکی برای مقیاس 50000 مترمکعب در روز طراحی شد. از آنجایی که این پروژه قصد داشت یک فرآیند AO چند مرحله‌ای را اتخاذ کند، مقایسه بین-دو مرحله و سه مرحله{27}}AO انجام شد.

2 مقایسه دو-مرحله و سه مرحله-فرایندهای AO

2.1 جریان فرآیند

اصل اصلی فرآیند چند مرحله‌ای AO استفاده از نیترات تولید شده در مرحله هوازی قبلی برای نیترات زدایی در مرحله بدون اکسیژن بعدی است و در نتیجه نسبت بازیافت داخلی را کاهش می‌دهد. از نظر تئوری، مراحل بیشتر منجر به حذف بهتر TN می شود، اما کنترل پیچیده تر می شود. در عمل مهندسی، دو مرحله-و سه مرحله-AO غالب هستند. جریان فرآیند آنها در نشان داده شده استشکل 1. برای یک AO دو مرحله‌ای، بازیافت داخلی معمولاً در اولین مرحله AO طراحی می‌شود. برای AO سه مرحله‌ای، بازیافت داخلی معمولاً استفاده نمی‌شود. WWTPها در پکن با استفاده از فرآیند AO دو مرحله‌ای شامل Qinghe (400,000 m³/d)، Xiaohongmen (500,000 m³/d)، Gao'antun (400,000 m³/d)، Dingfuzhuang (200,000 m³, 0,000 m³/d) و Dingfuzhuang (200,000 m³,0,0) این فرآیند مزایایی مانند تجهیزات ساده، هزینه‌های عملیاتی و نگهداری کم، مقاومت قوی در برابر بارهای ضربه‌ای و سازگاری بالا با سایر فرآیندها را ارائه می‌دهد که ارتقای آینده را برای برآورده کردن استانداردهای پساب بالاتر تسهیل می‌کند. از نظر تئوری، AO سه مرحله‌ای به‌صورت سری می‌تواند نیاز به تجهیزات بازیافت داخلی را برطرف کند، امکان تخصیص منطقی‌تر منابع کربن را فراهم کند و هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی را کاهش دهد. این فرآیند در درجه اول در سناریوهایی با منابع کربن کافی و تقاضای بالا برای حذف نیتروژن اعمال می شود. موارد معمولی عبارتند از WWTP Qujing در یوننان (80000 m³/d)، WWTP شهری ناحیه Ninghe در تیانجین (90,000 m³/d)، WWTP Zhangguizhuang در تیانجین (200,000 m³/d) و Daoxianghu Plantho/Daoxianghu0,000.

2.2 مقایسه فرآیند

با توجه به اینکه هیچ زمین اضافی برای ارتقای آتی در این سایت در دسترس نیست، و برخی از پروژه های محلی جدید در حال حاضر استاندارد TN پساب کمتر یا برابر با 10 میلی گرم در لیتر را اجرا می کنند، مقایسه فرآیند یک پساب مخزن بیولوژیکی TN کمتر یا مساوی 10 میلی گرم در لیتر را در نظر گرفت تا احتمال نیازهای شدید بیشتر در پساب آتی را برآورده کند. سایر شاخص ها به کیفیت پساب طراحی پایبند هستند. بر اساس طرح، برای مقیاس نزدیک به مدت 50000 مترمربع در روز، حداکثر زمان نگهداری هیدرولیک (HRT) برای مخزن بیولوژیکی 18 ساعت بود. با ترکیب شرایط واقعی پروژه، نتایج شبیه‌سازی BioWin و راحتی اتصال با حامل‌های معلق، مقایسه‌ای بین فرآیندهای AO دو مرحله‌ای و سه مرحله‌ای انجام شد.

