Casestudy: Een zuiveringsinstallatie upgraden naar waterstandaarden van klasse III met behulp van het MBBR+ACCA-proces

Casestudy van MBBR+ACCA-proces voor het upgraden en reconstrueren van een stedelijke afvalwaterzuiveringsinstallatie

Tegen de achtergrond van de bloeiende Chinese economie is het tempo van de industrialisatie en verstedelijking aanzienlijk versneld. Dit proces gaat onvermijdelijk gepaard met een jaar-op-jaar een toename van de lozing van industrieel afvalwater en huishoudelijk rioolwater, waardoor de problemen met de watervervuiling worden verergerd en de constructie van een duurzame ecologische beschaving in China wordt beïnvloed. Met de alomvattende implementatie van het Actieplan ter Preventie en Controle van Waterverontreiniging zijn er strengere lozingseisen opgelegd aan stedelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties in het hele land. Lokale normen in sommige steden hebben een waterkwaliteit van quasi-Klasse IV bereikt, en voor afvalwater dat in kwetsbare waterlichamen wordt geloosd, naderen bepaalde individuele indicatoren geleidelijk de klasse III-norm voor oppervlaktewater. De resterende verontreinigende stoffen in stedelijk afvalwater na biologische behandeling zijn echter voornamelijk niet-biologisch afbreekbare organische verbindingen met een slechte biologische afbreekbaarheid. Het uitsluitend vertrouwen op traditionele biologische verbeteringstechnologieën is onvoldoende geworden om aan de steeds strengere emissienormen te voldoen.

Geactiveerde cokes beschikt over een hoogontwikkeld mesoporeus systeem dat macromoleculaire verontreinigende stoffen in water kan adsorberen. Met hoge mechanische sterkte, stabiliteit, goede adsorptieprestaties en relatief economische kosten wordt het op grote schaal toegepast bij de behandeling van industrieel afvalwater dat moeilijk biologisch afbreekbaar is. De afgelopen jaren heeft de filtratietechnologie waarbij actieve cokes als medium wordt gebruikt, ook bepaalde toepassingen gevonden bij de geavanceerde behandeling van gemeentelijke afvalwaterinstallaties, waarbij goede resultaten worden behaald bij de uiteindelijke verwijdering van verontreinigende stoffen. Door een technisch voorbeeld te combineren van een moderniseringsproject bij een afvalwaterzuiveringsinstallatie in de provincie Henan, heeft de auteur het MBBR+ACCA-proces (Activated Coke Circulating Adsorption) toegepast om de behandeling van stedelijk afvalwater te verbeteren. De effluent CZV-, NH₃-N- en TP-indicatoren voldeden aan de GB 3838-2002 Klasse III-waternorm, die een referentie vormde voor moderniseringsprojecten bij andere afvalwaterzuiveringsinstallaties.

1. Basissituatie van de afvalwaterzuiveringsinstallatie

De totale ontwerpcapaciteit van deze afvalwaterzuiveringsinstallatie bedraagt ​​50.000 m³/d, bestaande uit een fase I-ontwerpcapaciteit van 18.000 m³/d en een fase II-ontwerpcapaciteit van 32.000 m³/d. Het behandelt voornamelijk stedelijk huishoudelijk afvalwater en een kleine hoeveelheid industrieel afvalwater. In 2012 werd een upgrade voltooid, waarbij het afvalwater voldeed aan de klasse 1A-norm van de lozingsnorm voor verontreinigende stoffen voor gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties GB 18918-2002. Het hoofdproces bestaat uit meer-traps AO + denitrificatiefilter + sedimentatietank met hoge dichtheid. De processtroom wordt weergegeven inFiguur 1.

Momenteel draait de afvalwaterzuiveringsinstallatie bijna op volle capaciteit. Op basis van de huidige operationele gegevens kan de kwaliteit van het afvalwater, bij goed onderhoud van de installatie, stabiel worden gehandhaafd op de GB 18918-2002 klasse 1A-norm. De effluentconcentraties voor CZV, BZV₅, NH₃-N, TN en TP variëren respectievelijk van 21,77-42,34 mg/L, 1,82-4,15 mg/L, 0,13-1,67 mg/L, 8,86-15,74 mg/L en 0,19-0,42 mg/L.

