Toepassing van een aangepast AAO-proces bij de behandeling van huishoudelijk afvalwater in kolenmijnen
Huishoudelijk afvalwater in kolenmijnen is voornamelijk afkomstig van personeelskantines, slaapzalen, kantoren, wasruimtes en badkamers, waarbij de badafvoer ruim 55% van het totale volume voor zijn rekening neemt. De afvoer van zwemwater is relatief geconcentreerd, waardoor er aanzienlijke stroomfluctuaties optreden. Gekenmerkt door een lagere organische concentratie en hogere zwevende deeltjes (SS), verschilt de badafvoer aanzienlijk van typisch huishoudelijk rioolwater. Het gespreide afvoerpatroon met andere afvalwaterstromen draagt bij aan aanzienlijke variabiliteit in de waterkwaliteit.
De meeste kolenmijnen in China bevinden zich in afgelegen gebieden waar de transportkosten voor slib hoog zijn. Daarom moeten behandelingsprocessen met een lagere slibopbrengst worden gekozen. Naarmate mijnen zich ontwikkelen en het personeelsbestand toeneemt, overschrijdt de afvalwaterstroom vaak de oorspronkelijke ontwerpcapaciteit, waardoor processen nodig zijn met een sterk aanpassingsvermogen aan veranderingen in de waterkwaliteit en -kwantiteit binnen dezelfde voetafdruk. Onder het steeds strengere milieubeleid dat volledig hergebruik van behandeld afvalwater vereist zonder lozing, moeten processen een hoge en stabiele afvalwaterkwaliteit opleveren.
Momenteel heeft het AAO-proces (Anaëroob-Anoxisch-Oxisch) de voorkeur bij de behandeling van gemeentelijk afvalwater. Dit artikel analyseert de toepassingseffectiviteit van een gemodificeerd AAO-proces (AAO + Suspended Carrier Process) voor huishoudelijk afvalwater uit kolenmijnen, op basis van zijn unieke kenmerken.
1. Gewijzigd AAO-proces
Het AAO-proces is de eenvoudigste stroomconfiguratie voor gelijktijdige verwijdering van stikstof en fosfor. Filamenteuze bacteriën kunnen zich niet uitgebreid vermenigvuldigen onder afwisselende anaerobe, anoxische en aerobe omstandigheden, waardoor de ophoping van slib wordt voorkomen. Het vereist geen chemische toevoeging, slechts een milde menging in anaerobe en anoxische tanks, wat resulteert in lage bedrijfskosten. Het slib heeft een hoog fosforgehalte, waardoor het een goede mestwaarde heeft.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, deze interne recycling verbruikt aanzienlijk veel energie. Effluent dat de secundaire zuiveringsinstallatie binnenkomt, moet een bepaald niveau van opgeloste zuurstof (DO) handhaven om anaërobe omstandigheden en het vrijkomen van fosfor te voorkomen, maar niet te hoog om te voorkomen dat de denitrificatie in de anoxische tank via de gerecycleerde gemengde vloeistof wordt verstoord.
