Toepassing van het BIOLAK-proces bij het upgraden van een afvalwaterzuiveringsinstallatie naar quasi-Klasse IV-normen
Het BIOLAK-proces werd begin 21e eeuw in China geïntroduceerd en kreeg brede toepassing in de gemeentelijke afvalwaterzuivering vanwege de eenvoudige structuur en de lage investeringskosten. In de afgelopen jaren, met de aanscherping van de lozingsnormen en de toenemende automatisering, worden de meeste bestaande BIOLAK-fabrieken geconfronteerd met upgrades. Verbeteringen zoals het toevoegen van hangende dragers, het achteraf aanpassen van tanks en het opnieuw definiëren van functionele zones worden geïmplementeerd om de verwijdering van stikstof en fosfor te verbeteren. Hoewel nieuw gebouwde fabrieken overwegend A²/O- en oxidatieslootprocessen toepassen, zijn er weinig rapporten over de daadwerkelijke prestaties van BIOLAK, vooral onder strenge emissienormen. Het BIOLAK-proces maakt gebruik van zwaaiende beluchtingsketens om tijdelijke anoxische en aerobe zones te creëren, die in wezen functioneren als een A/O-proces met meerdere fasen. Door operationele optimalisatie kan de kwaliteit van het afvalwater stabiel voldoen aan de quasi-Klasse IV oppervlaktewaternorm.
1 Projectachtergrond
Een afvalwaterzuiveringsinstallatie in de provincie Hebei gebruikt het BIOLAK-proces als kerntechnologie. De instroom varieert van 18.000 tot 22.000 m³/d, gemiddeld 19.000 m³/d, waarbij voornamelijk stedelijk huishoudelijk afvalwater wordt behandeld en een kleine hoeveelheid landbouwafvalwater. De ontworpen influent- en effluentkwaliteiten zijn weergegeven inTabel 1. De oorspronkelijke lozingsnorm was de klasse A-norm van *"Lozingsnorm voor verontreinigende stoffen voor gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties" (GB 18918-2002)*. Na een upgrade waarbij een anaërobe zone werd verdeeld om denitrificatie en defosforisatie te bevorderen, voldoet de installatie nu aan de belangrijkste controlegebiedlimieten van *"Water Pollutant Discharge Standards for the Daqing River Basin" (DB13/2795-2018)*. Met uitzondering van totaal stikstof voldoen alle andere indicatoren aan de Klasse IV-normen gespecificeerd in *"Environmental Quality Standards for Surface Water" (GB 3838-2002)*. De processtroom wordt weergegeven inFiguur 1.
De fabriek gebruikt natriumhypochloriet voor desinfectie. Slib wordt ontwaterd door hoge- drukplaat- en framefiltratie tot een vochtgehalte van minder dan 60% voordat het wordt getransporteerd voor co-verwerking in cementovens.
De bijdrage van elke behandelingseenheid aan de verwijdering van verontreinigende stoffen werd berekend op basis van de massabalans, waarbij naar specifieke methoden werd verwezen uit de literatuur.
2 Operationele controle-optimalisatiemaatregelen
Tijdens de exploitatie zijn meerdere optimalisatiemaatregelen geïmplementeerd om de effluentstabiliteit te verbeteren en energie- en kostenbesparingen te realiseren.
2.1 Verbeterde regeling van opgeloste zuurstof (DO).
Bij bestaande BIOLAK-renovatieprojecten wordt vaak de zwakke zonering opgemerkt als een meertraps A/O-variant, wat leidt tot een lage denitrificatie-efficiëntie. In dit project werd de maximale DO aan het einde van de beluchtingszone gehandhaafd op 0,5-1,0 mg/l, terwijl de effluent-ammoniak-stikstof werd gegarandeerd, wat lager is dan de conventionele DO-controlevereisten.
