Divu{0}}pakāpju AO un trīs-pakāpju AO procesu salīdzinājums: inženierija Perspektīva
Pašlaik lielākajā daļā Ķīnas notekūdeņu attīrīšanas iekārtu (NAI) notekūdeņu attīrīšanai tiek izmantoti aktīvo dūņu{0} bāzes procesi. Gandrīz puse no tiem izmanto anoksisko -oksisko (AO) procesu. AO process piedāvā tādas priekšrocības kā stabila darbība un zemas izmaksas. Tomēr tā kopējā slāpekļa (TN) atdalīšanas efektivitāti, kas parasti svārstās no 60% līdz 80%, ierobežo iekšējās pārstrādes attiecības. Ņemot vērā arvien stingrākas valsts prasības attiecībā uz slāpekļa atdalīšanu, tradicionālie vienpakāpes AO procesi bieži vien nespēj apmierināt TN apstrādes prasības. Tādējādi ir izveidojušies daudzpakāpju AO procesi. Savienojot divus vai vairākus AO posmus sērijveidā, nitrāts, kas saražots iepriekšējā aerobā posmā, nodrošina substrātu denitrifikācijai nākamajā bezoksiskajā posmā. Tādējādi tiek sasniegts mērķis samazināt iekšējās pārstrādes koeficientu, vienlaikus uzlabojot kopējo TN noņemšanu. Tomēr pārmērīgas stadijas var arī palielināt darbības sarežģītību. Līdz ar to pašlaik Ķīnā visbiežāk lietotās konfigurācijas ir divu{15}}pakāpju un trīs-pakāpju AO procesi. Šajā rakstā ir sniegta divu{18}}un trīs-pakāpju AO procesu salīdzinoša analīze, izmantojot gadījuma izpēti Dienvidķīnas NAI, lai sniegtu atsauci tehnisko maršrutu atlasei līdzīgos projektos.
1 Projekta pārskats
NAI kopējā platība Ķīnas dienvidos ir 8 hektāri. Tā sākotnējā projektētā jauda bija 90 000 m³/d, un notekūdeņu kvalitātei bija jāatbilst gan A kategorijas standartam “Piesārņojošo vielu izplūdes standarts sadzīves notekūdeņu attīrīšanas iekārtās” (GB 18918-2002), gan Guandunas provinces “Ūdens piesārņojošo vielu izplūdes ierobežojumi” 44/26-2001) (turpmāk tekstā "V kvazi klase"). Rūpnīca strādāja ar pilnu jaudu. Saskaņā ar attiecīgo plānojumu bija nepieciešama paplašināšana. Turpmākajos notekūdeņu standartos, pamatojoties uz pašreizējo stāvokli, bija jāņem vērā ilgtermiņa prasība TN, kas ir mazāka par vai vienāda ar 10 mg/L. Visaptveroši ņemot vērā objekta faktiskos apstākļus, civilās būvniecības mērogs šai paplašināšanai tika noteikts 70 000 m³/d. Iekārta tuvākajā laikā darbotos ar 50 000 m³/d un ilgtermiņā sasniegtu 70 000 m³/d mērogu, palielinot iekārtas kopējo attīrīšanas jaudu līdz 160 000 m³/d. Projektētā ieplūstošā un notekūdeņu kvalitāte ir parādīta1. tabula.
