Loại bỏ Nitơ nâng cao trong WWTP: Phân tích hiệu suất và thiết kế quy trình MBBR màng sinh học tinh khiết|Nghiên cứu điển hình

Thiết kế kỹ thuật và hiệu suất của quy trình MBBR màng sinh học tinh khiết để loại bỏ nitơ nâng cao

Với sự tiến bộ toàn diện trong việc xây dựng nền văn minh sinh thái của Trung Quốc, các tiêu chuẩn xả thải đối với các nhà máy xử lý nước thải (WWTP) ngày càng trở nên nghiêm ngặt. Tiêu chuẩn Hạng A của "Tiêu chuẩn Xả chất Ô nhiễm cho Nhà máy Xử lý Nước thải Thành phố" (GB 18918-2002) yêu cầu TN Nhỏ hơn hoặc bằng 15 mg/L, trong khi các tiêu chuẩn địa phương ở các khu vực như Bắc Kinh và Sơn Đông đặt giới hạn rõ ràng ở TN Nhỏ hơn hoặc bằng 10 mg/L. Những tiêu chuẩn nâng cao này vượt ra ngoài giới hạn chất lượng nước, đặt ra những yêu cầu khắt khe hơn về độ ổn định của nước thải. Do đó, nhu cầu cấp thiết là phải tăng cường khả năng loại bỏ nitơ của các quá trình xử lý. Một cách tiếp cận là tăng liều lượng nguồn carbon trong quy trình hiện tại để cải thiện quá trình khử nitrat, nhưng điều này dẫn đến chi phí vận hành cao và tăng lượng khí thải carbon. Ngoài ra, việc bổ sung các cơ sở loại bỏ nitơ tiên tiến, thường sử dụng các phương pháp màng sinh học để làm giàu vi khuẩn khử nitrat một cách hiệu quả, có thể tăng cường loại bỏ TN, giảm nhu cầu về nguồn carbon bên ngoài và giảm lượng khí thải carbon. Lò phản ứng màng sinh học giường chuyển động (MBBR), với ưu điểm là làm giàu vi khuẩn chức năng mạnh mẽ, chiếm diện tích nhỏ, vận hành và bảo trì đơn giản, đã được áp dụng rộng rãi trong việc xây dựng, mở rộng và nâng cấp các nhà máy xử lý nước thải. Nó có thể đạt được các tiêu chuẩn xả thải ổn định tốt hơn so với chất lượng nước bề mặt gần như loại IV và có tiềm năng cũng như lợi thế đáng kể trong việc loại bỏ nitơ tiên tiến trong các nhà máy xử lý nước thải. Bài viết này lấy nhà máy xử lý nước thải ở Sơn Đông làm nghiên cứu điển hình để phân tích cơ sở thiết kế và hiệu suất vận hành của việc áp dụng quy trình MBBR màng sinh học tinh khiết để loại bỏ nitơ nâng cao, nhằm cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật để khử nitơ nước thải hiệu quả.

1. Tổng quan dự án

1.1 Giới thiệu dự án

Một nhà máy xử lý nước thải ở Sơn Đông được xây dựng thành hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên sử dụng quy trình BIOLAK được chính thức vận hành vào tháng 11 năm 2003 với công suất xử lý 40.000 m³/ngày. Bố cục của quy trình BIOLAK và khu vực có sẵn để nâng cấp được hiển thị trongHình 1. Bước đầu, chất lượng nước thải đạt tiêu chuẩn loại B GB 18918-2002. Đến năm 2020, thông qua việc tăng cường định lượng nguồn carbon và bổ sung phương pháp xử lý tiên tiến, chất lượng nước thải đã được cải thiện lên tiêu chuẩn loại A. Đến năm 2023, sau ba năm vận hành, chất lượng nước thải tổng thể nhìn chung có thể đạt tiêu chuẩn loại A, nhưng phải đối mặt với hai thách thức lớn liên quan đến việc loại bỏ nitơ:

Liều lượng nguồn carbon cao: Để đạt được mục tiêu TN Nhỏ hơn hoặc bằng 15 mg/L, cần phải có một lượng đáng kể nguồn carbon bên ngoài. Tính toán dựa trên các phần quy trình cho thấy tỷ lệ C/N cao tới 5,9, trong khi quy trình AAO trong giai đoạn thứ hai của nhà máy chỉ yêu cầu tỷ lệ C/N là 4,5–5,0 để đảm bảo tuân thủ TN ổn định. Việc bổ sung nguồn carbon lớn cũng ảnh hưởng xấu đến quá trình nitrat hóa hiếu khí, làm tăng nhu cầu oxy trong vùng hiếu khí.

Tính ổn định kém của việc loại bỏ nitơ: Do quá trình nitrat hóa và khử nitrat diễn ra trong cùng một bể với các điều kiện yêu cầu khác nhau nên các thông số vận hành cần được điều chỉnh thường xuyên dựa trên những thay đổi có ảnh hưởng. Việc kiểm soát NH₃-N và TN trái ngược nhau, gây khó khăn cho việc duy trì sự cân bằng ổn định giữa quá trình nitrat hóa và khử nitrat. Khả năng chịu tải sốc của hệ thống ở mức trung bình, dẫn đến độ ổn định của nước thải kém.

