Aplicació del procés BIOLAK en l'actualització d'una planta de tractament d'aigües residuals a quasi{0}}estàndards de classe IV
Introduït a la Xina a principis del segle XXI, el procés BIOLAK va obtenir una àmplia aplicació en el tractament d'aigües residuals municipals a causa de la seva estructura senzilla i els seus baixos costos d'inversió. En els últims anys, amb l'enduriment dels estàndards de descàrrega i l'augment de l'automatització, la majoria de les plantes existents de BIOLAK s'enfronten a actualitzacions. Per millorar l'eliminació de nitrogen i fòsfor, s'han implementat millores com l'addició de transportadors suspesos, la readaptació de tancs i la redefinició de zones funcionals. Tot i que les plantes de nova construcció adopten predominantment processos d'A²/O i de rases d'oxidació, hi ha pocs informes sobre el rendiment real de BIOLAK, especialment sota normes d'emissions estrictes. El procés BIOLAK utilitza cadenes d'aireació oscil·lants per crear zones anòxiques i aeròbiques temporals, que funciona bàsicament com un procés d'A/O de diverses-etapes. Mitjançant l'optimització operativa, la qualitat dels efluents pot complir de manera estable l'estàndard d'aigües superficials de quasi-classe IV.
1 Antecedents del projecte
Una planta de tractament d'aigües residuals a la província de Hebei utilitza el procés BIOLAK com a tecnologia bàsica. L'afluència oscil·la entre 18.000 i 22.000 m³/d, amb una mitjana de 19.000 m³/d, tractant principalment les aigües residuals domèstiques urbanes i una petita quantitat d'aigües residuals de processament agrícola. Les qualitats d'afluents i efluents dissenyades es mostren aTaula 1. L'estàndard de descàrrega original era l'estàndard de grau A de *"Norma d'abocament de contaminants per a plantes de tractament d'aigües residuals municipals" (GB 18918-2002)*. Després d'una actualització que incloïa la partició d'una zona anaeròbica per millorar la desnitrificació i la desfosforització, la planta compleix ara els límits clau de l'àrea de control de *"Normes de descàrrega de contaminants a l'aigua per a la conca del riu Daqing" (DB13/2795-2018)*. Excepte el nitrogen total, tots els altres indicadors compleixen els estàndards de classe IV especificats a *"Normes de qualitat ambiental per a aigües superficials" (GB 3838-2002)*. El flux del procés es mostra aFigura 1.
La planta utilitza hipoclorit de sodi per a la desinfecció. Els fangs es deshidraten mitjançant una filtració de plaques i marcs d'alta pressió fins a un contingut d'humitat inferior al 60% abans de ser transportats per al co-processament en forns de ciment.
La contribució de cada unitat de tractament a l'eliminació de contaminants es va calcular a partir del balanç de massa, amb mètodes específics referenciats a la literatura.
2 Mesures d'optimització del control operacional
Es van implementar múltiples mesures d'optimització durant l'operació per millorar l'estabilitat dels efluents i aconseguir estalvis energètics i de costos.
2.1 Control millorat de l'oxigen dissolt (DO).
Els projectes d'adaptació de BIOLAK existents sovint noten la seva feble zonificació com una variant d'A/O de diverses-etapes, que comporta una baixa eficiència de desnitrificació. En aquest projecte, tot garantint el compliment del nitrogen d'amoníac efluent, el DO màxim al final de la zona d'aireació es va mantenir en 0,5-1,0 mg/L, inferior als requisits de control de DO convencionals.
2.2 Augment del seguiment de les dades del procés
Per guiar el control del DO i la dosificació de la font externa de carboni, es va controlar el nitrogen nitrat i el nitrogen amoníac al final de la zona anaeròbica i el dipòsit BIOLAK per determinar els rangs de control òptims. Durant l'operació, la dosificació de la font de carboni externa es va reduir o es va aturar quan el nitrogen nitrat al final de la zona anaeròbica es va<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 Establiment d'objectius de control intern d'efluents
Per garantir un compliment estable, es van establir objectius de control intern entre el 30% i el 80% dels límits de descàrrega, en funció de la dificultat de controlar cada contaminant. La superació d'aquests límits interns va provocar ajustos immediats dels paràmetres del procés per tornar les concentracions d'efluents a un rang acceptable. Els objectius anuals de control intern de DQO, nitrogen amoníac, nitrogen total i fòsfor total eren de 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L i 0,12 mg/L, respectivament.
2.4 Mantenir una concentració adequada de fangs
El malbaratament de fangs es va ajustar en funció del cabal, la càrrega i la temporada. El temps de retenció de fangs (SRT) es va mantenir entre 15 i 25 dies i la concentració de sòlids en suspensió de licor mixt (MLSS) entre 2.500 i 4.500 mg/L. Concretament, MLSS es va controlar a 2.500–3.500 mg/L a l'estiu i a la tardor, amb una càrrega de fang d'uns 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d) i a 3.500–4.500 mg/L a l'hivern i la primavera, amb una càrrega de fang d'uns 0,04 kgMLSS·d(d).