Vietnes ierobežojumu dēļ sākotnējā paplašināšanas plānā tika izmantots procesa maršruts "Daudzpakāpju AO + Perifēra-Perifērā-Ārpus taisnstūrveida sedimentācijas tvertne + augstas-efektivitātes sedimentācijas tvertne + šķiedras filtrs{-". Visu galveno bloku civilās konstrukcijas tika izbūvētas 70 000 m³/d mērogā, savukārt iekārtas tika uzstādītas 50 000 m³/d jaudai. Tuvākajā laikā bioloģiskajā tvertnē tiks izmantots daudzpakāpju AO process. Ilgtermiņā piekaramo nesēju pievienošana radītu hibrīda bioplēves{17}}aktīvo dūņu procesu, lai apmierinātu 40% jaudas paplašināšanas pieprasījumu. Šai konstrukcijai tika ņemti vērā hidrauliskie apstākļi skalai 70 000 m³/d, savukārt bioloģiskā attīrīšana bija paredzēta 50 000 m³/d skalai. Tā kā šajā projektā bija paredzēts izmantot vairāku{25}}pakāpju AO procesu, tika veikts divu{26}}pakāpju un trīs{27}}pakāpju AO salīdzinājums.
2. Divu-pakāpju un trīs-pakāpju AO procesu salīdzinājums
2.1 Procesa plūsma
Daudzpakāpju AO procesa pamatprincips ir izmantot iepriekšējā aerobā posmā iegūto nitrātu denitrifikācijai nākamajā bezoksiskajā posmā, tādējādi samazinot iekšējās pārstrādes koeficientu. Teorētiski vairāk posmu nodrošina labāku TN noņemšanu, bet kontrole kļūst sarežģītāka. Inženierpraksē dominē divu-pakāpju un trīs-pakāpju AO. To procesu plūsmas ir parādītas1. attēls. Divu-pakāpju AO iekšējā pārstrāde parasti tiek izstrādāta pirmajā AO posmā. Trīs-pakāpju AO gadījumā iekšējā pārstrāde parasti netiek izmantota. Pekinas NAI, kurās tiek izmantots divpakāpju AO process, ir Qinghe (400 000 m³/d), Xiaohongmen (500 000 m³/d), Gao'antun (400 000 m³/d), Dingfuzhuang (200 000 m³/d), un 0,00 m³/d (0,000 m³/d). Šis process piedāvā tādas priekšrocības kā vienkāršas iekārtas, zemas ekspluatācijas un uzturēšanas izmaksas, spēcīga izturība pret triecienslodzēm un augsta savietojamība ar citiem procesiem, atvieglojot turpmākus uzlabojumus, lai tie atbilstu augstākiem notekūdeņu standartiem. Teorētiski trīs{18}}pakāpju AO sērijveidā var novērst vajadzību pēc iekšējām pārstrādes iekārtām, ļaut racionālāk sadalīt oglekļa avotus un samazināt ieguldījumu un darbības izmaksas. Šo procesu galvenokārt izmanto scenārijos ar pietiekamiem oglekļa avotiem un augstām prasībām slāpekļa atdalīšanai. Tipiski gadījumi ir Qujing NAI Junaņā (80 000 m³/d), Ninghe rajona pilsētas NAI Tjaņdziņā (90 000 m³/d), Džanguižuanas NAI Tjaņdziņā (200 000 m³/d) un Daoxianghu meliorācijas plāns (80,0 m³/d).
2.2. Procesu salīdzinājums
Ņemot vērā to, ka šajā vietā nav pieejama papildu zeme turpmākiem uzlabojumiem un ka dažos jaunos vietējos projektos jau tiek ieviests notekūdeņu TN standarts, kas ir mazāks par vai vienāds ar 10 mg/L, procesa salīdzināšanā tika uzskatīts, ka bioloģiskās tvertnes notekūdeņu TN ir mazāks par vai vienāds ar 10 mg/l, lai ņemtu vērā turpmāko stingrāku notekūdeņu prasību iespējamību. Citi rādītāji atbilst projektētajai notekūdeņu kvalitātei. Pamatojoties uz izkārtojumu, 50 000 m³/d tuvējā termiņa skalā maksimālais hidrauliskās aiztures laiks (HRT) bioloģiskajai tvertnei bija 18 stundas. Apvienojot projekta faktiskos apstākļus, BioWin simulācijas rezultātus un savienojuma ērtības ar piekārtiem nesējiem, tika veikts divu-pakāpju un trīs{10}}pakāpju AO procesu salīdzinājums.
