Nâng cấp thiết kế và thực hành của Nhà máy lọc chất lượng nước Xin'an Qianhe dựa trên quy trình AAOAO-MBBR và quá trình oxy hóa Ozone
Thanh Đảo, với tư cách là thành phố trọng điểm ven biển miền Trung quốc gia, đã đạt được những kết quả đáng kể trong quản lý sinh thái. Tuy nhiên, so với các đô thị quốc tế-hàng đầu, hệ thống quản lý môi trường nước đô thị của nước này vẫn phải đối mặt với những thách thức về cơ cấu.
Hiện tại, có những khoảng cách giữa tỷ lệ bao phủ của mạng lưới đường ống thoát nước, hiệu quả hoạt động của các cơ sở xử lý nước thải và kỳ vọng của công chúng về một-môi trường nước chất lượng cao. Cũng còn một khoảng cách xa để hiện thực hóa tầm nhìn sinh thái về việc xây dựng một “Thanh Đảo xinh đẹp”.
Để giải quyết những thách thức này, Thanh Đảo cần khẩn trương thực hiện các biện pháp có hệ thống như lập kế hoạch khoa học, phân bổ nguồn lực tối ưu và tăng cường đầu tư cơ sở hạ tầng. Những nỗ lực này nhằm nâng cao toàn diện hiệu quả của mạng lưới thu gom nước thải và năng lực xử lý đầu cuối, từ đó củng cố nền tảng sinh thái cho sự phát triển bền vững của thành phố.
Dự án Nhà máy lọc chất lượng nước Xin'an Qianhe nằm ở Khu vực mới Bờ Tây của Thanh Đảo. Nhà máy có công suất xử lý thiết kế là 50.000 m³/ngày, tổng diện tích khu đất là 33.154 m2 và tổng vốn đầu tư là 182,4 triệu nhân dân tệ. Báo cáo nghiên cứu khả thi của dự án được hoàn thành vào tháng 3 năm 2021, thiết kế sơ bộ và ngân sách được phê duyệt vào tháng 6 cùng năm và việc xây dựng chính thức bắt đầu vào tháng 4 năm 2023. Hiện dự án đang trong giai đoạn xây dựng. Thiết kế ban đầu yêu cầu các thông số nước thải chính phải đáp ứng các tiêu chuẩn Loại V được quy định trong GB 3838-2002 "Tiêu chuẩn chất lượng môi trường đối với nước mặt", trong khi tổng nitơ (TN) và các chỉ số khác phải đáp ứng các tiêu chuẩn loại A của GB 18918-2002 "Tiêu chuẩn thải chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải thành phố".
Vào tháng 3 năm 2022, Cơ quan quản lý nước Thanh Đảo đã ban hành "Thông báo về việc tiến hành công việc nâng cấp và cải tạo các nhà máy xử lý nước thải đô thị ở Thanh Đảo". Thông báo này yêu cầu các nhà máy xử lý xung quanh Vịnh Giao Châu, Vịnh Bột Hải và dọc các con sông phải hoàn tất nâng cấp, nâng tiêu chuẩn xả thải lên gần như-chất lượng nước mặt cấp IV, với nước thải TN được kiểm soát trong khoảng 10-12 mg/L. Việc ban hành chính sách này nằm trong khoảng thời gian từ khi phê duyệt thiết kế sơ bộ của dự án (tháng 6 năm 2021) đến khi bắt đầu thực hiện dự án (tháng 4 năm 2023), tạo ra khoảng cách kỹ thuật giữa các tiêu chuẩn thiết kế ban đầu đã được phê duyệt và các yêu cầu mới nhất về môi trường. Là một cơ sở xử lý nước thải mới ở Khu vực mới Bờ Tây, để đảm bảo tuân thủ sau khi hoàn thành, bắt buộc phải đồng thời thực hiện tối ưu hóa quy trình trong giai đoạn xây dựng và xây dựng kế hoạch nâng cấp khả thi về mặt kinh tế thông qua các nghiên cứu khả thi.
