Εφαρμογή Τροποποιημένης Διαδικασίας ΑΑΟ στην Επεξεργασία Οικιακών Λυμάτων Ανθρακωρυχείου
Τα οικιακά λύματα στα ανθρακωρυχεία προέρχονται κυρίως από καντίνες προσωπικού, κοιτώνες, γραφεία, πλυντήρια και μπάνια, με την αποχέτευση κολύμβησης να αντιπροσωπεύει πάνω από το 55% του συνολικού όγκου. Η απόρριψη των υδάτων κολύμβησης είναι σχετικά συγκεντρωμένη, οδηγώντας σε σημαντικές διακυμάνσεις της ροής. Χαρακτηρίζεται από χαμηλότερη οργανική συγκέντρωση και υψηλότερα αιωρούμενα στερεά (SS), η αποχέτευση κολύμβησης διαφέρει σημαντικά από τα τυπικά οικιακά λύματα. Το κλιμακωτό μοτίβο απόρριψής του με άλλα ρεύματα λυμάτων συμβάλλει στη σημαντική διακύμανση της ποιότητας του νερού.
Τα περισσότερα ανθρακωρυχεία στην Κίνα βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές όπου το κόστος μεταφοράς λάσπης είναι υψηλό. Επομένως, θα πρέπει να επιλέγονται διαδικασίες επεξεργασίας με χαμηλότερη απόδοση ιλύος. Καθώς τα ορυχεία αναπτύσσονται και ο αριθμός του προσωπικού αυξάνεται, η ροή των λυμάτων συχνά υπερβαίνει την αρχική χωρητικότητα σχεδιασμού, απαιτώντας διαδικασίες με ισχυρή προσαρμοστικότητα σε Αλλαγές στην ποιότητα και την ποσότητα του νερού εντός του ίδιου αποτυπώματος. Στο πλαίσιο ολοένα και πιο αυστηρών περιβαλλοντικών πολιτικών που απαιτούν πλήρη επαναχρησιμοποίηση των επεξεργασμένων λυμάτων με μηδενική απόρριψη, οι διεργασίες πρέπει να παρέχουν υψηλή και σταθερή ποιότητα λυμάτων.
Επί του παρόντος, η διαδικασία AAO (Anaerobic-Anoxic-Oxic) είναι η προτιμώμενη επιλογή στην επεξεργασία αστικών λυμάτων. Αυτό το άρθρο αναλύει την αποτελεσματικότητα εφαρμογής μιας Τροποποιημένης Διαδικασίας AAO (AAO + Suspended Carrier Process) για οικιακά λύματα ανθρακωρυχείου, με βάση τα μοναδικά χαρακτηριστικά της.
1. Τροποποιημένη διαδικασία AAO
Η διαδικασία AAO είναι η απλούστερη διαμόρφωση ροής για ταυτόχρονη αφαίρεση αζώτου και φωσφόρου. Τα νηματώδη βακτήρια δεν μπορούν να πολλαπλασιαστούν εκτενώς υπό εναλλασσόμενες αναερόβιες, ανοξικές και αερόβιες συνθήκες, αποτρέποντας τη διόγκωση της ιλύος. Δεν απαιτεί χημική προσθήκη, μόνο ήπια ανάμειξη σε αναερόβιες και ανοξικές δεξαμενές, με αποτέλεσμα χαμηλό κόστος λειτουργίας. Η λάσπη έχει υψηλή περιεκτικότητα σε φώσφορο, δίνοντάς της καλή αξία λιπάσματος.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, αυτή η εσωτερική ανακύκλωση καταναλώνει σημαντική ενέργεια. Τα απόβλητα που εισέρχονται στον δευτερεύοντα διαυγαστή πρέπει να διατηρούν ένα ορισμένο επίπεδο διαλυμένου οξυγόνου (DO) για να αποτρέπονται οι αναερόβιες συνθήκες και η απελευθέρωση φωσφόρου, αλλά όχι πολύ υψηλό για να αποφευχθεί η παρεμβολή στην απονιτροποίηση στην ανοξική δεξαμενή μέσω του ανακυκλωμένου μικτού υγρού.