Het gemodificeerde AAO-proces (AAO + Suspended Carrier Process) verzacht deze nadelen effectief. Het verhoogt de microbiële massa in de biologische tanks, verbetert de volumetrische belasting, bereikt een volledige scheiding van de hydraulische retentietijd (HRT) en de slibretentietijd (SRT), versterkt de veerkracht tegen hydraulische en organische schokbelastingen, levert een goede effluentkwaliteit, zelfs bij bronnen met een laag koolstofgehalte, en produceert minder en stabieler slib (waardoor de eisen aan de stroomafwaartse slibverwerkingscapaciteit worden verminderd). Het afvalwater kan voldoen aan de waterkwaliteitsnormen van 'The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Divers Water' (GB/T 18920-2020) en 'Code for Design of Coal Preparation Engineering' (GB 50359-2016) voor het wassen van steenkool. Hou Feng et al. paste het AAO+suspended carrier-proces toe in een ondergrondse afvalwaterzuiveringsinstallatie, waarbij klasse 1A-normen werden bereikt volgens de "Lozingsnorm van verontreinigende stoffen voor gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties" (GB 18918-2002), waarbij sleutelindicatoren (CZV, BOD5, NH3-N, TP) de normen van klasse IV bereikten volgens "Milieukwaliteitsnormen voor oppervlaktewater" (GB 3838-2002). Hao Ruigang et al. gebruikte "A/O Bio-contactoxidatie + Geperforeerde Swirl Flocculatie + Hellende Buissedimentatie + Actieve Zandfiltratie" bij de uitbreiding van een huishoudelijke afvalwaterinstallatie in een kolenmijn, waardoor een betere effluentkwaliteit werd bereikt dan klasse 1A. Yan Ziyu et al. behaalde ook goede resultaten met behulp van biofilmprocessen om de bestaande behandeling van huishoudelijk afvalwater uit kolenmijnen te moderniseren. Het gemodificeerde AAO-proces maakt capaciteitsverhogingen en verbetering van de kwaliteit van het afvalwater in bestaande installaties mogelijk met minimale aanpassingen.
Dit proces omvat het toevoegen van zwevende dragers aan de anoxische en aërobe tanks, waarbij de voordelen van actiefslib- en biofilmprocessen worden gecombineerd. Het beschikt over een hoge volumetrische belasting, grote biomassa, een hoge behandelingsefficiëntie, een sterk aanpassingsvermogen aan de vervuilingsgraad, verbeterde processtabiliteit en een goede verwijdering van voedingsstoffen. Het vormt zeer gespecialiseerde actieve biofilms, waardoor de efficiëntie per reactorvolume en de stabiliteit toenemen, waardoor kleinere reactoren mogelijk zijn. Vervelend biofilmslib bevat meer protozoa/metazoa, heeft een hogere dichtheid en een grotere deeltjesgrootte, wat resulteert in een goede bezinking en gemakkelijke scheiding van vaste-vloeistoffen. Het maakt volledige SRT-HRT-scheiding mogelijk, elimineert de ophoping van slib en is geschikt voor afvalwater dat rijk is aan oplosbare organische stoffen.
2.1 Casestudy
Een kolenmijn in de stad Yan'an, ongeveer 16 km van de stad Zichang, heeft een zuiveringsinstallatie voor huishoudelijk afvalwater met een ontwerpcapaciteit van 1200 m³/d. Het proces is: "Scherm + egalisatietank + AAO met hangende dragers + geavanceerde behandeling (coagulatie-sedimentatie-filtratie) + desinfectie". Slib wordt behandeld via "Zwaartekrachtverdikking + Schroefpersontwatering". Het effluent voldoet aan de strengere limieten van *GB/T 18920-2020* en GB 50359-2016 voor kolenwaswater. Het behandelde water wordt hergebruikt voor mijngroen en als suppletiewater in de steenkoolverwerkingsinstallatie. De kwaliteit van het ontwerp van de influent/effluent is binnenTabel 1. De processtroom wordt weergegeven inFiguur 1.
Afvalwater stroomt door een scherm (5 mm opening, 75 graden installatiehoek) in een egalisatietank (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, effectieve diepte 2,95 m, volume 247,8 m³, HRT 4,13 uur), dat voldoet aan de vereisten van GB 50810-2012. Twee mixers voorkomen bezinking. Drie dompelpompen (2 in werking +1 stand-by, Q=32.5 m³/u, H=17 m, N=4 kW) pompen water naar de biologische tanks.
Het biologische systeem bestaat uit twee parallelle treinen. Per trein:
- Anaërobe tank: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, effectieve diepte 4,5 m, HRT 1,5 uur.
- Anoxische tank: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, effectieve diepte 4,25 m, HRT 2,83 uur.
