Cas pràctic del procés MBBR+ACCA per a la millora i reconstrucció d'una depuradora d'aigües residuals urbanes
En el context de l'economia en auge de la Xina, el ritme d'industrialització i urbanització s'ha accelerat significativament. Aquest procés s'acompanya inevitablement d'un augment-interanual-en l'abocament d'aigües residuals industrials i d'aigües residuals domèstiques, agreujant els problemes de contaminació de l'aigua i afectant la construcció de la civilització ecològica sostenible de la Xina. Amb la implementació integral del Pla d'Acció de Prevenció i Control de la Contaminació de l'Aigua, s'han imposat requisits d'abocament més estrictes a les plantes de tractament d'aigües residuals urbanes de tot el país. Els estàndards locals d'algunes ciutats han arribat a una qualitat de l'aigua quasi-IV i, per als efluents abocats a masses d'aigua sensibles, alguns indicadors individuals s'estan apropant gradualment a l'estàndard de classe III per a les aigües superficials. Tanmateix, els contaminants residuals de les aigües residuals urbanes després del tractament biològic són principalment compostos orgànics no-biodegradables amb una biodegradabilitat pobra. Confiar únicament en les tecnologies tradicionals de millora biològica s'ha tornat insuficient per complir amb els estàndards d'emissions cada cop més estrictes.
El coc activat posseeix un sistema mesoporós molt desenvolupat capaç d'adsorbir contaminants macromoleculars a l'aigua. Amb una alta resistència mecànica, estabilitat, bon rendiment d'adsorció i un cost relativament econòmic, s'ha aplicat àmpliament en el tractament d'aigües residuals industrials difícils de biodegradar. En els darrers anys, la tecnologia de filtració utilitzant coc activat com a mitjà també ha trobat determinades aplicacions en el tractament avançat de les plantes d'aigües residuals municipals, aconseguint bons resultats en l'eliminació definitiva de contaminants. Combinant un exemple d'enginyeria d'un projecte de millora d'una planta de tractament d'aigües residuals a la província de Henan, l'autor va adoptar el procés MBBR+ACCA (Activated Coke Circulating Adsorption) per millorar el tractament d'aigües residuals urbanes. Els indicadors de COD d'efluents, NH₃-N i TP complien la norma d'aigua de classe III GB 3838-2002, proporcionant una referència per als projectes de millora d'altres plantes de tractament d'aigües residuals.
1. Situació bàsica de la Estació Depuradora
La capacitat total de disseny d'aquesta depuradora és de 50.000 m³/d, amb una capacitat de disseny de la Fase I de 18.000 m³/d i una capacitat de disseny de la Fase II de 32.000 m³/d. Tracta principalment les aigües residuals urbanes domèstiques i una petita quantitat d'aigües residuals industrials. L'any 2012 es va completar una actualització, i l'efluent complia l'estàndard de grau 1A de l'estàndard d'abocament de contaminants per a estacions de tractament d'aigües residuals municipals GB 18918-2002. El procés principal és AO multi-etapa + filtre de desnitrificació + dipòsit de sedimentació d'alta densitat. El flux del procés es mostra aFigura 1.
En l'actualitat, la depuradora d'aigües residuals està funcionant gairebé a plena capacitat. D'acord amb les dades operatives actuals, amb un bon manteniment de la planta, la qualitat de l'efluent es pot mantenir de manera estable segons l'estàndard GB 18918-2002 Grau 1A. Les concentracions d'efluents de DQO, DBO₅, NH₃-N, TN i TP oscil·len entre 21,77-42,34 mg/L, 1,82-4,15 mg/L, 0,13-1,67 mg/L, 8,86-15,74 mg/L i 0,429-0,4 mg/L respectivament
Abans de l'actualització, la planta s'enfrontava als següents problemes: 1) L'envelliment i les pantalles danyades a la secció de pretractament van permetre que alguns residus flotaven als dipòsits biològics, obstruint fàcilment les bombes i afectant el tractament posterior; 2) Eliminació inestable de TN durant les baixes temperatures hivernals i fluctuacions significatives en la qualitat i quantitat de l'aigua; 3) Volum insuficient del tanc als tancs biològics de la Fase I i partició de la zona anòxica no raonable, que comporta una baixa eficiència d'eliminació de TN i una alta dosi química per a l'addició posterior de fonts de carboni; 4) El sistema d'aireació original utilitzava bufadors centrífugs tradicionals obsolets amb un alt consum d'energia; 5) Obstrucció greu del medi de filtre als filtres de desnitrificació, rentat a contracor incomplet i dificultat per al funcionament estable; 6) Falles freqüents dels equips de mescla i agitació als tancs de sedimentació d'alta densitat-; 7) Falles freqüents de les dues premses de filtre de cinturó existents per a la deshidratació de fangs, alt contingut d'humitat dels fangs deshidratats, gran volum de fangs i alts costos d'eliminació de fangs; 8) Manca d'instal·lacions de control d'olors per als sistemes de pretractament i tractament de fangs; 9) Sistema de control central obsolet amb capacitat d'emmagatzematge de dades limitada i pèrdua de la majoria de les funcions d'operació remota.
