Geavanceerde stikstofverwijdering in waterzuiveringsinstallaties: Pure Biofilm MBBR-procesontwerp en prestatieanalyse|Casestudy

Technisch ontwerp en prestaties van een zuiver biofilm MBBR-proces voor geavanceerde stikstofverwijdering

Met de alomvattende vooruitgang van de Chinese ecologische beschavingsopbouw zijn de lozingsnormen voor afvalwaterzuiveringsinstallaties (AWZI's) steeds strenger geworden. De klasse A-norm van de "Lozingsnorm voor verontreinigende stoffen voor gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties" (GB 18918-2002) vereist TN kleiner dan of gelijk aan 15 mg/l, terwijl lokale normen in regio's als Beijing en Shandong de limiet expliciet stellen op TN kleiner dan of gelijk aan 10 mg/l. Deze verhoogde normen reiken verder dan alleen de grenzen van de waterkwaliteit, waardoor strengere eisen worden gesteld aan de stabiliteit van het effluent. Bijgevolg bestaat er een dringende behoefte om de stikstofverwijderingscapaciteit van behandelingsprocessen te vergroten. Eén benadering is het verhogen van de dosering van koolstofbronnen in het bestaande proces om de denitrificatie te verbeteren, maar dit leidt tot hoge operationele kosten en verhoogde koolstofemissies. Als alternatief kan het toevoegen van geavanceerde faciliteiten voor stikstofverwijdering, waarbij vaak gebruik wordt gemaakt van biofilmmethoden om denitrificerende bacteriën efficiënt te verrijken, de verwijdering van TN verbeteren, de behoefte aan externe koolstofbronnen verminderen en de koolstofemissies verlagen. De Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR), met zijn voordelen van sterke functionele bacterieverrijking, kleine footprint en eenvoudige bediening en onderhoud, is op grote schaal toegepast bij de bouw, uitbreiding en modernisering van afvalwaterzuiveringsinstallaties. Het kan op stabiele wijze lozingsnormen bereiken die beter zijn dan quasi-Klasse IV-oppervlaktewaterkwaliteit en biedt aanzienlijke mogelijkheden en voordelen voor geavanceerde stikstofverwijdering in RWZI's. Dit artikel neemt een waterzuiveringsinstallatie in Shandong als casestudy om de ontwerpgrondslag en operationele prestaties van de toepassing van een zuiver biofilm-MBBR-proces voor geavanceerde stikstofverwijdering te analyseren, met als doel een technische referentie te bieden voor efficiënte denitrificatie van afvalwater.

1. Projectoverzicht

1.1 Projectintroductie

Een afvalwaterzuiveringsinstallatie in Shandong werd in twee fasen gebouwd. De eerste fase, waarbij gebruik wordt gemaakt van het BIOLAK-proces, werd officieel in gebruik genomen in november 2003, met een verwerkingscapaciteit van 40.000 m³/d. De lay-out van het BIOLAK-proces en het beschikbare gebied voor upgrade worden weergegeven inFiguur 1. Aanvankelijk voldeed de effluentkwaliteit aan de klasse B-norm van GB 18918-2002. Tegen 2020 was de kwaliteit van het afvalwater door verbeterde dosering van koolstofbronnen en de toevoeging van geavanceerde behandeling verbeterd tot de klasse A-norm. Tegen 2023, na drie jaar in bedrijf te zijn geweest, zou de algehele kwaliteit van het afvalwater over het algemeen kunnen voldoen aan de klasse A-norm, maar er waren twee grote uitdagingen met betrekking tot de verwijdering van stikstof:

Hoge dosering van koolstofbronnen: Om de doelstelling van TN Minder dan of gelijk aan 15 mg/L te bereiken, was een aanzienlijke hoeveelheid externe koolstofbron vereist. Berekeningen op basis van processecties lieten een C/N-verhouding van wel 5,9 zien, terwijl het AAO-proces in de tweede fase van de fabriek slechts een C/N van 4,5-5,0 vereiste om een ​​stabiele TN-conformiteit te garanderen. De toevoeging van een grote koolstofbron had ook een negatief effect op het aerobe nitrificatieproces, waardoor het zuurstofverbruik in de aerobe zone toenam.