1. Thiết kế và lựa chọn sơ đồ quy trình
1.1 Chất lượng nước thải được thiết kế
Tiêu chuẩn nước thải của dự án đã được nâng cấp từ gần như{0}}Cấp V lên gần như-chất lượng nước mặt cấp IV. Cần có các giải pháp kỹ thuật hợp lý để tiếp tục giảm giá trị các chỉ tiêu BOD, CODCr,TN, NH₃-N và TP trong nước thải. Phân tích cụ thể được thể hiện ởBảng 1.
1.2 Lựa chọn sơ đồ kỹ thuật kỹ thuật
Quy trình của nhà máy đang được xây dựng được thể hiện trongHình 1.
Nhà máy đang được xây dựng áp dụng quy trình "Tiền xử lý + Bể sinh hóa AAOAO cải tiến + Bể lắng thứ cấp + Bể lắng-hiệu suất cao + Bộ lọc loại V- + Quá trình oxy hóa Ozone". Cách bố trí các công trình nhỏ gọn, không để lại đất thừa cho dự án nâng cấp, do đó phải dựa trên việc xây dựng đang diễn ra. Việc nâng cấp chủ yếu nhằm mục đích loại bỏ các chất ô nhiễm như CODCr, NH₃-N, TN và TP. Hai phương án so sánh đã được đề xuất, như được trình bày chi tiết trongBảng 2.
Sơ đồ 1: AAOAO-MBBR + Quy trình bể lắng hiệu suất cao-
- Sửa đổi hệ thống sinh hóa: Tối ưu hóa cấu trúc bể sinh hóa AAOAO đang thi công. Tăng cường khả năng khử nitrat bằng cách mở rộng thể tích vùng anoxic. Đồng thời, bổ sung cục bộ chất mang MBBR trong vùng hiếu khí để tạo thành quy trình tổng hợp, tăng cường hiệu quả loại bỏ sinh hóa NH₃-N và TN.
- Nâng cấp hệ thống hóa lý: Tối ưu hóa cấu trúc bể và các thông số thiết bị hỗ trợ của bể lắng-hiệu suất cao để đảm bảo tuân thủ TP ổn định.
- Tăng cường điều trị nâng cao: Tăng liều lượng trong thiết bị oxy hóa ozone để tiếp tục phân hủy chất hữu cơ chịu lửa, đảm bảo CODCrtuân thủ xả thải.
Sơ đồ 2: Bể lắng-hiệu suất cao + Quy trình lọc tầng sâu khử nitơ
- Tối ưu hóa chế độ hoạt động: Giữ nguyên cấu trúc ban đầu của bể sinh hóa AAOAO. Thêm các thiết bị sục khí có thể điều chỉnh trong vùng hậu{1}}anoxic để tự động chuyển đổi giữa các chế độ anoxic/hiếu khí dựa trên chất lượng nước thải đầu vào, đảm bảo hiệu quả xử lý NH₃-N.
- Nâng cấp hệ thống hóa lý: Tối ưu hóa cấu trúc bể và các thông số thiết bị hỗ trợ của bể lắng-hiệu suất cao để đảm bảo tuân thủ TP ổn định.
- Áp dụng bộ lọc khử nitrat: Chuyển đổi bộ lọc loại V{0}} thành bộ lọc tầng sâu khử nitơ, sử dụng định lượng nguồn carbon để nâng cao khả năng loại bỏ TN.
- Tăng cường điều trị nâng cao: Tăng liều lượng trong thiết bị oxy hóa ozone để tiếp tục phân hủy chất hữu cơ chịu lửa, đảm bảo CODCrtuân thủ xả thải.