2.2.1. BioWin simulācija
Sākotnējā HAT tika noteikta 18 stundu garumā un pakāpeniski samazināta. Minimālā HAT, kas sasniedza notekūdeņu TN prasību, bija 14 stundas. Divām -AO stadijām ieplūdes izplatības punkti bija anaerobā zona, pirmā-posma anoksiskā zona un otrā-posma anoksiskā zona. Trīs-pakāpju AO ieplūdes punkti bija anaerobā zona, otrās-posma anoksiskā zona un trešā-posma anoksiskā zona.
① Pētījums ar fiksētu ietekmes sadalījuma koeficientu
Iestatot ieplūdes sadalījuma koeficientu 4:3:3 abām, simulācijās tika salīdzinātas trīs shēmas: divu-pakāpju AO (pārstrādes koeficients 200%), trīs-pakāpju AO ar kopējo otrreizējās pārstrādes koeficientu 200% (100% pārstrāde pirmajā AO posmā + 100% Oxic zonā no trešās zonas). trīs-pakāpju AO ar pārstrādes koeficientu 100% (pārstrādājiet tikai pirmajā AO posmā). Simulācijas plūsmas ir parādītas2. attēls.
2. tabulaparāda simulācijas rezultātus fiksētai ieplūdes attiecībai pie HAT=14 h.
No 2. tabulas var redzēt, ka gan divu-pakāpju, gan trīs-pakāpju AO pirmajā AO posmā ir ieteicams iestatīt iekšējo reciklēšanu, lai maksimāli palielinātu denitrifikāciju pirmajā bezoksiskajā zonā, izmantojot oglekļa avotu neapstrādātā ieplūdē. Trīs -pakāpju AO gadījumā iekšējās otrreizējās pārstrādes iestatīšana no trešā posma beigām līdz pirmajai anoksiskajai zonai nedaudz uzlaboja TN un TP atdalīšanu, bet samazinājās organisko vielu atdalīšanas efektivitāte. Tā ir spekulācija, kas saistīta ar palielināto kopējo plūsmu bioloģiskajā tvertnē pārstrādes dēļ, kas nogādāja izšķīdušo skābekli bezskābekļa zonā, ietekmējot bezskābekļa vidi. Turklāt faktiskais HAT katrā zonā saīsinājās, un pāreja starp darbības apstākļiem paātrinājās, kā rezultātā tika samazināta efektivitāte. Attiecībā uz tādiem ietekmīgajiem raksturlielumiem kā šajā projektā Ķīnas dienvidos, kur TN koncentrācija nav ļoti augsta, divu -pakāpju AO var pilnībā atbilst notekūdeņu prasībām, neradot īpašas priekšrocības trīs-pakāpju AO. Scenārijiem ar augstu ĶSP un augstu TN ieplūdi, trīs{11}}pakāpju AO varētu būt piemērotāka.
② Pētījums par ietekmes sadalījuma koeficientu pielāgošanu
Gan divu{0}}pakāpju, gan trīs-pakāpju AO tika iestatīts ar 100% iekšējo otrreizējās pārstrādes koeficientu pirmajā AO posmā. Pētījumi tika veikti par vairāku-punktu ietekmes sadalījuma koeficientiem (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Šeit 1:0:0 nozīmē, ka viss ietekošais ienāk pašā priekšpusē; 3:7:0 trim -AO posmiem nozīmē, ka ieplūde tiek izplatīta tikai anaerobajā zonā un otrajā AO posmā. Simulācijas rezultāti pielāgotiem sadalījuma koeficientiem ir parādīti3. tabula.