Slechte stabiliteit van stikstofverwijdering: Omdat nitrificatie en denitrificatie in dezelfde tank plaatsvonden onder verschillende vereiste omstandigheden, moesten operationele parameters regelmatig worden aangepast op basis van veranderingen in het influent. De beheersing van NH₃-N en TN was tegenstrijdig, waardoor het lastig was een stabiel evenwicht tussen nitrificatie en denitrificatie te handhaven. De schokbestendigheid van het systeem was gemiddeld, wat leidde tot een slechte effluentstabiliteit.

Daarom was een upgrade van het oorspronkelijke BIOLAK-proces noodzakelijk, met als kerndoelstellingen het oplossen van het conflict tussen nitrificatie en denitrificatie, het verminderen van de operationele kosten voor stikstofverwijdering en het verbeteren van de effluentstabiliteit.

1.2 Upgrade-uitdagingen

Omdat het BIOLAK-proces niet geschikt was voor modificatie in-tanks om de prestaties te verbeteren, was het plan om de behandeling te versterken door een nieuwe geavanceerde eenheid voor stikstofverwijdering te bouwen. Het oorspronkelijke BIOLAK-proces richtte zich primair op nitrificatie met denitrificatie als secundair, terwijl het nieuwe proces zich op denitrificatie zou concentreren. Gezien de werkelijke renovatiebehoeften werd het project geconfronteerd met twee grote uitdagingen: de beperkte beschikbare grond voor het nieuwe proces en hoge operationele efficiëntie-eisen.

Beperkt beschikbaar land voor nieuw proces: De nieuwbouw moest worden voltooid binnen het bestaande fabrieksterrein, dat in wezen geen gereserveerde grond had. Er kon alleen gebouwd worden op een groenstrook grenzend aan de BIOLAK-tanks, met een beschikbare oppervlakte van 400 m². Dit betekende dat de voetafdruk van het nieuwe project per behandelde eenheid kleiner dan of gelijk moest zijn aan 0,01 m²/(m³·d).

Hoge operationele efficiëntie-eisen: Dit was geen eenvoudige upgrade maar een verdere optimalisatie van de biochemische functionele zone. Verwacht werd dat de nieuwe eenheid een stikstofverwijderingsvracht van 20 mg/l zou kunnen verwerken. Dit proces moest niet alleen op een beperkt aantal land worden voltooid, maar moest ook de dosering van de koolstofbron verminderen in vergelijking met de oorspronkelijke BIOLAK-denitrificatie, terwijl stabiele denitrificatieprestaties moesten worden gegarandeerd. Er werden dus hoge eisen gesteld aan zowel de efficiëntie van de stikstofverwijdering als de efficiëntie van het gebruik van koolstofbronnen.

