تطبيق عملية AAO المعدلة في معالجة مياه الصرف الصحي المحلية في مناجم الفحم
تنشأ مياه الصرف الصحي المنزلية في مناجم الفحم في المقام الأول من مقاصف الموظفين، وصالات النوم المشتركة، والمكاتب، وغرف الغسيل، والحمامات، حيث يمثل صرف الاستحمام أكثر من 55٪ من الحجم الإجمالي. يكون تصريف مياه الاستحمام مركزًا نسبيًا، مما يؤدي إلى تقلبات كبيرة في التدفق. يتميز تصريف الاستحمام بتركيز عضوي منخفض وارتفاع المواد الصلبة العالقة (SS)، ويختلف بشكل كبير عن مياه الصرف الصحي المنزلية النموذجية. ويساهم نمط التصريف المتدرج مع مجاري مياه الصرف الصحي الأخرى في حدوث تقلب كبير في جودة المياه.
وتقع معظم مناجم الفحم في الصين في مناطق نائية حيث تكون تكاليف نقل الحمأة مرتفعة. ولذلك، ينبغي اختيار عمليات المعالجة ذات العائد المنخفض للحمأة. مع تطور المناجم وزيادة أعداد الموظفين، غالبًا ما يتجاوز تدفق مياه الصرف الصحي قدرة التصميم الأصلية، مما يستلزم عمليات ذات قدرة قوية على التكيف مع التغيرات في جودة المياه وكميتها ضمن نفس البصمة. في ظل السياسات البيئية الصارمة بشكل متزايد والتي تتطلب إعادة الاستخدام الكامل للنفايات السائلة المعالجة بدون تصريف، يجب أن توفر العمليات جودة عالية ومستقرة للنفايات السائلة.
في الوقت الحالي، تعد عملية AAO (اللاهوائية-Anoxic-Oxic) هي الخيار المفضل في معالجة مياه الصرف الصحي البلدية. تحلل هذه المقالة فعالية تطبيق عملية AAO المعدلة (AAO + عملية الناقل المعلق) لمياه الصرف الصحي المنزلية في مناجم الفحم، بناءً على خصائصها الفريدة.
1. تعديل عملية AAO
تعد عملية AAO أبسط تكوين تدفق لإزالة النيتروجين والفوسفور في وقت واحد. لا يمكن للبكتيريا الخيطية أن تتكاثر على نطاق واسع في ظل الظروف اللاهوائية ونقص الأكسجين والهوائية المتناوبة، مما يمنع تراكم الحمأة. لا يتطلب أي إضافة كيميائية، بل يتطلب فقط خلطًا خفيفًا في الخزانات اللاهوائية وخزانات الأكسجين، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف التشغيل. تحتوي الحمأة على نسبة عالية من الفوسفور، مما يمنحها قيمة سمادية جيدة.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >بنسبة 200%، تستهلك عملية إعادة التدوير الداخلية هذه قدرًا كبيرًا من الطاقة. يجب أن تحافظ النفايات السائلة الداخلة إلى جهاز التنقية الثانوي على مستوى معين من الأكسجين المذاب (DO) لمنع الظروف اللاهوائية وإطلاق الفوسفور، ولكن ليس مرتفعًا جدًا لتجنب التدخل في عملية نزع النتروجين في خزان نقص الأكسجين عبر السائل المختلط المعاد تدويره.
