کاربرد فرآیند BIOLAK در ارتقای یک تصفیه خانه فاضلاب به استانداردهای شبه-کلاس IV
فرآیند BIOLAK که در اوایل قرن بیست و یکم به چین معرفی شد، به دلیل ساختار ساده و هزینه های سرمایه گذاری پایین، کاربرد گسترده ای در تصفیه فاضلاب شهری پیدا کرد. در سال های اخیر، با تشدید استانداردهای تخلیه و افزایش اتوماسیون، اکثر کارخانه های موجود BIOLAK با ارتقاء مواجه هستند. پیشرفتهایی مانند افزودن حاملهای معلق، مقاومسازی مخازن و بازتعریف مناطق عملکردی برای بهبود حذف نیتروژن و فسفر اجرا میشوند. در حالی که کارخانههای تازهساخته عمدتاً فرآیندهای A²/O و خندق اکسیداسیون را اتخاذ میکنند، گزارشهای کمی در مورد عملکرد واقعی BIOLAK، به ویژه تحت استانداردهای انتشار دقیق وجود دارد. فرآیند BIOLAK از زنجیر هوادهی نوسانی برای ایجاد مناطق بی اکسیژن و هوازی زمانی استفاده میکند که اساساً به عنوان یک فرآیند A/O چند مرحلهای عمل میکند. از طریق بهینهسازی عملیاتی، کیفیت پساب میتواند به طور پایدار با استاندارد شبه-کلاس IV آب سطحی مطابقت داشته باشد.
1 پیشینه پروژه
یک کارخانه تصفیه فاضلاب در استان هبی از فرآیند BIOLAK به عنوان فناوری اصلی خود استفاده می کند. جریان ورودی از 18000 تا 22000 مترمکعب در روز، به طور متوسط 19000 مترمکعب در روز است که عمدتاً فاضلاب خانگی شهری و مقدار کمی پساب فرآوری کشاورزی را تصفیه می کند. کیفیت ورودی و پساب طراحی شده در نشان داده شده استجدول 1. استاندارد تخلیه اولیه استاندارد درجه A *"استاندارد تخلیه آلاینده ها برای کارخانه های تصفیه فاضلاب شهری" (GB 18918-2002)* بود. پس از ارتقاء که شامل پارتیشن بندی یک منطقه بی هوازی برای افزایش نیترات زدایی و فسفر زدایی بود، کارخانه اکنون با محدودیت های منطقه کنترل کلیدی *"استانداردهای تخلیه آلاینده آب برای حوضه رودخانه Daqing" (DB13/2795-2018)* مطابقت دارد. به جز نیتروژن کل، همه شاخص های دیگر استانداردهای کلاس IV مشخص شده در *"استانداردهای کیفیت محیطی برای آب های سطحی" (GB 3838-2002)* را برآورده می کنند. جریان فرآیند در نشان داده شده استشکل 1.
این گیاه از هیپوکلریت سدیم برای ضد عفونی استفاده می کند. لجن قبل از انتقال برای فرآوری مشترک در کوره های سیمان با-فیلتراسیون صفحه و قاب فشار بالا تا رطوبت کمتر از 60 درصد آبگیری می شود.
سهم هر واحد تصفیه در حذف آلاینده بر اساس موازنه جرم، با روشهای خاصی که از ادبیات ارجاع شده است، محاسبه شد.
2 اقدامات بهینه سازی کنترل عملیاتی
اقدامات بهینه سازی چندگانه در طول عملیات برای افزایش پایداری پساب و دستیابی به صرفه جویی در انرژی و هزینه اجرا شد.
2.1 کنترل اکسیژن محلول پیشرفته (DO).
پروژههای مقاومسازی موجود BIOLAK اغلب به منطقهبندی ضعیف آن بهعنوان یک -نوع A/O چند مرحلهای اشاره میکنند که منجر به راندمان نیترات زدایی پایین میشود. در این پروژه، ضمن اطمینان از انطباق نیتروژن آمونیاکی پساب، حداکثر DO در انتهای ناحیه هوادهی در 0.5-1.0 میلی گرم در لیتر، کمتر از الزامات کنترل DO معمولی حفظ شد.
