إزالة النيتروجين المتقدمة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي: تصميم عملية الأغشية الحيوية MBBR النقية وتحليل الأداء|دراسة الحالة

التصميم الهندسي والأداء لعملية MBBR للأغشية الحيوية النقية لإزالة النيتروجين المتقدمة

مع التقدم الشامل في بناء الحضارة البيئية في الصين، أصبحت معايير التصريف لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) صارمة بشكل متزايد. يتطلب معيار الدرجة "أ" من "معيار تصريف الملوثات لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية" (GB 18918-}2002) TN أقل من أو يساوي 15 ملجم/لتر، بينما تحدد المعايير المحلية في مناطق مثل بكين وشاندونغ الحد بشكل صريح عند TN أقل من أو يساوي 10 ملجم/لتر. وتمتد هذه المعايير المرتفعة إلى ما هو أبعد من مجرد حدود جودة المياه، مما يضع متطلبات أكثر صرامة على استقرار النفايات السائلة. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لتعزيز قدرة عمليات المعالجة على إزالة النيتروجين. ويتمثل أحد الأساليب في زيادة جرعة مصدر الكربون في العملية الحالية لتحسين عملية إزالة النتروجين، ولكن هذا يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التشغيل وزيادة انبعاثات الكربون. وبدلاً من ذلك، فإن إضافة مرافق متقدمة لإزالة النيتروجين، والتي غالبًا ما تستخدم أساليب الأغشية الحيوية لإثراء البكتيريا النازعة للنتروجين بكفاءة، يمكن أن تعزز إزالة TN، وتقلل من الحاجة إلى مصادر الكربون الخارجية، وتخفض انبعاثات الكربون. لقد تم تطبيق مفاعل الأغشية الحيوية ذو السرير المتحرك (MBBR)، مع مزاياه المتمثلة في إثراء البكتيريا الوظيفية القوية، والبصمة الصغيرة، والتشغيل والصيانة البسيطة، على نطاق واسع في بناء وتوسيع وتحديث محطات معالجة مياه الصرف الصحي. ويمكنه تحقيق معايير التصريف بشكل أفضل من جودة المياه السطحية شبه من الدرجة الرابعة ويحمل إمكانات ومزايا كبيرة لإزالة النيتروجين المتقدمة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي. تأخذ هذه المقالة محطة معالجة مياه الصرف الصحي في شاندونغ كدراسة حالة لتحليل الأساس المنطقي للتصميم والأداء التشغيلي لتطبيق عملية MBBR للأغشية الحيوية النقية لإزالة النيتروجين المتقدمة، بهدف توفير مرجع تقني لإزالة النتروجين بكفاءة من مياه الصرف الصحي.

1. نظرة عامة على المشروع

1.1 مقدمة المشروع

تم إنشاء محطة معالجة مياه الصرف الصحي في شاندونغ على مرحلتين. تم تشغيل المرحلة الأولى، باستخدام عملية BIOLAK، رسميًا في نوفمبر 2003 بقدرة معالجة تبلغ 40.000 متر مكعب في اليوم. يتم عرض تخطيط عملية BIOLAK والمنطقة المتاحة للترقية فيالشكل 1. في البداية، كانت جودة النفايات السائلة متوافقة مع معيار الدرجة B GB 18918-2002. بحلول عام 2020، من خلال جرعات مصدر الكربون المحسنة وإضافة المعالجة المتقدمة، تم تحسين جودة النفايات السائلة إلى مستوى الدرجة الأولى. بحلول عام 2023، بعد ثلاث سنوات من التشغيل، يمكن أن تلبي جودة النفايات السائلة بشكل عام معيار الدرجة الأولى، لكنها واجهت تحديين رئيسيين فيما يتعلق بإزالة النيتروجين:

جرعة عالية من مصدر الكربون: لتحقيق هدف TN أقل من أو يساوي 15 ملجم/لتر، كان هناك حاجة إلى كمية كبيرة من مصدر الكربون الخارجي. أظهرت الحسابات المستندة إلى أقسام العملية أن نسبة C/N تصل إلى 5.9، في حين أن عملية AAO في المرحلة الثانية للمصنع تتطلب فقط نسبة C/N تبلغ 4.5-5.0 لضمان الامتثال المستقر للـ TN. كما أثرت إضافة مصدر الكربون الكبير سلبًا على عملية النترجة الهوائية، مما أدى إلى زيادة الطلب على الأكسجين في المنطقة الهوائية.

