Actualització del disseny i la pràctica de la planta de purificació de la qualitat de l'aigua de Xin'an Qianhe basada en el procés AAOAO-MBBR i l'oxidació de l'ozó
Qingdao, com a ciutat central costanera nacional clau, ha aconseguit resultats significatius en la governança ecològica. Tanmateix, en comparació amb les-metròpolis internacionals de primer nivell, el seu sistema de gestió del medi ambient aquàtic urbà encara s'enfronta a reptes estructurals.
Actualment, hi ha llacunes entre la taxa de cobertura de la xarxa de canonades de drenatge, l'eficiència operativa de les instal·lacions de tractament d'aigües residuals i les expectatives del públic per a un entorn d'aigua d'alta-qualitat. També hi ha una distància per fer realitat la visió ecològica de construir un "Qingdao bonic".
Per fer front a aquests reptes, Qingdao necessita urgentment implementar mesures sistemàtiques com ara la planificació científica, l'assignació optimitzada de recursos i la inversió en infraestructura reforçada. Aquests esforços tenen com a objectiu millorar de manera integral l'eficiència de la xarxa de recollida d'aigües residuals i la capacitat de tractament terminal, consolidant així les bases ecològiques per al desenvolupament sostenible de la ciutat.
El projecte de la planta de purificació de la qualitat de l'aigua de Xin'an Qianhe es troba a la nova zona de la costa oest de Qingdao. Té una capacitat de tractament dissenyada de 50.000 m³/d, una superfície total del lloc de 33.154 m² i una inversió total de 182,4 milions de iuans. L'informe de l'estudi de viabilitat del projecte es va completar el març de 2021, l'avantprojecte i el pressupost es van aprovar el juny del mateix any i la construcció va començar oficialment l'abril de 2023. Actualment es troba en fase de construcció. El disseny original requeria que els paràmetres clau dels efluents complissin els estàndards de classe V especificats a GB 3838-2002 "Normes de qualitat ambiental per a aigües superficials", mentre que el nitrogen total (TN) i altres indicadors havien de complir els estàndards de grau A de GB 18918-2002 "Norma d'abocament de contaminants per a plantes de tractament d'aigües residuals municipals".
El març de 2022, l'Administració d'Afers d'Aigua de Qingdao va emetre l'"Avís sobre la realització de treballs de millora i renovació de les plantes de tractament d'aigües residuals urbanes a Qingdao". Aquest avís requeria plantes de tractament al voltant de la badia de Jiaozhou, la badia de Bohai i al llarg dels rius per completar les actualitzacions, augmentant l'estàndard de descàrrega a una qualitat d'aigua superficial quasi-classe IV, amb un TN efluent controlat entre 10 i 12 mg/L. La publicació d'aquesta política es va situar en l'interval entre l'aprovació del disseny preliminar del projecte (juny de 2021) i el seu inici físic (abril de 2023), creant una bretxa tècnica entre els estàndards de disseny originals ja aprovats i els darrers requisits ambientals. Com a nova instal·lació de tractament d'aigües residuals a la nova zona de la costa oest, per garantir el compliment un cop finalitzada, es va fer imprescindible dur a terme l'optimització del procés simultàniament durant la fase de construcció i desenvolupar un pla de millora econòmicament viable mitjançant estudis de viabilitat.
1. Disseny i selecció d'esquemes de processos
1.1 Qualitat dels efluents dissenyats
Els estàndards d'efluents del projecte es van actualitzar de la qualitat de les aigües superficials de quasi-classe V a quasi-classe IV. Es necessitaven solucions tècniques raonables per reduir encara més els valors d'indicadors com ara DBO, DQOCr,TN, NH₃-N i TP a l'efluent. L'anàlisi específica es mostra aTaula 1.
1.2 Selecció de l'Esquema Tècnic d'Enginyeria
A continuació es mostra el flux de procés de la planta en construccióFigura 1.
La planta en construcció adopta el procés "Pretractament + Dipòsit bioquímic AAOAO modificat + Dipòsit de sedimentació secundari + Dipòsit de sedimentació d'alta eficiència - + Filtre tipus V- + Oxidació d'ozó". El traçat de les estructures és compacte, no deixant terrenys sobrants per al projecte de millora, que per tant s'ha de basar en la construcció en curs. L'actualització té com a objectiu principal l'eliminació de contaminants com el DQOCr, NH₃-N, TN i TP. Es van proposar dos esquemes comparatius, tal com es detalla aTaula 2.
