Verbetering van het ontwerp en de praktijk van de waterzuiveringsinstallatie van Xin'an Qianhe op basis van het AAOAO-MBBR-proces en ozonoxidatie
Qingdao heeft als belangrijke nationale centrale kuststad aanzienlijke resultaten geboekt op het gebied van ecologisch bestuur. Vergeleken met internationale metropolen van het hoogste niveau wordt het stedelijke watermilieubeheersysteem echter nog steeds geconfronteerd met structurele uitdagingen.
Momenteel zijn er verschillen tussen de dekkingsgraad van het afvoerleidingennetwerk, de operationele efficiëntie van afvalwaterzuiveringsinstallaties en de verwachtingen van het publiek ten aanzien van een wateromgeving van hoge-kwaliteit. Er is ook een afstand tot het realiseren van de ecologische visie van het bouwen van een 'mooi Qingdao'.
Om deze uitdagingen aan te pakken moet Qingdao dringend systematische maatregelen implementeren, zoals wetenschappelijke planning, geoptimaliseerde toewijzing van middelen en versterkte investeringen in infrastructuur. Deze inspanningen zijn erop gericht om de efficiëntie van het afvalwateropvangnetwerk en de terminalbehandelingscapaciteit volledig te verbeteren, waardoor de ecologische basis voor de duurzame ontwikkeling van de stad wordt verstevigd.
Het Xin'an Qianhe Water Quality Purification Plant-project bevindt zich in het nieuwe gebied aan de westkust van Qingdao. Het heeft een ontworpen behandelingscapaciteit van 50.000 m³/d, een totale oppervlakte van 33.154 m² en een totale investering van 182,4 miljoen yuan. Het haalbaarheidsstudierapport van het project werd in maart 2021 afgerond, het voorlopig ontwerp en de begroting werden in juni van datzelfde jaar goedgekeurd en de bouw begon officieel in april 2023. Het bevindt zich momenteel in de bouwfase. Het oorspronkelijke ontwerp vereiste dat de belangrijkste effluentparameters moesten voldoen aan de Klasse V-normen gespecificeerd in GB 3838-2002 "Environment Quality Standards for Surface Water", terwijl de totale stikstof (TN) en andere indicatoren moesten voldoen aan de klasse A-normen van GB 18918-2002 "Lozingsnorm van verontreinigende stoffen voor gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties."
In maart 2022 heeft de Qingdao Water Affairs Administration de "Kennisgeving over het uitvoeren van moderniserings- en renovatiewerkzaamheden voor stedelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties in Qingdao" uitgegeven. Deze kennisgeving vereiste dat zuiveringsinstallaties rond Jiaozhou Bay, Bohai Bay en langs rivieren de upgrades moesten voltooien, waardoor de lozingsnorm werd verhoogd tot een quasi-klasse IV-oppervlaktewaterkwaliteit, waarbij het effluent-TN tussen 10 en 12 mg/l werd gecontroleerd. De publicatie van dit beleid viel in het interval tussen de voorlopige ontwerpgoedkeuring van het project (juni 2021) en de fysieke start ervan (april 2023), waardoor er een technische kloof ontstond tussen de reeds goedgekeurde oorspronkelijke ontwerpnormen en de nieuwste milieueisen. Als nieuwe afvalwaterzuiveringsinstallatie in de West Coast New Area werd het, om naleving bij voltooiing te garanderen, absoluut noodzakelijk om tegelijkertijd procesoptimalisatie uit te voeren tijdens de bouwfase en een economisch haalbaar moderniseringsplan te ontwikkelen door middel van haalbaarheidsstudies.
1. Ontwerp en selectie van processchema's
1.1 Ontworpen afvalwaterkwaliteit
De effluentnormen van het project zijn opgewaardeerd van quasi-Klasse V naar quasi-Klasse IV oppervlaktewaterkwaliteit. Redelijke technische oplossingen waren nodig om de waarden van indicatoren zoals BZV en CZV verder te verlagenCr,TN, NH₃-N en TP in het effluent. Specifieke analyse wordt getoond inTabel 1.
1.2 Selectie van technisch technisch schema
De processtroom van de fabriek in aanbouw wordt weergegeven inFiguur 1.
De fabriek in aanbouw maakt gebruik van het proces "Voorbehandeling + gemodificeerde AAOAO biochemische tank + secundaire sedimentatietank + hoog-efficiënte sedimentatietank + V-type filter + ozonoxidatie". De lay-out van de gebouwen is compact, waardoor er geen overtollige grond overblijft voor het moderniseringsproject, dat daarom gebaseerd moet zijn op de lopende bouwwerkzaamheden. De upgrade is primair gericht op het verwijderen van verontreinigende stoffen zoals CZVCr, NH₃-N, TN en TP. Er werden twee vergelijkende schema's voorgesteld, zoals beschreven inTabel 2.
