Comparació de processos AO de dues-etapes i AO de tres-etapes: una enginyeria Perspectiva
Actualment, la majoria de les plantes de tractament d'aigües residuals (EDAR) de la Xina adopten processos basats en fangs activats-per al tractament d'aigües residuals. Entre aquests, gairebé la meitat utilitzen el procés Anòxic-Oxic (AO). El procés AO ofereix avantatges com ara un funcionament estable i un baix cost. Tanmateix, la seva eficiència total d'eliminació de nitrogen (TN), que normalment oscil·la entre el 60% i el 80%, està limitada per les proporcions de reciclatge internes. Amb els requisits nacionals cada cop més estrictes per a l'eliminació de nitrogen, els processos convencionals d'AO d'una sola etapa-sovint tenen dificultats per satisfer les demandes de tractament amb TN. Així, han sorgit processos d'AO multietapa-. En connectar dues o més etapes AO en sèrie, el nitrat produït en l'etapa aeròbica anterior proporciona el substrat per a la desnitrificació en la fase anòxica posterior. D'aquesta manera s'aconsegueix l'objectiu de reduir la proporció interna de reciclatge alhora que millora l'eliminació general de TN. Tanmateix, les etapes excessives també poden augmentar la complexitat operativa. En conseqüència, les configuracions més utilitzades a la Xina són actualment els processos AO de dues etapes i tres etapes. Aquest article presenta una anàlisi comparativa de processos d'AO en dues-etapes i tres-etapes utilitzant una EDAR al sud de la Xina com a cas d'estudi, amb l'objectiu de proporcionar una referència per a la selecció de rutes tècniques en projectes similars.
1 Descripció general del projecte
Una EDAR al sud de la Xina cobreix una superfície total de 8 hectàrees. La seva capacitat de disseny original era de 90.000 m³/d, amb la qualitat de l'efluent necessària per complir tant l'estàndard de grau A de la "Norma d'abocament de contaminants per a plantes de tractament d'aigües residuals municipals" (GB 18918-2002) com els "Límits d'abocament de contaminants a l'aigua" de la província de Guangdong (referit DB 4011/2002) com a "Quasi-Classe V"). La planta funcionava a ple rendiment. Segons la planificació pertinent, calia una ampliació. Els futurs estàndards d'efluents, basats en l'estat actual, havien de considerar un requisit a llarg termini de TN Menor o igual a 10 mg/L. Considerant globalment les condicions reals del solar, l'escala d'obra civil d'aquesta ampliació es va fixar en 70.000 m³/d. La planta funcionaria a 50.000 m³/d a curt termini i arribaria a l'escala de 70.000 m³/d a llarg termini, amb la qual cosa la capacitat total de tractament de la planta arriba als 160.000 m³/d. Es mostra la qualitat de l'aigua d'afluent i efluent dissenyadaTaula 1.
A causa de les limitacions del lloc, el pla preliminar per a l'expansió va adoptar la ruta del procés "AO multi-etapa + -En perifèric-Tanc de sedimentació rectangular a la sortida-Tanc de sedimentació d'alta -eficiència + Placa de fibra{-i-filtre de marc". Les estructures civils de totes les unitats principals es van construir per a l'escala de 70.000 m³/d, mentre que es van instal·lar equips per a la capacitat de 50.000 m³/d. El tanc biològic empraria un procés d'AO de diverses etapes-a curt termini. A llarg termini, afegir transportadors en suspensió crearia un procés híbrid de fangs activats-biofilm per satisfer la demanda d'expansió de la capacitat del 40%. Per a aquest disseny es van considerar les condicions hidràuliques per a l'escala de 70.000 m³/d, mentre que el tractament biològic es va dissenyar per a l'escala de 50.000 m³/d. Com que aquest projecte pretenia adoptar un procés d'AO de diverses-etapes, es va realitzar una comparació entre AO de dues-etapes i de tres-etapes.
