Vergelijking van AO-processen in twee- fasen en drie- AO-processen: een techniek Perspectief
Momenteel gebruiken de meeste afvalwaterzuiveringsinstallaties (AWZI's) in China processen op basis van actief slib- voor de behandeling van afvalwater. Hiervan maakt bijna de helft gebruik van het Anoxic-Oxic (AO)-proces. Het AO-proces biedt voordelen zoals een stabiele werking en lage kosten. De totale stikstof (TN) verwijderingsefficiëntie, die doorgaans varieert van 60% tot 80%, wordt echter beperkt door interne recycleratio's. Met steeds strengere nationale eisen voor stikstofverwijdering hebben conventionele een-fase-AO-processen vaak moeite om aan de vraag naar TN-behandeling te voldoen. Zo zijn er meerfasige AO-processen ontstaan. Door twee of meer AO-trappen in serie te schakelen, vormt het nitraat dat in de voorafgaande aerobe trap wordt geproduceerd het substraat voor denitrificatie in de daaropvolgende anoxische trap. Hiermee wordt het doel bereikt van het verminderen van de interne recycleratio en het verbeteren van de algehele TN-verwijdering. Overmatige fasen kunnen echter ook de operationele complexiteit vergroten. Bijgevolg zijn de meest toegepaste configuraties in China momenteel de twee-fase- en drie-fase-AO-processen. Dit artikel presenteert een vergelijkende analyse van AO-processen in twee- en drie- fasen, waarbij een waterzuiveringsinstallatie in Zuid-China als casestudy wordt gebruikt, met als doel een referentie te bieden voor de selectie van technische routes in soortgelijke projecten.
1 Projectoverzicht
Een RWZI in Zuid-China heeft een totale oppervlakte van 8 hectare. De oorspronkelijke ontwerpcapaciteit was 90.000 m³/d, waarbij de kwaliteit van het afvalwater moest voldoen aan zowel de klasse A-norm van de "Lozingsnorm voor verontreinigende stoffen voor gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties" (GB 18918-2002) als aan de "Waterverontreinigende lozingslimieten" van de provincie Guangdong (DB 44/26-2001) (hierna "Quasi-Klasse" genoemd v"). De fabriek draaide op volle capaciteit. Volgens de relevante planning was een uitbreiding noodzakelijk. De toekomstige effluentnormen, gebaseerd op de huidige status, moesten rekening houden met een langetermijnbehoefte aan TN van minder dan of gelijk aan 10 mg/l. Rekening houdend met de werkelijke omstandigheden op de locatie, werd de civiele bouwschaal voor deze uitbreiding vastgesteld op 70.000 m³/d. De installatie zou op korte termijn een productiecapaciteit van 50.000 m³/d bereiken en op de lange termijn de schaal van 70.000 m³/d bereiken, waardoor de totale behandelingscapaciteit van de installatie op 160.000 m³/d zou komen. De ontworpen influent- en effluentwaterkwaliteit wordt weergegeven inTabel 1.
Vanwege locatiebeperkingen werd in het voorlopige plan voor de uitbreiding de procesroute aangenomen van 'Meer--fasen AO + perifere-in perifere-rechthoekige sedimentatietank + hoog-efficiënte sedimentatietank + vezelplaat-en-framefilter". De civiele constructies van alle grote eenheden werden gebouwd voor de schaal van 70.000 m³/d, terwijl apparatuur werd geïnstalleerd voor de capaciteit van 50.000 m³/d. De biologische tank zou op korte termijn gebruik maken van een meerfasig AO-proces. Op de lange termijn zou het toevoegen van hangende dragers een hybride biofilm-actiefslibproces creëren om aan de vraag naar capaciteitsuitbreiding met 40% te voldoen. Bij dit ontwerp werd rekening gehouden met hydraulische omstandigheden voor de schaal van 70.000 m³/d, terwijl biologische zuivering werd ontworpen voor de schaal van 50.000 m³/d. Omdat dit project bedoeld was om een AO-proces met meerdere- fasen toe te passen, werd een vergelijking tussen AO-proces met twee- en drie- fasen uitgevoerd.