Schema 1: AAOAO-MBBR + hoog-efficiënt sedimentatietankproces
- Biochemische systeemmodificatie: Optimaliseer de structuur van de biochemische tank van AAOAO in aanbouw. Verbeter de denitrificatiecapaciteit door het volume van de anoxische zone uit te breiden. Voeg tegelijkertijd MBBR-dragers lokaal in de aerobe zone toe om een samengesteld proces te vormen, waardoor de biochemische verwijderingsefficiëntie van NH₃-N en TN wordt versterkt.
- Fysisch-chemische systeemupgrade: Optimaliseer de tankstructuur en ondersteunende uitrustingsparameters van de hoog-efficiënte sedimentatietank om stabiele TP-conformiteit te garanderen.
- Geavanceerde behandelingsverbetering: Verhoog de dosering in de ozonoxidatie-eenheid om vuurvast organisch materiaal verder af te breken en CZV te garanderenCrnaleving van de kwijtingsplicht.
Schema 2: Hoog-efficiënte sedimentatietank + denitrificerend diepbedfilterproces
- Optimalisatie van de bedrijfsmodus: Behoud de oorspronkelijke structuur van de biochemische tank van AAOAO. Voeg verstelbare beluchtingsapparaten toe in de post-anoxische zone om dynamisch te schakelen tussen anoxische/aerobe modi op basis van de kwaliteit van het influent, waardoor de effectiviteit van de NH₃-N-behandeling wordt gegarandeerd.
- Fysisch-chemische systeemupgrade: Optimaliseer de tankstructuur en ondersteunende uitrustingsparameters van de hoog-efficiënte sedimentatietank om stabiele TP-conformiteit te garanderen.
- Toepassing van denitrificerend filter: Converteer het V--type filter naar een denitrificerend diepbedfilter, waarbij gebruik wordt gemaakt van de dosering van koolstofbronnen om de verwijderingscapaciteit van TN te verbeteren.
- Geavanceerde behandelingsverbetering: Verhoog de dosering in de ozonoxidatie-eenheid om vuurvast organisch materiaal verder af te breken en CZV te garanderenCrnaleving van de kwijtingsplicht.
Beide schema's kunnen voldoen aan de eisen voor stikstof- en fosforverwijdering. Schema 1 maakt gebruik van aanpassingen aan de biochemische tank om TN-verwijdering te bereiken. Het voordeel ligt in het volledig benutten van de influent-koolstofbron. Wanneer influent TN fluctueert, kan ook een externe koolstofbron in de anoxische zone worden toegevoegd voor de verwijdering van TN. Ter vergelijking: het denitrificerende diepbedfilter dat in Schema 2 wordt gebruikt, vereist het gebruik van een externe koolstofbron en vereist langdurig -behoud van de microbiële activiteit in het filter, waardoor de operationele kosten stijgen. Hoewel de bouwinvesteringskosten voor beide plannen vergelijkbaar zijn, op basis van multidimensionale overwegingen, waaronder operationele kostenbeheersing, processtabiliteit en efficiëntie van het gebruik van koolstofbronnen, werd uiteindelijk Schema 1-, dat zowel economische efficiëntie als operationele flexibiliteit biedt, geselecteerd als het implementatieproces voor het moderniseringsproject.
2. Belangrijke technische ontwerppunten
2.1 Biochemische systeemmodificatie
De kerntechnologie van het MBBR-proces ligt in het bereiken van een efficiënte gefluïdiseerde beweging van zwevende dragers door middel van het ontwerp, waardoor de biologische afbraakefficiëntie van het systeem voor verontreinigende stoffen aanzienlijk wordt verbeterd. Dit processysteem bestaat uit vijf sleutelelementen: biofilmdragers met hoge{1}}mechanische-sterkte, een aangepaste hydraulische tankstructuur, een gericht beluchtingssysteem, een nauwkeurig onderscheppingsscherm en vloeistofvoortstuwingsapparatuur. Op basis van de aangepaste tankvolumes en de ontwerpparameters van een operationeel huurproject voor afvalwaterzuiveringsapparatuur (MBBR) van 20.000 m³/d binnen het regionale rioleringssysteem bedraagt de berekende totaal benodigde effectieve oppervlakte van de hangende dragers ongeveer 2.164.000 m². Het ontworpen effectieve specifieke oppervlak van de MBBR-dragers is groter dan 750 m²/m³. De ontwerpberekeningstabel voor het gewijzigde AAOAO-MBBR-tankvolume wordt weergegeven inTabel 3.