2.2 Verbeterde monitoring van procesgegevens
Om de DO-controle en de dosering van externe koolstofbronnen te begeleiden, werden nitraatstikstof en ammoniakstikstof aan het einde van de anaerobe zone en de BIOLAK-tank gemonitord om optimale controlebereiken te bepalen. Tijdens bedrijf werd de dosering van externe koolstofbronnen verminderd of stopgezet toen nitraatstikstof aan het einde van de anaerobe zone<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Doelstellingen voor interne effluentcontrole vaststellen
Om een stabiele naleving te garanderen, werden de interne controledoelstellingen vastgesteld op 30% tot 80% van de lozingslimieten, op basis van de moeilijkheid om elke verontreinigende stof onder controle te houden. Het overschrijden van deze interne limieten leidde tot onmiddellijke aanpassingen van de procesparameters om de effluentconcentraties terug te brengen naar een acceptabel bereik. De jaarlijkse interne controledoelstellingen voor CZV, ammoniakstikstof, totaal stikstof en totaal fosfor waren respectievelijk 15 mg/l, 0,5 mg/l, 12 mg/l en 0,12 mg/l.
2.4 Het handhaven van de juiste slibconcentratie
De slibverspilling werd aangepast op basis van debiet, belasting en seizoen. De slibretentietijd (SRT) werd op 15-25 dagen gehouden en de concentratie van de gemengde vloeistof met gesuspendeerde vaste stoffen (MLSS) op 2.500-4.500 mg/l. Concreet werd de MLSS gecontroleerd op 2.500–3.500 mg/l in de zomer en de herfst, met een slibbelasting van ongeveer 0,06 kgCZV/(kgMLSS·d), en op 3.500–4.500 mg/l in de winter en de lente, met een slibbelasting van ongeveer 0,04 kgCZV/(kgMLSS·d).
2.5 De werking van geavanceerde behandeleenheden aanpassen
Lage temperaturen in de winter hadden invloed op de uitvlokking en sedimentatie. Voortijdig terugspoelen van filters van het type V- kan leiden tot verhoogde zwevende deeltjes en CZV in het effluent. Daarom werd tijdens de winterperiode de terugspoelfrequentie verhoogd op basis van de coagulatieprestaties, en werd de slibafvoer uit de coagulatie-sedimentatietank geïntensiveerd om de concentratie van zwevende vaste stoffen in het effluent te verminderen.
3 Behandelingsprestaties
Het jaarlijkse influent CZV varieerde van 109 tot 248 mg/l, met een gemiddelde van 176 mg/l. Effluent CZV varieerde van 9,5 tot 20,1 mg/l, gemiddeld 12,1 mg/l. Wanneer het CZV van het effluent de interne controledoelstelling (15 mg/l) overschreed, werd de frequentie van het terugspoelen van het filter verhoogd om de hoeveelheid zwevende deeltjes te verminderen. Het wordt aanbevolen om de coagulatie-sedimentatietank te upgraden naar een-magnetische coagulatie-sedimentatietank met hoge-dichtheid voor een betere coagulatie-efficiëntie.
Het jaarlijkse influent van ammoniakstikstof varieerde van 17,8 tot 54,9 mg/l, met een gemiddelde van 31,9 mg/l. Het effluent ammoniakstikstof varieerde van 0,12 tot 1,30 mg/l, gemiddeld 0,5 mg/l. Toen de interne controledoelstelling werd overschreden, werd de beluchting aangepast volgens de optimalisatiemaatregelen. De kwaliteit van het afvalwater voldeed het hele jaar door stabiel aan de limieten van het belangrijkste controlegebied van *DB13/2795-2018*.
Vanwege de lage concentratie koolstofbronnen in het influent lag de focus op het optimaliseren van procesomstandigheden om de verwijdering van stikstof en fosfor te verbeteren, met als doel energie- en kostenbesparingen.