2.2.1 شبیه سازی BioWin

HRT اولیه 18 ساعت تنظیم شد و به تدریج کاهش یافت. حداقل HRT برای دستیابی به نیاز TN پساب 14 ساعت بود. برای -مرحله AO، نقاط توزیع ورودی منطقه بی هوازی،-منطقه بی هوازی مرحله اول، و مرحله دوم-منطقه بی هوازی بود. برای -مرحله AO، نقاط ورودی منطقه بی هوازی، مرحله دوم-منطقه بدون اکسیژن و مرحله سوم{10}}منطقه بی هوازی بود.

① مطالعه با نسبت توزیع نفوذی ثابت

با تنظیم نسبت توزیع نفوذی 4:3:3 برای هر دو، شبیه‌سازی‌ها سه طرح را مقایسه کردند: دو مرحله‌ای AO (نسبت بازیافت 200%)، سه مرحله -AO با نسبت کل بازیافت 200% (100% بازیافت در اولین مرحله AO)، و منطقه اول Oxic از ناحیه اول Oxic به منطقه بازیافت + 100% سه مرحله- AO با نسبت بازیافت 100% (بازیافت فقط در مرحله اول AO). جریان های شبیه سازی در نشان داده شده اندشکل 2.

جدول 2نتایج شبیه سازی را برای نسبت ورودی ثابت در HRT=14 ساعت نشان می دهد.

از جدول 2، مشاهده می شود که برای هر دو مرحله-و سه مرحله-AO، توصیه می شود که بازیافت داخلی را در مرحله اول AO راه اندازی کنید تا با استفاده از منبع کربن در پساب خام، نیترات زدایی در اولین منطقه بدون اکسیژن به حداکثر برسد. برای سه مرحله AO، راه‌اندازی بازیافت داخلی از انتهای مرحله سوم تا اولین منطقه بدون اکسیژن، حذف TN و TP را اندکی بهبود بخشید، اما راندمان حذف مواد آلی کاهش یافت. این یک حدس و گمان است که به افزایش جریان کلی در مخزن بیولوژیکی به دلیل بازیافت نسبت داده می شود، که اکسیژن محلول را به منطقه بدون اکسیژن حمل می کند و بر محیط بدون اکسیژن تأثیر می گذارد. علاوه بر این، HRT واقعی در هر منطقه کوتاه شد، و انتقال بین شرایط عملیاتی تسریع شد، که منجر به کاهش کارایی شد. برای ویژگی‌های ورودی مانند ویژگی‌های این پروژه در جنوب چین، جایی که غلظت TN خیلی بالا نیست، AO دو مرحله‌ای می‌تواند به طور کامل نیازهای پساب را برآورده کند، و هیچ مزیت مشخصی برای سه مرحله AO نشان نمی‌دهد. برای سناریوهایی با COD بالا و نفوذ TN بالا، سه مرحله AO ممکن است مناسب‌تر باشد.

② مطالعه در مورد تنظیم نسبت های توزیع نفوذی

هر دو-مرحله و سه مرحله-AO با نسبت بازیافت داخلی 100% در مرحله اول AO تنظیم شدند. مطالعات بر روی نسبت‌های توزیع نفوذی چند نقطه‌ای (1:0:0، 3:7:0، 2:4:4) انجام شد. در اینجا، 1:0:0 به این معنی است که همه افراد نفوذی در همان جلو وارد می شوند. 3:7:0 برای سه مرحله-AO به این معنی است که جریان ورودی فقط در ناحیه بی هوازی و مرحله دوم AO توزیع می‌شود. نتایج شبیه سازی برای نسبت های توزیع تعدیل شده در نشان داده شده استجدول 3.

