Επίδραση λειτουργίας του έργου αναβάθμισης της μονάδας επεξεργασίας λυμάτων στο Tianjin
Μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στο Τιαντζίν υποβλήθηκε σε έργο αναβάθμισης και ανακαίνισης υιοθετώντας τη διαδικασία Τροποποιημένου Bardenpho-MBBR, αυξάνοντας την ποιότητα των λυμάτων από το πρότυπο Βαθμού Α που καθορίζεται στο "Πρότυπο Απόρριψης Ρύπων για Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Αστικών Λυμάτων" (GB 1802B) του τοπικού προτύπου Tijin 18028-20 12/599-2015. Η διαδικασία Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) περιλαμβάνει την προσθήκη MBBR αιωρούμενων φορέων στον αντιδραστήρα, παρέχοντας θέσεις για μικροβιακή προσκόλληση και σχηματισμό προσκολλημένων βιοφίλμ, αυξάνοντας έτσι την αποτελεσματική βιομάζα στο σύστημα και επιτυγχάνοντας την απομάκρυνση των ρύπων. Η διαδικασία MBBR προσφέρει πλεονεκτήματα όπως υψηλή φόρτιση επεξεργασίας, ισχυρή αντίσταση σε φορτία κραδασμών, σταθερή απόδοση επεξεργασίας, απλή λειτουργική διαχείριση και ευέλικτη λειτουργία της διαδικασίας. Ένας αυξανόμενος αριθμός WWTP στην Κίνα υιοθετεί τη διαδικασία MBBR για ανακαίνιση. Αυτό το έγγραφο αναλύει τις λειτουργικές επιδόσεις ενός ΤΥΤ Tianjin μετά την αναβάθμισή του, με στόχο να παρέχει μια αναφορά για παρόμοια έργα αναβάθμισης.
1. Τρέχουσα βιολογική διαδικασία αφαίρεσης αζώτου και φωσφόρου
Η αρχική βιολογική δεξαμενή χρησιμοποιούσε μια διαδικασία A²/O με ικανότητα επεξεργασίας 12.500 t/d. Η συνολική ηλικία σχεδιασμού ιλύος ήταν 14 ημέρες, η συγκέντρωση μικτού υγρού σε αιωρούμενα στερεά (MLSS) ήταν 3.500 mg/L, η θερμοκρασία του νερού σχεδιασμού ήταν 10 βαθμοί, η απόδοση λάσπης ήταν 0,936 kgSS/kgBOD και η φόρτωση ιλύος ήταν 0,082 kgBOD/kgMLSS. Το πραγματικό βάθος νερού της βιολογικής δεξαμενής ήταν 6 m, με συνολικό όγκο δεξαμενής 9.052,2 m³ και συνολικό υδραυλικό χρόνο συγκράτησης (HRT) 17,4 ώρες. Η κατανομή HRT ήταν: ζώνη επιλογής 0,58 h, αναερόβια ζώνη 1,38 h, ανοξική ζώνη 2,85 h, ζώνη αιώρησης 0,92 h και αερόβια ζώνη 11,67 h. Η ανακύκλωση λάσπης ήταν 100%, και η εσωτερική ανακύκλωση μικτού υγρού ήταν 300%. Η αρχική βιολογική δεξαμενή αποτελούνταν κυρίως από αναερόβια-ανοξικά-αερόβια τμήματα. Οι παράμετροι λειτουργίας θα μπορούσαν να προσαρμοστούν με βάση τις συνθήκες εισροής και τις απαιτήσεις εκροής για την επίτευξη απομάκρυνσης αζώτου και φωσφόρου, με την ποιότητα των λυμάτων να πληροί το πρότυπο Grade A του GB 18918-2002.