3.1 Optimalisatie van DO-controle en totale stikstofverwijdering
Het jaarlijkse influent van totaal stikstof (TN) varieerde van 20,3 tot 55,6 mg/lFiguur 2), gemiddeld 42,1 mg/l. Effluent TN varieerde van 2,5 tot 14,2 mg/l, gemiddeld 8,8 mg/l, binnen de interne controledoelstelling (12 mg/l). Het gemiddelde TN-verwijderingspercentage was 79,1%. Met een slibrecycleratio van 90% (geen interne gemengde vloeistofrecyclage) bedroeg de theoretische denitrificatie-efficiëntie 47,4%, wat aangeeft dat denitrificatie ook plaatsvond in andere proceszones buiten de anaërobe selector. Veranderingen in stikstof langs de behandelingstrein in een typische cyclus worden weergegeven inFiguur 3.
In een typische cyclus bedroeg het influent TN 42,0 mg/l, terwijl de som van ammoniak en nitraatstikstof 35,2 mg/l bedroeg. Na de anaërobe selector bedroeg de TN 16,7 mg/l, wat resulteerde in een verwijderingspercentage van 43,5% via de massabalans, consistent met de theoretische waarde. De BIOLAK-tank droeg bij aan een TN-verwijdering van 24,0%. Het TN-effluent werd verder verlaagd in de secundaire sedimentatietank, wat bijdroeg aan een extra verwijdering van 11,3%, voornamelijk vanwege de lange hydraulische retentietijd (8,6 uur), waardoor endogene koolstofbron-gedreven denitrificatie mogelijk is. Andere eenheden droegen 1,9% bij aan de verwijdering. Het uiteindelijke effluent TN was 8,1 mg/l, met een totaal verwijderingspercentage van 80,7%.
Uit operationele ervaring blijkt dat DO-controle cruciaal is voor de verwijdering van TN in het BIOLAK-proces. Bij conventionele processen wordt DO doorgaans gemeten aan het einde van de aërobe zone in een kanaalstructuur waar DO relatief uniform is over de dwars- dwarsdoorsnede. In de BIOLAK-tank is het uiteinde van de beluchtingszone echter bijna 70 meter breed, waarbij de DO toeneemt vanaf de rand van de helling naar het midden, met een verschil van 0,5–1,0 mg/l. Daarom vereist de locatie van DO-sondes zorgvuldige aandacht.
Door de maximale DO aan het einde van de BIOLAK-beluchtingszone strikt te controleren, werd effectief een anoxische omgeving verzekerd die nodig is voor denitrificatie. Gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie (SND) met behulp van endogene koolstofbronnen werd bereikt, wat resulteerde in effectieve TN-verwijdering.
3.2 Totale fosforverwijdering en operationele optimalisatie
Het jaarlijkse influent totaal fosfor (TP) varieerde van 1,47 tot 4,80 mg/l (zieFiguur 4), gemiddeld 2,99 mg/l. De TP van het effluent varieerde van 0,04 tot 0,17 mg/l. De dosering van het fosforverwijderingsmiddel werd aangepast op basis van het interne controledoel (0,12 mg/l). De gemiddelde TP-concentratie in het effluent was 0,07 mg/l, wat stabiel voldoet aan de lozingsnorm, met een gemiddeld TP-verwijderingspercentage van 98,3%.
Veranderingen in fosfaat langs de behandelingsreeks in een typische cyclus worden weergegeven inFiguur 5.
Het influentfosfaat was 2,70 mg/l en het retourslibfosfaat 0,58 mg/l, waardoor het theoretische fosfaat dat de anaerobe selector binnenkomt 1,70 mg/l is. Na de anaërobe fosforafgifte door polyfosfaat-accumulerende organismen (PAO's) bereikte de fosfaatconcentratie 3,2 mg/l. De fosfaatconcentratieverhouding (maximaal in anaerobe zone/influent) was 1,9, wat wijst op een significante vrijgave. De belangrijkste reden was de effectieve denitrificatie onder lage DO-omstandigheden, resulterend in een lage nitraatconcentratie in het retourslib naar de anaerobe zone, het handhaven van een goed anaëroob milieu (ORP doorgaans lager dan -200 mV) en het bevorderen van de fosforafgifte.