2. Disseny de la qualitat de l'aigua
Tenint en compte anys de dades de qualitat de l'aigua operativa de la planta, amb un nivell de confiança del 90% i amb un cert marge, es va determinar la qualitat de l'influent de disseny. En funció dels requisits de qualitat ambiental de la massa d'aigua receptora, l'efluent COD, DBO₅, NH₃-N i TP actualitzats han de complir la norma d'aigua de classe III GB 3838-2002, mentre que TN i SS s'adheriran a la norma original. Es mostren les qualitats d'influent i efluent del dissenyTaula 1.
3. Actualització del concepte i flux de procés
3.1 Concepte d'actualització
Segons la qualitat de l'efluent del disseny, aquesta actualització estableix requisits més alts per a DQO, DBO₅, NH₃-N i TP. Tenint en compte el procés actual de la planta, les característiques de la qualitat de l'aigua i els problemes existents, l'atenció se centra en l'eliminació millorada de DQO, NH₃-N i TP alhora que garanteix l'eliminació estable de TN. A més, l'espai disponible limitat dins de la planta existent requereix explotar plenament el potencial de les estructures existents mitjançant la renovació d'equips, la intensificació del procés i la renovació, amb l'objectiu d'eliminar efectivament el DQO, NH₃-N, TN i TP. Per tant, l'ús dels tancs AO de diverses etapes originals i l'addició de transportadors suspesos per formar un procés MBBR de fang activat de biofilm-híbrid pot millorar eficaçment l'estabilitat del tractament i la resistència a la càrrega de cops. La llarga edat dels fangs del biofilm als portadors és adequada per al creixement de nitrificadors i per mantenir concentracions elevades de nitrificadors, millorant significativament la capacitat de nitrificació del sistema. El dens biofilm dins dels portadors té una llarga edat de fang, que allotja poblacions substancials de bacteris nitrificants i desnitrificants, la qual cosa permet la nitrificació-desnitrificació (SND) simultània i, per tant, reforça l'eliminació de TN. Per tant, el procés MBBR és adequat-per a l'actualització d'aquesta planta.
A partir d'una experiència similar del projecte d'actualització, per garantir el compliment estable de COD i TP, encara es necessiten instal·lacions de tractament de salvaguarda addicionals a més del procés existent juntament amb MBBR. El coc activat, com a material porós, presenta un rendiment d'adsorció més significatiu en comparació amb el carbó activat, eliminant eficaçment DQO, SS, TP, color, etc. A més, el coc activat biològicament pot utilitzar microorganismes adherits per degradar la matèria orgànica, permetent la regeneració dels llocs d'adsorció mentre absorbeixen els contaminants. Aquest mecanisme d'equilibri dinàmic permet un funcionament sostingut i estable del sistema. El procés d'adsorció de circulació de coc activat (ACCA) utilitza coc activat com a mitjà, integrant la filtració i l'adsorció. Utilitza aire comprimit per aixecar i netejar el medi de filtre. Mitjançant la-zonificació de flux invers i el disseny de flux uniforme, garanteix el contacte total entre el coc activat i les aigües residuals, aconseguint una millora definitiva de la qualitat de l'aigua i garantint el compliment estable dels efluents.
Per als equips envellits i defectuosos de la planta, es substituiran per equips tecnològicament avançats i eficients energèticament-per reduir els costos operatius. Concretament, les pantalles de pretractament es substituiran per pantalles fines alimentades internament per interceptar els cabells i les fibres, evitant l'obstrucció de les pantalles de retenció del portador MBBR.