2. Procesvergelijking en selectie

Na behandeling volgens het BIOLAK-proces bestaat het effluent TN voornamelijk uit nitraatstikstof. Momenteel maken volwassen geavanceerde stikstofverwijderingsprocessen voornamelijk gebruik van biofilmmethoden, gekenmerkt door micro-organismen die zich efficiënt verrijken op drageroppervlakken in een aangehechte toestand, wat een aanzienlijk hogere functionele bacterieverrijkingsefficiëntie oplevert dan conventionele actiefslibprocessen. Biofilmprocessen kunnen verder worden onderverdeeld in typen met een vast-bed en een bewegend-bed op basis van dragerfluïdisatie, zoals weergegeven inFiguur 2.Denitrificerende filters, typische biofilmprocessen met een vast-bed, gebruiken vaste korrelige filtermedia als microbiële groeidragers. Door een externe koolstofbron toe te voegen, maken ze gebruik van de denitrificatie van de biofilm en de filtratie van de media om gelijktijdige verwijdering van NO₃ te bereiken^--N, SS en andere verontreinigende stoffen. Voordelen zijn onder meer een stabiele kwaliteit van behandeld water, geen noodzaak voor secundaire bezinkingssystemen en een compacte lay-out, waardoor ze op grote schaal worden gebruikt bij upgrades van waterzuiveringsinstallaties als een geavanceerde behandelingseenheid om de verwijdering van TN uit secundair effluent te versterken. De operationele focus moet echter liggen op de impact van C/N op de geavanceerde denitrificatie-efficiëntie. Het Fase I-upgradeproject van Pingtang WWTP, eveneens met een capaciteit van 40.000 m³/d, maakte gebruik van een denitrificerend filter + hoog-efficiënte opgeloste luchtflotatie (DAF) als het geavanceerde behandelingsproces om effluent TN te verhogen naar quasi-Klasse IV oppervlaktewaternormen, waardoor een voetafdruk van ongeveer 0,045 m²/(m³·d) werd bereikt, waardoor land werd bespaard en een efficiënte behandeling mogelijk werd gemaakt, maar met een C/N zo hoog als 18.34. Om aan de nieuwe lokale normen voor afvalwater-TN te voldoen, heeft de Chengdu No. 9 Water Reclamation Plant een sedimentatietank met hoge-dichtheid en een denitrificerend diep-bedfilter gebruikt als upgradeproces, met een C/N van 5,7, waarmee een geavanceerde behandeling onder hoge normen werd bereikt. De waterzuiveringsinstallatie Dingqiao in Haining kon niet voldoen aan de lozingsnormen van klasse A die vereist zijn voor het stroomgebied van de Qiantang. Gao Feiya et al. gebruikte een denitrificerend diep-bedfilter voor geavanceerde TN-behandeling, waarbij tegelijkertijd SS en TP werden verwijderd, waardoor de kwaliteit van het afvalwater dicht bij de quasi-Klasse IV-normen kwam, maar met een hoge C/N van 15,68, wat leidde tot hoge kosten voor stikstofverwijdering. Bovendien vereisen filterprocessen regelmatig terugspoelen, meestal met behulp van lucht-waterzuivering, wat de operationele stabiliteit kan beïnvloeden.

instabiliteit in denitrificerende filters heeft onderzoek naar de toepassing van op zwavel-gebaseerde autotrofe denitrificatie (SAD) op denitrificerende filters aandacht gekregen. SAD gebruikt elementaire zwavel of zwavelverbindingen als elektronendonoren onder anaërobe of anoxische omstandigheden om NO₃ te verminderen^--N tot N₂. Het biedt voordelen zoals een goede denitrificatie-efficiëntie, geen noodzaak voor een organische koolstofbron, lage operationele kosten en lage slibproductie. Song Qingyuan et al. bestudeerde het stikstofverwijderende effect van een SAD-filter op secundair effluent. Na het optimaliseren van de proefomstandigheden bleef de nitraatverwijdering stabiel boven de 95%, maar het mediaverbruik bereikte jaarlijks 20%, vergezeld van een verhoogde sulfaatconcentratie in het afvalwater en een verlaagde pH. Om secundaire vervuilingsrisico's door SAD te vermijden, hebben Li Tianxin et al. bereide media door een mengsel van zwavel en kalksteenpoeder te pelletiseren. Het toevoegen van een bepaalde hoeveelheid kalksteen aan het filterbed neutraliseerde de gegenereerde zuurgraad en produceerde CaSO₄-neerslag, waardoor de sulfaatconcentratie in het afvalwater werd verlaagd en de problemen van de zuurproductie en hoge sulfaatniveaus effectief werden aangepakt. De kalksteen nam echter ruimte in beslag die bedoeld was voor elektronendonormedia binnen het systeem, waardoor de geavanceerde denitrificatiecapaciteit werd verzwakt, de hardheid van het effluent toenam en de operationele kosten toenamen. Het huidige onderzoek naar SAD-technologie vindt voornamelijk plaats op laboratorium- en pilotschaal, met onvoldoende technische ervaring als referentie. Verder toegepast onderzoek is nodig vóór promotie op industriële schaal-.