ضعف استقرار إزالة النيتروجين: نظرًا لحدوث النترجة ونزع النتروجين في نفس الخزان في ظل ظروف مطلوبة مختلفة، تحتاج المعلمات التشغيلية إلى تعديل متكرر بناءً على التغييرات المؤثرة. كان التحكم في NH₃-N وTN متناقضًا، مما يجعل من الصعب الحفاظ على توازن مستقر بين النترجة ونزع النتروجين. وكانت مقاومة حمل الصدمات للنظام متوسطة، مما أدى إلى ضعف استقرار النفايات السائلة.

لذلك، كان من الضروري ترقية عملية BIOLAK الأصلية، مع الأهداف الأساسية المتمثلة في حل التعارض بين النترجة ونزع النتروجين، وتقليل تكاليف تشغيل إزالة النيتروجين، وتحسين استقرار النفايات السائلة.

1.2 ترقية التحديات

نظرًا لأن عملية BIOLAK لم تكن مناسبة لتعديل الخزان-لتحسين الأداء، فقد كانت الخطة تتمثل في تعزيز المعالجة من خلال إنشاء وحدة جديدة متقدمة لإزالة النيتروجين. ركزت عملية BIOLAK الأصلية في المقام الأول على النترجة مع نزع النتروجين كأمر ثانوي، في حين ستركز العملية الجديدة على نزع النتروجين. ونظرًا لاحتياجات التجديد الفعلية، واجه المشروع تحديين رئيسيين: محدودية الأراضي المتاحة للعملية الجديدة ومتطلبات الكفاءة التشغيلية العالية.

الأراضي المتاحة محدودة للعملية الجديدة: كان لا بد من استكمال البناء الجديد داخل موقع المصنع الحالي، والذي لا يحتوي في الأساس على أرض محجوزة. لم يكن البناء ممكناً إلا على حزام أخضر مجاور لخزانات BIOLAK، بمساحة متاحة تبلغ 400 متر مربع. وهذا يعني أن مساحة المشروع الجديد لكل وحدة مياه معالجة يجب أن تكون أقل من أو تساوي 0.01 متر مربع/(متر مكعب).

متطلبات الكفاءة التشغيلية العالية: لم تكن هذه ترقية بسيطة، بل كانت بمثابة تحسين إضافي للمنطقة الوظيفية البيوكيميائية. وكان من المتوقع أن تتعامل الوحدة الجديدة مع حمولة إزالة النيتروجين بمقدار 20 ملغم/لتر. لم يكن من الضروري إكمال هذه العملية على أرض محدودة فحسب، بل كانت هناك حاجة أيضًا إلى تقليل جرعة مصدر الكربون مقارنة بعملية إزالة النتروجين الأصلية من BIOLAK مع ضمان أداء مستقر لنزع النتروجين. وبالتالي، تم وضع متطلبات عالية على كل من كفاءة إزالة النيتروجين وكفاءة استخدام مصدر الكربون.

