Εφαρμογή της διαδικασίας BIOLAK στην αναβάθμιση μιας μονάδας επεξεργασίας λυμάτων σε οιονεί πρότυπα-Κλάσης IV
Η διαδικασία BIOLAK, η οποία εισήχθη στην Κίνα στις αρχές του 21ου αιώνα, απέκτησε ευρεία εφαρμογή στην επεξεργασία αστικών λυμάτων λόγω της απλής δομής και του χαμηλού επενδυτικού της κόστους. Τα τελευταία χρόνια, με την αυστηροποίηση των προτύπων απόρριψης και την αύξηση της αυτοματοποίησης, οι περισσότερες υπάρχουσες μονάδες της BIOLAK αντιμετωπίζουν αναβαθμίσεις. Βελτιώσεις όπως η προσθήκη αιωρούμενων φορέων, η μετασκευή δεξαμενών και ο επαναπροσδιορισμός των λειτουργικών ζωνών εφαρμόζονται για τη βελτίωση της απομάκρυνσης αζώτου και φωσφόρου. Ενώ οι νεόδμητες μονάδες υιοθετούν κυρίως διεργασίες A²/O και οξείδωσης, υπάρχουν λίγες αναφορές για την πραγματική απόδοση του BIOLAK, ειδικά υπό αυστηρά πρότυπα εκπομπών. Η διαδικασία BIOLAK χρησιμοποιεί αιωρούμενες αλυσίδες αερισμού για τη δημιουργία χρονικών ανοξικών και αερόβιων ζωνών, λειτουργώντας ουσιαστικά ως μια διαδικασία πολλαπλών- σταδίων A/O. Μέσω της λειτουργικής βελτιστοποίησης, η ποιότητα των λυμάτων μπορεί να ανταποκρίνεται σταθερά στο σχεδόν-πρότυπο επιφανειακών υδάτων κατηγορίας IV.
1 Ιστορικό έργου
Μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στην επαρχία Hebei χρησιμοποιεί τη διαδικασία BIOLAK ως βασική τεχνολογία της. Η εισροή κυμαίνεται από 18.000 έως 22.000 m³/ημέρα, κατά μέσο όρο 19.000 m³/d, επεξεργάζοντας κυρίως αστικά οικιακά λύματα και μικρή ποσότητα λυμάτων γεωργικής επεξεργασίας. Οι σχεδιασμένες ποιότητες εισροής και εκροής φαίνονται στοΠίνακας 1. Το αρχικό πρότυπο απόρριψης ήταν το πρότυπο Βαθμού Α του *"Πρότυπο απόρριψης ρύπων για εγκαταστάσεις επεξεργασίας αστικών λυμάτων" (GB 18918-2002)*. Μετά από μια αναβάθμιση που περιελάμβανε διαχωρισμό μιας αναερόβιας ζώνης για την ενίσχυση της απονιτροποίησης και της αποφωσφοροποίησης, το εργοστάσιο συμμορφώνεται πλέον με τα βασικά όρια περιοχής ελέγχου των *"Water Pollutant Discharge Standards for the Daqing River Basin" (DB13/2795-2018)*. Εκτός από το ολικό άζωτο, όλοι οι άλλοι δείκτες πληρούν τα πρότυπα Τάξης IV που καθορίζονται στα *"Προτύπων Περιβαλλοντικής Ποιότητας για Επιφανειακά Νερά" (GB 3838-2002)*. Η ροή της διαδικασίας φαίνεται στοΕικόνα 1.
Το φυτό χρησιμοποιεί υποχλωριώδες νάτριο για απολύμανση. Η λάσπη αφυδατώνεται με διήθηση σε πλάκα και πλαίσιο υψηλής
Η συμβολή κάθε μονάδας επεξεργασίας στην απομάκρυνση των ρύπων υπολογίστηκε με βάση το ισοζύγιο μάζας, με συγκεκριμένες μεθόδους που αναφέρονται από τη βιβλιογραφία.
2 Μέτρα βελτιστοποίησης λειτουργικού ελέγχου
Κατά τη λειτουργία εφαρμόστηκαν πολλαπλά μέτρα βελτιστοποίησης για τη βελτίωση της σταθερότητας των εκροών και την επίτευξη εξοικονόμησης ενέργειας και κόστους.