2 Vergelijking van AO-processen in twee- en drie- fasen
2.1 Processtroom
Het kernprincipe van het meertraps AO-proces is het gebruik van nitraat dat in de voorgaande aerobe fase wordt geproduceerd voor denitrificatie in de daaropvolgende anoxische fase, waardoor de interne recycleratio wordt verminderd. Theoretisch leiden meer fasen tot een betere verwijdering van TN, maar de controle wordt complexer. In de technische praktijk overheersen twee-fasen en drie-fasen AO. Hun processtromen worden getoond inFiguur 1. Voor een AO met twee- fasen wordt interne recycling doorgaans ontworpen binnen de eerste AO-fase. Voor een AO met drie- fasen wordt doorgaans geen gebruik gemaakt van interne recycling. AWZI's in Peking die het twee- AO-proces gebruiken, zijn onder meer Qinghe (400.000 m³/d), Xiaohongmen (500.000 m³/d), Gao'antun (400.000 m³/d), Dingfuzhuang (200.000 m³/d) en Huaifang (600.000 m³/d). Dit proces biedt voordelen zoals eenvoudige apparatuur, lage bedrijfs- en onderhoudskosten, sterke weerstand tegen schokbelastingen en hoge compatibiliteit met andere processen, waardoor toekomstige upgrades worden vergemakkelijkt om aan hogere effluentnormen te voldoen. Theoretisch kan een drie-AO in serie de behoefte aan interne recyclingapparatuur elimineren, een meer rationele toewijzing van koolstofbronnen mogelijk maken en de investerings- en bedrijfskosten verlagen. Dit proces wordt vooral toegepast in scenario's met voldoende koolstofbronnen en hoge eisen aan stikstofverwijdering. Typische gevallen zijn onder meer de Qujing-waterzuiveringsinstallatie in Yunnan (80.000 m³/d), de stedelijke waterzuiveringsinstallatie van het Ninghe-district in Tianjin (90.000 m³/d), de Zhangguizhuang-waterzuiveringsinstallatie in Tianjin (200.000 m³/d) en de Daoxianghu-terugwinningsfabriek in Beijing (80.000 m³/d).
2.2 Procesvergelijking
Gezien het feit dat er geen extra land beschikbaar is voor toekomstige upgrades op deze locatie, en dat sommige nieuwe lokale projecten al een effluent-TN-norm van minder dan of gelijk aan 10 mg/l implementeren, werd bij de procesvergelijking rekening gehouden met een biologisch tankeffluent-TN van minder dan of gelijk aan 10 mg/l om tegemoet te komen aan de mogelijkheid van verdere strengere effluentvereisten in de toekomst. Andere indicatoren hielden verband met de ontwerpeffluentkwaliteit. Op basis van de lay-out bedroeg de maximale hydraulische retentietijd (HRT) voor de biologische tank voor de nabije -termijnschaal van 50.000 m³/d 18 uur. Door de werkelijke omstandigheden van het project, de BioWin-simulatieresultaten en het gemak van koppeling met hangende vervoerders te combineren, werd een vergelijking uitgevoerd tussen AO-processen in twee- en drie- fasen.
2.2.1 BioWin-simulatie
Er werd een initiële HRT van 18 uur ingesteld, die geleidelijk werd afgebouwd. De minimale HRT die de effluent-TN-vereiste bereikte, was 14 uur. Voor de twee-fase AO waren de distributiepunten van het influent de anaerobe zone, de eerste-fase anoxische zone en de tweede-fase anoxische zone. Voor de drie-fase AO waren de influentpunten de anaërobe zone, de tweede-fase anoxische zone en de derde-fase anoxische zone.
① Onderzoek met vaste influentverdelingsverhouding
Door de verhouding van de influentverdeling voor beide op 4:3:3 te zetten, werden in simulaties drie schema's vergeleken: twee-fasen AO (recycleratio 200%), drie-fasen AO met een totale recycleratio van 200% (100% recycling binnen de eerste AO-fase + 100% recycling van de derde Oxic-zone naar de eerste Anoxische zone), en drie-fasen AO met een recycleratio van 100% (alleen recyclen binnen de eerste AO-fase). De simulatiestromen worden getoond inFiguur 2.
Tabel 2toont de simulatieresultaten voor een vaste influentratio bij HRT=14 uur.