- Aërobe tank: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, effectieve diepte 4,0 m, HRT 10,0 uur. Totale systeem-HRT is 15,75 uur. In de aërobe tank worden hangende dragers (vullingsgraad 80%, specifiek oppervlak 600 m²/m³) geïnstalleerd. De ontwerpverhouding lucht-tot-water is 13,7:1. Er worden drie Roots-blowers gebruikt (2 standen +1 stand-by, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa). De slibrecycleratio is 100%, de gemengde likeurrecycleratio is 200%.
Twee rechthoekige perifere -inlaat/uitlaat secundaire zuiveringsinstallaties (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m elk) hebben een oppervlaktebelastingssnelheid van 1,2 m³/(m²·u) en een HRT van 2,5 uur.
Een geïntegreerde waterzuiveraar (combinatie van coagulatie, sedimentatie en filtratie) biedt een geavanceerde behandeling voor verdere verwijdering van SS en fosfor.
De slibbehandeling omvat het verdikken door zwaartekracht (Φ2,5 mx5,0 m koolstofstalen tank), gevolgd door ontwatering met een schroefpers. Polyacrylamide (PAM) wordt vóór het ontwateren gedoseerd in een dosering van 3,0–5,0 kg/ton droge stof. Dagelijks ontwaterde slibkoek is minder dan of gelijk aan 150 kg met een vochtgehalte van minder dan of gelijk aan 80%, vervoerd naar een andere locatie.
Bij de desinfectie wordt gebruik gemaakt van een -ClO2-generator ter plaatse (effectieve chloordosering 120 g/uur) die wordt gedoseerd aan de heldere putinlaat. De heldere put heeft een effectief volume van 250 m³, wat een contacttijd van 4,2 uur oplevert.
De installatie is uitgerust met uitgebreide online monitoring (stroommeters, restchloor, pH, DO, CZV, troebelheid, slibniveau/concentratie) en geautomatiseerde controlesystemen voor pompen, blowers, terugspoeling, chemicaliëndosering en mengen, waardoor een intelligente, onbeheerde werking wordt gegarandeerd.
2.2 Prestatieanalyse
De fabriek werd in 2021 in gebruik genomen en is al meer dan twee jaar in bedrijf. De werkelijke kwaliteit van het influent/effluent voor 2024 wordt weergegeven inTabel 2.
De influent BZV5/N-verhouding is 5,5, wat wijst op een lage koolstof-tot-stikstof (C/N)-verhouding in afvalwater, die in de zomer verder afneemt als gevolg van regeninfiltratie en gewoonteveranderingen. Extreme wintertemperaturen in Yan'an kunnen -21 graden bereiken. De werkelijke kwaliteit van het afvalwater is beter dan het ontwerp, met verwijderingspercentages van: CZV 97,8%, BZV5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, en voldoet aan de normen voor het wassen van steenkool en steenkool.
De actieve biofilmmassa in de anoxische/aerobe tanks is maar liefst 125 g/m² drager, wat overeenkomt met een MLSS van 13 g/l-vier maal die van conventioneel actief slib. Micro-organismen bevinden zich in de endogene ademhalingsfase, wat resulteert in een dagelijkse slibproductie van ongeveer 1/3 van die bij conventionele methoden, met een betere bezinkbaarheid, waardoor kleinere slibbehandelingsapparatuur mogelijk is.
Hoewel bio{0}}contactoxidatie kan werken zonder slibrecycling, blijkt uit onderzoek van Xiong Ren et al. laat zien dat systemen met recycle hogere verwijderingspercentages bereiken voor CZV, TN, NH3-N, SS en de slibopbrengst met 29,6% verminderen. Dit ontwerp omvat recycling van gemengde vloeistoffen, met operationele flexibiliteit op basis van de kwaliteit van het afvalwater.