2.1 Ενισχυμένος έλεγχος διαλυμένου οξυγόνου (DO).
Τα υπάρχοντα έργα μετασκευής BIOLAK συχνά επισημαίνουν την αδύναμη χωροθέτησή του ως μια παραλλαγή A/O πολλαπλών- σταδίων, που οδηγεί σε χαμηλή απόδοση απονιτροποίησης. Σε αυτό το έργο, ενώ διασφαλίζεται η συμμόρφωση με το άζωτο αμμωνίας εκροής, η μέγιστη DO στο τέλος της ζώνης αερισμού διατηρήθηκε στα 0,5–1,0 mg/L, χαμηλότερη από τις συμβατικές απαιτήσεις ελέγχου DO.
2.2 Αυξημένη παρακολούθηση δεδομένων διαδικασίας
Για να καθοδηγηθεί ο έλεγχος DO και η δοσολογία της εξωτερικής πηγής άνθρακα, το νιτρικό άζωτο και το άζωτο αμμωνίας παρακολουθήθηκαν στο τέλος της αναερόβιας ζώνης και της δεξαμενής BIOLAK για να καθοριστούν οι βέλτιστες περιοχές ελέγχου. Κατά τη λειτουργία, η δοσολογία εξωτερικής πηγής άνθρακα μειώθηκε ή σταμάτησε όταν το νιτρικό άζωτο στο τέλος της αναερόβιας ζώνης ήταν<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 Ρύθμιση στόχων εσωτερικού ελέγχου εκροών
Για να διασφαλιστεί η σταθερή συμμόρφωση, οι στόχοι εσωτερικού ελέγχου τέθηκαν στο 30%-80% των ορίων απόρριψης, με βάση τη δυσκολία ελέγχου κάθε ρύπου. Η υπέρβαση αυτών των εσωτερικών ορίων πυροδότησε άμεσες προσαρμογές παραμέτρων διεργασίας για να επαναφέρει τις συγκεντρώσεις των λυμάτων σε ένα αποδεκτό εύρος. Οι ετήσιοι στόχοι εσωτερικού ελέγχου για COD, αμμωνιακό άζωτο, ολικό άζωτο και ολικό φώσφορο ήταν 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L και 0,12 mg/L, αντίστοιχα.
2.4 Διατήρηση της κατάλληλης συγκέντρωσης λάσπης
Η σπατάλη λάσπης προσαρμόστηκε με βάση τη ροή, το φορτίο και την εποχή. Ο χρόνος κατακράτησης λάσπης (SRT) διατηρήθηκε στις 15-25 ημέρες και η συγκέντρωση μικτού υγρού σε αιωρούμενα στερεά (MLSS) στα 2.500-4.500 mg/L. Συγκεκριμένα, το MLSS ελεγχόταν στα 2.500–3.500 mg/L το καλοκαίρι και το φθινόπωρο, με φορτίο λάσπης περίπου 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d) και στα 3.500–4.500 mg/L το χειμώνα και την άνοιξη, με φορτίο λάσπης περίπου 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d).
2.5 Προσαρμογή Λειτουργίας Μονάδων Προηγμένης Θεραπείας
Οι χαμηλές θερμοκρασίες το χειμώνα επηρέασαν την κροκίδωση και την καθίζηση. Η μη έγκαιρη πλύση φίλτρων τύπου V-θα μπορούσε να οδηγήσει σε αυξημένα αιωρούμενα στερεά απόβλητα και COD. Επομένως, κατά τη χειμερινή λειτουργία, η συχνότητα της αντίστροφης έκπλυσης αυξήθηκε με βάση την απόδοση της πήξης και η εκκένωση λάσπης από τη δεξαμενή καθίζησης πήξης-εντάθηκε για να μειωθεί η συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών εκροών.