2. عملية المقارنة والاختيار

بعد المعالجة بواسطة عملية BIOLAK، تتكون النفايات السائلة TN بشكل أساسي من نترات النيتروجين. حاليًا، تستخدم عمليات إزالة النيتروجين المتقدمة الناضجة في المقام الأول طرق الأغشية الحيوية، التي تتميز بالكائنات الحية الدقيقة التي يتم إثراءها بكفاءة على الأسطح الحاملة في حالة مرفقة، مما يوفر كفاءة إثراء بكتيريا وظيفية أعلى بكثير من عمليات الحمأة المنشطة التقليدية. يمكن تقسيم عمليات الأغشية الحيوية أيضًا إلى أنواع طبقات-ثابتة وأنواع طبقات متحركة-استنادًا إلى تميع الناقل، كما هو موضح فيالشكل 2.تستخدم مرشحات إزالة النتروجين، وهي عمليات الأغشية الحيوية ذات الطبقة الثابتة النموذجية، وسائط مرشح حبيبية ثابتة كحاملات نمو ميكروبية. من خلال إضافة مصدر كربون خارجي، فإنها تستفيد من إزالة النتروجين من الغشاء الحيوي وترشيح الوسائط لتحقيق الإزالة المتزامنة لـ NO₃^--N وSS والملوثات الأخرى. تشمل المزايا جودة المياه المعالجة المستقرة، وعدم الحاجة إلى أجهزة تنقية ثانوية، وتصميم مدمج، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في ترقيات محطات معالجة مياه الصرف الصحي كوحدة معالجة متقدمة لتعزيز إزالة TN من النفايات السائلة الثانوية. ومع ذلك، يجب أن يكون التركيز التشغيلي على تأثير C/N على كفاءة إزالة النتروجين المتقدمة. يستخدم مشروع ترقية المرحلة الأولى من مشروع ترقية محطة معالجة مياه الصرف الصحي في بينجتانج، والذي تبلغ سعته أيضًا 40.000 متر مكعب/يوم، مرشح إزالة النتروجين + تعويم الهواء المذاب عالي الكفاءة (DAF) كعملية معالجة متقدمة لرفع النفايات السائلة TN إلى معايير المياه السطحية شبه- من الدرجة الرابعة، مما يحقق بصمة تبلغ حوالي 0.045 متر مربع/(م³·ي)، مما يوفر الأرض ويتيح معالجة فعالة، ولكن مع C/N يصل إلى 18.34. للوفاء بالمعايير المحلية الجديدة للنفايات السائلة TN، اعتمدت محطة استصلاح المياه Chengdu No. 9 خزان ترسيب عالي الكثافة-ومرشح ذو طبقة عميقة لإزالة النتروجين- كعملية ترقية، مع نسبة C/N تبلغ 5.7، مما يحقق معالجة متقدمة وفقًا للمعايير العالية. لم تتمكن محطة Dingqiao لمعالجة مياه الصرف الصحي في هاينينغ من تلبية معايير التصريف من الدرجة الأولى المطلوبة لحوض نهر تشيانتانغ. جاو فييا وآخرون. استخدمنا مرشحًا عميقًا لإزالة النتروجين- لمعالجة TN المتقدمة، وإزالة SS وTP في نفس الوقت، مما جعل جودة النفايات السائلة قريبة من معايير شبه -الفئة الرابعة، ولكن مع نسبة C/N عالية تبلغ 15.68، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف إزالة النيتروجين. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب عمليات التصفية الغسيل العكسي المنتظم، وعادةً ما يتم ذلك باستخدام الهواء-الماء، مما قد يؤثر على الاستقرار التشغيلي.

عدم الاستقرار في مرشحات إزالة النتروجين، فقد جذبت الأبحاث المتعلقة بتطبيق عملية نزع النتروجين ذاتية التغذية المعتمدة على الكبريت (SAD) في مرشحات إزالة النتروجين الاهتمام. يستخدم SAD عنصر الكبريت أو مركبات الكبريت كمانحين للإلكترون في ظل الظروف اللاهوائية أو نقص الأكسجين لتقليل NO₃^--من N إلى N₂. إنه يوفر مزايا مثل كفاءة إزالة النتروجين الجيدة، وعدم الحاجة إلى مصدر كربون عضوي، وتكلفة تشغيل منخفضة، وإنتاج منخفض للحمأة. سونغ تشينغيوان وآخرون. دراسة تأثير إزالة النيتروجين لمرشح SAD على النفايات السائلة الثانوية. بعد تحسين الظروف التجريبية، ظلت إزالة النترات مستقرة فوق 95٪، لكن معدل استهلاك الوسائط وصل إلى 20٪ سنويًا، مصحوبًا بزيادة تركيز كبريتات النفايات السائلة وانخفاض الرقم الهيدروجيني. لتجنب مخاطر التلوث الثانوي الناجمة عن الحزن العاطفي، لي تيانشين وآخرون. الوسائط المحضرة عن طريق تكوير خليط من مسحوق الكبريت والحجر الجيري. تؤدي إضافة نسبة معينة من الحجر الجيري إلى طبقة المرشح إلى تحييد الحموضة المتولدة وإنتاج راسب CaSO₄، مما يؤدي إلى خفض تركيز الكبريتات السائلة ومعالجة مشكلات إنتاج الحمض ومستويات الكبريتات العالية بشكل فعال. ومع ذلك، فإن المساحة المحتلة من الحجر الجيري مخصصة للوسائط المانحة للإلكترون داخل النظام، مما يضعف قدرة إزالة النتروجين المتقدمة، ويزيد من صلابة النفايات السائلة، ويزيد من تكاليف التشغيل. الأبحاث الحالية حول تقنية SAD تجري في المقام الأول على المستوى المختبري والتجريبي، مع عدم وجود خبرة هندسية كافية كمرجع. هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث التطبيقية قبل الترويج على نطاق صناعي-.