Cả hai phương án đều có thể đáp ứng các yêu cầu về loại bỏ nitơ và phốt pho. Sơ đồ 1 sử dụng các sửa đổi đối với bể sinh hóa để đạt được khả năng loại bỏ TN. Ưu điểm của nó là tận dụng tối đa nguồn carbon đầu vào. Khi TN chảy vào dao động, nguồn carbon bên ngoài cũng có thể được thêm vào vùng anoxic để loại bỏ TN. Để so sánh, bộ lọc tầng sâu khử nitơ được sử dụng trong Sơ đồ 2 đòi hỏi phải sử dụng nguồn carbon bên ngoài và yêu cầu duy trì-lâu dài hoạt động của vi sinh vật trong bộ lọc, làm tăng chi phí vận hành. Mặc dù chi phí đầu tư xây dựng cho cả hai phương án là tương đương nhau nhưng dựa trên những cân nhắc đa chiều bao gồm kiểm soát chi phí vận hành, độ ổn định của quy trình và hiệu quả sử dụng nguồn carbon, Đề án 1-mang lại cả hiệu quả kinh tế và tính linh hoạt trong vận hành-cuối cùng đã được chọn làm quy trình triển khai cho dự án nâng cấp.
2. Các điểm thiết kế kỹ thuật chính
2.1 Sửa đổi hệ thống sinh hóa
Công nghệ cốt lõi của quy trình MBBR nằm ở việc đạt được chuyển động tầng sôi hiệu quả của các chất mang lơ lửng thông qua thiết kế, từ đó nâng cao đáng kể hiệu quả phân hủy sinh học của hệ thống đối với các chất ô nhiễm. Hệ thống quy trình này bao gồm năm yếu tố chính: chất mang màng sinh học có độ bền-cơ học{2}}cao, cấu trúc bể thủy lực được điều chỉnh, hệ thống sục khí định hướng, thiết bị sàng lọc chặn chính xác và thiết bị đẩy chất lỏng. Dựa trên thể tích bể đã điều chỉnh và các thông số thiết kế của dự án cho thuê thiết bị xử lý nước thải (MBBR) công suất 20.000 m³/ngày đang vận hành trong hệ thống nước thải khu vực, tổng diện tích bề mặt hiệu quả cần thiết được tính toán của các vật chứa treo là khoảng 2.164.000 m2. Diện tích bề mặt riêng hiệu dụng được thiết kế của vật mang MBBR lớn hơn 750 m2/m³. Bảng tính toán thiết kế cho thể tích bể AAOAO-MBBR đã sửa đổi được hiển thị trongBảng 3.
2.2 Nâng cấp hệ thống lý hóa
Bể lắng-hiệu suất cao được thiết kế để hoạt động theo hai nhóm song song. Việc cải tạo đơn vị này áp dụng biểu mẫu gói quy trình, trong đó nhà cung cấp thiết bị cung cấp-đảm bảo kỹ thuật quy trình đầy đủ và cam kết hiệu suất. Các thông số quy trình cốt lõi và cấu hình thiết bị như sau.
Bể đông tụ bao gồm hai nhóm với tổng số 4 ngăn. Kích thước ngăn đơn được thiết kế là 2,675 m × 2,725 m × 5,9 m. Thời gian lưu giữ cao nhất là khoảng 3,8 phút, với độ dốc vận tốc (G) Lớn hơn hoặc bằng 250 s-¹. Mỗi máy khuấy được định cấu hình với một{10}công suất đơn vị là 4 kW.
Bể keo tụ gồm 2 nhóm với tổng số 2 ngăn. Kích thước ngăn đơn được thiết kế là 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. Thời gian lưu giữ cao điểm là khoảng 8,3 phút. Đường kính trong của ống hút là 2.575 mm. Nó được cấu hình với các máy khuấy loại tua-bin Φ2.500 mm{13}}, mỗi máy có công suất 7,5 kW.
Bể lắng bao gồm hai nhóm. Diện tích ống nghiêng cho một nhóm là khoảng 84 mét vuông. Đường kính bể lắng là 11,7 m. Tốc độ tải thủy lực trung bình thiết kế trên bề mặt ống nghiêng là 12,4 m³/(m²·h), với giá trị cực đại là 16,1 m³/(m²·h). Tốc độ tải thủy lực trung bình thiết kế cho vùng lắng là 7,6 m³/(m²·h), với giá trị cực đại là 9,9 m³/(m²·h).