2 Comparació de processos d'AO de dues-etapes i tres- etapes
2.1 Flux del procés
El principi bàsic del procés d'AO multi-etapa és utilitzar el nitrat produït en l'etapa aeròbica anterior per a la desnitrificació en l'etapa anòxica posterior, reduint així la relació de reciclatge interna. Teòricament, més etapes condueixen a una millor eliminació de TN, però el control es fa més complex. En la pràctica de l'enginyeria, predominen les AO de dues-etapes i tres-etapes. Els seus fluxos de procés es mostren aFigura 1. Per a una AO de dues-etapes, el reciclatge intern normalment es dissenya dins de la primera etapa d'AO. Per a un AO de tres-etapes, generalment no s'utilitza el reciclatge intern. Les EDAR a Pequín que utilitzen el procés AO de dues etapes inclouen Qinghe (400.000 m³/d), Xiaohongmen (500.000 m³/d), Gao'antun (400.000 m³/d), Dingfuzhuang (200.000 m³/d) i Huaifang (600 m³/d). Aquest procés ofereix avantatges com ara equipaments senzills, baixos costos d'operació i manteniment, forta resistència a les càrregues de xoc i alta compatibilitat amb altres processos, facilitant futures actualitzacions per complir amb estàndards d'efluents més alts. Teòricament, un AO de tres etapes en sèrie pot eliminar la necessitat d'equips de reciclatge intern, permetre una assignació més racional de les fonts de carboni i reduir els costos d'inversió i d'explotació. Aquest procés s'aplica principalment en escenaris amb fonts suficients de carboni i altes demandes d'eliminació de nitrogen. Els casos típics inclouen l'EDAR de Qujing a Yunnan (80.000 m³/d), l'EDAR urbana del districte de Ninghe a Tianjin (90.000 m³/d), l'EDAR de Zhangguizhuang a Tianjin (200.000 m³/d) i la planta de recuperació de Daoxianghu a Pequín (80,00 m³/d).
2.2 Comparació de processos
Tenint en compte que no hi ha terreny addicional disponible per a futures actualitzacions en aquest lloc, i que alguns nous projectes locals ja estan implementant un estàndard TN d'efluent de menys o igual a 10 mg/L, la comparació del procés va considerar un TN d'efluent de tancs biològics de menys o igual a 10 mg/L per adaptar-se a la possibilitat de requisits més estrictes en el futur. Altres indicadors s'adhereixen a la qualitat de l'efluent de disseny. D'acord amb el disseny, per a l'escala a curt termini-de 50.000 m³/d, el temps màxim de retenció hidràulica (HRT) per al dipòsit biològic va ser de 18 hores. Combinant les condicions reals del projecte, els resultats de la simulació BioWin i la comoditat de l'acoblament amb suports suspesos, es va realitzar una comparació entre processos d'AO de dues-etapes i tres{10}}etapes.
2.2.1 Simulació BioWin
Es va establir una TRH inicial de 18 hores i es va reduir gradualment. La TRH mínima per assolir el requisit de TN efluent va ser de 14 hores. Per a l'AO de dues -etapes, els punts de distribució d'influents eren la zona anaeròbica, la zona anòxica de la primera-etapa i la zona anòxica de la segona-etapa. Per a l'AO de tres-etapes, els punts d'influència eren la zona anaeròbica, la zona anòxica de la segona-etapa i la zona anòxica de la tercera-etapa.
① Estudi amb ràtio de distribució d'influents fixa
Establint la relació de distribució d'influents a 4:3:3 per a tots dos, les simulacions van comparar tres esquemes: AO de dues -etapes (relació de reciclatge del 200%), AO de tres -etapes amb una proporció de reciclatge total del 200% (reciclatge del 100% dins de la primera etapa AO + 100% de reciclatge de la tercera zona d'Oxic{9}), i tres -zones Oxic{100}{101} ràtio de reciclatge del 100% (reciclar només dins de la primera etapa AO). Els fluxos de simulació es mostren aFigura 2.
Taula 2mostra els resultats de la simulació per a una relació d'influent fixa a HRT=14 h.