Voorafgaand aan de upgrade had de fabriek te maken met de volgende problemen: 1) Verouderde en beschadigde schermen in de voorbehandelingssectie zorgden ervoor dat er wat vuil in de biologische tanks terechtkwam, waardoor de pompen gemakkelijk verstopt raakten en de daaropvolgende behandeling werd beïnvloed; 2) Instabiele TN-verwijdering tijdens lage wintertemperaturen en aanzienlijke schommelingen in de waterkwaliteit en -kwantiteit; 3) Onvoldoende tankvolume in de biologische tanks van Fase I en onredelijke verdeling van de anoxische zones, wat leidt tot een slechte efficiëntie van de TN-verwijdering en een hoge chemische dosering voor de daaropvolgende toevoeging van koolstofbronnen; 4) Het oorspronkelijke beluchtingssysteem maakte gebruik van verouderde traditionele centrifugaalventilatoren met een hoog energieverbruik; 5) Ernstige verstopping van filtermedia in de denitrificatiefilters, onvolledige terugspoeling en problemen bij een stabiele werking; 6) Frequente storingen in de meng- en roerapparatuur in de sedimentatietanks met hoge dichtheid; 7) Frequente storingen van de twee bestaande bandfilterpersen voor slibontwatering, hoog vochtgehalte van ontwaterd slib, groot slibvolume en hoge slibafvoerkosten; 8) Gebrek aan geurbestrijdingsvoorzieningen voor de voorbehandelings- en slibbehandelingssystemen; 9) Verouderd centraal besturingssysteem met beperkte gegevensopslagcapaciteit en verlies van de meeste functies voor bediening op afstand.

2. Ontwerp waterkwaliteit

Op basis van jarenlange operationele waterkwaliteitsgegevens van de centrale, met een betrouwbaarheidsniveau van 90% en inclusief een bepaalde marge, werd de ontwerpinfluentkwaliteit bepaald. Op basis van de milieukwaliteitseisen van het ontvangende waterlichaam moeten het verbeterde effluent CZV, BOD₅, NH₃-N en TP voldoen aan de GB 3838-2002 Klasse III-waternorm, terwijl TN en SS zich zullen houden aan de oorspronkelijke norm. De ontwerpinfluent- en effluentkwaliteiten worden weergegeven inTabel 1.

3. Concept- en processtroom upgraden

3.1 Concept upgraden

Afhankelijk van de ontwerpeffluentkwaliteit stelt deze upgrade hogere eisen aan CZV, BZV₅, NH₃-N en TP. Rekening houdend met het huidige proces van de fabriek, de kenmerken van de waterkwaliteit en de bestaande problemen, ligt de nadruk op een verbeterde verwijdering van CZV, NH₃-N en TP, terwijl een stabiele verwijdering van TN wordt gegarandeerd. Bovendien maakt de beperkte beschikbare ruimte binnen de bestaande fabriek het noodzakelijk dat het potentieel van bestaande structuren volledig wordt benut door vernieuwing van apparatuur, procesintensivering en renovatie, met als doel effectieve verwijdering van CZV, NH₃-N, TN en TP. Daarom kan het gebruik van de originele meer--fase AO-tanks en het toevoegen van hangende dragers om een ​​hybride biofilm-MBBR-proces met geactiveerd slib te vormen, de behandelingsstabiliteit en de schokbelastingsweerstand effectief verbeteren. De lange slibleeftijd van biofilm op dragers is geschikt voor de groei van nitrificeerders en het handhaven van hoge nitrificeerderconcentraties, waardoor de nitrificatiecapaciteit van het systeem aanzienlijk wordt vergroot. De dichte biofilm in de dragers heeft een lange slibleeftijd en herbergt aanzienlijke populaties nitrificerende en denitrificerende bacteriën, waardoor gelijktijdige nitrificatie-denitrificatie (SND) mogelijk is en zo de verwijdering van TN wordt versterkt. Daarom is het MBBR-proces zeer geschikt-voor de upgrade van deze fabriek.

Op basis van soortgelijke ervaring met upgradeprojecten zijn, om een ​​stabiele naleving van CZV en TP te garanderen, nog steeds aanvullende beveiligingsbehandelingsfaciliteiten nodig bovenop het bestaande proces in combinatie met MBBR. Geactiveerde cokes vertoont als poreus materiaal significantere adsorptieprestaties vergeleken met actieve kool, waardoor CZV, SS, TP, kleur, enz. effectief worden verwijderd. Bovendien kan biologisch geactiveerde cokes aangehechte micro-organismen gebruiken om organisch materiaal af te breken, waardoor regeneratie van adsorptieplaatsen mogelijk wordt terwijl verontreinigende stoffen worden geadsorbeerd. Dit dynamische evenwichtsmechanisme zorgt voor een duurzame en stabiele werking van het systeem. Het Activated Coke Circulating Adsorption (ACCA)-proces maakt gebruik van actieve cokes als medium, waarbij filtratie en adsorptie worden geïntegreerd. Er wordt gebruik gemaakt van perslucht om de filtermedia op te tillen en te reinigen. Door middel van omgekeerde-stromingszones en een uniform stromingsontwerp zorgt het voor volledig contact tussen actieve cokes en afvalwater, waardoor een ultieme verbetering van de waterkwaliteit wordt bereikt en een stabiele effluentcompliantie wordt gegarandeerd.