2.2 افزایش نظارت بر داده های فرآیند
برای هدایت کنترل DO و دوز منبع کربن خارجی، نیتروژن نیترات و نیتروژن آمونیاکی در انتهای منطقه بی هوازی و مخزن BIOLAK برای تعیین محدوده کنترل بهینه بررسی شدند. در طول عملیات، زمانی که نیتروژن نیترات در انتهای منطقه بی هوازی بود، دوز منبع کربن خارجی کاهش یا متوقف شد.<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 تنظیم اهداف کنترل داخلی پساب
برای اطمینان از انطباق پایدار، اهداف کنترل داخلی بر اساس دشواری کنترل هر آلاینده، 30٪ تا 80٪ از محدودیت های تخلیه تعیین شد. فراتر رفتن از این محدودیت های داخلی باعث تنظیم فوری پارامترهای فرآیند برای بازگشت غلظت پساب به محدوده قابل قبولی می شود. اهداف کنترل داخلی سالانه برای COD، نیتروژن آمونیاکی، نیتروژن کل و فسفر کل به ترتیب 15 میلی گرم در لیتر، 0.5 میلی گرم در لیتر، 12 میلی گرم در لیتر و 0.12 میلی گرم در لیتر بود.
2.4 حفظ غلظت مناسب لجن
هدر رفت لجن بر اساس جریان، بار و فصل تنظیم شد. زمان نگهداری لجن (SRT) در 15-25 روز و غلظت جامدات معلق مشروب مخلوط (MLSS) در 2500-4500 میلی گرم در لیتر حفظ شد. به طور خاص، MLSS در 2500-3500 mg/L در تابستان و پاییز، با بار لجن حدود 0.06 kgCOD/(kgMLSS·d)، و در 3500-4500 mg/L در زمستان و بهار، با بار لجن حدود 0.0kMLCOD/kg (kg4kMLCOD/kg) کنترل شد.
2.5 تنظیم عملکرد واحدهای درمان پیشرفته
دمای پایین در زمستان بر لخته سازی و رسوب گذاری تأثیر می گذارد. شستشوی معکوس نابهنگام فیلترهای نوع V می تواند منجر به افزایش مواد جامد معلق پساب و COD شود. بنابراین، در طول عملیات زمستانی، فرکانس شستشوی معکوس بر اساس عملکرد انعقادی افزایش یافت و تخلیه لجن از مخزن ته نشینی انعقادی برای کاهش غلظت مواد جامد معلق پساب تشدید شد.
3 عملکرد درمان
COD ورودی سالانه بین 109 تا 248 میلی گرم در لیتر، به طور متوسط 176 میلی گرم در لیتر متغیر بود. COD پساب از 9.5 تا 20.1 میلی گرم در لیتر، به طور متوسط 12.1 میلی گرم در لیتر متغیر بود. هنگامی که COD پساب از هدف کنترل داخلی (15 میلی گرم در لیتر) فراتر رفت، فرکانس شستشوی معکوس فیلتر برای کاهش جامدات معلق افزایش یافت. برای کارایی بهتر انعقاد، توصیه میشود مخزن انعقادی{10}}به یک مخزن رسوبی با چگالی بالا یا مغناطیسی{11} ارتقا دهید.
نیتروژن آمونیاک ورودی سالانه بین 17.8 تا 54.9 میلی گرم در لیتر، به طور متوسط 31.9 میلی گرم در لیتر متغیر بود. نیتروژن آمونیاکی خروجی از 0.12 تا 1.30 میلی گرم در لیتر، به طور متوسط 0.5 میلی گرم در لیتر متغیر بود. هنگامی که از هدف کنترل داخلی فراتر رفت، هوادهی بر اساس اقدامات بهینه سازی تنظیم شد. کیفیت پساب بهطور پایدار با محدودیتهای حوزه کنترل کلیدی *DB13/2795-2018* در طول سال مطابقت داشت.
به دلیل غلظت کم منبع کربن ورودی، تمرکز بر بهینه سازی شرایط فرآیند برای افزایش حذف نیتروژن و فسفر، با هدف صرفه جویی در انرژی و هزینه بود.