MBBR is een typische vertegenwoordiger van biofilmprocessen met wervelbed- en een nieuwe afvalwaterzuiveringstechnologie die de afgelopen jaren veel aandacht heeft gekregen. Het maakt gebruik van zwevende dragers met een dichtheid die dicht bij water ligt om micro-organismen specifiek te verrijken en een biofilm te vormen om geavanceerde stikstofverwijdering te bereiken. Biofilmprocessen met wervelbed- voorkomen ook problemen met verstopping van media en terugspoelen. Momenteel heeft pure biofilm MBBR voor geavanceerde AWZI-denitrificatie meer dan 20 jaar succesvolle operationele ervaring in het buitenland en wordt het steeds breder toegepast in China. Zheng Zhijia et al. gebruikte een twee-staps zuiver biofilm MBBR-proces voor geavanceerde denitrificatie. Bij C/N=4.0 stabiliseerde de nitraatstikstof uit het systeem zich op (1,87 ± 1,07) mg/l, met een gemiddeld TN-verwijderingspercentage van 93,3%. Een afvalwaterzuiveringsinstallatie in een ontwikkelingsgebied in een bepaalde stad heeft een nieuwe MBBR-bio-tank gebouwd als tertiaire geavanceerde behandeling voor verbeterde denitrificatie. De TN-verwijderingsbelasting in het anoxische gedeelte van de zuivere biofilm MBBR was 1,1 g/(m²·d), waardoor de betrouwbaarheid van de denitrificatie van het systeem werd verbeterd. Gao Yanbo et al., met als doel de capaciteit van de oorspronkelijke fabriek te vergroten, bouwden een nieuwe twee-traps AO pure biofilm MBBR-bio-tank, waarmee een stabiel effluent-TN van minder dan 5 mg/l met een hoge denitrificatie-efficiëntie werd bereikt. Het MBBR-proces met pure biofilm vertoont dus een groot potentieel voor geavanceerde stikstofverwijdering in afvalwaterzuiveringsinstallaties, waarbij voordelen worden gecombineerd zoals een hoge benuttingsefficiëntie van koolstofbronnen, een hoge behandelingsbelasting en een kleine voetafdruk. Het stelt echter ook hogere eisen aan apparatuur, waardoor betrouwbare apparatuur nodig is om een ​​stabiele procesuitvoering te ondersteunen. Een vergelijking van veelgebruikte geavanceerde stikstofverwijderingsprocessen wordt getoond inTabel 1.

Op basis van een alomvattende vergelijking is de huidige toepassing van het SAD-proces, hoewel er geen toevoeging van koolstofbronnen nodig is, nog niet volwassen en brengt het secundaire verontreinigingsrisico's met zich mee, zodat deze upgrade niet in aanmerking werd genomen. Hoewel denitrificatiefilters op grote schaal worden gebruikt, worden ze vooral gebruikt bij upgrades van waterzuiveringsinstallaties, waarbij de ontwerpinfluent/effluent-TN vaak 15/12 mg/l bedraagt, waardoor een relatief kleine TN-verwijderingsbelasting kan worden verwerkt. Omdat bij dit project moest worden voldaan aan de hoge -termijneisen voor de verwijdering van TN, zou de werking de terugspoelcyclus van het filter aanzienlijk verkorten, waardoor de operationele problemen en de instabiliteit zouden toenemen. Het pure biofilm MBBR-proces combineert voordelen zoals een hoge efficiëntie van het koolstofgebruik, geen noodzaak voor terugspoelen, volwassen toepassing en geen secundaire vervuiling. Rekening houdend met de procesuitdagingen en renovatievereisten heeft het project uiteindelijk gekozen voor de bouw van een nieuwe MBBR-bio-tank met zuivere biofilm (hierna de MBBR-tank genoemd) als de geavanceerde oplossing voor stikstofverwijdering voor de eerste fase, ontworpen met een C/N=4.5 en een geplande terugverdientijd van de investering van 7,37 jaar.