3 Απόδοση θεραπείας
Η ετήσια εισροή COD κυμαινόταν από 109 έως 248 mg/L, κατά μέσο όρο 176 mg/L. Το COD εκροής κυμαινόταν από 9,5 έως 20,1 mg/L, κατά μέσο όρο 12,1 mg/L. Όταν το COD εκροής υπερέβη τον στόχο εσωτερικού ελέγχου (15 mg/L), η συχνότητα οπισθόπλυσης του φίλτρου αυξήθηκε για να μειωθούν τα αιωρούμενα στερεά. Συνιστάται η αναβάθμιση της δεξαμενής καθίζησης πήξης{10}}σε δεξαμενή καθίζησης υψηλής
Το ετήσιο εισερχόμενο άζωτο αμμωνίας κυμαινόταν από 17,8 έως 54,9 mg/L, κατά μέσο όρο 31,9 mg/L. Το άζωτο αμμωνίας εκροής κυμαινόταν από 0,12 έως 1,30 mg/L, κατά μέσο όρο 0,5 mg/L. Όταν ξεπέρασε τον στόχο εσωτερικού ελέγχου, ο αερισμός προσαρμόστηκε σύμφωνα με τα μέτρα βελτιστοποίησης. Η ποιότητα των εκροών πληρούσε σταθερά τα βασικά όρια περιοχής ελέγχου *DB13/2795-2018* καθ' όλη τη διάρκεια του έτους.
Λόγω της χαμηλής συγκέντρωσης εισροής πηγής άνθρακα, η εστίαση ήταν στη βελτιστοποίηση των συνθηκών διεργασίας για την ενίσχυση της απομάκρυνσης αζώτου και φωσφόρου, με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας και κόστους.
3.1 Βελτιστοποίηση ελέγχου DO και ολική αφαίρεση αζώτου
Το ετήσιο εισερχόμενο ολικό άζωτο (TN) κυμαινόταν από 20,3 έως 55,6 mg/L (βλ.Εικόνα 2), κατά μέσο όρο 42,1 mg/L. Η εκροή TN κυμαινόταν από 2,5 έως 14,2 mg/L, κατά μέσο όρο 8,8 mg/L, εντός του στόχου εσωτερικού ελέγχου (12 mg/L). Το μέσο ποσοστό αφαίρεσης ΤΝ ήταν 79,1%. Με αναλογία ανακύκλωσης λάσπης 90% (χωρίς εσωτερική ανακύκλωση μικτού υγρού), η θεωρητική απόδοση απονιτροποίησης ήταν 47,4%, υποδεικνύοντας ότι η απονιτροποίηση συνέβη και σε άλλες ζώνες διεργασίας πέρα από τον αναερόβιο επιλογέα. Οι αλλαγές στο άζωτο κατά μήκος της ακολουθίας επεξεργασίας σε έναν τυπικό κύκλο εμφανίζονται στοΕικόνα 3.
Σε έναν τυπικό κύκλο, το εισερχόμενο TN ήταν 42,0 mg/L, με το άθροισμα της αμμωνίας και του νιτρικού αζώτου να είναι 35,2 mg/L. Μετά τον αναερόβιο επιλογέα, το TN ήταν 16,7 mg/L, με αποτέλεσμα ένα ποσοστό απομάκρυνσης 43,5% μέσω ισοζυγίου μάζας, σύμφωνο με τη θεωρητική τιμή. Η δεξαμενή BIOLAK συνέβαλε σε αφαίρεση 24,0% TN. Η εκροή TN μειώθηκε περαιτέρω στη δεξαμενή δευτερεύουσας καθίζησης, συμβάλλοντας σε μια επιπλέον απομάκρυνση κατά 11,3%, κυρίως λόγω του μεγάλου υδραυλικού χρόνου κατακράτησης (8,6 ώρες) που επιτρέπει την απονιτροποίηση από την ενδογενή πηγή άνθρακα{10}}. Άλλες μονάδες συνεισέφεραν κατά 1,9% στην αφαίρεση. Η ΤΝ τελικής εκροής ήταν 8,1 mg/L, με συνολικό ποσοστό απομάκρυνσης 80,7%.
Η επιχειρησιακή εμπειρία δείχνει ότι ο έλεγχος DO είναι ζωτικής σημασίας για την αφαίρεση TN στη διαδικασία BIOLAK. Σε συμβατικές διεργασίες, το DO συνήθως μετριέται στο τέλος της αερόβιας ζώνης σε μια δομή καναλιού όπου το DO είναι σχετικά ομοιόμορφο σε όλη την-τομή. Ωστόσο, στη δεξαμενή BIOLAK, το άκρο της ζώνης αερισμού είναι σχεδόν 70 μέτρα πλάτος, με το DO να αυξάνεται από την άκρη της κλίσης προς το κέντρο, διαφέροντας κατά 0,5–1,0 mg/L. Επομένως, η θέση των ανιχνευτών DO απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή.