Uit Tabel 2 blijkt dat het voor zowel twee- als drie- fasen AO aanbevolen wordt om interne recycling in de eerste AO-fase op te zetten om de denitrificatie in de eerste anoxische zone te maximaliseren door gebruik te maken van de koolstofbron in het ruwe influent. Voor de drie- AO-fase verbeterde het opzetten van interne recycling vanaf het einde van de derde fase naar de eerste anoxische zone de verwijdering van TN en TP enigszins, maar de efficiëntie van de verwijdering van organisch materiaal nam af. Dit is een speculatie die wordt toegeschreven aan de toegenomen totale stroom in de biologische tank als gevolg van de recycling, die opgeloste zuurstof naar de anoxische zone transporteerde, waardoor de anoxische omgeving werd aangetast. Bovendien werd de werkelijke HRT in elke zone korter en versnelde de overgang tussen operationele omstandigheden, wat leidde tot verminderde efficiëntie. Voor influentkarakteristieken zoals die in dit project in Zuid-China, waar de TN-concentratie niet erg hoog is, kan de twee-traps AO volledig voldoen aan de effluentvereisten, wat geen duidelijk voordeel oplevert voor de drie-traps AO. Voor scenario's met een hoog CZV en een hoog TN-influent kan de drie-fasen-AO geschikter zijn.
② Onderzoek naar het aanpassen van de verdelingsverhoudingen van het influent
Zowel AO met twee- als drie- fasen werden ingesteld met een interne recycleratio van 100% in de eerste AO-fase. Er zijn onderzoeken uitgevoerd naar multi{4}}puntverdelingen van influent (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Hier betekent 1:0:0 dat alle invloed helemaal vooraan binnenkomt; 3:7:0 voor de drie-fase AO betekent dat het influent alleen wordt gedistribueerd naar de anaërobe zone en de tweede AO-fase. Simulatieresultaten voor aangepaste verdelingsverhoudingen worden weergegeven inTabel 3.
Uit Tabel 3 blijkt dat de verdelingsverhouding een geringe invloed heeft op de effluentkwaliteit. De algemene trend is dat naarmate het aandeel van het influent dat naar latere stadia wordt gedistribueerd toeneemt, de effluent-TN-, NH₃-N- en TP-concentraties stijgen, en dat de vraag naar beluchting ook geleidelijk toeneemt. Toen de influentverhouding 3:7:0 was, vertoonde de drie-traps AO een iets betere TN-verwijdering en een iets lagere lucht-tot- waterverhouding dan de twee-traps AO. In de praktijk is dit verschil echter over het algemeen verwaarloosbaar. Bovendien vergroot het vergroten van het aandeel van het influent naar latere stadia, hoewel gunstig voor het gebruik van koolstofbronnen bij denitrificatie, onvermijdelijk de belasting van biochemische reacties als gevolg van de input van NH₃-N, organisch materiaal en TP. Daarom wordt aanbevolen om de multi-influentconfiguratie te behouden en gefaseerde aanpassingen door te voeren op basis van de werkelijke waterkwaliteit tijdens bedrijf. Het is vermeldenswaard dat, hoewel de drie-traps AO een betere TN-verwijdering vertoonde dan de twee-traps AO bij een influentverhouding van 2:4:4, het effluent NH3-N een stijgende trend vertoonde naarmate het influent naar de latere fasen toenam, op welk punt NH₃-N niet langer aan de effluentnorm kon voldoen.
③ Behandelingsprestaties van AO in twee-fasen en drie-fasen
Er werd een drie--fasen-AO-configuratie gesimuleerd met HRT=14 uur, gelijke volumeverhoudingen voor elke fase (1:1:1), 100% interne recycling ingesteld in de eerste AO-fase en een influentverhouding van 4:3:3, onder twee omstandigheden: met 100% recycling en met gesloten recycling. Er werd een twee-fasen-AO-configuratie gesimuleerd met HRT=14 uur, 100% interne recycleset en een influentverhouding van 4:3:3. Uit de resultaten bleek dat de twee-fasen AO de optimale effluent-TN bereikte van 6,29 mg/l; de drie-fasen AO met 100% interne recycling aan de voorkant behaalde de op een na beste prestatie met 7,51 mg/l; de drie-fasen AO zonder interne recycling presteerde slechter met 8,52 mg/l. Alle drie de scenario's zouden kunnen voldoen aan de effluentverificatie-eis (TN kleiner dan of gelijk aan 10 mg/l).