Η Τροποποιημένη Διαδικασία AAO (AAO + Suspended Carrier Process) μετριάζει αποτελεσματικά αυτά τα μειονεκτήματα. Αυξάνει τη μικροβιακή μάζα στις βιολογικές δεξαμενές, ενισχύει την ογκομετρική φόρτιση, επιτυγχάνει πλήρη διαχωρισμό του υδραυλικού χρόνου συγκράτησης (HRT) και του χρόνου συγκράτησης λάσπης (SRT), ενισχύει την ανθεκτικότητα σε υδραυλικά και οργανικά φορτία κρούσης, παρέχει καλή ποιότητα εκροής ακόμη και με χαμηλές πηγές άνθρακα, παράγει λιγότερη και πιο σταθερή ικανότητα μείωσης της ροής. Τα απόβλητα μπορούν να πληρούν τα πρότυπα ποιότητας νερού του "The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water" (GB/T 18920-2020) και του "Code for Design of Coal Preparation Engineering" (GB 50359-2016 για πλύσιμο άνθρακα). Οι Hou Feng et al. εφάρμοσε τη διαδικασία AAO+ssuspended carrier σε μια υπόγεια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων, επιτυγχάνοντας πρότυπα Βαθμού 1Α ανά "Πρότυπο Απόρριψης Ρύπων για Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Αστικών Λυμάτων" (GB 18918-2002), με βασικούς δείκτες (COD, BOD5, NH3-N Standardality Standardnvi Classalnvi, TPron) για Επιφανειακά Νερά» (GB 3838-2002). Οι Hao Ruigang et al. χρησιμοποίησε "A/O Bio-contact Oxidation + Perforated Swirl Flocculation + Inlined Tube Sedimentation + Active Sand Filtration" στην επέκταση μιας μονάδας οικιακής αποχέτευσης ανθρακωρυχείου, επιτυγχάνοντας ποιότητα αποβλήτων καλύτερη από την κατηγορία 1A. Οι Yan Ziyu et al. πέτυχε επίσης καλά αποτελέσματα χρησιμοποιώντας διεργασίες βιοφίλμ για την εκ των υστέρων αναβάθμιση της υπάρχουσας επεξεργασίας οικιακών λυμάτων ανθρακωρυχείου. Η Τροποποιημένη Διαδικασία AAO επιτρέπει την αύξηση της παραγωγικής ικανότητας και τη βελτίωση της ποιότητας των αποβλήτων σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις με ελάχιστες τροποποιήσεις.
Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την προσθήκη αιωρούμενων φορέων στις ανοξικές και αερόβιες δεξαμενές, συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα της ενεργού ιλύος και των διεργασιών βιοφίλμ. Διαθέτει υψηλή ογκομετρική φόρτιση, μεγάλη βιομάζα, υψηλή απόδοση επεξεργασίας, ισχυρή προσαρμοστικότητα στο 水质和水量的变化, βελτιωμένη σταθερότητα διεργασιών και καλή αφαίρεση θρεπτικών συστατικών. Σχηματίζει εξαιρετικά εξειδικευμένα ενεργά βιοφίλμ, αυξάνοντας την απόδοση ανά όγκο αντιδραστήρα και τη σταθερότητα, επιτρέποντας μικρότερους αντιδραστήρες. Η ιλύς από βιοφίλμ που εκλύεται περιέχει περισσότερα πρωτόζωα/μετάζωα, έχει μεγαλύτερη πυκνότητα και μεγαλύτερο μέγεθος σωματιδίων, με αποτέλεσμα την καλή καθιζησιμότητα και τον εύκολο διαχωρισμό των στερεών-υγρών. Επιτρέπει τον πλήρη διαχωρισμό SRT-HRT, εξαλείφει τη διόγκωση της λάσπης και είναι κατάλληλο για λύματα πλούσια σε διαλυτά οργανικά.