A la taula 2, es pot veure que tant per a AO de dues -etapes com de tres-etapes, es recomana configurar el reciclatge intern a la primera etapa d'AO per maximitzar la desnitrificació a la primera zona anòxica utilitzant la font de carboni a l'afluent en brut. Per a l'AO de tres-etapes, la configuració del reciclatge intern des del final de la tercera etapa fins a la primera zona anòxica va millorar lleugerament l'eliminació de TN i TP, però l'eficiència d'eliminació de matèria orgànica va disminuir. Es tracta d'una especulació atribuïda a l'augment del cabal global al dipòsit biològic a causa del reciclatge, que va portar l'oxigen dissolt a la zona anòxica, afectant el medi anòxic. A més, l'HRT real a cada zona es va escurçar i la transició entre les condicions operatives es va accelerar, donant lloc a una eficiència reduïda. Per a característiques influents com les d'aquest projecte al sud de la Xina, on la concentració de TN no és molt alta, l'AO de dues-etapes pot complir completament els requisits d'efluent, sense mostrar cap avantatge diferent per a l'AO de tres-etapes. Per a escenaris amb un DQO elevat i un influnt de TN alt, l'AO de tres-etapes podria ser més adequat.
② Estudi sobre l'ajust de les ràtios de distribució d'influents
Tant l'AO de dues-etapes com la de tres-etapes es van establir amb una proporció de reciclatge interna del 100% a la primera etapa d'AO. Es van realitzar estudis sobre relacions de distribució d'influents multi-punt (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Aquí, 1:0:0 significa que tots els influents entran pel davant; 3:7:0 per a l'AO de tres-etapes significa que l'afluent només es distribueix a la zona anaeròbica i a la segona etapa AO. Els resultats de la simulació per a les proporcions de distribució ajustades es mostren aTaula 3.
A la taula 3, es pot observar que la relació de distribució té un lleuger impacte en la qualitat de l'efluent. La tendència general és que a mesura que augmenta la proporció d'afluents distribuïts a etapes posteriors, augmenten les concentracions de TN, NH₃-N i TP de l'efluent i la demanda d'aireació també augmenta gradualment. Quan la proporció d'afluents era de 3:7:0, l'AO de tres-etapes va mostrar una eliminació de TN lleugerament millor i una relació aire--aigua lleugerament inferior que l'AO-de dues etapes. Tanmateix, en el funcionament real, aquesta diferència és generalment insignificant. A més, augmentar la proporció d'influent fins a etapes posteriors, tot i que és beneficiós per a la utilització de la font de carboni en la desnitrificació, augmenta inevitablement la càrrega de les reaccions bioquímiques a causa de l'entrada de NH₃-N, matèria orgànica i TP. Per tant, es recomana mantenir la configuració de l'afluent multi-punt i fer ajustos graduals basats en la qualitat real de l'aigua durant el funcionament. Val la pena assenyalar que, tot i que l'AO de tres-etapes va mostrar una millor eliminació de TN que l'AO de dos-etapes amb una proporció d'afluents de 2:4:4, a mesura que augmentava l'afluent a les etapes posteriors, l'efluent NH₃-N va mostrar una tendència a l'alça, moment en què l'efluent NH₃{23}N{23} ja no podia complir l'estàndard.
③ Rendiment del tractament d'AO de dues-etapes i tres-etapes
Es va simular una configuració AO de tres -etapes amb HRT=14 h, proporcions de volum iguals per a cada etapa (1:1:1), 100% de reciclatge intern establert a la primera etapa d'AO i una proporció d'influents de 4:3:3, en dues condicions: amb 100% de reciclatge i amb reciclatge tancat. Es va simular una configuració d'AO de dues etapes amb HRT=14 h, un conjunt de reciclatge intern del 100% i una proporció d'influents de 4:3:3. Els resultats van mostrar que l'AO en dues etapes va aconseguir l'efluent òptim TN a 6,29 mg/L; l'AO de tres-etapes amb 100% de reciclatge intern al davant va aconseguir el següent millor amb 7,51 mg/L; l'AO de tres-etapes sense reciclatge intern va tenir pitjor rendiment a 8,52 mg/L. Els tres escenaris podrien complir el requisit de verificació de l'efluent (TN inferior o igual a 10 mg/L).