De verouderde en defecte apparatuur van de fabriek zal worden vervangen door technologisch geavanceerde, energie-efficiënte apparatuur om de operationele kosten te verlagen. Concreet zullen de voorbehandelingsschermen worden vervangen door intern gevoede fijne schermen om haar en vezels te onderscheppen, waardoor verstopping van MBBR-carrierretentieschermen wordt voorkomen.

3.2 Processtroom

De verbeterde processtroom wordt weergegeven inFiguur 2. Om aan de opvoerhoogtevereisten te voldoen, werd een nieuw opvoerpompstation toegevoegd. Een nieuw geconstrueerd filter van het type V- dient als voorbehandelingseenheid voor de daaropvolgende adsorptie van geactiveerde cokes, waardoor de stabiliteit van het ACCA-systeem wordt gegarandeerd. Ruw water stroomt door zeven en zandkamers om drijvende deeltjes, haar en deeltjes te verwijderen voordat het de hybride MBBR biologische tanks binnengaat voor een betere stikstofverwijdering. De gemengde vloeistof gaat vervolgens naar secundaire zuiveringsinstallaties voor de scheiding van vaste stoffen. Het supernatant wordt via het nieuwe pompstation naar denitrificatiefilters en sedimentatietanks met hoge dichtheid getransporteerd. Het afvalwater wordt vervolgens door het nieuwe pompstation naar het V-type filter en twee-traps geactiveerde cokes-adsorptietanks getransporteerd voor geavanceerde behandeling, waarbij CZV, TP, SS, kleur, enz. verder worden verwijderd. Het uiteindelijke afvalwater wordt gedesinfecteerd voordat het wordt geloosd.

4. Ontwerpparameters van grote behandelingseenheden

4.1 Biologische tanks

De bestaande biologische tanks van Fase I zijn verdeeld in twee groepen met een relatief klein tankvolume maar een goede structuur. Daarom werden voor deze upgrade, terwijl aan de eisen van de tankhoogte werd voldaan, de tankwanden met 0,5 m verhoogd. Na renovatie bedraagt ​​het totale effectieve volume 10.800 m³, met een totale HRT van 14,4 uur en een anoxische zone HRT van 6,4 uur, waardoor de anoxische retentietijd toeneemt om de verwijdering van TN te verbeteren. De bestaande biologische tanks van Fase II hebben een effectief volume van 19.600 m³, een totale HRT van 14,7 uur en een HRT in de anoxische zone van 6,8 uur. Dit project omvatte het vervangen van de beluchtingssystemen en enkele verouderde dompelmixers in biologische tanks van fase I en II, en het toevoegen van hangende dragers en retentieschermen. De dragers zijn gemaakt van polyurethaan of andere hoogwaardige composietmaterialen, met een kubieke specificatie van 24 mm, een specifiek oppervlak van 4.000 m²/m³ en een vullingsgraad van 20%. De AOR van het biologische zuiveringssysteem bedraagt ​​853,92 kg O₂/h, met een luchttoevoerdebiet van 310,36 Nm³/min.

4.2 Hefpompstation en afvalwatertank

Er werd een nieuw opvoerpompstation gebouwd om afvalwater uit de sedimentatietanks met hoge dichtheid naar het V--filter te pompen voor verdere behandeling. Een afvalwatertank slaat het terugspoelwater van de filters op. Er worden kleine pompen gebruikt om het terugspoelafvalwater gelijkmatig in de biologische Fase II-tanks te pompen om schokbelasting te voorkomen. Er werden drie secundaire opvoerpompen geïnstalleerd (2 in bedrijf + 1 stand-by, Q=1,300 m³/u, H=12 m, N=75 kW), met besturing met variabele frequentieaandrijving (VFD). De terugspoelafvalwatertank is uitgerust met 2 transferpompen (1 dienst + 1 stand-by, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) en één dompelmixer (N=2.2 kW) om bezinking te voorkomen.