2.1 Μελέτη περίπτωσης
Ένα ανθρακωρυχείο στην πόλη Yan'an, περίπου 16 χλμ. από την πόλη Zichang, διαθέτει μονάδα επεξεργασίας οικιακών λυμάτων με χωρητικότητα σχεδιασμού 1200 m³/ημέρα. Η διαδικασία είναι: "Οθόνη + Δεξαμενή εξισορρόπησης + AAO με αιωρούμενους φορείς + προηγμένη επεξεργασία (πήξη-καθίζηση-διήθηση) + απολύμανση". Η επεξεργασία της λάσπης γίνεται μέσω "Gravity Thickening + Screw Press Dewatering". Τα λύματα πληρούν τα αυστηρότερα όρια *GB/T 18920-2020* και GB 50359-2016 για το νερό πλύσης άνθρακα. Το επεξεργασμένο νερό επαναχρησιμοποιείται για το ορυχείο Greenery και ως νερό μακιγιάζ στο εργοστάσιο παρασκευής άνθρακα. Η ποιότητα της εισροής/εκροής σχεδίασης είναι μέσαΠίνακας 1. Η ροή της διαδικασίας φαίνεται στοΕικόνα 1.
Τα λύματα διέρχονται μέσω ενός πλέγματος (διάκενο 5 mm, γωνία εγκατάστασης 75 μοιρών) σε μια δεξαμενή εξισορρόπησης (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, πραγματικό βάθος 2,95 m, όγκος 247,8 m³, HRT 4,13 h), που πληροί τις απαιτήσεις GB 50810-2012. Δύο μίξερ εμποδίζουν την καθίζηση. Τρεις υποβρύχιες αντλίες (2 duty +1 standby, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) ανυψώνουν το νερό στις βιολογικές δεξαμενές.
Το βιολογικό σύστημα αποτελείται από δύο παράλληλα τρένα. Ανά τρένο:
- Αναερόβια δεξαμενή: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, ενεργό βάθος 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Ανοξική δεξαμενή: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, ενεργό βάθος 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Aerobic Tank: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, πραγματικό βάθος 4,0 m, HRT 10,0 h. Το συνολικό HRT συστήματος είναι 15,75 h. Στην αερόβια δεξαμενή τοποθετούνται αναρτημένοι φορείς (αναλογία πλήρωσης 80%, ειδική επιφάνεια 600 m²/m³). Design Η αναλογία αέρα{11}}προς-νερό είναι 13,7:1. Χρησιμοποιούνται φυσητήρες τριών Roots (2 duty +1 αναμονής, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). Η αναλογία ανακύκλωσης λάσπης είναι 100%, η αναλογία ανακύκλωσης μικτών υγρών είναι 200%.
Δύο ορθογώνιοι περιφερειακοί-δευτερεύοντες διαυγαστήρες εισόδου/εξόδου (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m ο καθένας) έχουν ρυθμό επιφανειακής φόρτισης 1,2 m³/(m²·h) και HRT 2,5 ώρες.
Ένας ενσωματωμένος καθαριστής νερού (που συνδυάζει πήξη, καθίζηση, διήθηση) παρέχει προηγμένη επεξεργασία για περαιτέρω αφαίρεση SS και φωσφόρου.
Η επεξεργασία της λάσπης περιλαμβάνει πύκνωση με βαρύτητα (Φ2,5 m×5,0 m δεξαμενή ανθρακούχου χάλυβα) ακολουθούμενη από αφυδάτωση με βιδωτό πρέσσα. Το πολυακρυλαμίδιο (PAM) χορηγείται σε δόση 3,0–5,0 kg/t ξηρών στερεών πριν από την αφυδάτωση. Το καθημερινό αφυδατωμένο κέικ λάσπης είναι Λιγότερο ή ίσο με 150 kg με περιεκτικότητα σε υγρασία μικρότερη ή ίση με 80%, μεταφέρεται εκτός-του ιστότοπου.
Η απολύμανση χρησιμοποιεί μια-γεννήτρια ClO2 επιτόπου (αποτελεσματική δόση χλωρίου 120 g/h) που χορηγείται στην είσοδο του διαυγούς φρεατίου. Το καθαρό φρεάτιο έχει ενεργό όγκο 250 m³, παρέχοντας χρόνο επαφής 4,2 ώρες.