3.1 بهینه سازی کنترل DO و حذف کل نیتروژن
نیتروژن کل ورودی سالانه (TN) از 20.3 تا 55.6 میلی گرم در لیتر متغیر بود.شکل 2) به طور متوسط 42.1 میلی گرم در لیتر. TN خروجی از 2.5 تا 14.2 میلی گرم در لیتر، به طور متوسط 8.8 میلی گرم در لیتر، در محدوده هدف کنترل داخلی (12 میلی گرم در لیتر) بود. میانگین میزان حذف TN 79.1٪ بود. با نسبت بازیافت لجن 90 درصد (بدون بازیافت مشروب مخلوط داخلی)، راندمان نیترات زدایی نظری 47.4 درصد بود که نشان می دهد نیترات زدایی در سایر مناطق فرآیند فراتر از انتخابگر بی هوازی نیز رخ داده است. تغییرات نیتروژن در طول قطار تصفیه در یک چرخه معمولی نشان داده شده استشکل 3.
در یک چرخه معمولی، TN ورودی 42.0 میلی گرم در لیتر بود که مجموع نیتروژن آمونیاک و نیترات 35.2 میلی گرم در لیتر بود. پس از انتخابگر بی هوازی، TN 16.7 میلی گرم در لیتر بود، که منجر به نرخ حذف 43.5٪ از طریق تعادل جرم، مطابق با مقدار نظری شد. مخزن BIOLAK 24.0% TN را حذف کرد. پساب TN در مخزن ته نشینی ثانویه کاهش بیشتری پیدا کرد و به حذف 11.3 درصدی کمک کرد، عمدتاً به دلیل زمان ماند طولانی هیدرولیکی آن (8.6 ساعت) که امکان نیترات زدایی ناشی از منبع کربن درون زا را فراهم می کرد. سایر واحدها 1.9 درصد حذف شدند. TN پساب نهایی 8.1 میلی گرم در لیتر، با نرخ حذف کل 80.7٪ بود.
تجربه عملیاتی نشان می دهد که کنترل DO برای حذف TN در فرآیند BIOLAK بسیار مهم است. در فرآیندهای مرسوم، DO معمولاً در انتهای ناحیه هوازی در ساختار کانالی که در آن DO در سطح مقطع نسبتاً یکنواخت است اندازهگیری میشود. با این حال، در مخزن BIOLAK، انتهای منطقه هوادهی نزدیک به 70 متر عرض دارد، با DO از لبه شیب به مرکز افزایش مییابد، و 0.5-1.0 میلیگرم در لیتر متفاوت است. بنابراین، محل پروب های DO نیاز به توجه دقیق دارد.
با کنترل دقیق حداکثر DO در انتهای منطقه هوادهی BIOLAK، یک محیط بدون اکسیژن لازم برای نیترات زدایی به طور موثر تضمین شد. نیتریفیکاسیون و نیتریفیکاسیون همزمان (SND) با استفاده از منابع کربن درون زا به دست آمد که منجر به حذف موثر TN شد.
3.2 حذف کل فسفر و بهینه سازی عملیاتی
فسفر کل ورودی سالانه (TP) از 1.47 تا 4.80 میلی گرم در لیتر متغیر بود.شکل 4) به طور متوسط 2.99 میلی گرم در لیتر. TP پساب بین 0.04 تا 0.17 میلی گرم در لیتر بود. دوز عامل حذف فسفر بر اساس هدف کنترل داخلی (0.12 میلی گرم در لیتر) تنظیم شد. میانگین غلظت TP پساب 0.07 میلی گرم در لیتر بود که به طور پایدار با استاندارد تخلیه مطابقت دارد، با میانگین میزان حذف TP 98.3٪.
تغییرات فسفات در طول قطار درمان در یک چرخه معمولی نشان داده شده استشکل 5.
فسفات ورودی 2.70 میلی گرم در لیتر و فسفات لجن برگشتی 0.58 میلی گرم در لیتر بود که فسفات نظری ورودی به انتخابگر بی هوازی 1.70 میلی گرم در لیتر بود. پس از آزادسازی بی هوازی فسفر توسط ارگانیسم های انباشته کننده پلی فسفات (PAOs)، غلظت فسفات به 2/3 میلی گرم در لیتر رسید. نسبت غلظت فسفات (حداکثر در منطقه بی هوازی / ورودی) 1.9 بود که نشان دهنده آزادسازی قابل توجهی است. دلیل اصلی نیترات زدایی موثر در شرایط DO کم، منجر به غلظت کم نیترات در لجن برگشتی به منطقه بی هوازی، حفظ یک محیط بی هوازی خوب (ORP به طور کلی زیر 200-mV) و ترویج آزادسازی فسفر بود.