Hệ thống định lượng hóa chất được cấu hình như sau: Chất lỏng Polyaluminum Chloride (PAC) thương mại (10% Al₂O₃) được thiết kế làm chất keo tụ, được định lượng tại nhiều điểm trong phần dòng chảy vào của bể đông tụ. Liều tối đa được thiết kế là 300 mg/L, với liều trung bình là 150–200 mg/L. Máy bơm định lượng màng cơ học được sử dụng và được định cấu hình với hệ thống pha loãng trực tuyến 10-gấp. Anionic Polyacrylamide (PAM) được thiết kế như chất keo tụ, được định lượng trong phần keo tụ của bể lắng có hiệu suất cao. Một bộ thiết bị chuẩn bị và định lượng dung dịch PAM liên tục hoàn toàn tự động được sử dụng với nồng độ dung dịch là 2 g/L. Liều tối đa được thiết kế là 0,6 mg/L, với liều trung bình là 0,3 mg/L. Bơm định lượng là loại bơm định lượng trục vít, cũng được trang bị hệ thống pha loãng trực tuyến 10 lần.
2.3 Thí điểm-Xác minh thí nghiệm oxy hóa ôzôn trên quy mô lớn
Để xác minh tính khả thi của việc nước thải của nhà máy nâng cấp đáp ứng ổn định các tiêu chuẩn nước mặt Loại IV (nồng độ COD Nhỏ hơn hoặc bằng 30 mg/L), nghiên cứu này đã chọn nước thải thứ cấp từ giai đoạn một và giai đoạn hai của Nhà máy lọc chất lượng nước Lianwanhe làm đối tượng nghiên cứu vào tháng 6 năm 2024. Một thí nghiệm xác minh hiệu suất cho quy trình xử lý nâng cao "Lọc cát + Ôxi hóa ôzôn" đã được tiến hành. Thử nghiệm nhằm đánh giá khả năng áp dụng quy trình này vào thiết kế dự án Xin'an và khả năng đạt được mục tiêu.
Thí nghiệm này sử dụng thiết bị lọc cát quy mô nhỏ-hiện có (công suất xử lý 1,5 m³/h) trong nhà máy Lianwanhe. Một thiết bị phản ứng oxy hóa ozone quy mô-thí điểm (lò phản ứng dạng tháp, thể tích hiệu dụng 0,5 m³) đã được thiết lập tại-tại chỗ. Nước thải từ bể lắng thứ cấp hiện có được lọc bằng bộ lọc cát nhỏ, sau đó được nâng lên bằng máy bơm để đi vào tháp oxy hóa ozone từ trên xuống. Tác dụng oxy hóa của ozone được sử dụng để loại bỏ các chất hữu cơ chịu lửa khỏi dòng nước chảy vào, giúp giảm COD hơn nữa.
2.3.1 Hiệu suất "Lọc cát + oxy hóa Ozone" ở liều Ozone 20 mg/L và HRT trong 30 phút
Trong giai đoạn nghiên cứu này, nồng độ COD đầu vào dao động từ 38,2 đến 43,4 mg/L, trung bình là 40,4 mg/L. Sau khi xử lý bằng quy trình "Lọc cát + Oxy hóa Ozone", COD nước thải cuối cùng đạt trung bình 28,8 mg/L. Thí nghiệm cho thấy khi nồng độ COD cao vẫn có trường hợp COD đầu ra không đạt tiêu chuẩn. Ngoài ra, màu nước thải cuối cùng từ thử nghiệm thí điểm vẫn cao hơn nước thải đầu vào, không đạt tiêu chuẩn xả thải. Chi tiết được thể hiện trongHình 2(a).
2.3.2 Hiệu suất "Lọc cát + Oxy hóa Ozone" ở liều Ozone 25 mg/L và HRT trong 30 phút
Để cải thiện hơn nữa khả năng loại bỏ COD và giảm màu nước thải, giai đoạn này tiếp tục tăng liều lượng ozone trong khi duy trì HRT ở mức 30 phút. Trong giai đoạn thử nghiệm này, nồng độ COD đầu vào dao động từ 36,3 đến 46,2 mg/L, trung bình là 40,4 mg/L. Sau khi xử lý, nồng độ COD giảm xuống còn 28 mg/L. Màu nước thải cuối cùng từ thử nghiệm thí điểm vẫn cao hơn nước thải đầu vào, không đạt tiêu chuẩn xả thải. Chi tiết được thể hiện trongHình 2(b).