No 3. tabulas redzams, ka sadalījuma attiecībai ir neliela ietekme uz notekūdeņu kvalitāti. Vispārējā tendence ir tāda, ka, palielinoties uz vēlākiem posmiem sadalītā ieplūdes īpatsvaram, palielinās TN, NH₃-N un TP koncentrācijas, kā arī pakāpeniski palielinās pieprasījums pēc aerācijas. Kad ieplūdes attiecība bija 3:7:0, trīs-pakāpju AO uzrādīja nedaudz labāku TN noņemšanu un nedaudz zemāku gaisa-un-ūdens attiecību nekā divu-pakāpju AO. Tomēr faktiskajā darbībā šī atšķirība parasti ir niecīga. Turklāt, palielinot influenta īpatsvaru vēlākos posmos, lai gan tas ir labvēlīgs oglekļa avota izmantošanai denitrifikācijā, neizbēgami palielinās bioķīmisko reakciju slodze NH₃-N, organisko vielu un TP ievadīšanas dēļ. Tāpēc ir ieteicams saglabāt vairāku{15}punktu ieplūdes konfigurāciju un veikt pakāpeniskas korekcijas, pamatojoties uz faktisko ūdens kvalitāti darbības laikā. Ir vērts atzīmēt, ka, lai gan trīs-pakāpju AO uzrādīja labāku TN noņemšanu nekā divu-pakāpju AO ieplūdes attiecība 2:4:4, jo palielinājās ieplūde uz vēlākiem posmiem, notekūdeņu NH₃-N uzrādīja pieauguma tendenci, un šajā brīdī vairs nevarēja sasniegt standartu izplūdes{{2NH3}N.
③ Divu-posma un trīs-posma AO ārstēšanas veiktspēja
Trīs -pakāpju AO konfigurācija tika simulēta ar HAT=14 h, vienādām tilpuma attiecībām katram posmam (1:1:1), 100% iekšējās otrreizējās apstrādes iestatītu pirmajā AO posmā un ieplūdes attiecību 4:3:3 divos apstākļos: ar 100% pārstrādi un ar aizvērtu pārstrādi. Divpakāpju AO konfigurācija tika simulēta ar HAT=14 h, 100% iekšējo otrreizējās pārstrādes komplektu un ieplūdes attiecību 4:3:3. Rezultāti parādīja, ka divu -pakāpju AO sasniedza optimālo izplūdes TN pie 6,29 mg/l; trīs-pakāpju AO ar 100% iekšējo pārstrādi priekšpusē sasniedza nākamo labāko rezultātu ar 7,51 mg/l; trīs -pakāpju AO bez iekšējās otrreizējās pārstrādes bija sliktāki ar 8,52 mg/l. Visi trīs scenāriji varētu atbilst notekūdeņu verifikācijas prasībām (TN mazāks vai vienāds ar 10 mg/L).
4. tabulaparāda dizaina parametru salīdzinājumu starp divu{0}}pakāpju un trīs-pakāpju AO. Redzams, ka abiem procesiem HAT, kas nepieciešams, lai sasniegtu notekūdeņu TN prasību, ir mazāks par 18 stundām. Galvenās atšķirības starp šiem diviem procesiem ir šādas:
a. Teorētiski, trīs{0}}pakāpju AO ir augstāka augšējā robeža; ti, pareizi ekspluatējot, gan investīciju, gan ekspluatācijas izmaksas var būt zemākas. Divu -pakāpju AO ir mazāk aprīkojuma vienību un posmu, kā rezultātā ir zemākas aprīkojuma izmaksas un mazākas darbības pārvaldības grūtības.
b. Šim konkrētajam projektam, tā kā tika apsvērts ilgtermiņā un tvertnes tilpums bija paredzēts 18-stundu HRT, civilie ieguldījumi būtu identiski neatkarīgi no tā, vai tiek pieņemts divu-pakāpju vai trīs-pakāpju AO. Aprīkojuma izmaksas trīs-pakāpju AO ir augstākas. Tāpēc no investīciju viedokļa divpakāpju AO ieviešana ir ekonomiskāka.
c. Attiecībā uz ekspluatācijas izmaksām, trīs -pakāpju AO varētu ietaupīt aptuveni 0,002 CNY/m³, novēršot 100% jaukta dzēriena otrreizējās pārstrādes enerģijas izmaksas. Ņemot vērā iespējamo oglekļa avota izmantošanas efektivitātes samazināšanos faktiskajā darbībā, ko izraisa mainīgi bezskābekļa/oksiskie apstākļi trīs -pakāpju AO, faktiskā darbības izmaksu atšķirība, visticamāk, būtu vēl mazāka.