3.2 Flux del procés
El flux del procés actualitzat es mostra aFigura 2. Per satisfer els requisits de capçalera, es va afegir una nova estació de bombeig d'elevació. Un filtre de tipus V-de construcció recent serveix com a unitat de pretractament per a la posterior adsorció de coc activat, assegurant l'estabilitat del sistema ACCA. L'aigua crua passa a través de les pantalles i les cambres de sorra per eliminar els flotants, els cabells i les partícules abans d'entrar als tancs biològics híbrids MBBR per millorar l'eliminació de nitrogen. A continuació, el licor barrejat entra en clarificadors secundaris per a la separació de sòlids. El sobrenedant s'eleva mitjançant la nova estació de bombeig a filtres de desnitrificació i tancs de sedimentació d'alta densitat-. A continuació, l'efluent és aixecat per la nova estació de bombeig al filtre de tipus V-i als tancs d'adsorció de coc activat de dues etapes-per a un tractament avançat, eliminant encara més el DQO, TP, SS, color, etc. L'efluent final es desinfecta abans de l'abocament.
4. Paràmetres de disseny de les principals unitats de tractament
4.1 Dipòsits biològics
Els tancs biològics de la Fase I existents es divideixen en dos grups amb un volum de tanc relativament petit però una estructura sòlida. Per tant, per a aquesta actualització, tot i complir els requisits de capçal, les parets del tanc es van elevar 0,5 m. Després de la renovació, el volum efectiu total és de 10.800 m³, amb una HRT total de 14,4 h i una HRT de zona anòxica de 6,4 h, augmentant el temps de retenció anòxica per millorar l'eliminació de TN. Els dipòsits biològics existents de la Fase II tenen un volum efectiu de 19.600 m³, un HRT total de 14,7 h i un HRT de zona anòxica de 6,8 h. Aquest projecte va suposar la substitució dels sistemes d'aireació i d'alguns mescladors submergibles envellits als tancs biològics de la Fase I i II, i l'addició de portadors suspesos i pantalles de retenció. Els suports estan fets de poliuretà o altres materials compostos-d'alt rendiment, amb una especificació cúbica de 24 mm, una superfície específica de 4.000 m²/m³ i una relació d'ompliment del 20%. L'AOR del sistema de tractament biològic és de 853,92 kg O₂/h, amb una velocitat de subministrament d'aire de 310,36 Nm³/min.
4.2 Estació de bombeig d'elevació i dipòsit d'aigües residuals
Es va construir una nova estació de bombeig d'elevació per bombejar l'efluent des dels tancs de sedimentació d'alta{0}}densitat fins al filtre de tipus V-per a un tractament posterior. Un dipòsit d'aigües residuals emmagatzema les aigües residuals de rentat dels filtres. Les bombes petites s'utilitzen per bombar uniformement les aigües residuals de contra-rentat als dipòsits biològics de la Fase II per evitar la càrrega de xoc. Es van instal·lar tres bombes d'elevació secundàries (2 servei + 1 en espera, Q{=1, 300 m³/h, H{=12 m, N{=75 kW), amb control d'accionament de freqüència variable (VFD). El dipòsit d'aigües residuals de contrarentat està equipat amb 2 bombes de transferència (1 servei + 1 en espera, Q=140 m³/h, H=7 m, N{=5.5 kW) i un mesclador submergible (N{=2.2 kW) per evitar la sedimentació.
4,3 V-Tipus de filtre
Es va construir un nou filtre de tipus V- amb unes dimensions estructurals de 36,9 m (L) × 29,7 m (W) × 8,0 m (H). Utilitza un filtre de sorra de quars homogeni. El filtre es divideix en 6 cel·les disposades en dues files. La canonada de sortida de cada cel·la té una vàlvula reguladora elèctrica per controlar el funcionament constant del nivell d'aigua. El procés de rentat es pot regular mitjançant PLC. La taxa de filtració de disseny és de 7,0 m/h, la taxa de filtració forçada és de 8,4 m/h i l'àrea de filtració d'una-cel·la és de 49,4 m². La intensitat de l'aigua de rentat és de 11 m³/(m²·h), la intensitat de l'aire de rentat és de 55 m³/(m²·h) i la intensitat de l'escombrat superficial és de 7 m³/(m²·h). La durada del rentat és de 10 minuts. El cicle de rentat a contracor és de 24 hores (ajustable), rentant una cel·la a la vegada. La mida del suport de sorra de quars és d'1-1,6 mm amb k₈₀ <1,3. S'utilitzen plaques de filtre monolítices colades al lloc-.