Με τον αυστηρό έλεγχο του μέγιστου DO στο τέλος της ζώνης αερισμού BIOLAK, εξασφαλίστηκε αποτελεσματικά ένα ανοξικό περιβάλλον απαραίτητο για την απονιτροποίηση. Επιτεύχθηκε ταυτόχρονη νιτροποίηση και απονιτροποίηση (SND) χρησιμοποιώντας ενδογενείς πηγές άνθρακα, με αποτέλεσμα την αποτελεσματική απομάκρυνση του TN.
3.2 Ολική αφαίρεση φωσφόρου και λειτουργική βελτιστοποίηση
Ο ετήσιος εισερχόμενος ολικός φώσφορος (TP) κυμαινόταν από 1,47 έως 4,80 mg/L (βλ.Εικόνα 4), κατά μέσο όρο 2,99 mg/L. Η ΤΡ εκροής κυμαινόταν από 0,04 έως 0,17 mg/L. Η δόση του παράγοντα απομάκρυνσης του φωσφόρου προσαρμόστηκε με βάση τον στόχο εσωτερικού ελέγχου (0,12 mg/L). Η μέση συγκέντρωση TP εκροής ήταν 0,07 mg/L, ικανοποιώντας σταθερά το πρότυπο εκκένωσης, με μέσο ποσοστό απομάκρυνσης TP 98,3%.
Οι αλλαγές στα φωσφορικά άλατα κατά μήκος της ακολουθίας θεραπείας σε έναν τυπικό κύκλο παρουσιάζονται στοΕικόνα 5.
Το εισερχόμενο φωσφορικό ήταν 2,70 mg/L και το φωσφορικό ιλύ επιστροφής ήταν 0,58 mg/L, καθιστώντας το θεωρητικό φωσφορικό που εισέρχεται στον αναερόβιο επιλογέα 1,70 mg/L. Μετά από αναερόβια απελευθέρωση φωσφόρου από οργανισμούς που συσσωρεύουν πολυφωσφορικά-(PAOs), η συγκέντρωση φωσφορικού άλατος έφτασε τα 3,2 mg/L. Η αναλογία συγκέντρωσης φωσφορικών (μέγιστη σε αναερόβια ζώνη / εισροή) ήταν 1,9, υποδηλώνοντας σημαντική απελευθέρωση. Ο κύριος λόγος ήταν η αποτελεσματική απονιτροποίηση υπό συνθήκες χαμηλού DO, με αποτέλεσμα χαμηλή συγκέντρωση νιτρικών στην επιστρεφόμενη λάσπη στην αναερόβια ζώνη, διατήρηση ενός καλού αναερόβιου περιβάλλοντος (ORP γενικά κάτω από -200 mV) και προώθηση της απελευθέρωσης φωσφόρου.
Μετά τη ζώνη αερισμού BIOLAK, σημειώθηκε σημαντική πρόσληψη φωσφόρου, μειώνοντας τη συγκέντρωση φωσφόρου στο τέλος σε 0,3 mg/L, επιτυγχάνοντας αποτελεσματικότητα βιολογικής αφαίρεσης φωσφόρου 88,9%. Μετά τις δεξαμενές καθίζησης και σταθεροποίησης, η συγκέντρωση φωσφορικών αλάτων αυξήθηκε στα 0,64 mg/L. Η ανάλυση δείχνει ότι αυτό οφειλόταν στο μεγάλο HRT στη δεξαμενή καθίζησης και στο αυστηρά ελεγχόμενο DO στη δεξαμενή BIOLAK, δημιουργώντας μια αναερόβια κατάσταση στη δεξαμενή καθίζησης και προκαλώντας δευτερογενή απελευθέρωση φωσφόρου. Μετά τη χημική δοσολογία στη μονάδα πήξης, το φωσφορικό απόβλητο μειώθηκε στα 0,06 mg/L. Επομένως, λαμβάνοντας υπόψη το οικονομικό κόστος και τη λειτουργική πολυπλοκότητα, η θυσία ορισμένης βιολογικής αποτελεσματικότητας αφαίρεσης φωσφόρου για την ενίσχυση της απονιτροποίησης είναι μια βιώσιμη στρατηγική βελτιστοποίησης για παρόμοιες εγκαταστάσεις.