از جدول 3 می توان دریافت که نسبت توزیع تأثیر اندکی بر کیفیت پساب دارد. روند کلی این است که با افزایش نسبت پساب توزیع شده به مراحل بعدی، غلظت TN، NH3-N و TP پساب افزایش می‌یابد و تقاضای هوادهی نیز به تدریج افزایش می‌یابد. هنگامی که نسبت ورودی 3:7:0 بود، سه مرحله -AO حذف کمی بهتر TN و نسبت هوا به آب کمی کمتر از-دو مرحله AO نشان داد. با این حال، در عملیات واقعی، این تفاوت به طور کلی ناچیز است. علاوه بر این، افزایش نسبت ورودی به مراحل بعدی، در حالی که برای استفاده از منبع کربن در نیترات زدایی مفید است، به ناچار بار روی واکنش‌های بیوشیمیایی را به دلیل ورودی NH3{13}N، ماده آلی و TP افزایش می‌دهد. بنابراین، توصیه می‌شود پیکربندی نفوذی چند نقطه‌ای را حفظ کنید و تنظیمات مرحله‌ای را بر اساس کیفیت واقعی آب در حین کار انجام دهید. شایان ذکر است که اگرچه سه مرحله AO حذف TN بهتری نسبت به دو مرحله AO در نسبت ورودی 2:4:4 نشان داد، با افزایش ورودی به مراحل بعدی، پساب NH3-N روند افزایشی را نشان داد، که در آن نقطه NH23}N دیگر نمی‌تواند جریان استاندارد را داشته باشد.

③ عملکرد درمان دو-مرحله و سه-مرحله AO

یک پیکربندی سه مرحله‌ای AO با HRT=14 ساعت، نسبت‌های حجمی برابر برای هر مرحله (1:1:1)، 100% بازیافت داخلی در مرحله اول AO و نسبت ورودی 4:3:3، تحت دو شرایط شبیه‌سازی شد: با 100% بازیافت و با بازیافت بسته. یک پیکربندی AO دو مرحله‌ای با HRT{12}} ساعت، 100٪ مجموعه بازیافت داخلی و نسبت ورودی 4:3:3 شبیه‌سازی شد. نتایج نشان داد که AO دو مرحله ای TN پساب بهینه را در 6.29 میلی گرم در لیتر به دست آورد. سه مرحله{19}}AO با 100% بازیافت داخلی در قسمت جلویی بهترین مرحله بعدی را با 7.51 میلی گرم در لیتر بدست آورد. سه مرحله{22}}AO بدون بازیافت داخلی در 8.52 میلی گرم در لیتر عملکرد بدتری داشت. هر سه سناریو می توانند نیاز تأیید پساب (TN کمتر یا مساوی 10 میلی گرم در لیتر) را برآورده کنند.

جدول 4مقایسه پارامترهای طراحی را بین دو مرحله-و سه مرحله-AO نشان می‌دهد. مشاهده می شود که برای هر دو فرآیند، HRT مورد نیاز برای دستیابی به نیاز TN پساب کمتر از 18 ساعت است. تفاوت اصلی بین این دو فرآیند به شرح زیر است:

الف از نظر تئوری، سه مرحله-AO دارای حد بالایی بالاتر است. به عنوان مثال، اگر به درستی اجرا شود، هزینه های سرمایه گذاری و عملیاتی می تواند کمتر باشد. AO دو مرحله ای اقلام و مراحل تجهیزات کمتری دارد که در نتیجه هزینه تجهیزات کمتر و دشواری مدیریت عملیاتی کمتری دارد.

ب برای این پروژه خاص، از آنجایی که درازمدت در نظر گرفته شده و حجم مخزن برای 18{1}}ساعت HRT طراحی شده است، سرمایه گذاری مدنی چه با استفاده از AO دو مرحله ای و چه سه مرحله ای یکسان خواهد بود. هزینه تجهیزات برای سه مرحله-AO بیشتر است. بنابراین، از منظر سرمایه گذاری، اتخاذ AO دو مرحله ای مقرون به صرفه تر است.

ج. در مورد هزینه های عملیاتی، با حذف 100٪ هزینه انرژی بازیافت مشروبات الکلی مخلوط، AO در سه مرحله -می تواند تقریباً 0.002 CNY/m³ صرفه جویی کند. با در نظر گرفتن کاهش بالقوه در بهره‌وری استفاده از منبع کربن در عملیات واقعی به دلیل شرایط متناوب بدون اکسیژن/اکسیک در سه مرحله{4}}AO، تفاوت واقعی در هزینه‌های عملیاتی احتمالاً حتی کمتر خواهد بود.