4.4 Tancs d'adsorció de coc activat
Es va construir un nou dipòsit d'adsorció de coc activat amb unes dimensions estructurals de 49,5 m (L) × 30,15 m (W) × 11,0 m (H). Utilitza una configuració de filtració de dues-etapes amb un total de 36 cel·les, 18 cel·les per etapa. La taxa de filtració màxima és de 6,02 m³/(m²·h), amb una mitjana de 4,63 m³/(m²·h). Les dimensions de la primera-etapa-cel·la única són L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, amb un temps de contacte amb el llit buit (EBCT) d'1,4 h. Les dimensions de la cel·la única de la segona-etapa- són L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, amb un EBCT d'1,08 h. El sistema utilitza 2.000 tones de coc activat amb mida de partícula 2-8 mm, equipat amb rentadores mòbils de coc, distribuïdors d'aigua, presa d'entrada/sortida, etc.
4.5 Edifici de Coca-Cola activat
Es va construir un nou edifici de coc activat per emmagatzemar coc activat i subministrar-lo als dipòsits d'adsorció. Les dimensions estructurals són 33,5 m (L) × 13,0 m (W) × 6,5 m (H). L'equip auxiliar principal inclou: 1 criba vibrant de deshidratació de coc activat, 3 bombes d'alimentació de coc (2 de servei + 1 en espera, Q=40 m³/h, H=25 m, N{=7.5 kW), 2 bombes de descàrrega de filtrat (1 servei + 1 en espera, Q{33.5 m³, 33.5 m³/h, 33.5 m³/h N=18.5 kW), 2 compressors d'aire (1 servei + 1 en espera, Q=7.1 m³/min, N{=37 kW) i un dipòsit receptor d'aire (V{=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Sala de deshidratació de placa-i-marc
Es va construir una nova sala de deshidratació de plaques-i-marc al costat de la sala de deshidratació de fangs existent. A causa de les limitacions d'espai, s'ha configurat un conjunt de filtre premsa de plaques-i-marc (àrea de filtre 300 m²) que serveix com a còpia de seguretat del filtre premsa de cinturó. Les instal·lacions auxiliars inclouen un dipòsit de condicionament (volum efectiu 80 m³). La quantitat de fang és de 6.150 kg DS/d, amb un contingut d'humitat del fang d'alimentació espessit del 97% i un contingut d'humitat del pastís deshidratat del 60%. L'equip auxiliar principal inclou: 2 bombes d'alimentació (1 servei + 1 en espera, Q{=60 m³/h, H=120 m, N{=7.5 kW), 2 bombes d'aigua de premsa (1 servei + 1 en espera, Q{=12 m³/h, H{=187 m³, bomba de rentat{. m, N=187), (Q=20 m³/h, H=70 m, N{=7.5 kW), 2 bombes dosificadores (1 servei + 1 en espera, Q{=4 m³/h, H{=60 m, N{=3 kW), 1 compressor d'aire (Q{=3.45 dipòsit d'aire, =3.45 m³/min de tanc de recepció), {{38} m³/h (V=5 m³, P{=1.0 MPa) i 1 joc d'unitats de preparació de PAM (Q{=2 m³/h, N{=1.5 kW).
4.7 Sistema de control d'olors
Es va afegir un nou sistema de control d'olors de biofiltració amb un cabal d'aire de disseny de 12.000 m³/h. Les canonades de plàstic reforçat amb vidre (GRP) s'utilitzen per recollir i tractar les olors dels sistemes de pretractament i tractament de fangs. Els marcs d'acer inoxidable i les plaques de resistència de PC s'utilitzen per segellar els equips de pretractament.
4.8 Altres actualitzacions de les instal·lacions
- Substituït per 2 pantalles fines d'alimentació interna amb obertura de 5 mm, amb transportadors de cargol i dipòsit d'aigua de rentat, V=10 m³ i 2 bombes d'aigua de rentat (1 servei + 1 en espera, Q{=25 m³/h, H=70 m, N{=11 kW).