3. Nieuwbouwplan

3.1 Processtroom

De processtroom van het afvalwaterzuiveringsproces na renovatie wordt weergegeven inFiguur 3. Het influent van de fabriek passeert fijne schermen, vortex-gritkamers en primaire sedimentatietanks voordat het de BIOLAK-bio-tank binnengaat voor de verwijdering van organisch materiaal, ammoniakstikstof, enz. Het wordt vervolgens door pompen naar de MBBR-tank getransporteerd voor geavanceerde TN-verwijdering. De MBBR-tank is ontworpen voor een influent-TN van 35 mg/l en een effluent-TN van minder dan of gelijk aan 15 mg/l. Het MBBR-effluent wordt door secundaire pompen naar de bestaande geavanceerde behandeling van de fabriek getransporteerd voor scheiding van vaste-vloeistoffen en slibverspilling. Het uiteindelijke afvalwater wordt gedesinfecteerd voordat het in de ontvangende rivier wordt geloosd. Overtollig slib wordt ingedikt, ontwaterd en naar een andere plek getransporteerd-voor verwijdering.

3.2 Nieuwe MBBR-tank

De MBBR-tank maakt gebruik van een AO-proces, gebouwd met behulp van Lipp-tanks voor modulaire montage, voltooid in 30 dagen. De totale hydraulische retentietijd (HRT) van het systeem bedraagt ​​1,43 uur. In de tanks worden gespecialiseerde aërobe en anoxische hangende dragers van het type SPR-III toegevoegd, met een vulverhouding van 60% in de aerobe zone en 55% in de anoxische zone. De dragers zijn afgeplat cilindrisch, hebben een diameter van 25 mm en een hoogte van 10 mm, met een effectief specifiek oppervlak groter dan of gelijk aan 800 m²/m³. De anoxische zone is uitgerust met 4 MBBR-specifieke variabele-frequentiemixers (SPR chemisch energietype), elk N=5.5 kW, die zorgen voor een uniforme en voldoende fluïdisatie voor de dragers. Na de rijping van de biofilm worden routinematig 2 mixers gebruikt, terwijl de andere 2 als warme stand-by dienen. De aërobe zone maakt gebruik van schroefblowers voor beluchting. Eén enkele ventilator heeft een luchtcapaciteit van 14,50 m³/min, druk 90 kPa, N=22 kW. Er is één set geperforeerde buisroosters voor aerobe zones (type SPR) geïnstalleerd. Vanwege het lage benodigde beluchtingsvolume kunnen doorgaans de bestaande Phase I-blowers worden gebruikt, waarbij de nieuwe blower en Phase I-blowers als wederzijdse back-ups dienen. Nieuwe materiaalonderscheppingsschermen (SPR-type), 12 mm dik, met een ontworpen levensduur van 30 jaar, zijn geïnstalleerd in zowel de aerobe als de anoxische zones.

3.3 Nieuwe ondersteunende faciliteiten

• Invloedrijk systeem: Effluent uit de BIOLAK-bio-tank wordt naar de MBBR-tank getild. 4 er zijn inlaatpompen geïnstalleerd (2 in bedrijf, 2 stand-by), elk met Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Doseersysteem voor koolstofbronnen: Het effluent van de Fase I BIOLAK bio-tank bevat alleen CZV dat moeilijk te gebruiken is. Om geavanceerde denitrificatie in de anoxische zone van de MBBR-tank te garanderen, wordt natriumacetaat gebruikt als externe koolstofbron. . 4 Er zijn meetpompen geïnstalleerd (2 in bedrijf, 2 stand-by), elk met Q=300 L/u, H=200 kPa, N=0.37 kW.