2.2.2 تجزیه و تحلیل سناریوی بلندمدت-تعلیق شده حامل

با توجه به الزامات منحصربه‌فرد این پروژه، مخزن بیولوژیکی باید امکان‌سنجی و سهولت-طرح توسعه بلندمدت ظرفیت، یعنی تأثیر افزودن حامل‌های معلق را در نظر بگیرد.

هسته فرآیند MBBR افزایش زیست توده در راکتور با افزودن حامل های معلق است. اینها را می توان به مخازن هوازی، آنوکسیک یا بی هوازی اضافه کرد. با این حال، با در نظر گرفتن سیال شدن حامل، افزودن آنها به مخازن بی هوازی یا بدون اکسیژن به طور قابل توجهی نیاز به اختلاط را افزایش می دهد. بنابراین، اضافه کردن به تانک های هوازی ترجیحا توصیه می شود. حجم نواحی بی هوازی/بی هوازی را می توان با جداسازی از ناحیه هوازی تکمیل کرد، در حالی که کمبود حجم هوازی توسط حامل های اضافه شده جبران می شود. به عبارت دیگر، حجم هوازی ناکافی توسط افزایش سطح حامل های معلق تحمل می شود که بر اساس تبدیل بار آلاینده برای تعیین مقدار حامل مورد نیاز، کنترل نسبت پر شدن معین برای به دست آوردن حجم اضافه محاسبه می شود.

بر اساس محاسبات، در صورت اتخاذ فرآیند AO دو مرحله‌ای و افزودن همه حامل‌های معلق به اولین مرحله هوازی در درازمدت، مساحت سطح حامل MBBR مورد نیاز 2,597,708 متر مربع خواهد بود که 12.99 میلیون یوان هزینه دارد. سایر هزینه های تجهیزات ثابت مرتبط (شامل سیستم های سیال سازی MBBR، میکسرهای اختصاصی، سیستم های غربالگری و سیستم های کنترل هوشمند) 6.15 میلیون یوان یوان خواهد بود. در صورت اتخاذ فرآیند AO سه مرحله‌ای، به دلیل مناطق پراکنده‌تر، منطقه MBBR باید به 2 بخش تقسیم شود (مناطق هوازی مرحله اول و دوم{12}). در نتیجه، هزینه نصب تجهیزات ثابت MBBR مربوطه (به استثنای خود حامل ها) اندکی به 7.77 میلیون یوان افزایش می یابد، در حالی که هزینه حامل ثابت می ماند. این بدان معناست که اتخاذ سه مرحله{16}AO سرمایه‌گذاری در آینده را 1.62 میلیون یوان افزایش می‌دهد و همچنین پیچیدگی مقاوم‌سازی را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، سیستم غربالگری منطقه ای است که بیشتر در معرض مشکلات پس از افزودن حامل است. AO سه مرحله‌ای یک بخش اضافی از صفحه‌ها را اضافه می‌کند و دشواری عملیاتی را افزایش می‌دهد.

از مقایسه بالا، به دلیل پارتیشن بندی بیش از حد در سه مرحله-AO، با داشتن حجم مشابه هر پارتیشن، دشواری مقاوم سازی آن از دو مرحله-AO بیشتر است. ساخت و ساز، پیچیدگی عملیاتی، و افزودن تجهیزات غربالگری نیز منجر به سرمایه‌گذاری بالاتری نسبت به دو مرحله-AO می‌شود. بنابراین، اتخاذ دو مرحله‌ای AO برای جفت شدن آینده با حامل‌های معلق مساعدتر است.