4,3 V-Typefilter

Er werd een nieuw filter van het V--type gebouwd met structurele afmetingen van 36,9 m (L) × 29,7 m (B) × 8,0 m (H). Het maakt gebruik van homogene kwartszandfiltermedia. Het filter is verdeeld in 6 cellen, gerangschikt in twee rijen. De uitlaatleiding van elke cel is voorzien van een elektrische regelklep om de werking van het constante waterniveau te regelen. Het terugspoelproces kan via PLC worden geregeld. De ontwerpfiltratiesnelheid is 7,0 m3/uur, de geforceerde filtratiesnelheid is 8,4 m3/uur en het filteroppervlak met één cel- is 49,4 m². De intensiteit van het terugspoelwater is 11 m³/(m²·h), de luchtintensiteit van de terugspoeling is 55 m³/(m²·h) en de intensiteit van het oppervlaktevegen is 7 m³/(m²·h). De terugspoelduur bedraagt ​​10 minuten. De terugspoelcyclus duurt 24 uur (instelbaar), waarbij één cel tegelijk wordt gewassen. De mediagrootte van kwartszand is 1-1,6 mm met k₈₀ < 1,3. Er worden ter plekke gegoten monolithische filterplaten-gebruikt.

4.4 Adsorptietanks voor actieve cokes

Er werd een nieuwe adsorptietank voor actieve cokes gebouwd met structurele afmetingen van 49,5 m (L) x 30,15 m (B) x 11,0 m (H). Er wordt gebruik gemaakt van een twee-fasefiltratieconfiguratie met in totaal 36 cellen, 18 cellen per fase. De maximale filtratiesnelheid bedraagt ​​6,02 m³/(m²·h), met een gemiddelde van 4,63 m³/(m²·h). De afmetingen van de één-fase van de eerste-fase zijn L×B×H=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, met een leeg bed-contacttijd (EBCT) van 1,4 uur. De afmetingen van de enkele-fase van de tweede-fase zijn L×B×H=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, met een EBCT van 1,08 uur. Het systeem gebruikt 2.000 ton actieve cokes met een deeltjesgrootte van 2-8 mm, uitgerust met mobiele cokeswassers, waterverdelers, inlaat-/uitlaatstuwen, enz.

4.5 Geactiveerde cokesproductie

Voor de opslag van actieve cokes en de aanvoer ervan naar de adsorptietanks werd een nieuw gebouw voor actieve cokes gebouwd. De structurele afmetingen zijn 33,5 m (L) × 13,0 m (B) × 6,5 m (H). De belangrijkste aanvullende uitrusting omvat: 1 geactiveerde cokesontwateringstrilzeef, 3 cokestoevoerpompen (2 in werking + 1 stand-by, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 filtraatafvoerpompen (1 in werking + 1 stand-by, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 luchtcompressoren (1 bedrijf + 1 stand-by, Q=7.1 m³/min, N=37 kW), en een luchtopvangtank (V=2 m³, P=0.8 MPa).

4.6 Plaat-en-frame-ontwateringskamer

Naast de bestaande slibontwateringsruimte werd een nieuwe plaat{0}}en-frame-ontwateringsruimte gebouwd. Vanwege ruimtebeperkingen werd één set plaat{3}}en-framefilterpersen (filteroppervlak 300 m²) geconfigureerd, die als back-up voor de bandfilterpers dienden. Bijkomende faciliteiten omvatten één conditioneringstank (effectief volume 80 m³). De slibhoeveelheid bedraagt ​​6.150 kg DS/d, waarbij het ingedikte voedingsslib een vochtgehalte heeft van 97% en een ontwaterd koekvochtgehalte van 60%. De belangrijkste hulpapparatuur omvat: 2 toevoerpompen (1 plicht + 1 stand-by, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 perswaterpompen (1 dienst + 1 stand-by, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 waspomp (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 doseerpompen (1 duty + 1 standby, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 luchtcompressor (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 set luchttanks (V=5 m³, P=1.0 MPa), en 1 set PAM-voorbereidingsunit (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).

4.7 Geurcontrolesysteem

Er werd een nieuw biofiltratie-geurbestrijdingssysteem toegevoegd met een ontwerpluchtdebiet van 12.000 m³/u. Voor het opvangen en behandelen van geuren uit de voorbehandelings- en slibbehandelingssystemen worden glasvezelversterkte kunststof (GVK) leidingen gebruikt. Voor het afdichten van voorbehandelingsapparatuur worden roestvrijstalen frames en PC-enduranceboards gebruikt.