تعمل عملية AAO المعدلة (AAO + عملية الناقل المعلق) على تخفيف هذه العيوب بشكل فعال. إنه يزيد من الكتلة الميكروبية في الخزانات البيولوجية، ويعزز التحميل الحجمي، ويحقق الفصل الكامل لوقت الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT) ووقت الاحتفاظ بالحمأة (SRT)، ويعزز القدرة على التحمل لأحمال الصدمات الهيدروليكية والعضوية، ويوفر جودة جيدة للنفايات السائلة حتى مع مصادر منخفضة الكربون، وينتج حمأة أقل وأكثر استقرارًا (مما يقلل من متطلبات سعة معالجة الحمأة النهائية). يمكن أن تفي النفايات السائلة بمعايير جودة المياه الواردة في "معيار إعادة استخدام المياه الحضرية المعاد تدويرها-معيار جودة المياه للمياه المتنوعة في المناطق الحضرية" (GB/T 18920-2020) و"كود تصميم هندسة تحضير الفحم" (GB 50359-2016) لغسل الفحم. هوى فنغ وآخرون. طبقت عملية الناقل المعلق AAO+ في محطة معالجة مياه الصرف الصحي تحت الأرض، محققة معايير الدرجة 1A لكل "معيار تصريف الملوثات لمحطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية" (GB 18918-2002)، مع وصول المؤشرات الرئيسية (COD، BOD5، NH3-N، TP) إلى معايير الفئة الرابعة وفقًا لـ "معايير الجودة البيئية للمياه السطحية" (GB 3838-2002). هاو رويجانج وآخرون. تم استخدام "أكسدة التلامس الحيوي A/O + التلبد الدوامي المثقب + ترسيب الأنبوب المائل + ترشيح الرمل النشط" في توسيع محطة مياه الصرف الصحي المنزلية في منجم للفحم، مما يحقق جودة النفايات السائلة أفضل من الدرجة 1A. يان زيو وآخرون. حققت أيضًا نتائج جيدة باستخدام عمليات الأغشية الحيوية لتعديل معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية الموجودة في مناجم الفحم. تسمح عملية AAO المعدلة بزيادة السعة وتحسين جودة النفايات السائلة في المحطات الحالية مع الحد الأدنى من التعديلات.
تتضمن هذه العملية إضافة ناقلات معلقة إلى خزانات الأكسجين والهوائية، والجمع بين مزايا الحمأة المنشطة وعمليات الأغشية الحيوية. إنه يتميز بالتحميل الحجمي العالي، الكتلة الحيوية الكبيرة، كفاءة المعالجة العالية، القدرة على التكيف القوية مع التربة، استقرار العملية المعزز، وإزالة جيدة للمغذيات. فهو يشكل أغشية حيوية نشطة عالية التخصص، مما يزيد من الكفاءة لكل حجم واستقرار للمفاعل، مما يسمح بمفاعلات أصغر. تحتوي حمأة الأغشية الحيوية المقشرة على عدد أكبر من الأوليات/الميتازوا، ولها كثافة أعلى وحجم جسيمات أكبر، مما يؤدي إلى استقرارية جيدة وفصل السائل الصلب - بسهولة. إنه يتيح فصل SRT-HRT الكامل، ويزيل تراكم الحمأة، وهو مناسب لمياه الصرف الصحي الغنية بالمواد العضوية القابلة للذوبان.
2.1 دراسة الحالة
منجم للفحم في مدينة يانان، على بعد حوالي 16 كم من مدينة Zichang، لديه محطة معالجة مياه الصرف الصحي المحلية بسعة تصميمية تبلغ 1200 متر مكعب في اليوم. العملية هي: "الشاشة + خزان المعادلة + AAO مع الحاملات المعلقة + المعالجة المتقدمة (تجلط الدم-الترسيب-الترشيح) + التطهير". تتم معالجة الحمأة عن طريق "التثخين بالجاذبية + نزح الماء بالضغط اللولبي". تتوافق النفايات السائلة مع الحدود الأكثر صرامة *GB/T 18920-2020* وGB 50359-2016 لمياه غسيل الفحم. يتم إعادة استخدام المياه المعالجة في المناجم الخضراء وكمياه مكياج في مصنع تحضير الفحم. جودة التصميم المؤثرة/النفايات السائلة موجودةالجدول 1. يظهر تدفق العملية فيالشكل 1.
تمر المياه العادمة من خلال شاشة (فجوة 5 مم، زاوية تركيب 75 درجة) إلى خزان المعادلة (L×B×H=14.0 م×6.0 م×6.0 م، العمق الفعال 2.95 م، الحجم 247.8 م³، HRT 4.13 h)، تلبية متطلبات GB 50810-2012. خلاطان يمنعان الترسيب. ثلاث مضخات غاطسة (2 واجب +1 احتياطية، Q=32.5 م³/ساعة، H=17 م، N=4 كيلوواط) ترفع المياه إلى الخزانات البيولوجية.
يتكون النظام البيولوجي من قطارين متوازيين. لكل قطار:
- الخزان اللاهوائي: L×B×H=2.0 م×5.0 م×5.0 م، العمق الفعال 4.5 م، العلاج التعويضي بالهرمونات 1.5 ساعة.
- خزان الأكسجين: L×B×H=4.0 م×5.0 م×5.0 م، العمق الفعال 4.25 م، HRT 2.83 ساعة.