2.3 نتیجه مقایسه

بر اساس تجزیه و تحلیل بالا، هر دو فرآیند AO دو مرحله‌ای و سه مرحله‌ای می‌توانند به هدف TN پساب کمتر یا مساوی 10 میلی‌گرم در لیتر دست یابند. تحت شرایط مرزی این پروژه -فضای محدود، نیاز به حداکثر کردن-حجم مخزن نزدیک مدت، و برنامه بلندمدت برای افزودن حامل های معلق-دو مرحله{8}}AO از نظر سرمایه گذاری نزدیک- و مدیریت تجهیزات و تسهیلات نگهداری مزایایی دارد. همچنین سازگاری بالاتری را برای مقاوم سازی آینده با حامل های معلق ارائه می دهد که منجر به سرمایه گذاری کلی کمتر و کاهش مقاوم سازی و دشواری عملیاتی می شود. بنابراین، پس از بررسی جامع، فرآیند AO دو مرحله‌ای برای این طراحی پیشنهاد شد.

3 عملکرد عملیاتی

کل سرمایه گذاری تخمینی برای این پروژه 304.5721 میلیون یوان با هزینه ساخت 243.6019 میلیون یوان یوان است که به معنای هزینه ساخت واحد 3480.03 یوان / متر مکعب است. هزینه درمان 1.95 CNY/m³ و هزینه عملیاتی 1.20 CNY/m³ است.

برای این پروژه، مخزن بیولوژیکی دارای HRT کل 18 ساعت است (شامل: منطقه بی هوازی 2 ساعت، اول-منطقه بدون اکسیژن مرحله اول 3.5 ساعت، اول-منطقه هوازی مرحله اول 7.5 ساعت، منطقه گاززدایی 0.5 ساعت، دوم-مرحله بی هوازی منطقه 2 ساعت، مرحله دوم{9}منطقه بی هوازی 2h{5}. با عمق موثر آب 8.6 متر. ورودی آب مقطعی قابل تنظیم اجرا شده است که امکان تنظیم نسبت توزیع ورودی را با افزایش 20 درصدی در صورت نیاز فراهم می کند. در عملیات واقعی، غلظت جامدات معلق مشروب مخلوط (MLSS) در مخزن بیولوژیکی از 3500 تا 4000 میلی گرم در لیتر متغیر است، نسبت بازگشت لجن از 40٪ تا 100٪، و نسبت بازیافت داخلی مشروب مخلوط از 100٪ تا 20٪ است. کیفیت واقعی خروجی و پساب در نشان داده شده استجدول 5، که اساساً با نتایج شبیه سازی مطابقت دارد.

4 نتیجه گیری

با استفاده از WWTP در جنوب چین به عنوان مطالعه موردی، یک مقایسه فنی و اقتصادی بین فرآیندهای AO دو مرحله‌ای و سه مرحله‌ای با کمک شبیه‌سازی BioWin انجام شد. AO دو مرحله‌ای، با اقلام و مراحل تجهیزات کمتر، هزینه تجهیزات کمتر و دشواری مدیریت عملیاتی کمتر، برای شرایط در جنوب چین که TN نفوذی خیلی بالا نیست، مناسب‌تر است. برای سه مرحله AO، راه‌اندازی بازیافت داخلی از پایان مرحله سوم تا اولین منطقه بدون اکسیژن تأثیر منفی بر راندمان حذف TN، افزایش دشواری مدیریت عملیاتی و افزایش هزینه‌های سرمایه‌گذاری داشت. این طرح به طور همزمان نیازمندی‌های درمان نزدیک به مدت 50000 m³/d و TN کمتر یا برابر با 10 mg/L را برآورده می‌کند، در حالی که مقیاس بلندمدت 70000 m³/d را می‌توان با جفت شدن با حامل‌های معلق به دست آورد. نتایج عملیاتی واقعی تا حد زیادی با نتایج شبیه‌سازی BioWin مطابقت دارد، با میانگین TN پساب 6.86 میلی‌گرم در لیتر، که الزامات طراحی را برآورده می‌کند.