2. Επισκόπηση του Έργου Αναβάθμισης και Ανακαίνισης
Αυτή η αναβάθμιση είχε στόχο να βελτιώσει την ποιότητα των λυμάτων ώστε να πληροί το πρότυπο Κλάσης Α του τοπικού προτύπου Tianjin "Πρότυπο απόρριψης ρύπων για εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων" (ΣΠ 12/599-2015). Η σχεδιασμένη ποιότητα εισροής και εκροής παρουσιάζονται στοΠίνακας 1. Σύμφωνα με τις σχεδιαστικές τιμές TN εισροής και εκροής, η επίτευξη TN εκροής κάτω από 10 mg/L απαιτεί ποσοστό απονιτροποίησης 75,6% στο σύστημα βιολογικής δεξαμενής. Η αρχική βιολογική δεξαμενή χρησιμοποιούσε διαμόρφωση A²/O. Οι υπολογισμοί που βασίστηκαν στην αρχική διαμόρφωση της δεξαμενής έδειξαν ότι η εσωτερική αναλογία ανακύκλωσης θα πρέπει να αυξηθεί από το αρχικό 200% σε 310%, μαζί με την προσθήκη μεγάλης ποσότητας εξωτερικής πηγής άνθρακα. Αυτό όχι μόνο θα αυξήσει το λειτουργικό κόστος αλλά επίσης, ο μεγάλος όγκος της εσωτερικής ροής ανακύκλωσης θα μπορούσε να διαταράξει το ανοξικό περιβάλλον. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει στο ότι η πραγματική HRT στην ανοξική ζώνη είναι μικρότερη από την ελάχιστη απαίτηση, επηρεάζοντας την αποτελεσματικότητα της απονιτροποίησης. Η διαδικασία MBBR ενισχύει την ικανότητα απονιτροποίησης του συστήματος και βελτιώνει την ποιότητα των λυμάτων προσθέτοντας αιωρούμενους φορείς για την αύξηση της συγκέντρωσης βιομάζας μέσα στη δεξαμενή, καλύπτοντας έτσι τις απαιτήσεις αναβάθμισης.
Χωρίς αλλαγή του υπάρχοντος όγκου της βιολογικής δεξαμενής, αναδιαμορφώθηκαν οι εσωτερικές λειτουργικές ζώνες της βιολογικής δεξαμενής. Η αρχική διαμόρφωση A²/O (αναερόβια-ανοξική-αερόβια) τροποποιήθηκε σε διαμόρφωση 6- σταδίων Bardenpho: αναερόβια ζώνη, ανοξική ζώνη, ζώνη αιώρησης, αερόβια ζώνη, μετά-ανοξική ζώνη και μετά-αερόβια ζώνη. Συγκεκριμένα, η αρχική ζώνη επιλογής μετατράπηκε σε αναερόβια ζώνη. Η αρχική αναερόβια ζώνη, η ζώνη αιώρησης (μπροστινό μέρος) και η ανοξική ζώνη χρησιμοποιήθηκαν ως προ{12}}ανοξική ζώνη. Το μπροστινό μισό του πρώτου διαδρόμου στην αρχική αερόβια ζώνη προσαρμόστηκε σε ζώνη αιώρησης. Οι αρχικοί πρώτοι, δεύτεροι και τρίτοι αερόβιοι διάδρομοι μετατράπηκαν στη ζώνη MBBR, όπου προστέθηκαν αναρτημένοι φορείς, μαζί με συστήματα ελέγχου εισόδου/εξόδου και ένα βοηθητικό σύστημα αερισμού πυθμένα. Ο τέταρτος αερόβιος διάδρομος μετατράπηκε σε ανοξική ζώνη. Η αρχική ζώνη αιώρησης χωρίστηκε λειτουργικά και προσαρμόστηκε σε ανοξικές και μετα-αερόβιες ζώνες. Οι παράμετροι της ανακαινισμένης βιολογικής δεξαμενής φαίνονται στοΠίνακας 2.