پس از منطقه هوادهی BIOLAK، جذب فسفر قابل توجهی رخ داد که غلظت فسفات را در انتها به 0.3 میلی گرم در لیتر کاهش داد و به راندمان حذف بیولوژیکی فسفر 88.9٪ رسید. پس از مخازن ته نشینی و تثبیت، غلظت فسفات به 0.64 میلی گرم در لیتر افزایش یافت. تجزیه و تحلیل نشان می دهد که این به دلیل HRT طولانی در مخزن ته نشینی و DO به شدت کنترل شده در مخزن BIOLAK، ایجاد یک شرایط بی هوازی در مخزن ته نشینی و باعث آزاد شدن ثانویه فسفر است. پس از دوز شیمیایی در واحد انعقاد، فسفات پساب به 0.06 میلی گرم در لیتر کاهش یافت. بنابراین، با در نظر گرفتن هزینه های اقتصادی و پیچیدگی عملیاتی، قربانی کردن برخی راندمان حذف بیولوژیکی فسفر برای افزایش نیترات زدایی یک استراتژی بهینه سازی قابل دوام برای گیاهان مشابه است.
4 هزینه های عملیاتی
هزینه های عملیاتی مستقیم شامل برق، مواد شیمیایی و دفع لجن است. بر اساس آمار سالانه، مصرف برق ویژه 0.66 کیلووات ساعت بر متر مکعب بوده است. با قیمت برق 0.65 CNY/kWh (بر اساس ترکیبی از نرخهای پیک/خاموش{4})، هزینه برق 0.429 CNY/m³ بود. این مصرف طبق «استاندارد ارزیابی کیفیت عملیاتی تصفیه خانههای فاضلاب شهری» در سطح بالاتری قرار دارد، که عمدتاً به دلیل راندمان مصرف اکسیژن کمی پایینتر در سیستم هوادهی است. هزینه های شیمیایی، از جمله استات سدیم، عامل حذف فسفر، PAM، هیپوکلریت سدیم و مواد شیمیایی آبگیری، در مجموع 0.151 CNY/m³ بوده است. استفاده و هزینه های خاص در نشان داده شده استجدول 2.
لجن عمدتاً از منابع بیولوژیکی و شیمیایی (مخزن انعقاد) منشاء می گیرد. فیلتراسیون صفحه و قاب فشار بالا با آهک و کلرید آهن به عنوان عوامل تهویه استفاده می شود. دوز آهک حدود 25 درصد وزن لجن خشک است. کیک آبگیری شده دارای رطوبت 60٪ است. تولید روزانه لجن آبگیری حدود 9 تن با بازده لجن خشک مخصوص حدود 0.15 درصد است. هزینه حمل و نقل لجن 250 یوان / تن است که در نتیجه هزینه دفع لجن حدود 0.118 یوان / متر مکعب است. بنابراین، کل هزینه تولید مستقیم 0.698 CNY/m³ است.
5 نتیجه گیری
① یک تصفیه خانه فاضلاب در استان هبی، با استفاده از فرآیند BIOLAK برای تصفیه فاضلاب شهری، به طور مداوم به مدت یک سال با کیفیت پساب به طور پایدار مطابق با محدودیت های منطقه کنترل کلیدی *DB13/2795-2018* (استاندارد آب سطحی شبه کلاس IV) کار کرد.
② به عنوان گونهای از فرآیند چند مرحلهای A/O، کنترل حداکثر DO در انتهای ناحیه هوادهی BIOLAK در 0.5-1.0 میلیگرم در لیتر منجر به نرخ حذف TN 24.0٪ در منطقه BIOLAK و 11.3٪ در مخزن ته نشینی شد. این نیتریفیکاسیون{6}همزمان نیترات زدایی و نیترات زدایی منبع کربن درون زا را به دست آورد که قابلیت حذف نیتروژن قابل توجهی را نشان می دهد.
③ هزینه عملیاتی مستقیم برای فرآیند BIOLAK 0.698 CNY/m³ بود. اقدامات بهینهسازی عملیاتی، از جمله نظارت بر دادههای فرآیند و تعیین اهداف کنترل داخلی معقول، میتواند مرجعی برای بهینهسازی عملیات و دستیابی به صرفهجویی در انرژی/هزینه در تصفیهخانههای فاضلاب مشابه فراهم کند.