Η μονάδα είναι εξοπλισμένη με εκτεταμένη ηλεκτρονική παρακολούθηση (ροόμετρα, υπολειμματικό χλώριο, pH, DO, COD, θολότητα, στάθμη/συγκέντρωση λάσπης) και αυτοματοποιημένα συστήματα ελέγχου για αντλίες, φυσητήρες, αντίστροφη πλύση, δοσομέτρηση χημικών και ανάμειξη, διασφαλίζοντας έξυπνη, χωρίς επιτήρηση λειτουργία.
2.2 Ανάλυση απόδοσης
Το εργοστάσιο ολοκληρώθηκε η θέση σε λειτουργία το 2021 και λειτουργεί για πάνω από δύο χρόνια. Η πραγματική ποιότητα εισροής/εκροής 2024 εμφανίζεται στοΠίνακας 2.
Η εισερχόμενη αναλογία BOD5/N είναι 5,5, υποδεικνύοντας χαμηλή αναλογία άνθρακα-προς-απόβλητα ύδατα (C/N), η οποία μειώνεται περαιτέρω το καλοκαίρι λόγω της διείσδυσης βροχοπτώσεων και των αλλαγών στις συνήθειες. Οι ακραίες χειμερινές θερμοκρασίες στο Yan'an μπορούν να φτάσουν τους -21 βαθμούς. Η πραγματική ποιότητα των λυμάτων είναι καλύτερη από τη σχεδίαση, με τα ποσοστά απομάκρυνσης να φτάνουν: COD 97,8%, BOD5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, πληρούν τα πρότυπα για 绿化 και πλύσιμο άνθρακα.
Η μάζα ενεργού βιοφίλμ στις ανοξικές/αερόβιες δεξαμενές είναι τόσο υψηλή όσο 125 g/m² φορέας, ισοδύναμη με MLSS 13 g/L-τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή της συμβατικής ενεργοποιημένης λάσπης. Οι μικροοργανισμοί βρίσκονται στη φάση της ενδογενούς αναπνοής, με αποτέλεσμα την ημερήσια παραγωγή λάσπης περίπου το 1/3 των συμβατικών μεθόδων, με καλύτερη καθίζηση, επιτρέποντας μικρότερο εξοπλισμό επεξεργασίας ιλύος.
Αν και η βιο-οξείδωση μέσω επαφής μπορεί να λειτουργήσει χωρίς ανακύκλωση λάσπης, η έρευνα των Xiong Ren et al. δείχνει ότι τα συστήματα με ανακύκλωση επιτυγχάνουν υψηλότερους ρυθμούς αφαίρεσης για COD, TN, NH3-N, SS και μειώνουν την απόδοση ιλύος κατά 29,6%. Αυτός ο σχεδιασμός ενσωματώνει ανακύκλωση μικτού υγρού, με λειτουργική ευελιξία που βασίζεται στην ποιότητα των λυμάτων.
Το εργοστάσιο (1200 m³/d) καταλαμβάνει 1350,3 m², με επένδυση κεφαλαίου 20 εκατομμύρια CNY και λειτουργικό κόστος 1,05 CNY/m³.
Σε σύγκριση με το συμβατικό AAO, το οποίο απαιτεί εκτεταμένο SRT για αποτελεσματική λειτουργία σε χαμηλή-θερμοκρασία, αυτή η τροποποιημένη διαδικασία διατηρεί την απλότητα της ταυτόχρονης αφαίρεσης θρεπτικών συστατικών, ενώ εμπλουτίζει τη βιολογική κοινότητα με φορείς. Ο διαχωρισμός SRT-HRT ενισχύει τη βιολογική-σταθερότητα, διασφαλίζοντας αξιόπιστη λειτουργία σε συνθήκες χαμηλού C/N και χαμηλής- θερμοκρασίας. Σταθερά απόβλητα μπορούν να διατηρηθούν με λίγη ή καθόλου ανακύκλωση λάσπης, επιτρέποντας-επιτόπια μείωση της λάσπης και χαμηλότερο κόστος διαχείρισης λάσπης. Η απλότητα και η έλλειψη όγκου το καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλο για την επεξεργασία οικιακών λυμάτων ανθρακωρυχείου.