- الخزان الهوائي: L×B×H=15.0 م×5.0 م×5.0 م، العمق الفعال 4.0 م، HRT 10.0 h. إجمالي نظام HRT هو 15.75 h. يتم تركيب الناقلات المعلقة (نسبة الملء 80%، مساحة السطح المحددة 600 م²/م3) في الخزان الهوائي. نسبة الهواء التصميمي-إلى-نسبة الماء هي 13.7:1. يتم استخدام ثلاثة منفاخ Roots (2 في وضع الاستعداد +1، Q=6.84 م³/دقيقة، N=11 كيلوواط، P=44.1 كيلو باسكال). تبلغ نسبة إعادة تدوير الحمأة 100%، ونسبة إعادة تدوير السوائل المختلطة 200%.
يحتوي كل من المصفيين الثانويين المحيطيين -المدخل/المخرج (L×B×H=5.0 م×5.0 م×3.5 م) على معدل تحميل سطحي يبلغ 1.2 م³/(م²·ح) وHRT يبلغ 2.5 ساعة.
يوفر جهاز تنقية المياه المتكامل (الذي يجمع بين التخثر والترسيب والترشيح) علاجًا متقدمًا لإزالة المزيد من SS والفوسفور.
تتضمن معالجة الحمأة التسميك بالجاذبية (خزان من الصلب الكربوني Φ2.5 م × 5.0 م) يليه نزح المياه بالضغط اللولبي. تتم جرعات بولي أكريلاميد (PAM) بمعدل 3.0-5.0 كجم/طن من المواد الصلبة الجافة قبل نزح المياه. تكون كعكة الحمأة المنزوعة الماء يوميًا أقل من أو تساوي 150 كجم مع محتوى رطوبة أقل من أو يساوي 80%، ويتم نقلها خارج الموقع-.
تستخدم عملية التطهير مولد ClO2 -في الموقع (جرعة الكلور الفعالة 120 جم/ساعة) عند مدخل البئر الصافي. يبلغ حجم البئر الصافي الفعال 250 مترًا مكعبًا، مما يوفر وقت اتصال يبلغ 4.2 ساعات.
تم تجهيز المصنع بمراقبة واسعة النطاق عبر الإنترنت (عدادات التدفق، الكلور المتبقي، الرقم الهيدروجيني، الأكسجين المذاب، COD، التعكر، مستوى/تركيز الحمأة) وأنظمة التحكم الآلية للمضخات، والمنافيخ، والغسيل العكسي، وجرعات المواد الكيميائية، والخلط، مما يضمن التشغيل الذكي دون مراقبة.
2.2 تحليل الأداء
تم الانتهاء من تشغيل المصنع في عام 2021 ويعمل لأكثر من عامين. يتم عرض جودة التدفقات/النفايات السائلة الفعلية لعام 2024 فيالجدول 2.
تبلغ نسبة BOD5 / N المؤثرة 5.5، مما يشير إلى انخفاض نسبة الكربون - إلى - نسبة النيتروجين (C / N) في مياه الصرف الصحي، والتي تنخفض بشكل أكبر في الصيف بسبب تسرب الأمطار وتغيير العادات. يمكن أن تصل درجات الحرارة القاسية في فصل الشتاء في يانان إلى -21 درجة. جودة النفايات السائلة الفعلية أفضل من التصميم، حيث تصل معدلات الإزالة إلى: COD 97.8%، BOD5 99.7%، SS 99.7%، NH3-N 93.5%، TP 87.10%، وتلبية معايير غسل الفحم والفحم.
تصل كتلة الأغشية الحيوية النشطة في خزانات نقص الأكسجين/الهوائية إلى 125 جم/م² حامل، أي ما يعادل MLSS 13 جم/لتر-أربعة أضعاف الحمأة المنشطة التقليدية. الكائنات الحية الدقيقة هي في مرحلة التنفس الداخلي، مما يؤدي إلى إنتاج الحمأة يوميا حوالي 1/3 من الطرق التقليدية، مع استقرار أفضل، مما يسمح بمعدات معالجة الحمأة أصغر.
على الرغم من أن الأكسدة الحيوية-يمكن أن تعمل بدون إعادة تدوير الحمأة، إلا أن البحث الذي أجراه Xiong Ren et al. يوضح أن الأنظمة التي تحتوي على إعادة التدوير تحقق معدلات إزالة أعلى لـ COD وTN وNH3-N وSS وتقلل من إنتاج الحمأة بنسبة 29.6%. يتضمن هذا التصميم إعادة تدوير السوائل المختلطة، مع مرونة تشغيلية تعتمد على جودة النفايات السائلة.