Esquema 1: AAOAO-MBBR + procés de tancs de sedimentació d'alta-eficiència
- Modificació del sistema bioquímic: Optimitzar l'estructura del dipòsit bioquímic AAOAO en construcció. Millorar la capacitat de desnitrificació ampliant el volum de la zona anòxica. Simultàniament, afegiu portadors MBBR localment a la zona aeròbica per formar un procés compost, reforçant l'eficiència d'eliminació bioquímica de NH₃-N i TN.
- Actualització del sistema fisicoquímic: optimitzeu l'estructura del dipòsit i els paràmetres de l'equip de suport del tanc de sedimentació d'alta{0}}eficiència per garantir un compliment estable de TP.
- Millora del tractament avançat: Augmenteu la dosi a la unitat d'oxidació d'ozó per degradar encara més la matèria orgànica refractària, assegurant el DQOCrcompliment de l'alta.
Esquema 2: tanc de sedimentació d'alta eficiència - + procés de filtre de llit profund desnitrificant
- Optimització del mode d'operació: Mantenir l'estructura original del dipòsit bioquímic AAOAO. Afegiu dispositius d'aireació ajustables a la zona post-anòxica per canviar dinàmicament entre els modes anòxic/aeròbic en funció de la qualitat de l'influent, garantint l'eficàcia del tractament amb NH₃-N.
- Actualització del sistema fisicoquímic: optimitzeu l'estructura del dipòsit i els paràmetres de l'equip de suport del tanc de sedimentació d'alta{0}}eficiència per garantir un compliment estable de TP.
- Adopció del filtre desnitrificant: Converteix el filtre de tipus V-en un filtre de llit profund desnitrificant, utilitzant la dosificació de font de carboni per millorar la capacitat d'eliminació de TN.
- Millora del tractament avançat: Augmenteu la dosi a la unitat d'oxidació d'ozó per degradar encara més la matèria orgànica refractària, assegurant el DQOCrcompliment de l'alta.
Tots dos esquemes poden complir els requisits d'eliminació de nitrogen i fòsfor. L'esquema 1 utilitza modificacions al dipòsit bioquímic per aconseguir l'eliminació de TN. El seu avantatge rau en fer un ús total de la font de carboni influent. Quan el TN influent fluctua, també es pot afegir una font externa de carboni a la zona anòxica per eliminar el TN. En comparació, el filtre de llit profund desnitrificant utilitzat a l'Esquema 2 requereix l'ús d'una font externa de carboni i requereix un manteniment a llarg termini de l'activitat microbiana al filtre, augmentant els costos operatius. Tot i que els costos d'inversió en construcció d'ambdós esquemes són comparables, basant-se en consideracions multidimensionals, com ara el control dels costos operatius, l'estabilitat del procés i l'eficiència en l'ús de la font de carboni, l'Esquema 1-que ofereix tant eficiència econòmica com flexibilitat operativa- es va seleccionar finalment com a procés d'implementació del projecte d'actualització.
2. Punts clau del disseny d'enginyeria
2.1 Modificació del sistema bioquímic
La tecnologia bàsica del procés MBBR rau a aconseguir un moviment fluiditzat eficient de transportadors suspesos mitjançant el disseny, millorant així significativament l'eficiència de biodegradació del sistema per als contaminants. Aquest sistema de procés consta de cinc elements clau: portadors de biofilm d'alta-resistencia mecànica-, una estructura hidràulica adaptada del dipòsit, un sistema d'aireació direccional, un dispositiu de pantalla d'intercepció precís i equip de propulsió de fluids. Basant-se en els volums de tancs ajustats i els paràmetres de disseny d'un projecte de lloguer d'equips de tractament d'aigües residuals (MBBR) operatiu de 20.000 m³/d dins del sistema de clavegueram regional, la superfície efectiva total necessària calculada dels transportadors suspesos és d'aproximadament 2.164.000 m². La superfície específica efectiva dissenyada dels portadors MBBR és superior a 750 m²/m³. Es mostra la taula de càlcul del disseny per al volum del tanc AAOAO-MBBR modificatTaula 3.
2.2 Actualització del sistema fisicoquímic
El tanc de sedimentació d'alta{0}}eficiència està dissenyat per funcionar en dos grups paral·lels. La renovació d'aquesta unitat adopta un formulari de paquet de procés, amb el proveïdor d'equips proporcionant garanties tècniques de procés complets i compromisos de rendiment. Els paràmetres bàsics del procés i les configuracions de l'equip són els següents.
El dipòsit de coagulació consta de dos grups amb un total de 4 compartiments. La mida dissenyada del compartiment únic és de 2,675 m × 2,725 m × 5,9 m. El temps màxim de detenció és d'aproximadament 3,8 minuts, amb un gradient de velocitat (G) superior o igual a 250 s-¹. Cada agitador està configurat amb una potència-unitaria de 4 kW.
El dipòsit de floculació consta de dos grups amb un total de 2 compartiments. La mida dissenyada del compartiment únic és de 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. El temps màxim de detenció és d'aproximadament 8,3 minuts. El diàmetre interior del tub d'aire és de 2.575 mm. Està configurat amb agitadors tipus turbina-Φ2.500 mm, cadascun amb una potència de 7,5 kW.
El dipòsit de sedimentació consta de dos grups. L'àrea del tub inclinat per a un sol grup és d'aproximadament 84 m². El diàmetre del dipòsit de sedimentació és d'11,7 m. La taxa de càrrega hidràulica mitjana dissenyada a la superfície del tub inclinat és de 12,4 m³/(m²·h), amb un valor màxim de 16,1 m³/(m²·h). La taxa de càrrega hidràulica mitjana dissenyada per a la zona de sedimentació és de 7,6 m³/(m²·h), amb un valor màxim de 9,9 m³/(m²·h).
El sistema de dosificació química es configura de la següent manera: El líquid comercial de clorur de polialumini (PAC) (10% Al₂O₃) està dissenyat com a coagulant, dosificat en múltiples punts de la secció d'afluència del dipòsit de coagulació. La dosi màxima dissenyada és de 300 mg/L, amb una dosi mitjana de 150-200 mg/L. S'utilitzen bombes dosificadores de diafragma mecàniques, configurades amb un sistema de dilució en línia de 10-folds. La poliacrilamida aniònica (PAM) està dissenyada com a floculant, dosificada a la secció de floculació del tanc de sedimentació d'alta-eficiència. S'utilitza un conjunt d'unitats de preparació i dosificació contínua de solucions PAM totalment automàtics, amb una concentració de solució de 2 g/L. La dosi màxima dissenyada és de 0,6 mg/L, amb una dosi mitjana de 0,3 mg/L. Les bombes dosificadores són bombes dosificadores de tipus cargol, també equipades amb un sistema de dilució en línia de 10 vegades.
2.3 Verificació de l'experiment d'oxidació d'ozó a escala pilot-
Per verificar la viabilitat que l'efluent de la planta millorada compleixi de manera estable els estàndards d'aigua superficial de classe IV (concentració de COD inferior o igual a 30 mg/L), aquest estudi va seleccionar l'efluent secundari de la primera i segona fase de la planta de purificació de la qualitat de l'aigua de Lianwanhe com a objecte d'investigació el juny de 2024. L'experiment pretenia avaluar l'aplicabilitat d'aquest procés al disseny del projecte de Xin'an i la assolibilitat de l'objectiu.
Aquest experiment va utilitzar la unitat de filtració de sorra -a petita escala existent (capacitat de tractament 1,5 m³/h) a la planta de Lianwanhe. Es va instal·lar un dispositiu de reacció d'oxidació de l'ozó a escala-pilota (reactor de torre, volum efectiu 0,5 m³) al lloc-. L'efluent existent del dipòsit de sedimentació secundària es va filtrar pel petit filtre de sorra, després es va aixecar amb una bomba per entrar a la torre d'oxidació de l'ozó des de la part superior. L'efecte oxidant de l'ozó es va utilitzar per eliminar la matèria orgànica refractària de l'afluent, aconseguint una major reducció de DQO.
2.3.1 Rendiment de "Filtració de sorra + oxidació de l'ozó" a una dosi d'ozó de 20 mg/L i HRT de 30 min
Durant aquesta fase d'investigació, la concentració de DQO influent va oscil·lar entre 38,2 i 43,4 mg/L, amb una mitjana de 40,4 mg/L. Després del tractament mitjançant el procés "Filtració de sorra + oxidació de l'ozó", el DQO final de l'efluent va ser de 28,8 mg/L de mitjana. L'experiment va trobar que quan la concentració de DQO era alta, encara hi havia casos en què el DQO de l'efluent no complia l'estàndard. A més, el color final de l'efluent de la prova pilot es va mantenir més alt que l'afluent, no complint l'estàndard de descàrrega. Els detalls es mostren aFigura 2 (a).
2.3.2 Rendiment de "Filtració de sorra + Oxidació d'ozó" a una dosi d'ozó de 25 mg/L i HRT de 30 min
Per millorar encara més l'eliminació de COD i reduir el color de l'efluent, aquesta fase va continuar augmentant la dosi d'ozó mentre es mantenia la TRH a 30 min. En aquesta fase experimental, la concentració de DQO influent va oscil·lar entre 36,3 i 46,2 mg/L, amb una mitjana de 40,4 mg/L. Després del tractament, la concentració de DQO es va reduir a 28 mg/L. El color final de l'efluent de la prova pilot encara es va mantenir més alt que l'afluent, no complint l'estàndard de descàrrega. Els detalls es mostren aFigura 2(b).
2.3.3 Rendiment de "Filtració de sorra + Oxidació d'ozó" a una dosi d'ozó de 30 mg/L i HRT de 30 min
Sota les condicions d'una dosi d'ozó de 30 mg/L i una HRT de 30 min, el procés "Filtració de sorra + oxidació de l'ozó" va mostrar una bona eficàcia del tractament per al DQO de l'efluent secundari. En aquesta fase de prova, la concentració de DQO influent va oscil·lar entre 38,2 i 42,2 mg/L, amb una mitjana de 40,2 mg/L. Després del tractament, la concentració de DQO de l'efluent es va mantenir estable per sota dels 30 mg/L, amb una mitjana de 26 mg/L. En aquesta fase, el procés també va demostrar una bona eficàcia en l'eliminació del color, amb un color mesurat constantment per sota de 20, complint de manera estable l'estàndard de descàrrega. Els detalls es mostren aFigura 2(c).
2.3.4 Conclusió experimental
A partir dels resultats experimentals, en condicions de reacció òptimes, la proporció de la dosi d'ozó (30 mg/L) a l'eliminació de DQO (12,2 mg/L) a la unitat de tractament d'ozó va ser de 2,45:1,00.
L'experiment pilot va demostrar que el procés de tractament avançat "Filtració de sorra + oxidació d'ozó" pot reduir eficaçment el valor de DQO de l'efluent secundari representatiu de la planta de Lianwanhe. Per tant, adoptar el procés "Filtració de sorra + oxidació de l'ozó" com a procés de tractament avançat per al projecte Xin'an Qianhe té una bona viabilitat i pot garantir que el DQO de l'efluent del projecte es mantingui estable per sota dels 30 mg/L.
3. Conclusió
Aquesta investigació se centra en tres mòduls bàsics de modificació: el sistema de tractament bioquímic adopta el procés híbrid AAOAO-MBBR (creixement suspès i adjunt); la unitat de tractament fisicoquímic optimitza l'estructura del dipòsit i la selecció d'equips per al tanc de sedimentació d'alta-eficiència; i l'enllaç de tractament avançat es valida mitjançant un experiment d'oxidació d'ozó a escala pilot-.
Mitjançant l'optimització sinèrgica d'aquesta cadena de procés, es construeix un-sistema de tractament de processos complet de "Millora bioquímica - Millora fisicoquímica - Salvaguarda avançada". Simultàniament, aquest disseny d'enginyeria segueix el fet objectiu de la construcció actual del projecte en curs, que requereix una optimització coordinada de les seqüències de construcció de totes les estructures per maximitzar l'ús de les instal·lacions existents i minimitzar la càrrega de treball de renovació.
El projecte utilitza l'estàndard de qualitat dels efluents de la planta en construcció com a referència per a la qualitat de l'afluent de disseny. Les concentracions de descàrrega de CODCr, BOD₅, NH₃-N i TP han de complir els estàndards de classe IV (TN inferior o igual a 10/12 mg/L) especificats a GB 3838-2002 "Normes de qualitat ambiental per a aigües superficials". Altres indicadors han de complir amb les normes de grau A de GB 18918-2002 "Norma d'abocament de contaminants per a estacions de tractament d'aigües residuals municipals". Aquest projecte de millora té una escala de disseny de 50.000 m³/d, una inversió total de 27,507 milions de iuans, un cost operatiu de 0,3 iuans/m³, un cost total de 0,39 iuans/m³ i un preu de l'aigua d'explotació de 0,45 iuans/m³.