2.5 Ajust de funcionament de les unitats de tractament avançat
Les baixes temperatures a l'hivern van afectar la floculació i la sedimentació. El rentat intempestiu dels filtres de tipus V-podria provocar un augment de sòlids en suspensió d'efluents i DQO. Per tant, durant el funcionament hivernal, la freqüència de rentat a contracor es va augmentar en funció del rendiment de la coagulació i es va intensificar la descàrrega de fangs del dipòsit de coagulació-sedimentació per reduir la concentració de sòlids en suspensió de l'efluent.
3 Rendiment del tractament
El DQO influent anual va oscil·lar entre 109 i 248 mg/L, amb una mitjana de 176 mg/L. El DQO efluent va oscil·lar entre 9,5 i 20,1 mg/L, amb una mitjana de 12,1 mg/L. Quan el DQO de l'efluent va superar l'objectiu de control intern (15 mg/L), la freqüència de rentat del filtre es va augmentar per reduir els sòlids en suspensió. Es recomana actualitzar el dipòsit de-sedimentació de coagulació a un dipòsit de sedimentació-d'alta densitat o de coagulació magnètica-per a una millor eficiència de coagulació.
El nitrogen amoníac influït anual va oscil·lar entre 17,8 i 54,9 mg/L, amb una mitjana de 31,9 mg/L. El nitrogen amoníac efluent va oscil·lar entre 0,12 i 1,30 mg/L, amb una mitjana de 0,5 mg/L. Quan es va superar l'objectiu de control intern, l'aireació es va ajustar segons les mesures d'optimització. La qualitat dels efluents va complir de manera estable els límits clau de l'àrea de control de *DB13/2795-2018* durant tot l'any.
A causa de la baixa concentració de fonts de carboni d'afluència, l'objectiu es va centrar en l'optimització de les condicions del procés per millorar l'eliminació de nitrogen i fòsfor, amb l'objectiu d'estalviar energia i costos.
3.1 Optimització del control de DO i eliminació total de nitrogen
El nitrogen total (TN) de l'afluent anual va oscil·lar entre 20,3 i 55,6 mg/L (vegeuFigura 2), amb una mitjana de 42,1 mg/L. El TN efluent va oscil·lar entre 2,5 i 14,2 mg/L, amb una mitjana de 8,8 mg/L, dins de l'objectiu de control intern (12 mg/L). La taxa mitjana d'eliminació de TN va ser del 79,1%. Amb una proporció de reciclatge de fangs del 90% (sense reciclatge intern del licor mixt), l'eficiència teòrica de la desnitrificació va ser del 47,4%, cosa que indica que la desnitrificació també es va produir en altres zones de procés més enllà del selector anaeròbic. Es mostren els canvis de nitrogen al llarg del tren de tractament en un cicle típicFigura 3.
En un cicle típic, el TN influent era de 42,0 mg/L, amb la suma d'amoníac i nitrogen de nitrats de 35,2 mg/L. Després del selector anaeròbic, el TN va ser de 16, 7 mg/L, donant lloc a una taxa d'eliminació del 43, 5% mitjançant el balanç de massa, d'acord amb el valor teòric. El dipòsit BIOLAK va aportar un 24,0% d'eliminació de TN. L'efluent TN es va reduir encara més al dipòsit de sedimentació secundari, contribuint a una eliminació addicional de l'11,3%, principalment a causa del seu llarg temps de retenció hidràulica (8,6 hores) que permetia la desnitrificació-impulsada per fonts de carboni endògenes. Altres unitats van contribuir a l'eliminació de l'1,9%. L'efluent final TN va ser de 8,1 mg/L, amb una taxa d'eliminació total del 80,7%.
L'experiència operativa demostra que el control del DO és crucial per a l'eliminació del TN en el procés BIOLAK. En els processos convencionals, el DO es mesura normalment al final de la zona aeròbica en una estructura de canal on el DO és relativament uniforme en tota la secció-transversal. No obstant això, al tanc BIOLAK, l'extrem de la zona d'aireació té gairebé 70 metres d'amplada, amb un augment del DO des de la vora del pendent fins al centre, amb una diferència de 0,5 a 1,0 mg/L. Per tant, la ubicació de les sondes DO requereix una atenció acurada.
Mitjançant un estricte control de la DO màxima al final de la zona d'aireació BIOLAK, es va garantir de manera efectiva un ambient anòxic necessari per a la desnitrificació. Es va aconseguir la nitrificació i desnitrificació simultànies (SND) utilitzant fonts endògenes de carboni, donant lloc a una eliminació eficaç de TN.