2.2.2. Pārvadātāja ilgtermiņa darbības apturēšanas scenārija analīze
Šī projekta unikālo prasību dēļ bioloģiskajai tvertnei bija jāapsver ilgtermiņa jaudas paplašināšanas-plāna iespējamība un ērtība, ti, apturēto nesēju pievienošanas ietekme.
MBBR procesa būtība ir palielināt biomasu reaktorā, pievienojot suspendētos nesējus. Tos var pievienot aerobām, anoksiskām vai anaerobām tvertnēm. Tomēr, ņemot vērā nesēja fluidizāciju, to pievienošana anaerobām vai anoksiskām tvertnēm ievērojami palielinātu sajaukšanas jaudas prasības. Tāpēc ieteicams pievienot aerobikas tvertnes. Anaerobās/anoksiskās zonas tilpumu var papildināt ar atdalīšanu no aerobās zonas, savukārt aerobā tilpuma deficītu kompensē pievienotie nesēji. Citiem vārdiem sakot, nepietiekamo aerobo tilpumu sedz palielinātais suspendēto nesēju virsmas laukums, kas tiek aprēķināts, pamatojoties uz piesārņojošo vielu slodzes pārrēķinu, lai noteiktu nepieciešamo nesēja daudzumu, kontrolējot noteiktu piepildījuma attiecību, lai iegūtu pievienoto tilpumu.
Pamatojoties uz aprēķiniem, pieņemot divu{0}}pakāpju AO procesu un visus apturētos nesējus pievienojot pirmajai-pakāpes aerobajai zonai ilgtermiņā, nepieciešamā MBBR nesēja virsmas laukums būtu 2 597 708 m², kas izmaksātu 12,99 miljonus CNY. Citas saistītās fiksētās iekārtas izmaksas (tostarp MBBR fluidizācijas sistēmas, speciālie maisītāji, skrīninga sistēmas un viedās vadības sistēmas) būtu 6,15 miljoni CNY. Ja tiek izmantots trīs-pakāpju AO process, izkliedētāku zonu dēļ MBBR zona būtu jāsadala 2 sadaļās (pirmās{11}}posma un otrās{12}}pakāpes aerobās zonas). Līdz ar to izmaksas par atbilstošu MBBR fiksēto iekārtu uzstādīšanu (izņemot pašus pārvadātājus) nedaudz pieaugtu līdz 7,77 miljoniem CNY, bet pārvadātāja izmaksas paliek nemainīgas. Tas nozīmē, ka trīs-pakāpju AO ieviešana palielinātu turpmākos ieguldījumus modernizēšanā par 1,62 miljoniem CNY, kā arī palielinātu modernizācijas sarežģītību. Turklāt skrīninga sistēma ir joma, kas visvairāk pakļauta problēmām pēc nesēja pievienošanas. Trīs-pakāpju AO pievieno papildu ekrānu sadaļu, palielinot darbības grūtības.
Ņemot vērā iepriekš minēto salīdzinājumu, pārmērīgas sadalīšanas dēļ trīs{0}}pakāpju AO un katram nodalījumam ir līdzīgs apjoms, tā modernizēšanas grūtības ir augstākas nekā divu-pakāpju AO. Konstrukcija, darbības sarežģītība un skrīninga aprīkojuma pievienošana arī rada lielākus ieguldījumus nekā divu-pakāpju AO. Tāpēc divu-pakāpju AO pieņemšana ir labvēlīgāka turpmākai savienošanai ar piekārtiem nesējiem.