يعد MBBR ممثلًا نموذجيًا لعمليات الأغشية الحيوية ذات الطبقة المميعة- وتقنية جديدة لمعالجة مياه الصرف الصحي التي حظيت باهتمام كبير في السنوات الأخيرة. ويستخدم ناقلات معلقة ذات كثافة قريبة من الماء لإثراء الكائنات الحية الدقيقة على وجه التحديد، وتشكيل غشاء حيوي لتحقيق إزالة متقدمة للنيتروجين. تعمل عمليات الأغشية الحيوية للطبقة المميعة- أيضًا على تجنب مشكلات انسداد الوسائط والغسيل العكسي. حاليًا، يتمتع الأغشية الحيوية النقية MBBR لإزالة النتروجين المتقدمة من محطات معالجة مياه الصرف الصحي بأكثر من 20 عامًا من الخبرة التشغيلية الناجحة في الخارج ويشهد تطبيقًا أوسع بشكل متزايد في الصين. تشنغ زيجيا وآخرون. تم استخدام عملية MBBR للأغشية الحيوية النقية على مرحلتين من أجل إزالة النتروجين المتقدمة. عند C/N=4.0، استقر نيتروجين النترات السائلة في النظام عند (1.87 ± 1.07) ملغم/لتر، مع متوسط ​​معدل إزالة TN يبلغ 93.3%. قامت منطقة تطوير محطة معالجة مياه الصرف الصحي في مدينة معينة ببناء خزان حيوي جديد MBBR - كعلاج متقدم من الدرجة الثالثة لتحسين عملية إزالة النتروجين. كان حمل إزالة TN في قسم نقص الأكسجين من الأغشية الحيوية النقية MBBR 1.1 جم / (م²·د)، مما يحسن موثوقية إزالة النتروجين في النظام. بهدف زيادة قدرة المصنع الأصلي، قام جاو يانبو وآخرون ببناء خزان جديد من -المرحلة AO من الأغشية الحيوية النقية MBBR bio-}، مما يحقق تدفقًا ثابتًا من النفايات السائلة TN أقل من 5 ملجم/لتر مع كفاءة عالية في إزالة النتروجين. وبالتالي، تُظهر عملية MBBR للأغشية الحيوية النقية إمكانات كبيرة لإزالة النيتروجين المتقدمة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، وتجمع بين مزايا مثل كفاءة استخدام مصدر الكربون العالي، وحمل المعالجة العالي، والبصمة الصغيرة. ومع ذلك، فإنه يفرض أيضًا متطلبات أعلى على المعدات، مما يتطلب معدات موثوقة لدعم التشغيل المستقر للعملية. يتم عرض مقارنة بين عمليات إزالة النيتروجين المتقدمة الشائعة فيالجدول 1.

بناءً على مقارنة شاملة، على الرغم من أن عملية SAD لا تتطلب إضافة مصدر للكربون، إلا أن تطبيقها الحالي لم ينضج بعد وينطوي على مخاطر تلوث ثانوية، لذلك لم يتم أخذها في الاعتبار لهذه الترقية. على الرغم من استخدام مرشحات إزالة النتروجين على نطاق واسع، إلا أنها تستخدم في الغالب في ترقيات محطات معالجة مياه الصرف الصحي حيث يكون التصميم المؤثر/التدفق السائل TN غالبًا 15/12 ملجم / لتر، مما يتعامل مع حمل إزالة TN صغير نسبيًا. نظرًا لأن هذا المشروع يتطلب تلبية متطلبات إزالة TN العالية-على المدى الطويل، فإن التشغيل سيقلل بشكل كبير من دورة الغسيل العكسي للمرشح، مما يزيد من صعوبة التشغيل وعدم الاستقرار. تجمع عملية MBBR للأغشية الحيوية النقية بين مزايا مثل كفاءة استخدام الكربون العالية، وعدم الحاجة إلى الغسيل العكسي، والتطبيق الناضج، وعدم التلوث الثانوي. مع الأخذ في الاعتبار تحديات العملية ومتطلبات التجديد، اختار المشروع في نهاية المطاف إنشاء خزان حيوي جديد من الأغشية الحيوية MBBR - (يشار إليه فيما يلي باسم خزان MBBR) كحل متقدم لإزالة النيتروجين للمرحلة الأولى، مصمم باستخدام C/N=4.5، وفترة استرداد استثمار مخطط لها تبلغ 7.37 سنة.