4.8 Andere faciliteitsupdates

1. Vervangen door 2 intern gevoede fijne zeven met een opening van 5 mm, met schroeftransporteurs en waswatertank, V=10 m³ en 2 waswaterpompen (1 capaciteit + 1 stand-by, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
2. Vervangen door 4 efficiëntere luchtveringsblowers, VFD-gestuurd (3 standen + 1 stand-by, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
3. Filtermedia in de bestaande denitrificatiefilters vervangen door 1.800 m³ keramische media (deeltjesgrootte 3-5 mm).
4. Vervangen van 2 mengroerders in de sedimentatietanks met hoge- dichtheid (snelheid 60-80 rpm, N=5.5 kW), 4 flocculatieroerwerken (snelheid 10-20 rpm, N=2.2 kW) en de buizenbezinkers (260 m²).
5. Bandfilterpers vervangen door een 2 m brede band en bijpassende luchtcompressor, 1 set.
6. Door gebruik te maken van de oorspronkelijke centrale controlekamer, bijgewerkte apparatuur, instrumenten en gevestigde gecentraliseerde controle, werd een -fabrieksbreed datacommunicatiesysteem opgezet om datacommunicatie tussen de centrale controlekamer en substations te bewerkstelligen, evenals automatisering van de controle van het productieproces.

5. Operationele prestaties en technische-economische indicatoren

5.1 Operationele prestaties

Na de voltooiing van dit upgradeproject hebben alle behandelingseenheden stabiel gefunctioneerd. De monitoringgegevens van de influent- en effluentwaterkwaliteit voor 2023 zijn weergegeven inTabel 2.

Zoals blijkt waren de gemiddelde effluentconcentraties voor CZV, NH₃-N, TN, TP en SS 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 en 2,63 mg/l, met gemiddelde verwijderingspercentages van respectievelijk 95,16%, 99,45%, 77,31%, 94,75% en 97,38%. Het effluent CZV, NH₃-N en TP voldeden consistent aan de waternorm GB 3838-2002 Klasse III.

Het vernieuwde project is al bijna twee jaar in bedrijf. De resultaten geven aan dat het MBBR+ACCA-proces stabiel en efficiënt is en afvalwater van hoge-kwaliteit produceert, wat een sterke weerstand tegen schokbelastingen en lage- temperatuuromstandigheden aantoont. Zelfs met een minimale winterwatertemperatuur van 9,4 graden en aanzienlijke schommelingen in de waterkwaliteit bleef de effluentkwaliteit stabiel en voldeed aan de lozingsnormen. Voor en na de upgrade nam de dosering van de koolstofbron niet toe, maar de verwijdering van TN was toch aanzienlijk verbeterd. Dit komt doordat aan de ene kant nitrificerende micro-organismen die aan de MBBR-dragers zijn gehecht, groeien en zich ophopen in een stabiele aërobe omgeving, wat leidt tot een volledigere nitrificatie. Aan de andere kant werd nitraat verder verwijderd in de verbeterde MBBR-tanks en anoxische tanks. Het uiteindelijke ACCA-systeem fungeert als beveiliging en absorbeert en verwijdert recalcitrant CZV, TP, SS, enz. verder, waardoor de effluentkwaliteit stabieler wordt. Bovendien kan de fabriek na projectimplementatie teruggewonnen water van hoge-kwaliteit produceren, waarmee de basis wordt gelegd voor toekomstig waterhergebruik.

5.2 Technische-economische indicatoren

De totale investering voor dit project bedroeg 86.937.600 RMB, bestaande uit bouw- en installatiekosten van 74.438.500 RMB, overige kosten van 7.593.500 RMB, onvoorziene kosten van 4.101.600 RMB en een initieel werkkapitaal van 804.000 RMB. Na stabiele werking van het systeem bedragen de extra elektriciteitskosten voor de gehele installatie 0,11 RMB/m³, de kosten van actieve cokes 0,39 RMB/m³, wat resulteert in een totale stijging van de bedrijfskosten met ongeveer 0,50 RMB/m³.

6. Conclusie

1. Dit project implementeerde apparatuurvernieuwing, procesintensivering en renovatie bij de bestaande afvalwaterzuiveringsinstallatie, en voegde geavanceerde behandeling toe, waardoor de verwijderingsefficiëntie voor CZV, NH₃-N, TN en TP werd verbeterd.
2. Na de upgrade, met behulp van het belangrijkste "MBBR+ACCA"-proces, verbeterden de effluent CZV, NH₃-N en TP stabiel van klasse 1A naar de oppervlaktewaterklasse III-norm, en was de verwijdering van TN aanzienlijk verbeterd.
3. De praktijk leert dat dit proces stabiel en efficiënt werkt, bestand is tegen lastschokken, afvalwater van hoge-kwaliteit produceert en bedrijfskosten met zich meebrengt van ongeveer 0,50 RMB/m³. Het kan dienen als referentie voor moderniseringsprojecten en initiatieven voor waterhergebruik bij andere afvalwaterzuiveringsinstallaties.