Όσον αφορά τη λειτουργία της διεργασίας, το μικτό υγρό από την αερόβια ζώνη ανακυκλώνεται στην ανοξική ζώνη και μια πηγή άνθρακα προστίθεται εντός της ανοξικής ζώνης. Τα απονιτροποιητικά βακτήρια χρησιμοποιούν την πηγή άνθρακα για απονιτροποίηση για να αφαιρέσουν το νιτρικό άζωτο που παράγεται στην αερόβια ζώνη. Το υπολειμματικό νιτρικό άζωτο εισέρχεται στη μετα-ανοξική ζώνη, όπου προστίθεται επιπλέον πηγή άνθρακα για να συνεχιστεί η απονιτροποίηση. Μετά την ανακαίνιση, η συγκέντρωση μικτών αιωρούμενων στερεών (MLSS) είναι 4.000 mg/L, η ανακύκλωση ιλύος είναι 50%–100%, η εσωτερική ανακύκλωση μικτού υγρού είναι 200%–250% και το διαλυμένο οξυγόνο στη ζώνη MBBR είναι 2–5 mg/L. Το διάγραμμα ροής της διαδικασίας μετά την ανακαίνιση εμφανίζεται στοΕικόνα 1.
3. Θέση σε λειτουργία συστήματος μετά από ανακαίνιση βιολογικής δεξαμενής
Αφού ολοκληρώθηκε η ανακαίνιση της βιολογικής δεξαμενής, ξεκίνησε η φάση της θέσης σε λειτουργία. Αφυδατωμένη ιλύς από άλλο WWTP προστέθηκε στη βιολογική δεξαμενή, αυξάνοντας γρήγορα τη συγκέντρωση της ιλύος πάνω από 3.000 mg/L σε σύντομο χρονικό διάστημα. Αυτό μείωσε την περίοδο καλλιέργειας και εγκλιματισμού της λάσπης, επιτρέποντας τη γρήγορη εκκίνηση της βιολογικής δεξαμενής και την αποκατάσταση της ικανότητας αφαίρεσης αζώτου και φωσφόρου. Κατά τη δοκιμαστική περίοδο λειτουργίας, λόγω της σχετικά χαμηλής ροής εισροής και των συγκεντρώσεων ρύπων, το πραγματικό λειτουργικό φορτίο ήταν χαμηλότερο από το φορτίο σχεδιασμού. Η προσέγγιση ήταν πρώτα να καλλιεργηθεί και να εγκλιματιστεί η ενεργοποιημένη ιλύς έως ότου το βιολογικό σύστημα σταθεροποιηθεί και η ποιότητα των αποβλήτων να πληροί τα πρότυπα, στη συνέχεια να προστεθούν φορείς MBBR για σχηματισμό βιοφίλμ.
Αφού προστέθηκαν οι φορείς στο αερόβιο τμήμα της βιολογικής δεξαμενής, πρώτα βυθίστηκαν. Οι μικροοργανισμοί προσκολλήθηκαν σταδιακά στις επιφάνειές τους. Οπτικά, το χρώμα της επιφάνειας του φορέα άλλαξε από λευκό σε ένα αχνό γήινο κίτρινο καθώς προσκολλήθηκαν περισσότεροι μικροοργανισμοί και το βιοφίλμ έγινε πιο πυκνό. Το χρώμα του φορέα βαθμιαία βάθυνε. Δύο μήνες μετά την προσθήκη του φορέα, ο σχηματισμός βιοφίλμ ήταν καλός, με την επιφάνεια του φορέα να εμφανίζεται κιτρινωπό-και το χρώμα να βαθαίνει σταδιακά. Τέσσερις μήνες μετά την προσθήκη του φορέα, το βιοφίλμ στην επιφάνεια του φορέα εμφανίστηκε σκούρο καφέ και ήταν πυκνό. Η εξέλιξη του σχηματισμού βιοφίλμ θα μπορούσε να παρατηρηθεί διαισθητικά με βάση τις αλλαγές στο χρώμα του φορέα, όπως φαίνεται στοΕικόνα 2. Τον Δεκέμβριο του 2021, η μικροσκοπική εξέταση της ενεργοποιημένης ιλύος από τη βιολογική δεξαμενή και της ιλύος από τους φορείς αποκάλυψε συμπαγείς δομές κροκίδωσης με καλές ιδιότητες προσρόφησης και καθίζησης. Οπτικά, οι φορείς έδειξαν εμφανή σχηματισμό βιοφίλμ. Η μικροσκοπική εξέταση εντόπισε οργανισμούς όπως Vorticella, Opercularia και Epistylis, με περιστασιακές παρατηρήσεις μερικών κινητών βλεφαρίδων, που υποδηλώνουν την ολοκλήρωση του σταδίου σχηματισμού βιοφίλμ.