3. خطة البناء الجديدة

3.1 تدفق العملية

يظهر في الصورة تدفق عملية معالجة مياه الصرف الصحي بعد التجديدالشكل 3. يمر تدفق النبات عبر الغرابيل الدقيقة، وغرف الحصى الدوامة، وخزانات الترسيب الأولية قبل دخول خزان BIOLAK الحيوي- لإزالة المواد العضوية، ونيتروجين الأمونيا، وما إلى ذلك. ثم يتم رفعه بواسطة المضخات إلى خزان MBBR لإزالة TN المتقدمة. تم تصميم خزان MBBR لتدفق TN يبلغ 35 مجم / لتر وتدفق TN أقل من أو يساوي 15 مجم / لتر. يتم رفع تدفق MBBR بواسطة مضخات ثانوية إلى المعالجة المتقدمة الحالية بالمحطة لفصل السوائل الصلبة وإهدار الحمأة. ويتم تطهير النفايات السائلة النهائية قبل تصريفها إلى النهر المستقبل. ويتم تكثيف الحمأة الفائضة وتجفيف مياهها ونقلها خارج{10}الموقع للتخلص منها.

3.2 دبابة MBBR جديدة

يستخدم خزان MBBR عملية AO، التي تم إنشاؤها باستخدام خزانات Lipp للتجميع المعياري، ويتم الانتهاء منها في 30 يومًا. يبلغ إجمالي وقت الاحتفاظ الهيدروليكي للنظام (HRT) 1.43 ساعة. يتم إضافة ناقلات معلقة هوائية ونقص الأكسجين من النوع III داخل الخزانات، بنسبة تعبئة 60% في المنطقة الهوائية و55% في منطقة نقص الأكسجين. تكون الحاملات أسطوانية مفلطحة، قطرها 25 مم وارتفاعها 10 مم، مع مساحة سطحية محددة فعالة أكبر من أو تساوي 800 متر مربع/م3. تم تجهيز منطقة نقص الأكسجين بـ 4 MBBR-خلاطات تردد متغيرة مخصصة- (نوع الطاقة الكيميائية SPR)، N=5.5 كيلووات لكل منها، مما يوفر تميعًا موحدًا وكافيًا للموجات الحاملة. بعد نضوج الأغشية الحيوية، يتم تشغيل خلاطين بشكل روتيني، مع وجود الخلاطين الآخرين في وضع الاستعداد الساخن. تستخدم المنطقة الهوائية منافيخ لولبية للتهوية. يتمتع المنفاخ الفردي بسعة هواء تبلغ 14.50 م³/دقيقة، والضغط 90 كيلو باسكال، N=22 كيلوواط. تم تركيب مجموعة واحدة من أجهزة توزيع الأنابيب المثقبة المخصصة للمنطقة الهوائية (نوع SPR). نظرًا لانخفاض حجم التهوية المطلوب، يمكن عادةً استخدام منافيخ المرحلة الأولى الحالية، حيث يعمل المنفاخ الجديد ومنافيخ المرحلة الأولى كنسخ احتياطية متبادلة. يتم تركيب شاشات اعتراض المواد الجديدة (نوع SPR)، بسمك 12 مم، مع عمر خدمة مصمم يصل إلى 30 عامًا، في كل من المناطق الهوائية ونقص الأكسجين.

3.3 مرافق الدعم الجديدة

• نظام مؤثر: يتم رفع النفايات السائلة من خزان BIOLAK الحيوي- إلى خزان MBBR . 4 ويتم تركيب مضخات مدخل (2 للخدمة، 2 احتياطية)، كل منها بقدرة Q=840 m³/h، H=65 كيلو باسكال، N=30 كيلوواط.
• نظام الجرعات مصدر الكربون: النفايات السائلة من خزان المرحلة الأولى BIOLAK الحيوي-تحتوي فقط على COD الذي يصعب استخدامه. لضمان إزالة النتروجين المتقدمة في منطقة نقص الأكسجين في خزان MBBR، يتم استخدام خلات الصوديوم كمصدر خارجي للكربون . 4 ويتم تركيب مضخات قياس (2 واجب، 2 احتياطي)، كل منها مع Q=300 L/h، H=200 كيلو باسكال، N=0.37 كيلوواط.