Tabel 4toont de vergelijking van ontwerpparameters tussen twee-fasen en drie-fasen AO. Het blijkt dat voor beide processen de HRT die nodig is om de TN-vereiste voor het effluent te bereiken minder dan 18 uur bedraagt. De belangrijkste verschillen tussen de twee processen zijn als volgt:
A. Theoretisch, de drie-fase-AO heeft een hogere bovengrens; Dat wil zeggen, als het op de juiste manier wordt beheerd, kunnen zowel de investerings- als de exploitatiekosten lager zijn. De AO met twee-fasen heeft minder apparatuuritems en fasen, wat resulteert in lagere apparatuurkosten en lagere operationele beheerproblemen.
B. Voor dit specifieke projectAangezien er rekening werd gehouden met de lange termijn en het tankvolume was ontworpen voor een HRT van 18-uur, zou de civiele investering identiek zijn, ongeacht of de AO met twee- of drie- fasen zou worden toegepast. De uitrustingskosten voor de drie-fase-AO zijn hoger. Daarom is het vanuit investeringsperspectief voordeliger om de tweetraps-AO toe te passen.
C. Wat de exploitatiekosten betreft, zou de drie- AO ongeveer 0,002 CNY/m³ kunnen besparen door de energiekosten voor het recyclen van gemengde vloeistoffen voor 100% te elimineren. Gezien de potentiële afname van de efficiëntie van het gebruik van koolstofbronnen bij feitelijk gebruik als gevolg van afwisselende anoxische/oxische omstandigheden in de drie- fase AO, zou het werkelijke verschil in bedrijfskosten waarschijnlijk nog kleiner zijn.
2.2.2 Analyse van het scenario van opgeschorte dragerschap op lange termijn
Vanwege de unieke vereisten van dit project moest bij de biologische tank rekening worden gehouden met de haalbaarheid en het gemak van het capaciteitsuitbreidingsplan voor de lange termijn-, dat wil zeggen de impact van het toevoegen van opgeschorte tankschepen.
De kern van het MBBR-proces is het vergroten van de biomassa in de reactor door het toevoegen van zwevende dragers. Deze kunnen worden toegevoegd aan aerobe, anoxische of anaerobe tanks. Gezien de fluïdisatie van de dragers zou het toevoegen ervan aan anaerobe of anoxische tanks echter de vereisten voor mengvermogen aanzienlijk verhogen. Daarom wordt bij voorkeur toevoeging aan aerobe tanks aanbevolen. Het volume voor anaerobe/anoxische zones kan worden aangevuld door afscheiding van de aerobe zone, terwijl het tekort aan aerobe volume wordt gecompenseerd door de toegevoegde dragers. Met andere woorden, het onvoldoende aerobe volume wordt gedragen door het grotere oppervlak van de hangende dragers, dat wordt berekend op basis van de conversie van de vervuilende lading om de vereiste hoeveelheid drager te bepalen, waarbij een bepaalde vulverhouding wordt gecontroleerd om het toegevoegde volume te verkrijgen.
Op basis van berekeningen zou, als op de lange termijn het AO-proces in twee- fasen zou worden toegepast en alle geschorste luchtvaartmaatschappijen aan de aerobe zone van de eerste- fase zouden worden toegevoegd, de vereiste MBBR-draagoppervlakte 2.597.708 m² bedragen, wat 12,99 miljoen CNY zou kosten. Andere gerelateerde kosten voor vaste apparatuur (inclusief MBBR-fluïdisatiesystemen, speciale mengers, zeefsystemen en intelligente controlesystemen) zouden 6,15 miljoen CNY bedragen. Als het AO-proces in drie- fasen wordt toegepast, moet de MBBR-zone, vanwege meer verspreide zones, in twee secties worden verdeeld (eerste- fase en tweede- fase aerobe zones). Bijgevolg zouden de kosten voor het installeren van overeenkomstige vaste MBBR-apparatuur (exclusief de vervoerders zelf) licht stijgen tot 7,77 miljoen CNY, terwijl de kosten voor vervoerders gelijk blijven. Dit betekent dat het adopteren van de drie-fasen AO de toekomstige investeringen in retrofits met 1,62 miljoen CNY zou verhogen en ook de complexiteit van de retrofits zou vergroten. Bovendien is het screeningsysteem het gebied dat het meest vatbaar is voor problemen na toevoeging van dragers. De uit drie-fasen bestaande AO voegt een extra gedeelte met schermen toe, waardoor de operationele moeilijkheid toeneemt.