4. Λειτουργική Απόδοση Μετά την Ανακαίνιση Βιολογικής Δεξαμενής
4.1 Απόδοση αφαίρεσης για COD και BOD μετά την ανακαίνιση
Οι τιμές COD και BOD αποβλήτων για το 2022 εμφανίζονται στοΕικόνα 3. Το COD εκροής κυμαινόταν από 10,2 έως 24,9 mg/L, με μέσο όρο 18,0 mg/L. Το BOD εκροής κυμαινόταν από 2,1 έως 4,9 mg/L, με μέσο όρο 3,4 mg/L. Τόσο το COD όσο και το BOD αποβλήτων πληρούσαν σταθερά το τοπικό πρότυπο Τάξης Α της Tianjin. Το ανακαινισμένο σύστημα όχι μόνο επέδειξε καλή απόδοση απομάκρυνσης για COD και BOD αλλά διατήρησε επίσης σταθερά και συμβατά επίπεδα COD και BOD αποβλήτων κατά την περίοδο των πλημμυρών, ακόμη και όταν το πραγματικό εισερχόμενο φορτίο της μονάδας έφτασε το 110% της χωρητικότητας σχεδιασμού. Αυτό υποδηλώνει ότι το σύστημα διαθέτει καλή αντίσταση σε φορτία κραδασμών.
4.2 Απόδοση αφαίρεσης για TN και NH₃-N μετά την ανακαίνιση
Οι τιμές TN και NH3{0}}N των εκροών για το 2022 εμφανίζονται στοΕικόνα 4. Η ΤΝ κυμαινόταν από 3,72 έως 8,74 mg/L, με μέσο όρο 6,43 mg/L. Το NH3-Ν κυμαινόταν από 0,02 έως 1,25 mg/L, με μέσο όρο 0,12 mg/L. Κατά τη χειμερινή λειτουργία, λόγω χαμηλότερων θερμοκρασιών, οι ρυθμοί νιτροποίησης και απονιτροποίησης μειώθηκαν. Στην πράξη, η συγκέντρωση της λάσπης αυξήθηκε σε πάνω από 6.000 mg/L. Η λειτουργία σε υψηλή συγκέντρωση λάσπης είναι ευεργετική για τη βελτίωση της αντίστασης του βιολογικού συστήματος σε φορτία κρούσης, ειδικά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η συνέργεια μεταξύ της υψηλής συγκέντρωσης λάσπης και του βιοφίλμ που είναι προσαρτημένο στους φορείς MBBR ενισχύει το αποτέλεσμα επεξεργασίας του βιολογικού συστήματος.
Οι φορείς MBBR παρέχουν ένα ευνοϊκό περιβάλλον για τις μικροβιακές κοινότητες, υποστηρίζοντας την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή τους. Μετά τον εγκλιματισμό και την ωρίμανση, η ικανότητα νιτροποίησης και απονιτροποίησης του βιοφίλμ ενισχύεται. Οι μικροοργανισμοί προσκολλώνται και αναπτύσσονται σε στρώματα στην επιφάνεια του φορέα, αυξάνοντας την πυκνότητα των ζωογλοιών και σχηματίζοντας μεγάλες, πυκνές και ταχέως σταθερές δομές λάσπης. Όταν αντιμετωπίζουν εξωτερικές αλλαγές στην ποιότητα του νερού, οι μικροοργανισμοί στην επιφάνεια του φορέα εκκρίνουν εξωκυτταρικές πολυμερείς ουσίες (EPS) για αυτοπροστασία-, μειώνοντας έτσι τον αντίκτυπο των ξαφνικών αλλαγών ποιότητας του νερού στους μικροοργανισμούς του εσωτερικού-του στρώματος.