De fabriek (1200 m³/d) beslaat 1350,3 m², met een kapitaalinvestering van 20 miljoen CNY en bedrijfskosten van 1,05 CNY/m³.
Vergeleken met conventionele AAO, waarvoor uitgebreide SRT nodig is voor effectieve werking bij lage- temperaturen, behoudt dit aangepaste proces de eenvoud van gelijktijdige verwijdering van voedingsstoffen terwijl de biologische gemeenschap wordt verrijkt met dragers. De SRT-HRT-scheiding verbetert de bio-stabiliteit en zorgt voor een betrouwbare werking bij lage C/N en lage- temperatuuromstandigheden. Stabiel effluent kan worden gehandhaafd met weinig of geen slibrecyclage, waardoor in-situ slibreductie en lagere slibverwerkingskosten mogelijk zijn. De eenvoud en het gebrek aan volume maken het zeer geschikt voor de behandeling van huishoudelijk afvalwater in kolenmijnen.
3. Optimalisatieonderzoek voor AAO-proces
Gewijzigde AAO-processen worden doorgaans ontworpen volgens de parameters in "Standaard voor ontwerp van buitenafvalwatertechniek" (GB 50014-2021). Optimalisatie van operationele parameters (HRT, SRT, beluchting, recycleratio's, MLSS) die specifiek zijn voor het afvalwater van kolenmijnen is echter nodig om optimale omstandigheden voor toekomstig ontwerp en gebruik te identificeren.
Bij conventionele AAO wordt slib gerecycled van de aërobe naar de anaërobe tank, waarbij nitraat en een hoge DO worden vervoerd, wat de biologische fosforverwijdering kan belemmeren. Het proces van de Universiteit van Kaapstad (UCT) kan worden overwogen, waarbij slib wordt gerecycled naar de anoxische tank, genitrificeerde vloeistof naar de anoxische tank en een extra recycling van anoxische naar anaerobe tank wordt toegevoegd om de verwijdering van bio{1}}P te verbeteren.
Slibbehandeling kan 50 tot 60% van de bedrijfskosten van een installatie uitmaken. In-situ-slibreductietechnologieën moeten worden toegepast. De hoge MLSS in gemodificeerde AAO-bio-tanks leidt tot een hoge F/M-verhouding, waarbij ontkoppeling van het metabolisme kan optreden, waardoor de slibreductie wordt bevorderd en de slibverwerkingskosten worden verlaagd. De toekomstige focus zou moeten liggen op het toepassen van in-situ reductietechnologieën zoals cryptische groei via micro-lyse, Oxic-Settling-Anaëroob (OSA) proces, en het ontkoppelen van het metabolisme bij de afvalwaterbehandeling van kolenmijnen.
Dit proces is geschikt voor het achteraf inbouwen van bestaande AAO-installaties in kolenmijnen. Het toevoegen van dragers aan anoxische/aerobe tanks kan de kwaliteit van het afvalwater verbeteren, de capaciteit vergroten en de systeemstabiliteit verbeteren. Voor installaties met strengere effluenteisen kan het vervangen van de secundaire zuiveringsinstallatie door een MBR-systeem de waterkwaliteit verder verbeteren.
4. Conclusie
- Het gemodificeerde AAO-proces is geschikt voor het upgraden van bestaande AAO-systemen in kolenmijnen om de stabiliteit te verbeteren, de capaciteit te vergroten of aan strengere normen te voldoen.
- Bij de behandeling van huishoudelijk afvalwater uit kolenmijnen kan het effluent tegelijkertijd voldoen aan de *GB/T 18920-2002*-normen voor wegenbewatering/groen en GB 50359-2016-normen voor steenkoolwaswater, wat een sterk aanpassingsvermogen aan veranderingen in de waterkwaliteit en -kwantiteit aantoont.
- Het proces produceert stabiel slib met een goede bezinking en gemakkelijke scheiding, genereert minder slib en verlaagt de slibbehandelingskosten.