3.2 Eliminació total de fòsfor i optimització operativa
El fòsfor total (TP) de l'influent anual va oscil·lar entre 1,47 i 4,80 mg/L (vegeuFigura 4), amb una mitjana de 2,99 mg/L. El TP efluent va oscil·lar entre 0,04 i 0,17 mg/L. La dosi d'agent d'eliminació de fòsfor es va ajustar en funció de l'objectiu de control intern (0,12 mg/L). La concentració mitjana de TP de l'efluent va ser de 0,07 mg/L, complint de manera estable l'estàndard de descàrrega, amb una taxa mitjana d'eliminació de TP del 98,3%.
Es mostren els canvis de fosfat al llarg del tren de tractament en un cicle típicFigura 5.
El fosfat influent va ser de 2,70 mg/L i el fosfat de fang de retorn va ser de 0,58 mg/L, fent que el fosfat teòric que entra al selector anaeròbic sigui d'1,70 mg/L. Després de l'alliberament anaeròbic de fòsfor per part d'organismes acumuladors de polifosfat-(PAO), la concentració de fosfat va assolir els 3,2 mg/L. La relació de concentració de fosfat (màxima a la zona anaeròbica/influent) va ser 1,9, cosa que indica un alliberament important. El motiu principal va ser la desnitrificació eficaç en condicions de baix DO, donant lloc a una baixa concentració de nitrats en el fang de retorn a la zona anaeròbica, mantenint un bon ambient anaeròbic (ORP generalment per sota de -200 mV) i afavorint l'alliberament de fòsfor.
Després de la zona d'aireació BIOLAK, es va produir una absorció substancial de fòsfor, reduint la concentració de fosfat al final a 0,3 mg/L, aconseguint una eficiència biològica d'eliminació de fòsfor del 88,9%. Després dels tancs de sedimentació i estabilització, la concentració de fosfat va augmentar fins a 0,64 mg/L. L'anàlisi suggereix que això es va deure al llarg HRT al tanc de sedimentació i al DO estrictament controlat al tanc BIOLAK, creant una condició anaeròbica al tanc de sedimentació i provocant l'alliberament secundari de fòsfor. Després de la dosificació química a la unitat de coagulació, el fosfat efluent es va reduir a 0,06 mg/L. Per tant, tenint en compte els costos econòmics i la complexitat operativa, sacrificar una mica d'eficiència d'eliminació de fòsfor biològica per millorar la desnitrificació és una estratègia d'optimització viable per a plantes similars.
4 Costos operatius
Els costos operatius directes inclouen electricitat, productes químics i eliminació de fangs. Segons les estadístiques anuals, el consum específic d'energia era de 0,66 kWh/m³. Amb un preu de l'electricitat de 0,65 CNY/kWh (basat en una combinació de tarifes màxima/desactivada-punt), el cost de l'electricitat era de 0,429 CNY/m³. Aquest consum és més elevat segons la "Norma d'avaluació de la qualitat operativa de les estacions de tractament d'aigües residuals municipals", principalment a causa de l'eficiència lleugerament menor d'utilització d'oxigen del sistema d'aireació. Els costos químics, inclosos l'acetat de sodi, l'agent d'eliminació de fòsfor, el PAM, l'hipoclorit de sodi i els productes químics de deshidratació, van ascendir a 0,151 CNY/m³. L'ús i els costos específics es mostren aTaula 2.
Els fangs provenen principalment de fonts biològiques i químiques (tanc de coagulació). La filtració de plaques i marcs d'alta pressió-s'utilitza amb calç i clorur fèrric com a agents condicionants. La dosi de calç és al voltant del 25% del pes del fang sec. El pastís deshidratat té un contingut d'humitat del 60%. La producció diària de llots deshidratats és d'unes 9 tones, amb un rendiment específic de fangs secs d'uns 0,15%. El transport de fangs costa 250 CNY/tona, el que resulta en un cost d'eliminació de fangs d'uns 0,118 CNY/m³. Per tant, el cost total de producció directa és de 0,698 CNY/m³.
5 Conclusions
① Una planta de tractament d'aigües residuals a la província de Hebei, que utilitza el procés BIOLAK per tractar les aigües residuals municipals, va funcionar de manera contínua durant un any amb una qualitat de l'efluent que compleix de manera estable els límits clau de l'àrea de control de *DB13/2795-2018* (estàndard d'aigües superficials Quasi-Class IV).
② Com a variant del procés d'A/O de diverses etapes, controlar el DO màxim al final de la zona d'aireació BIOLAK a 0,5-1,0 mg/L va donar lloc a una taxa d'eliminació de TN del 24,0% a la zona BIOLAK i de l'11,3% al tanc de sedimentació. Això va aconseguir la nitrificació simultània-desnitrificació i la desnitrificació de font de carboni endògena, demostrant una capacitat significativa d'eliminació de nitrogen.
③ El cost operatiu directe del procés BIOLAK va ser de 0,698 CNY/m³. Les mesures d'optimització operativa, inclosa la supervisió de les dades del procés i l'establiment d'objectius de control intern raonables, poden proporcionar referències per optimitzar el funcionament i aconseguir estalvis d'energia/costos en plantes de tractament d'aigües residuals similars.