2.3. Salīdzināšanas rezultāts
Pamatojoties uz iepriekš sniegto analīzi, gan divu{0}}pakāpju, gan trīs-pakāpju AO procesos var sasniegt notekūdeņu TN mērķi, kas ir mazāks vai vienāds ar 10 mg/l. Saskaņā ar šī projekta -ierobežotās telpas robežnosacījumiem, nepieciešamībai maksimāli palielināt gandrīz-termiņa tvertnes tilpumu un ilgtermiņa-plānam pievienot apturētus pārvadātājus-divu-pakāpju AO ir priekšrocības attiecībā uz īstermiņa-ieguldījumiem un aprīkojuma pārvaldības/apkopes ērtībām. Tas arī piedāvā labāku savietojamību turpmākai modernizēšanai ar piekārtiem turētājiem, tādējādi samazinot kopējos ieguldījumus un samazinot modernizācijas un darbības grūtības. Tāpēc pēc visaptverošas apsvēršanas šim dizainam tika ieteikts divu{12}}pakāpju AO process.
3 Darbības veiktspēja
Kopējās paredzamās investīcijas šim projektam ir 304,5721 miljons CNY, un būvniecības izmaksas ir 243,6019 miljoni CNY, kas nozīmē, ka vienības būvniecības izmaksas ir 3480,03 CNY/m³. Apstrādes izmaksas ir 1,95 CNY/m³, un ekspluatācijas izmaksas ir 1,20 CNY/m³.
Šim projektam bioloģiskās tvertnes kopējā HAT ir 18 stundas (sastāv: anaerobā zona 2 h, pirmā-posma anoksiskā zona 3,5 h, pirmā-posma aerobā zona 7,5 h, degazēšanas zona 0,5 h, otrā-posma anoksiskā zona 2,5 h, 2 h, aerobā zona 2,5 h, 2 h{ 8,6 m. Ir ieviesta regulējama sekciju ūdens ieplūde, kas ļauj pielāgot ieplūdes sadales koeficientu ar 20% soli pēc vajadzības. Faktiskajā darbībā jauktā šķidruma suspendēto cieto vielu (MLSS) koncentrācija bioloģiskajā tvertnē svārstās no 3500 līdz 4000 mg/L, dūņu atgriešanas attiecība svārstās no 40% līdz 100%, un jauktā šķīduma iekšējās pārstrādes attiecība svārstās no 100% līdz 200%. Faktiskā ieplūdes un notekūdeņu kvalitāte ir parādīta5. tabula, kas pamatā sakrīt ar simulācijas rezultātiem.
4 Secinājums
Izmantojot gadījuma izpēti Dienvidķīnas NAI, tika veikts tehnisks un ekonomisks divu{0}}pakāpju un trīs-pakāpju AO procesu salīdzinājums ar BioWin simulācijas palīdzību. Divu -pakāpju AO ar mazāk aprīkojuma vienību un pakāpju skaitu, zemākām aprīkojuma izmaksām un zemākām darbības vadības grūtībām ir piemērotāks apstākļiem Ķīnas dienvidos, kur ieplūstošais TN nav ļoti augsts. Trīs -pakāpju AO iekšējās pārstrādes iestatīšana no trešā posma beigām līdz pirmajai anoksiskajai zonai negatīvi ietekmēja TN noņemšanas efektivitāti, palielināja darbības pārvaldības grūtības un palielināja investīciju izmaksas. Konstrukcija vienlaikus atbilst tuvākā laika apstrādes prasībām — 50 000 m³/d un TN, kas ir mazāka vai vienāda ar 10 m³/d, savukārt ilgtermiņa mērogu 70 000 m³/d var sasniegt, savienojot ar piekārtiem nesējiem. Faktiskie darbības rezultāti lielā mērā atbilst BioWin simulācijas rezultātiem ar vidējo notekūdeņu TN 6,86 mg/L, kas atbilst projektēšanas prasībām.