2.3.3 Hiệu suất "Lọc cát + Oxy hóa Ozone" ở liều Ozone 30 mg/L và HRT trong 30 phút
Trong điều kiện liều lượng ozone là 30 mg/L và HRT là 30 phút, quy trình "Lọc cát + Oxy hóa Ozone" cho thấy hiệu quả xử lý tốt đối với COD nước thải thứ cấp. Trong giai đoạn thử nghiệm này, nồng độ COD đầu vào dao động từ 38,2 đến 42,2 mg/L, trung bình là 40,2 mg/L. Sau khi xử lý, nồng độ COD đầu ra duy trì ổn định dưới 30 mg/L, trung bình là 26 mg/L. Ở giai đoạn này, quy trình cũng cho thấy hiệu quả loại bỏ màu tốt, màu đo được luôn ở mức dưới 20, đáp ứng ổn định tiêu chuẩn xả. Chi tiết được thể hiện trongHình 2(c).
2.3.4 Kết luận thực nghiệm
Dựa trên kết quả thí nghiệm, trong điều kiện phản ứng tối ưu, tỷ lệ giữa liều lượng ozone (30 mg/L) và khả năng loại bỏ COD (12,2 mg/L) trong thiết bị xử lý ozone là 2,45:1,00.
Thí nghiệm thí điểm đã chứng minh rằng quy trình xử lý tiên tiến "Lọc cát + Oxy hóa ôzôn" có thể làm giảm hiệu quả giá trị COD của nước thải thứ cấp đại diện từ nhà máy Lianwanhe. Do đó, việc áp dụng quy trình "Lọc cát + Oxy hóa ôzôn" làm quy trình xử lý tiên tiến cho dự án Xin'an Qianhe có tính khả thi tốt và có thể đảm bảo COD nước thải của dự án vẫn ổn định dưới 30 mg/L.
3. Kết luận
Nghiên cứu này tập trung vào ba mô-đun sửa đổi cốt lõi: hệ thống xử lý sinh hóa áp dụng quy trình lai AAOAO-MBBR (tăng trưởng lơ lửng và gắn liền); đơn vị xử lý hóa lý tối ưu hóa cấu trúc bể và lựa chọn thiết bị cho bể lắng-hiệu quả cao; và liên kết xử lý nâng cao được xác thực thông qua một-thí nghiệm oxy hóa ôzôn ở quy mô thí điểm.
Thông qua việc tối ưu hóa tổng hợp chuỗi quy trình này, một hệ thống xử lý-quy trình đầy đủ "Tăng cường sinh hóa – Cải thiện hóa lý – Bảo vệ nâng cao" được xây dựng. Đồng thời, thiết kế kỹ thuật này tuân theo thực tế khách quan của việc xây dựng dự án hiện tại đang diễn ra, đòi hỏi phải tối ưu hóa phối hợp trình tự xây dựng cho tất cả các công trình để tối đa hóa việc sử dụng cơ sở vật chất hiện có và giảm thiểu khối lượng công việc cải tạo.
Dự án sử dụng tiêu chuẩn chất lượng nước thải của nhà máy đang xây dựng làm tiêu chuẩn cho chất lượng nước thải thiết kế. Nồng độ thải CODCr, BOD₅, NH₃-N và TP phải tuân thủ các tiêu chuẩn Loại IV (TN Nhỏ hơn hoặc bằng 10/12 mg/L) được quy định trong GB 3838-2002 "Tiêu chuẩn Chất lượng Môi trường đối với Nước bề mặt". Các chỉ tiêu khác phải tuân thủ tiêu chuẩn hạng A của GB 18918-2002 "Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải thành phố". Dự án nâng cấp này có quy mô thiết kế 50.000 m³/d, tổng vốn đầu tư 27,507 triệu nhân dân tệ, chi phí vận hành 0,3 nhân dân tệ/m³, tổng chi phí 0,39 nhân dân tệ/m³ và giá nước vận hành là 0,45 nhân dân tệ/m³.