Taula 4mostra la comparació de paràmetres de disseny entre AO de dues-etapes i tres-etapes. Es pot veure que per a ambdós processos, la HRT necessària per assolir el requisit de TN efluent és inferior a 18 hores. Les principals diferències entre els dos processos són les següents:
a. Teòricament, l'AO de tres-etapes té un límit superior superior; és a dir, si s'opera correctament, tant els costos d'inversió com d'explotació poden ser més baixos. L'AO de dues-etapes té menys elements i etapes d'equip, la qual cosa comporta menys costos d'equip i una dificultat de gestió operativa més baixa.
b. Per aquest projecte concret, atès que es va considerar el llarg termini i el volum del tanc es va dissenyar per a un HRT de 18-hores, la inversió civil seria idèntica tant si s'adoptés l'AO de dues-etapes com de tres-. El cost de l'equip per a l'AO de tres-etapes és més elevat. Per tant, des d'una perspectiva d'inversió, adoptar l'AO de dues etapes és més econòmic.
c. Pel que fa als costos d'explotació, l'AO de tres-etapes podria estalviar aproximadament 0,002 CNY/m³ eliminant el cost energètic de reciclatge de begudes alcohòliques al 100%. Tenint en compte la disminució potencial de l'eficiència d'utilització de la font de carboni en el funcionament real a causa de l'alternança de condicions anòxiques/òxiques a l'AO de tres-etapes, la diferència real en els costos operatius probablement seria encara més petita.
2.2.2 Anàlisi de l'escenari de l'operador suspès a llarg termini-
A causa dels requisits únics d'aquest projecte, el dipòsit biològic havia de considerar la viabilitat i la conveniència del pla d'expansió de la capacitat a llarg termini-, és a dir, l'impacte d'afegir transportistes suspesos.
El nucli del procés MBBR és augmentar la biomassa al reactor afegint portadors en suspensió. Aquests es poden afegir a tancs aeròbics, anòxics o anaeròbics. Tanmateix, tenint en compte la fluidització del portador, afegir-los a tancs anaeròbics o anòxics augmentaria significativament els requisits de potència de mescla. Per tant, es recomana l'addició de tancs aeròbics preferentment. El volum de les zones anaeròbiques/anòxiques es pot complementar mitjançant la partició de la zona aeròbica, mentre que la deficiència de volum aeròbic es compensa amb els portadors afegits. En altres paraules, el volum aeròbic insuficient és suportat per l'augment de la superfície dels portadors suspesos, que es calcula a partir de la conversió de càrrega contaminant per determinar la quantitat de portador requerida, controlant una determinada proporció d'ompliment per obtenir el volum afegit.
D'acord amb els càlculs, si s'adopta el procés d'AO de dues-etapes i s'afegeix tots els portadors suspesos a la zona aeròbica de la primera-etapa a llarg termini, la superfície de suport MBBR requerida seria de 2.597.708 m², amb un cost de 12,99 milions de CNY. Altres costos fixos d'equips relacionats (inclosos sistemes de fluidització MBBR, mescladors dedicats, sistemes de cribratge i sistemes de control intel·ligent) serien de 6,15 milions de CNY. Si s'adopta el procés AO de tres-etapes, a causa de les zones més disperses, la zona MBBR s'hauria de dividir en 2 seccions (zones aeròbiques de la primera-etapa i la segona-etapa). En conseqüència, el cost per instal·lar l'equip fix MBBR corresponent (excloent els propis transportistes) augmentaria lleugerament fins als 7,77 milions de CNY, mentre que el cost del transportista continua sent el mateix. Això vol dir que l'adopció de l'AO de tres-etapes augmentaria la inversió futura en reacondicionament en 1,62 milions de CNY i també augmentaria la complexitat de la readaptació. A més, el sistema de cribratge és l'àrea més propensa a problemes després de l'addició del transportista. L'AO de tres-etapes afegeix una secció addicional de pantalles, augmentant la dificultat operativa.