Na de BIOLAK-beluchtingszone vond een aanzienlijke fosforopname plaats, waardoor de fosfaatconcentratie uiteindelijk daalde tot 0,3 mg/L, waardoor een biologische fosforverwijderingsefficiëntie van 88,9% werd bereikt. Na de bezinkings- en stabilisatietanks steeg de fosfaatconcentratie naar 0,64 mg/L. Analyse suggereert dat dit te wijten was aan de lange HRT in de sedimentatietank en de strikt gecontroleerde DO in de BIOLAK-tank, waardoor een anaërobe toestand in de sedimentatietank ontstond en secundaire fosforafgifte werd veroorzaakt. Na chemische dosering in de coagulatie-eenheid werd het effluentfosfaat teruggebracht tot 0,06 mg/L. Daarom is het, gezien de economische kosten en operationele complexiteit, het opofferen van enige biologische fosforverwijderingsefficiëntie om denitrificatie te verbeteren een haalbare optimalisatiestrategie voor soortgelijke installaties.
4 Operationele kosten
Directe operationele kosten omvatten elektriciteit, chemicaliën en slibafvoer. Op basis van jaarstatistieken bedroeg het specifieke energieverbruik 0,66 kWh/m³. Met een elektriciteitsprijs van 0,65 CNY/kWh (gebaseerd op een samenstelling van piek-/dal-piektarieven), bedroegen de elektriciteitskosten 0,429 CNY/m³. Dit verbruik ligt volgens de "Evaluatienorm voor de operationele kwaliteit van gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties" aan de hogere kant, voornamelijk als gevolg van de iets lagere zuurstofgebruiksefficiëntie van het beluchtingssysteem. De chemische kosten, inclusief natriumacetaat, fosforverwijderingsmiddel, PAM, natriumhypochloriet en ontwateringschemicaliën, bedroegen in totaal 0,151 CNY/m³. Specifiek gebruik en kosten worden weergegeven inTabel 2.
Slib is voornamelijk afkomstig uit biologische en chemische (coagulatietank) bronnen. Hogedrukplaat- en framefiltratie wordt gebruikt met kalk en ijzerchloride als conditioneringsmiddelen. De kalkdosering bedraagt circa 25% van het droge slibgewicht. Ontwaterde cake heeft een vochtgehalte van 60%. De dagelijkse ontwaterde slibproductie bedraagt circa 9 ton, met een specifieke droge slibopbrengst van circa 0,15%. Het transport van slib kost 250 CNY/ton, wat resulteert in kosten voor de verwijdering van slib van ongeveer 0,118 CNY/m³. Daarom bedragen de totale directe productiekosten 0,698 CNY/m³.
5 Conclusies
① Een afvalwaterzuiveringsinstallatie in de provincie Hebei, die gebruikmaakt van het BIOLAK-proces voor de behandeling van gemeentelijk afvalwater, heeft een jaar lang onafgebroken gefunctioneerd, waarbij de kwaliteit van het afvalwater stabiel voldoet aan de belangrijkste controlegebiedlimieten van *DB13/2795-2018* (quasi-klasse IV oppervlaktewaternorm).
② Als variant van het meer--staps A/O-proces resulteerde het regelen van de maximale DO aan het einde van de BIOLAK-beluchtingszone op 0,5–1,0 mg/L in een TN-verwijderingspercentage van 24,0% in de BIOLAK-zone en 11,3% in de sedimentatietank. Hierdoor werd gelijktijdige nitrificatie-denitrificatie en endogene koolstofbron-denitrificatie bereikt, wat een aanzienlijk vermogen tot stikstofverwijdering aantoont.
③ De directe operationele kosten voor het BIOLAK-proces bedroegen 0,698 CNY/m³. Operationele optimalisatiemaatregelen, waaronder het monitoren van procesgegevens en het stellen van redelijke interne controledoelstellingen, kunnen referenties bieden voor het optimaliseren van de bedrijfsvoering en het realiseren van energie-/kostenbesparingen in vergelijkbare afvalwaterzuiveringsinstallaties.