2.2 Fysisch-chemische systeemupgrade
De uiterst efficiënte sedimentatietank is ontworpen om in twee parallelle groepen te werken. Bij de renovatie van deze eenheid wordt de vorm van een procespakket aangenomen, waarbij de leverancier van de apparatuur volledige-procestechnische garanties en prestatieverplichtingen biedt. De kernprocesparameters en apparatuurconfiguraties zijn als volgt.
De coagulatietank bestaat uit twee groepen met in totaal 4 compartimenten. De ontworpen afmeting van het enkele compartiment is 2,675 mx 2,725 mx 5,9 m. De maximale detentietijd bedraagt ongeveer 3,8 minuten, met een snelheidsgradiënt (G) groter dan of gelijk aan 250 s-¹. Elk roerwerk is geconfigureerd met een enkel-eenheidsvermogen van 4 kW.
De flocculatietank bestaat uit twee groepen met in totaal 2 compartimenten. De ontworpen afmeting van het enkele compartiment is 5,65 mx 5,65 mx 5,9 m. De maximale detentietijd bedraagt ongeveer 8,3 minuten. De binnendiameter van de trekbuis bedraagt 2.575 mm. Het is geconfigureerd met roerwerken van het type Φ2500 mm turbine-, elk met een vermogen van 7,5 kW.
De bezinktank bestaat uit twee groepen. Het hellende buisoppervlak voor een enkele groep bedraagt circa 84 m². De diameter van de bezinktank bedraagt 11,7 m. De ontworpen gemiddelde hydraulische belastingssnelheid op het hellende buisoppervlak bedraagt 12,4 m³/(m²·h), met een piekwaarde van 16,1 m³/(m²·h). Het ontworpen gemiddelde hydraulische belastingsdebiet voor de sedimentatiezone bedraagt 7,6 m³/(m²·h), met een piekwaarde van 9,9 m³/(m²·h).
Het chemicaliëndoseersysteem is als volgt geconfigureerd: Commerciële polyaluminiumchloride (PAC) vloeistof (10% Al₂O₃) is ontworpen als coagulatiemiddel en wordt op meerdere punten in het influentgedeelte van de coagulatietank gedoseerd. De ontworpen maximale dosering is 300 mg/l, met een gemiddelde dosering van 150–200 mg/l. Er worden mechanische membraandoseerpompen gebruikt, geconfigureerd met een 10--voudig online verdunningssysteem. Anionisch polyacrylamide (PAM) is ontworpen als vlokmiddel en wordt gedoseerd in de flocculatiesectie van de hoogefficiënte sedimentatietank. Er wordt gebruik gemaakt van een set volautomatische continue PAM-oplossingbereidings- en doseereenheden, met een oplossingsconcentratie van 2 g/l. De ontworpen maximale dosering is 0,6 mg/l, met een gemiddelde dosering van 0,3 mg/l. Doseerpompen zijn schroefdoseerpompen, eveneens voorzien van een 10-voudig online verdunningssysteem.
2.3 Pilot-verificatie van ozonoxidatieexperimenten
Om de haalbaarheid te verifiëren van het effluent van de verbeterde installatie dat op stabiele wijze voldoet aan de oppervlaktewaternormen van klasse IV (CZV-concentratie minder dan of gelijk aan 30 mg/l), selecteerde deze studie het secundaire effluent uit de eerste en tweede fase van de Lianwanhe Water Quality Purification Plant als onderzoeksonderwerp in juni 2024. Er werd een prestatieverificatie-experiment uitgevoerd voor het geavanceerde behandelingsproces "Zandfiltratie + ozonoxidatie". Het experiment had tot doel de toepasbaarheid van dit proces op het Xin'an-projectontwerp en de haalbaarheid van het doel te evalueren.
Bij dit experiment werd gebruik gemaakt van de bestaande kleinschalige zandfiltratie-eenheid (behandelingscapaciteit 1,5 m³/u) in de fabriek in Lianwanhe. Ter plaatse werd op pilot-schaal een apparaat voor ozonoxidatie (torenreactor, effectief volume 0,5 m³) opgesteld. Het bestaande effluent van de secundaire sedimentatietank werd gefilterd door het kleine zandfilter en vervolgens door een pomp opgetild om van bovenaf de ozonoxidatietoren binnen te gaan. Het oxiderende effect van ozon werd gebruikt om vuurvast organisch materiaal uit het influent te verwijderen, waardoor een verdere CZV-reductie werd bereikt.
2.3.1 Prestaties van "Zandfiltratie + Ozonoxidatie" bij een ozondosering van 20 mg/L en een HRT van 30 min
Tijdens deze onderzoeksfase varieerde de influent CZV-concentratie van 38,2 tot 43,4 mg/L, met een gemiddelde van 40,4 mg/L. Na behandeling met het "Zandfiltratie + Ozonoxidatie"-proces bedroeg het uiteindelijke effluent CZV gemiddeld 28,8 mg/l. Uit het experiment bleek dat wanneer de CZV-concentratie hoog was, er nog steeds gevallen waren waarin het effluent CZV niet aan de norm voldeed. Bovendien bleef de uiteindelijke effluentkleur uit de pilottest hoger dan die van het influent en voldeed niet aan de lozingsnorm. Details worden getoond inFiguur 2(a).