3. Έρευνα βελτιστοποίησης για τη διαδικασία AAO
Οι τροποποιημένες διαδικασίες AAO συνήθως σχεδιάζονται ανά παραμέτρους στο "Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering" (GB 50014-2021). Ωστόσο, απαιτείται βελτιστοποίηση των λειτουργικών παραμέτρων (HRT, SRT, αερισμός, αναλογίες ανακύκλωσης, MLSS) ειδικά για τα λύματα ανθρακωρυχείου για τον προσδιορισμό των βέλτιστων συνθηκών για μελλοντικό σχεδιασμό και λειτουργία.
Στο συμβατικό AAO, η ιλύς ανακυκλώνεται από την αερόβια στην αναερόβια δεξαμενή, μεταφέροντας νιτρικά άλατα και υψηλή περιεκτικότητα σε DO, τα οποία μπορούν να επηρεάσουν τη βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου. Μπορεί να εξεταστεί η διαδικασία του Πανεπιστημίου του Κέιπ Τάουν (UCT), όπου η λάσπη ανακυκλώνεται στην ανοξική δεξαμενή, το νιτροποιημένο υγρό στην ανοξική δεξαμενή και μια πρόσθετη ανακύκλωση από την ανοξική σε αναερόβια δεξαμενή προστίθεται για τη βελτίωση της απομάκρυνσης του βιολογικού-P.
Η επεξεργασία λάσπης μπορεί να αντιπροσωπεύει το 50–60% του λειτουργικού κόστους μιας μονάδας. Θα πρέπει να υιοθετηθούν in{3}}τεχνολογίες μείωσης της ιλύος επιτόπου. Το υψηλό MLSS σε τροποποιημένες βιολογικές-δεξαμενές AAO οδηγεί σε υψηλή αναλογία F/M, όπου μπορεί να προκύψει αποσύνδεση του μεταβολισμού, προωθώντας τη μείωση της λάσπης και μειώνοντας το κόστος διαχείρισης της λάσπης. Η μελλοντική εστίαση θα πρέπει να είναι στην εφαρμογή-τεχνολογιών επιτόπιας μείωσης, όπως η κρυπτική ανάπτυξη μέσω μικρο-λύσης, η διεργασία Oxic-Αναερόβιας καθίζησης{10}}Αναερόβιας (OSA) και η αποσύνδεση του μεταβολισμού στην επεξεργασία λυμάτων ανθρακωρυχείου.
Αυτή η διαδικασία είναι κατάλληλη για τη μετασκευή υφιστάμενων σταθμών AAO σε ανθρακωρυχεία. Η προσθήκη φορέων σε ανοξικές/αερόβιες δεξαμενές μπορεί να βελτιώσει την ποιότητα των εκροών, να αυξήσει τη χωρητικότητα και να βελτιώσει τη σταθερότητα του συστήματος. Για εγκαταστάσεις με αυστηρότερες απαιτήσεις εκροής, η αντικατάσταση του δευτερεύοντος διαυγαστή με σύστημα MBR μπορεί να αναβαθμίσει περαιτέρω την ποιότητα του νερού.
4. Συμπέρασμα
- Η Τροποποιημένη Διαδικασία AAO είναι κατάλληλη για την αναβάθμιση των υφιστάμενων συστημάτων AAO σε ανθρακωρυχεία για τη βελτίωση της σταθερότητας, την αύξηση της χωρητικότητας ή την τήρηση αυστηρότερων προτύπων.
- Κατά την επεξεργασία οικιακών λυμάτων ανθρακωρυχείου, τα απόβλητα μπορούν ταυτόχρονα να πληρούν τα πρότυπα *GB/T 18920-2002* για το πότισμα δρόμου/πρασινάδα και τα πρότυπα GB 50359-2016 για το νερό πλύσης άνθρακα, επιδεικνύοντας ισχυρή προσαρμοστικότητα στις αλλαγές στην ποιότητα και την ποσότητα του νερού.
- Η διαδικασία παράγει σταθερή λάσπη με καλή καθίζηση και εύκολο διαχωρισμό, παράγει λιγότερη λάσπη και μειώνει το κόστος επεξεργασίας της λάσπης.