- Substituït per 4 bufadors de suspensió d'aire més eficients, controlats per VFD (3 deures + 1 en espera, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- S'han substituït els mitjans filtrants dels filtres de desnitrificació existents per 1.800 m³ de medis ceràmics (mida de partícules 3-5 mm).
- S'han substituït 2 agitadors de mescla als dipòsits de sedimentació d'alta-densitat (velocitat 60-80 rpm, N=5.5 kW), 4 agitadors de floculació (velocitat 10-20 rpm, N{=2.2 kW) i els decantadors de tubs (260 m²).
- S'ha substituït el filtre premsa de corretja per una corretja de 2 m d'ample i un compressor d'aire a joc, 1 joc.
- Utilitzant la sala de control central original, equips, instruments actualitzats i control centralitzat establert, es va establir un sistema de comunicació de dades-ample de la planta per aconseguir la comunicació de dades entre la sala de control central i les subestacions, així com l'automatització del control del procés de producció.
5. Rendiment operatiu i indicadors tècnics-econòmics
5.1 Rendiment operatiu
Després de la finalització d'aquest projecte d'actualització, totes les unitats de tractament han funcionat de manera estable. Les dades de seguiment de la qualitat de les aigües afluents i efluents per al 2023 es mostren aTaula 2.
Com es mostra, les concentracions mitjanes d'efluents per DQO, NH₃-N, TN, TP i SS van ser 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 i 2,63 mg/L, amb taxes d'eliminació mitjanes del 95,16%, 99,45%, 17%, 79,45%, 17%, 79,74% i mitjanes. 97,38%, respectivament. L'efluent COD, NH₃-N i TP complien constantment la norma d'aigua de classe III GB 3838-2002.
El projecte actualitzat porta gairebé dos anys en funcionament. Els resultats indiquen que el procés MBBR+ACCA és estable, eficient i produeix efluents d'alta-qualitat, demostrant una forta resistència a les càrregues de xoc i condicions de baixa-temperatura. Fins i tot amb una temperatura mínima de l'aigua a l'hivern de 9,4 graus i fluctuacions significatives de la qualitat de l'aigua, la qualitat de l'efluent es va mantenir estable i va complir els estàndards de descàrrega. Abans i després de l'actualització, la dosi de la font de carboni no va augmentar, però l'eliminació de TN es va millorar significativament. Això es deu al fet que, d'una banda, els microorganismes nitrificants units als portadors MBBR creixen i s'acumulen en un entorn aeròbic estable, donant lloc a una nitrificació més completa. D'altra banda, el nitrat es va eliminar encara més als tancs MBBR actualitzats i als tancs anòxics. El sistema ACCA final actua com a salvaguarda, adsorbint i eliminant encara més DQO, TP, SS, etc. recalcitrants, fent que la qualitat de l'efluent sigui més estable. A més, després de la implementació del projecte, la planta pot produir aigua recuperada-d'alta qualitat, sent les bases per a la futura reutilització de l'aigua.
5.2 Indicadors tècnics-econòmics
La inversió total d'aquest projecte va ser de 86.937.600 RMB, amb costos de construcció i instal·lació de 74.438.500 RMB, altres despeses de 7.593.500 RMB, costos de contingència de 4.101.600 RMB i un capital circulant inicial de 804.000 RMB. Després d'un funcionament estable del sistema, el cost addicional d'electricitat per a tota la planta és de 0,11 RMB/m³, el cost del coc activat és de 0,39 RMB/m³, el que resulta en un augment total dels costos operatius d'aproximadament 0,50 RMB/m³.
6. Conclusió
- Aquest projecte va implementar la renovació d'equips, la intensificació del procés i la renovació a la planta de tractament d'aigües residuals existent i va afegir un tractament avançat, millorant l'eficiència d'eliminació de COD, NH₃-N, TN i TP.
- Després de l'actualització, utilitzant el procés principal "MBBR+ACCA", el COD de l'efluent, NH₃-N i TP van millorar de manera estable des del grau 1A fins a l'estàndard de classe III d'aigües superficials, i l'eliminació de TN es va millorar significativament.
- La pràctica demostra que aquest procés funciona de manera estable i eficient, és resistent als cops de càrrega, produeix efluents d'alta{0}}qualitat i afegeix un cost operatiu d'aproximadament 0,50 RMB/m³. Pot servir de referència per a projectes de millora i iniciatives de reutilització d'aigua en altres estacions de tractament d'aigües residuals.