4 Λειτουργικό κόστος
Το άμεσο λειτουργικό κόστος περιλαμβάνει ηλεκτρική ενέργεια, χημικά και διάθεση ιλύος. Με βάση τα ετήσια στατιστικά στοιχεία, η ειδική κατανάλωση ενέργειας ήταν 0,66 kWh/m³. Με τιμή ηλεκτρικής ενέργειας 0,65 CNY/kWh (με βάση ένα σύνθετο τιμολόγιο αιχμής/εκτός{4}}αιχμής), το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας ήταν 0,429 CNY/m³. Αυτή η κατανάλωση είναι υψηλότερη σύμφωνα με το «Πρότυπο Αξιολόγησης Λειτουργικής Ποιότητας Εγκαταστάσεων Επεξεργασίας Αστικών Λυμάτων», κυρίως λόγω της ελαφρώς χαμηλότερης απόδοσης χρήσης οξυγόνου του συστήματος αερισμού. Το χημικό κόστος, συμπεριλαμβανομένου του οξικού νατρίου, του παράγοντα αφαίρεσης φωσφόρου, του PAM, του υποχλωριώδους νατρίου και των χημικών ουσιών αφυδάτωσης, ανήλθε συνολικά σε 0,151 CNY/m³. Η συγκεκριμένη χρήση και το κόστος εμφανίζονται στοΠίνακας 2.
Η ιλύς προέρχεται κυρίως από βιολογικές και χημικές πηγές (δεξαμενή πήξης). Το φιλτράρισμα πλάκας και πλαισίου υψηλής-πίεσης χρησιμοποιείται με ασβέστη και χλωριούχο σίδηρο ως μαλακτικά. Η δοσολογία του ασβέστη είναι περίπου το 25% του βάρους της ξηρής λάσπης. Το αφυδατωμένο κέικ έχει περιεκτικότητα σε υγρασία 60%. Η ημερήσια παραγωγή αφυδατωμένης ιλύος είναι περίπου 9 τόνοι, με ειδική απόδοση ξηρής ιλύος περίπου 0,15%. Η μεταφορά της λάσπης κοστίζει 250 CNY/τόνο, με αποτέλεσμα το κόστος διάθεσης της λάσπης να είναι περίπου 0,118 CNY/m³. Επομένως, το συνολικό άμεσο κόστος παραγωγής είναι 0,698 CNY/m³.
5 Συμπεράσματα
① Μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων στην επαρχία Hebei, που χρησιμοποιεί τη διαδικασία BIOLAK για την επεξεργασία αστικών λυμάτων, λειτούργησε συνεχώς για ένα χρόνο με ποιότητα αποβλήτων που ανταποκρίνεται σταθερά στα βασικά όρια περιοχής ελέγχου του *DB13/2795-2018* (Πρότυπο Quasi-Class IV επιφανειακών υδάτων).
② Ως παραλλαγή της διαδικασίας A/O πολλαπλών- σταδίων, ο έλεγχος του μέγιστου DO στο τέλος της ζώνης αερισμού BIOLAK στα 0,5–1,0 mg/L οδήγησε σε ποσοστό αφαίρεσης TN 24,0% στη ζώνη BIOLAK και 11,3% στη δεξαμενή καθίζησης. Αυτό πέτυχε ταυτόχρονη νιτροποίηση-απονιτροποίηση και απονιτροποίηση ενδογενούς πηγής άνθρακα, επιδεικνύοντας σημαντική ικανότητα αφαίρεσης αζώτου.
③ Το άμεσο λειτουργικό κόστος για τη διαδικασία BIOLAK ήταν 0,698 CNY/m³. Τα μέτρα λειτουργικής βελτιστοποίησης, συμπεριλαμβανομένης της παρακολούθησης δεδομένων διεργασίας και του καθορισμού εύλογων στόχων εσωτερικού ελέγχου, μπορούν να παρέχουν αναφορές για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας και την επίτευξη εξοικονόμησης ενέργειας/κόστους σε παρόμοιες εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων.