Aplicació del procés AAO modificat en el tractament d'aigües residuals domèstiques de les mines de carbó
Les aigües residuals domèstiques de les mines de carbó provenen principalment de menjadors del personal, dormitoris, oficines, safareigs i banys, amb desguàs de bany que representen més del 55% del volum total. L'abocament de l'aigua de bany és relativament concentrat, provocant importants fluctuacions de cabal. Caracteritzat per una menor concentració orgànica i una major quantitat de sòlids en suspensió (SS), el drenatge de bany difereix considerablement de les aigües residuals domèstiques típiques. El seu patró de descàrrega esglaonada amb altres corrents d'aigües residuals contribueix a una variabilitat substancial de la qualitat de l'aigua.
La majoria de les mines de carbó a la Xina es troben en zones remotes on els costos de transport de fangs són elevats. Per tant, s'han de seleccionar processos de tractament amb menor rendiment de fangs. A mesura que les mines es desenvolupen i el nombre de personal augmenta, el flux d'aigües residuals sovint supera la capacitat de disseny original, la qual cosa requereix processos amb una forta adaptabilitat als canvis en la qualitat i la quantitat de l'aigua dins de la mateixa petjada. En virtut de polítiques mediambientals cada cop més estrictes que requereixen la reutilització total dels efluents tractats amb abocament zero, els processos han d'oferir una qualitat d'efluent alta i estable.
Actualment, el procés AAO (anaeròbic-anòxic-òxic) és l'opció preferida en el tractament d'aigües residuals municipals. Aquest article analitza l'efectivitat de l'aplicació d'un procés AAO modificat (AAO + Procés de transport suspès) per a les aigües residuals domèstiques de les mines de carbó, a partir de les seves característiques úniques.
1. Procés AAO modificat
El procés AAO és la configuració de flux més senzilla per a l'eliminació simultània de nitrogen i fòsfor. Els bacteris filamentosos no poden proliferar àmpliament en condicions alternades anaeròbiques, anòxiques i aeròbiques, evitant l'acumulació dels fangs. No requereix cap addició química, només una barreja suau en dipòsits anaeròbics i anòxics, el que resulta en costos d'operació baixos. El fang té un alt contingut en fòsfor, el que li dóna un bon valor fertilitzant.
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%, aquest reciclatge intern consumeix energia important. L'efluent que entra al clarificador secundari ha de mantenir un cert nivell d'oxigen dissolt (DO) per evitar condicions anaeròbiques i l'alliberament de fòsfor, però no massa alt per evitar interferir amb la desnitrificació al tanc anòxic mitjançant el licor barrejat reciclat.
El procés AAO modificat (AAO + procés de transportista suspès) mitiga aquests inconvenients de manera efectiva. Augmenta la massa microbiana als dipòsits biològics, millora la càrrega volumètrica, aconsegueix la separació completa del temps de retenció hidràulica (HRT) i el temps de retenció de fangs (SRT), reforça la resistència a les càrregues de xoc hidràuliques i orgàniques, ofereix una bona qualitat de l'efluent fins i tot amb fonts baixes de carboni, produeix llots menys i més estables (reduint els requisits de capacitat de manipulació de llots). L'efluent pot complir els estàndards de qualitat de l'aigua de "The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water" (GB/T 18920-2020) i "Code for Design of Coal Preparation Engineering" (GB 50359-2016) per al rentat de carbó. Hou Feng et al. va aplicar el procés de transport suspès AAO+ en una planta de tractament d'aigües residuals subterrània, aconseguint els estàndards de grau 1A per "Norma d'abocament de contaminants per a plantes de tractament d'aigües residuals municipals" (GB 18918-2002), amb indicadors clau (COD, BOD5, NH3-N, TP) que assoleixen els estàndards de qualitat de l'aigua de la classe IV (GB "Environmental Quality Standards" per " 3838-2002). Hao Ruigang et al. va utilitzar "Oxidació de biocontacte A/O + Floculació de remolí perforat + Sedimentació de tubs inclinats + Filtració activa de sorra" en l'expansió d'una planta d'aigües residuals domèstiques d'una mina de carbó, aconseguint una qualitat de l'efluent millor que el grau 1A. Yan Ziyu et al. també va aconseguir bons resultats utilitzant processos de biofilm per adaptar el tractament d'aigües residuals domèstiques de les mines de carbó existents. El procés AAO modificat permet augmentar la capacitat i millorar la qualitat dels efluents a les plantes existents amb modificacions mínimes.
Aquest procés consisteix a afegir transportadors en suspensió als tancs anòxics i aeròbics, combinant els avantatges dels processos de fangs activats i biofilm. Compta amb una càrrega volumètrica elevada, una gran biomassa, una alta eficiència de tractament, una gran adaptabilitat a 水质和水量的变化, una estabilitat del procés millorada i una bona eliminació de nutrients. Forma biofilms actius altament especialitzats, augmentant l'eficiència per volum de reactor i l'estabilitat, permetent reactors més petits. Els fangs de biofilm que s'escriuen conté més protozous/metazous, tenen una densitat més alta i una mida de partícules més gran, el que resulta en una bona sedimentabilitat i una fàcil separació de sòlids-líquids. Permet la separació completa de l'SRT-HRT, elimina l'aglomeració de fangs i és adequat per a aigües residuals riques en orgànics solubles.
2.1 Cas pràctic
Una mina de carbó a la ciutat de Yan'an, a uns 16 km de la ciutat de Zichang, té una planta de tractament d'aigües residuals domèstiques amb una capacitat de disseny de 1200 m³/d. El procés és: "Pantalla + Tanc d'equalització + AAO amb transportadors suspesos + Tractament avançat (Coagulació-Sedimentació-Filtració) + Desinfecció". Els fangs es tracten mitjançant "Engrossiment per gravetat + Deshidratació de premsa de cargol". L'efluent compleix els límits més estrictes de *GB/T 18920-2020* i GB 50359-2016 per a l'aigua de rentat de carbó. L'aigua tractada es reutilitza per al verd de la mina i com a aigua d'aportació a la planta de preparació de carbó. La qualitat de l'influent/efluent del disseny ésTaula 1. El flux del procés es mostra aFigura 1.
Les aigües residuals passen a través d'una pantalla (espai de 5 mm, angle d'instal·lació de 75 graus) a un dipòsit d'igualització (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, profunditat efectiva 2,95 m, volum 247,8 m³, HRT 4,13 h), que compleix els requisits GB 50810-2012. Dues batedores impedeixen la sedimentació. Tres bombes submergibles (2 serveis +1 en espera, Q=32.5 m³/h, H{=17 m, N=4 kW) aixequen aigua als dipòsits biològics.
El sistema biològic consta de dos trens paral·lels. Per tren:
- Tanc anaeròbic: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, profunditat efectiva 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Tanc anòxic: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, profunditat efectiva 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Tanc aeròbic: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, profunditat efectiva 4,0 m, HRT 10,0 h. La HRT total del sistema és de 15,75 h. En el tanc aeròbic s'instal·len transportadors suspesos (proporció d'ompliment del 80%, superfície específica 600 m²/m³). La relació aire-a-disseny és de 13,7:1. S'utilitzen tres ventiladors Roots (2 servei +1 en espera, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). La proporció de reciclatge de fangs és del 100%, la proporció de reciclatge de licors mixts és del 200%.
Dos clarificadors secundaris perifèrics-d'entrada/sortida rectangulars (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m cadascun) tenen una velocitat de càrrega superficial d'1,2 m³/(m²·h) i HRT de 2,5 h.
Un purificador d'aigua integrat (que combina coagulació, sedimentació i filtració) proporciona un tractament avançat per a una posterior eliminació de SS i fòsfor.
El tractament de fangs inclou un espessiment per gravetat (dipòsit d'acer al carboni Φ2,5 m × 5,0 m) seguit d'una deshidratació amb premsa de cargol. La poliacrilamida (PAM) es dosifica a 3,0-5,0 kg/t de sòlids secs abans de la deshidratació. El pastís de fang deshidratat diari és inferior o igual a 150 kg amb un contingut d'humitat inferior o igual al 80%, transportat fora del lloc-.
La desinfecció utilitza un-generador de ClO2 in situ (dosi efectiva de clor 120 g/h) dosificat a l'entrada del pou clar. El pou clar té un volum efectiu de 250 m³, proporcionant un temps de contacte de 4,2 h.
La planta està equipada amb un extens monitoratge en línia (cabimetres, clor residual, pH, DO, DQO, terbolesa, nivell/concentració de fangs) i sistemes de control automatitzat de bombes, bufadors, rentat a contracor, dosificació química i mescla, que garanteixen un funcionament intel·ligent i sense vigilància.
2.2 Anàlisi de rendiment
La planta va finalitzar la posada en funcionament el 2021 i ha funcionat durant més de dos anys. La qualitat de l'efluent/efluent real de 2024 es mostra aTaula 2.
La relació DBO5/N de l'afluent és de 5,5, cosa que indica una relació baixa de carboni-a{3}}nitrogen (C/N) d'aigües residuals, que disminueix encara més a l'estiu a causa de la infiltració de pluges i els canvis d'hàbits. Les temperatures extremes d'hivern a Yan'an poden arribar als -21 graus. La qualitat real de l'efluent és millor que el disseny, amb taxes d'eliminació que arriben a: COD 97,8%, DBO5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, complint amb els estàndards de rentat de carbó i carbó.
La massa de biofilm actiu als tancs anòxics/aeròbics és tan alta com 125 g/m² de portador, equivalent a MLSS de 13 g/L-quatre vegades la del fang activat convencional. Els microorganismes es troben en la fase de respiració endògena, donant lloc a la producció diària de fangs aproximadament 1/3 dels mètodes convencionals, amb millor sedimentabilitat, permetent equips de tractament de fangs més petits.
Tot i que l'oxidació de bio-contacte pot funcionar sense reciclar els fangs, la investigació de Xiong Ren et al. mostra que els sistemes amb reciclatge aconsegueixen majors taxes d'eliminació de DQO, TN, NH3-N, SS i redueixen el rendiment de llots en un 29,6%. Aquest disseny incorpora el reciclatge de licors mixtes, amb flexibilitat operativa basada en la qualitat de l'efluent.
La planta (1200 m³/d) ocupa 1350,3 m², amb una inversió de capital de 20 milions de CNY i un cost d'explotació d'1,05 CNY/m³.
En comparació amb l'AAO convencional, que requereix un SRT estès per a un funcionament efectiu a baixa-temperatura, aquest procés modificat conserva la simplicitat de l'eliminació simultània de nutrients alhora que enriqueix la comunitat biològica amb portadors. La separació SRT-HRT millora la bio-estabilitat, assegurant un funcionament fiable en condicions de baix C/N i de baixa-temperatura. L'efluent estable es pot mantenir amb poc o cap reciclatge de fangs, la qual cosa permet la reducció de fangs in-in situ i els costos de manipulació de fangs més baixos. La seva senzillesa i la seva manca de volum el fan molt adequat per al tractament d'aigües residuals domèstiques de mines de carbó.
3. Recerca d'optimització per al procés AAO
Els processos AAO modificats solen dissenyar-se segons els paràmetres de la "Norma per al disseny d'enginyeria d'aigües residuals a l'aire lliure" (GB 50014-2021). Tanmateix, cal optimitzar els paràmetres operatius (HRT, SRT, aireació, ràtios de reciclatge, MLSS) específics de les aigües residuals de les mines de carbó per identificar les condicions òptimes per al disseny i l'operació futurs.
A l'AAO convencional, els fangs es reciclen del tanc aeròbic al tanc anaeròbic, transportant nitrats i alt DO, que poden perjudicar l'eliminació biològica de fòsfor. Es pot considerar el procés de la Universitat de Ciutat del Cap (UCT), on els fangs es reciclan al dipòsit anòxic, el licor nitrificat al dipòsit anòxic i s'afegeix un reciclatge addicional del dipòsit anòxic a anaeròbic per millorar l'eliminació de bio-P.
El tractament de fangs pot representar entre el 50 i el 60% del cost operatiu d'una planta. S'han d'adoptar tecnologies de reducció de fangs in-in situ. L'elevat MLSS en els tancs de bio-AAO modificats condueix a una relació F/M elevada, on es pot produir un desacoblament del metabolisme, afavorint la reducció de fangs i reduint els costos de manipulació de fangs. El futur s'hauria de centrar en l'aplicació de tecnologies de reducció in-situ, com ara el creixement críptic mitjançant micro-lisi, procés-de sedimentació-anaeròbica (OSA) òxic i desactivació del metabolisme en el tractament d'aigües residuals de les mines de carbó.
Aquest procés és adequat per adaptar les plantes AAO existents a les mines de carbó. L'addició de portadors als tancs anòxics/aeròbics pot millorar la qualitat dels efluents, augmentar la capacitat i millorar l'estabilitat del sistema. Per a plantes amb requisits d'efluents més estrictes, la substitució del clarificador secundari per un sistema MBR pot millorar encara més la qualitat de l'aigua.
4. Conclusió
- El procés AAO modificat és adequat per actualitzar els sistemes AAO existents a les mines de carbó per millorar l'estabilitat, augmentar la capacitat o complir estàndards més estrictes.
- Quan es tracten les aigües residuals domèstiques de les mines de carbó, l'efluent pot complir simultàniament els estàndards *GB/T 18920-2002* per al reg de carreteres/verd i els estàndards GB 50359-2016 per a l'aigua de rentat de carbó, demostrant una gran adaptabilitat als canvis en la qualitat i la quantitat de l'aigua.
- El procés produeix fangs estables amb bona sedimentabilitat i fàcil separació, genera menys fangs i redueix els costos de tractament de fangs.