A partir de la comparació anterior, a causa de l'excés de particions a l'AO de tres-etapes, amb cada partició amb un volum similar, la seva dificultat d'adaptació és superior a la de l'AO de dues-etapes. La construcció, la complexitat operativa i l'addició d'equips de cribratge també donen lloc a una inversió superior a l'AO de dues etapes-. Per tant, adoptar l'AO de dues etapes és més propici per a l'acoblament futur amb portadors suspesos.
2.3 Resultat de la comparació
D'acord amb l'anàlisi anterior, tant els processos d'AO de dues -etapes com de tres{1}}etapes poden assolir l'objectiu de TN de l'efluent inferior o igual a 10 mg/L. Sota les condicions límit d'aquest projecte-espai limitat, la necessitat de maximitzar el volum del tanc a-a curt termini i el pla-a llarg termini d'afegir transportistes suspesos-l'AO en dues-etapes té avantatges en termes d'inversió a-a curt termini i comoditat de gestió/manteniment d'equips. També ofereix una major compatibilitat per a futures adaptacions amb transportistes suspesos, la qual cosa resulta en una inversió global més baixa i una reducció de la modificació i dificultat operativa. Per tant, després d'una consideració exhaustiva, es va recomanar el procés AO-de dues etapes per a aquest disseny.
3 Rendiment operatiu
La inversió total estimada per a aquest projecte és de 304,5721 milions de CNY, amb uns costos de construcció de 243,6019 milions de CNY, que es tradueixen en un cost de construcció unitari de 3.480,03 CNY/m³. El cost del tractament és d'1,95 CNY/m³ i el cost d'operació és d'1,20 CNY/m³.
Per a aquest projecte, el dipòsit biològic té una HRT total de 18 hores (que inclou: zona anaeròbica 2 h, zona anòxica de primera-etapa 3,5 h, zona aeròbica de primera-etapa 7,5 h, zona de desgasificació 0,5 h, zona anòxica de segona{-etapa 2,5} h, segona fase d'{9}} hp{9}} h, zona d'aigua efectiva 8,6 m. S'ha implementat una presa d'aigua seccional ajustable, que permet ajustar la relació de distribució de l'afluent en increments del 20% segons sigui necessari. En funcionament real, la concentració de sòlids en suspensió de licor mixt (MLSS) al tanc biològic oscil·la entre 3.500 i 4.000 mg/L, la relació de retorn de fangs oscil·la entre el 40% i el 100% i la proporció de reciclatge intern del licor mixt oscil·la entre el 100% i el 200%. Es mostra la qualitat real de l'afluent i de l'efluentTaula 5, que s'alinea bàsicament coherent amb els resultats de la simulació.
4 Conclusió
Utilitzant una EDAR al sud de la Xina com a cas d'estudi, es va realitzar una comparació tècnica i econòmica entre processos d'AO en dues etapes i tres etapes amb l'ajuda de la simulació BioWin. L'AO de dues etapes, amb menys elements i etapes d'equips, costos d'equips més baixos i una dificultat de gestió operativa més baixa, és més adequat per a les condicions del sud de la Xina on el TN influent no és molt elevat. Per a l'AO de tres-etapes, la configuració del reciclatge intern des del final de la tercera etapa fins a la primera zona anòxica va afectar negativament l'eficiència d'eliminació de TN, va augmentar la dificultat de gestió operativa i va augmentar els costos d'inversió. El disseny compleix simultàniament els requisits de tractament a curt termini de 50.000 m³/d i TN inferior o igual a 10 mg/L, mentre que l'escala a llarg termini de 70.000 m³/d es pot aconseguir mitjançant l'acoblament amb transportadors suspesos. Els resultats operatius reals són en gran mesura coherents amb els resultats de la simulació BioWin, amb un TN mitjà d'efluent de 6,86 mg/L, que compleix els requisits de disseny.