Uit de bovenstaande vergelijking blijkt dat, als gevolg van de buitensporige verdeling in de drie-fasen AO, waarbij elke partitie een vergelijkbaar volume heeft, de moeilijkheidsgraad van de retrofit hoger is dan die van de twee-fasen AO. De constructie, operationele complexiteit en de toevoeging van screeningapparatuur resulteren ook in hogere investeringen dan de twee- AO in twee fasen. Daarom is de invoering van de twee-fase-AO gunstiger voor toekomstige koppeling met hangende vervoerders.
2.3 Vergelijkingsresultaat
Op basis van de bovenstaande analyse kunnen zowel AO-processen in twee{0}} als in drie- fasen het doel van effluent TN van minder dan of gelijk aan 10 mg/l bereiken. Onder de randvoorwaarden van dit project-beperkte ruimte, de noodzaak om het tankvolume op de- korte termijn te maximaliseren, en het langetermijnplan- om hangende vervoerders toe te voegen- biedt de AO in twee- fasen voordelen op het gebied van investeringen op de korte- termijn en het gemak van het beheer/onderhoud van apparatuur. Het biedt ook een grotere compatibiliteit voor toekomstige retrofits met hangende dragers, wat resulteert in lagere totale investeringen en minder retrofit- en operationele problemen. Daarom werd na uitvoerige overweging het AO-proces in twee-fasen aanbevolen voor dit ontwerp.
3 Operationele prestaties
De totale geschatte investering voor dit project bedraagt 304,5721 miljoen CNY, met bouwkosten van 243,6019 miljoen CNY, wat neerkomt op bouwkosten per eenheid van 3.480,03 CNY/m³. De behandelingskosten bedragen 1,95 CNY/m³ en de exploitatiekosten bedragen 1,20 CNY/m³.
Voor dit project heeft de biologische tank een totale HRT van 18 uur (bestaande uit: anaërobe zone 2 uur, eerste-fase anoxische zone 3,5 uur, eerste-fase aërobe zone 7,5 uur, ontgassingszone 0,5 uur, tweede-fase anoxische zone 2,5 uur, tweede-fase aërobe zone 2 uur), met een effectieve waterdiepte van 8,6 uur. m. Er is een instelbare waterinlaat in secties geïmplementeerd, waardoor indien nodig aanpassingen in de verdeling van het influent in stappen van 20% mogelijk zijn. In de praktijk varieert de concentratie Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) in de biologische tank van 3.500 tot 4.000 mg/l, de slibretourverhouding varieert van 40% tot 100% en de interne recycleverhouding van de gemengde vloeistof varieert van 100% tot 200%. De werkelijke influent- en effluentkwaliteit wordt weergegeven inTabel 5, wat in principe consistent is met de simulatieresultaten.
4 Conclusie
Met behulp van een afvalwaterzuiveringsinstallatie in Zuid-China als casestudy werd een technische en economische vergelijking tussen twee-fase- en drie-fase-AO-processen uitgevoerd met behulp van BioWin-simulatie. De twee-fasen AO, met minder apparatuuritems en fasen, lagere apparatuurkosten en lagere operationele beheersproblemen, is geschikter voor omstandigheden in Zuid-China waar de influent TN niet erg hoog is. Voor de AO met drie- fasen had het opzetten van interne recycling vanaf het einde van de derde fase tot aan de eerste anoxische zone een negatief effect op de efficiëntie van de TN-verwijdering, verhoogde de problemen met het operationeel beheer en verhoogde de investeringskosten. Het ontwerp voldoet tegelijkertijd aan de zuiveringsvereisten op de korte- termijn van 50.000 m³/d en TN Minder dan of gelijk aan 10 mg/l, terwijl de schaal- op lange termijn van 70.000 m³/d kan worden bereikt door koppeling met hangende dragers. De werkelijke operationele resultaten komen grotendeels overeen met de BioWin-simulatieresultaten, met een gemiddelde effluent-TN van 6,86 mg/l, wat voldoet aan de ontwerpvereisten.