Σε WWTP που χρησιμοποιούν τη διαδικασία MBBR, έχουν παρατηρηθεί φαινόμενα ταυτόχρονης νιτροποίησης και απονιτροποίησης (SND) στην αερόβια ζώνη φορέα. Η δοκιμή των τιμών TN εισροής και εκροής από την αερόβια ζώνη φορέα αποκάλυψε μια διαφορά 2–6 mg/L. Αυτή η διαφορά ήταν πιο έντονη, ειδικά όταν το διαλυμένο οξυγόνο στην αερόβια δεξαμενή ελεγχόταν κάτω από 2 mg/L, υποδεικνύοντας πιο σημαντική SND υπό συνθήκες χαμηλού διαλυμένου οξυγόνου. Η ΤΝ εκροής από τη δεξαμενή δευτερεύουσας καθίζησης έχει ανταποκριθεί πλήρως στα πρότυπα, που σημαίνει ότι η απομάκρυνση της ΤΝ ολοκληρώθηκε στο στάδιο της βιολογικής επεξεργασίας. Στην πραγματική λειτουργία, το φίλτρο βαθιάς κλίνης απονιτροποίησης-λειτουργεί ως διαδικασία προστασίας. Υπό κανονικές συνθήκες, λειτουργεί ως κανονικό φίλτρο για να διασφαλίσει ότι οι δείκτες SS πληρούν τα πρότυπα.
4.3 Απόδοση αφαίρεσης για TP και SS μετά την ανακαίνιση
Οι τιμές TP και SS των αποβλήτων για το 2022 εμφανίζονται στοΕικόνα 5. Το TP εκροής του WWTP κυμαινόταν από 0,04 έως 0,22 mg/L, με μέσο όρο 0,10 mg/L. Η εκροή SS κυμαινόταν από 1 έως 4 mg/L, με μέσο όρο 2,2 mg/L. Μετά την αναβάθμιση, το TP απόβλητο της δεξαμενής καθίζησης ήταν περίπου 1,0 mg/L και το SS περίπου 26 mg/L. Με την προσθήκη χλωριούχου σιδήρου και PAM στη δεξαμενή καθίζησης υψηλής απόδοσης{{12} για την ενίσχυση της πήξης και μέσω περαιτέρω καθαρισμού στο φίλτρο απονιτροποίησης βαθιάς{13}}κλίνης, τα εκροή TP και SS πληρούσαν σταθερά το τοπικό πρότυπο Tianjin Class A και η τιμή χρώματος μειώθηκε σημαντικά.
5. Συμπέρασμα
Για να ανταποκριθεί στο τοπικό πρότυπο Tianjin Class A, η αρχική διεργασία A²/O στο WWTP μετατράπηκε σε διαμόρφωση πέντε{0}} σταδίων Bardenpho, ενσωματώνοντας τη διαδικασία MBBR στο αερόβιο τμήμα για τη βελτίωση της βιολογικής απομάκρυνσης του αζώτου, μειώνοντας τα απόβλητα TN και NH3{{1}N. Κατά τη διάρκεια της περιόδου πλημμύρας με ροή υπερφόρτωσης, όλοι οι δείκτες πληρούσαν σταθερά τα πρότυπα, επιδεικνύοντας καλή αντοχή στην κρούση. Μετά την ανακαίνιση της βιολογικής δεξαμενής, η αναλογία εσωτερικής ανακύκλωσης ήταν 200%–300%, η εξωτερική ανακύκλωση λάσπης ήταν 50%–100%, η συγκέντρωση της λάσπης ήταν 4.000–6.000 mg/L, το διαλυμένο οξυγόνο στην αερόβια ζώνη ελέγχονταν στα 3–5 mg/L και η ζώνη ελέγχου διαλύθηκε σε 0.5 mg/L. mg/L. Το 2022, η ποιότητα των λυμάτων του WWTP ήταν: COD 10,2–24,9 mg/L, κατά μέσο όρο 18,0 mg/L. BOD 2,1–4,9 mg/L, μέσος όρος 3,4 mg/L; NH3-N 0,02-1,25 mg/L, μέσος όρος 0,12 mg/L. TN 3,72–8,74 mg/L, μέσος όρος 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, μέσος όρος 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, κατά μέσο όρο 2,2 mg/L. Όλα πληρούσαν σταθερά το πρότυπο Κλάσης Α του τοπικού προτύπου Tianjin "Πρότυπο απόρριψης ρύπων για εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων" (ΣΠ 12/599-2015).