المصنع (1200 متر مكعب/يوم) يشغل مساحة 1350.3 متر مربع، باستثمار رأسمالي قدره 20 مليون يوان صيني وتكلفة تشغيل تبلغ 1.05 يوان صيني/متر مكعب.
بالمقارنة مع AAO التقليدي، الذي يتطلب SRT ممتدًا للتشغيل الفعال في درجات حرارة منخفضة-، فإن هذه العملية المعدلة تحتفظ ببساطة إزالة العناصر الغذائية المتزامنة مع إثراء المجتمع البيولوجي بالناقلات. يعمل فصل SRT-HRT على تحسين الاستقرار الحيوي-، مما يضمن التشغيل الموثوق به في ظل ظروف درجة حرارة منخفضة C/N و-منخفضة. يمكن الحفاظ على التدفق المستقر من خلال إعادة تدوير الحمأة بنسبة ضئيلة أو معدومة، مما يتيح-تقليل الحمأة في الموقع وخفض تكاليف معالجة الحمأة. إن بساطتها وقلة حجمها تجعلها مناسبة للغاية لمعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية في مناجم الفحم.
3. البحث الأمثل لعملية AAO
عادةً ما يتم تصميم عمليات AAO المعدلة وفقًا للمعلمات الواردة في "معيار تصميم هندسة مياه الصرف الصحي الخارجية" (GB 50014-2021). ومع ذلك، هناك حاجة إلى تحسين المعلمات التشغيلية (HRT، SRT، والتهوية، ونسب إعادة التدوير، MLSS) الخاصة بمياه الصرف الصحي في مناجم الفحم لتحديد الظروف المثلى للتصميم والتشغيل في المستقبل.
في AAO التقليدي، يتم إعادة تدوير الحمأة من الخزان الهوائي إلى الخزان اللاهوائي، الذي يحمل النترات ونسبة عالية من الأكسجين المذاب، مما قد يضعف إزالة الفوسفور البيولوجي. يمكن أخذ عملية جامعة كيب تاون (UCT) في الاعتبار، حيث تتم إعادة تدوير الحمأة إلى خزان نقص الأكسجين، والسائل المنترج إلى خزان نقص الأكسجين، ويتم إضافة إعادة تدوير إضافية من خزان نقص الأكسجين إلى خزان لاهوائي لتعزيز إزالة -P الحيوي.
يمكن أن تمثل معالجة الحمأة ما بين 50 إلى 60% من تكلفة تشغيل المصنع. يجب اعتماد تقنيات تقليل الحمأة-في الموقع. يؤدي ارتفاع MLSS في خزانات AAO الحيوية -المعدلة إلى نسبة F/M عالية، حيث يمكن أن يحدث فصل الأيض، مما يعزز تقليل الحمأة وخفض تكاليف معالجة الحمأة. يجب أن ينصب التركيز المستقبلي على تطبيق تقنيات التخفيض في الموقع- مثل النمو الخفي من خلال التحلل الجزئي -، وعملية الترسيب اللاهوائية -الأوكسيكية (OSA)، وفصل عملية التمثيل الغذائي في معالجة مياه الصرف الصحي في مناجم الفحم.
هذه العملية مناسبة لإعادة تجهيز مصانع AAO الموجودة في مناجم الفحم. يمكن أن تؤدي إضافة ناقلات إلى خزانات الأكسجين/الهوائية إلى تحسين جودة النفايات السائلة وزيادة السعة وتعزيز استقرار النظام. بالنسبة للمحطات ذات متطلبات النفايات السائلة الأكثر صرامة، فإن استبدال جهاز التنقية الثانوي بنظام MBR يمكن أن يؤدي إلى تحسين جودة المياه.
4. الاستنتاج
- تعتبر عملية AAO المعدلة مناسبة لترقية أنظمة AAO الحالية في مناجم الفحم لتعزيز الاستقرار، أو زيادة القدرة، أو تلبية معايير أكثر صرامة.
- عند معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية في مناجم الفحم، يمكن أن تفي النفايات السائلة في نفس الوقت بمعايير *GB/T 18920-2002* لري الطرق/المساحات الخضراء ومعايير GB 50359-2016 لمياه غسيل الفحم، مما يدل على القدرة القوية على التكيف مع التغيرات في جودة المياه وكميتها.
- تنتج هذه العملية حمأة مستقرة مع قابلية تسوية جيدة وفصل سهل، وتولد حمأة أقل، وتقلل من تكاليف معالجة الحمأة.