2.3.2 Prestaties van "Zandfiltratie + Ozonoxidatie" bij een ozondosering van 25 mg/L en een HST van 30 min
Om de CZV-verwijdering verder te verbeteren en de kleur van het effluent te verminderen, bleef deze fase de ozondosering verhogen terwijl de HRT op 30 minuten werd gehouden. In deze experimentele fase varieerde de influent CZV-concentratie van 36,3 tot 46,2 mg/l, met een gemiddelde van 40,4 mg/l. Na de behandeling werd de CZV-concentratie verlaagd tot 28 mg/l. De uiteindelijke kleur van het effluent uit de pilotproef bleef nog steeds hoger dan het influent en voldeed niet aan de lozingsnorm. Details worden getoond inFiguur 2(b).
2.3.3 Prestaties van "Zandfiltratie + Ozonoxidatie" bij een ozondosering van 30 mg/L en een HRT van 30 min
Onder de omstandigheden van een ozondosering van 30 mg/L en een HRT van 30 minuten vertoonde het "Zandfiltratie + Ozonoxidatie"-proces een goede behandelingseffectiviteit voor secundair effluent CZV. In deze testfase varieerde de influent CZV-concentratie van 38,2 tot 42,2 mg/L, gemiddeld 40,2 mg/L. Na behandeling bleef de CZV-concentratie in het effluent stabiel onder de 30 mg/l, gemiddeld 26 mg/l. In deze fase vertoonde het proces ook een goede kleurverwijderingseffectiviteit, waarbij de gemeten kleur consistent onder de 20 lag, wat stabiel aan de ontladingsnorm voldeed. Details worden getoond inFiguur 2(c).
2.3.4 Experimentele conclusie
Gebaseerd op de experimentele resultaten, onder optimale reactieomstandigheden, was de verhouding van ozondosering (30 mg/l) tot CZV-verwijdering (12,2 mg/l) in de ozonbehandelingseenheid 2,45:1,00.
Het pilot-experiment bewees dat het geavanceerde behandelingsproces "Zandfiltratie + Ozonoxidatie" de CZV-waarde van het representatieve secundaire effluent van de Lianwanhe-fabriek effectief kan verlagen. Daarom is de toepassing van het proces "Zandfiltratie + Ozonoxidatie" als het geavanceerde behandelingsproces voor het Xin'an Qianhe-project goed haalbaar en kan ervoor zorgen dat het CZV-effluent van het project stabiel blijft onder de 30 mg/l.
3. Conclusie
Dit onderzoek richt zich op drie kernmodificatiemodules: het biochemische behandelingssysteem maakt gebruik van het hybride AAOAO-MBBR-proces (geschorste en aangehechte groei); de fysisch-chemische behandelingseenheid optimaliseert de tankstructuur en de uitrustingskeuze voor de hoog-efficiënte sedimentatietank; en de link naar de geavanceerde behandeling wordt gevalideerd door middel van een ozonoxidatie-experiment op pilot-schaal.
Door de synergetische optimalisatie van deze procesketen wordt een volledig-procesbehandelingssysteem van "Biochemische verbetering – fysisch-chemische verbetering – geavanceerde beveiliging" opgebouwd. Tegelijkertijd volgt dit technische ontwerp het objectieve feit van de lopende lopende projectconstructie, waardoor een gecoördineerde optimalisatie van de bouwvolgorde voor alle constructies noodzakelijk is om het gebruik van bestaande faciliteiten te maximaliseren en de renovatiewerklast te minimaliseren.
Het project gebruikt de effluentkwaliteitsnorm van de installatie in aanbouw als maatstaf voor de ontwerpinfluentkwaliteit. De lozingsconcentraties van CZVCr, BOD₅, NH₃-N en TP moeten voldoen aan de Klasse IV-normen (TN Minder dan of gelijk aan 10/12 mg/L) gespecificeerd in GB 3838-2002 "Environmental Quality Standards for Surface Water." Andere indicatoren moeten voldoen aan de klasse A-normen van GB 18918-2002 "Lozingsnorm voor verontreinigende stoffen voor gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties." Dit moderniseringsproject heeft een ontwerpschaal van 50.000 m³/d, een totale investering van 27,507 miljoen yuan, operationele kosten van 0,3 yuan/m³, totale kosten van 0,39 yuan/m³ en een operationele waterprijs van 0,45 yuan/m³.