Do đó, việc nâng cấp quy trình BIOLAK ban đầu là cần thiết, với mục tiêu cốt lõi là giải quyết xung đột giữa quá trình nitrat hóa và khử nitrat, giảm chi phí vận hành loại bỏ nitơ và cải thiện độ ổn định của nước thải.

1.2 Thử thách nâng cấp

Vì quy trình BIOLAK không phù hợp để sửa đổi-bể nhằm nâng cao hiệu suất nên kế hoạch là tăng cường xử lý bằng cách xây dựng một thiết bị loại bỏ nitơ tiên tiến mới. Quy trình BIOLAK ban đầu tập trung chủ yếu vào quá trình nitrat hóa với quá trình khử nitrat là thứ yếu, trong khi quy trình mới sẽ tập trung vào quá trình khử nitrat. Do nhu cầu cải tạo thực tế, dự án phải đối mặt với hai thách thức lớn: quỹ đất sẵn có cho quy trình mới hạn chế và yêu cầu hiệu quả hoạt động cao.

Đất có sẵn cho quy trình mới có hạn: Việc xây dựng mới phải được hoàn thành trong khuôn viên nhà máy hiện tại, nơi về cơ bản không có đất dự trữ. Việc xây dựng chỉ có thể thực hiện được trên vành đai xanh liền kề với các bể chứa BIOLAK, với diện tích sẵn có là 400 mét vuông. Điều này có nghĩa là dấu chân của dự án mới trên mỗi đơn vị nước được xử lý phải Nhỏ hơn hoặc bằng 0,01 m2/(m³·d).

Yêu cầu hiệu quả hoạt động cao: Đây không phải là một bản nâng cấp đơn giản mà là sự tối ưu hóa hơn nữa của vùng chức năng sinh hóa. Thiết bị mới dự kiến ​​sẽ xử lý tải lượng loại bỏ nitơ là 20 mg/L. Quá trình này không chỉ phải được hoàn thành trên diện tích đất hạn chế mà còn cần giảm liều lượng nguồn carbon so với quá trình khử nitrat BIOLAK ban đầu trong khi vẫn đảm bảo hiệu suất khử nitrat ổn định. Do đó, nhu cầu cao được đặt ra về cả hiệu quả loại bỏ nitơ và hiệu quả sử dụng nguồn carbon.

2. So sánh và lựa chọn quy trình

Sau khi xử lý bằng quy trình BIOLAK, nước thải TN bao gồm chủ yếu là nitơ nitrat. Hiện nay, các quy trình loại bỏ nitơ tiên tiến hoàn thiện chủ yếu sử dụng các phương pháp màng sinh học, được đặc trưng bởi các vi sinh vật làm giàu hiệu quả trên bề mặt chất mang ở trạng thái gắn kết, mang lại hiệu quả làm giàu vi khuẩn chức năng cao hơn đáng kể so với các quy trình bùn hoạt tính thông thường. Các quy trình màng sinh học có thể được chia thành các loại giường-cố định và-di chuyển dựa trên quá trình hóa lỏng chất mang, như được trình bày trongHình 2.Bộ lọc khử nitrat, quy trình màng sinh học cố định-điển hình, sử dụng phương tiện lọc dạng hạt cố định làm chất mang vi sinh vật phát triển. Bằng cách bổ sung nguồn carbon bên ngoài, họ tận dụng quá trình khử nitrat của màng sinh học và quá trình lọc của môi trường để loại bỏ đồng thời NO₃^--N, SS và các chất gây ô nhiễm khác. Ưu điểm bao gồm chất lượng nước được xử lý ổn định, không cần thiết bị làm sạch thứ cấp và bố trí nhỏ gọn, khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong nâng cấp WWTP như một thiết bị xử lý tiên tiến để tăng cường loại bỏ TN khỏi nước thải thứ cấp. Tuy nhiên, trọng tâm hoạt động phải tập trung vào tác động của C/N đến hiệu quả khử nitrat nâng cao. Dự án nâng cấp Nhà máy xử lý nước thải Pingtang Giai đoạn I, cũng có công suất 40.000 m³/ngày, đã sử dụng bộ lọc khử nitơ + tuyển nổi không khí hòa tan (DAF) hiệu suất cao- làm quy trình xử lý tiên tiến để nâng nước thải TN đạt tiêu chuẩn nước mặt gần như-loại IV, đạt được diện tích khoảng 0,045 m²/(m³·d), tiết kiệm đất và cho phép xử lý hiệu quả nhưng có C/N cao tới 18.34. Để đáp ứng các tiêu chuẩn mới của địa phương đối với nước thải TN, Nhà máy cải tạo nước No{11}} Thành Đô đã sử dụng bể lắng-mật độ cao và bộ lọc tầng sâu khử nitơ{13}} làm quy trình nâng cấp, với C/N là 5,7, đạt được khả năng xử lý tiên tiến theo tiêu chuẩn cao. Nhà máy xử lý nước thải Dingqiao ở Haining không thể đáp ứng tiêu chuẩn xả thải cấp A cần thiết cho lưu vực sông Tiền Đường. Gao Feiya và cộng sự. đã sử dụng bộ lọc khử nitơ-sâu để xử lý TN nâng cao, đồng thời loại bỏ SS và TP, đưa chất lượng nước thải gần đạt tiêu chuẩn-loại IV nhưng có C/N cao là 15,68, dẫn đến chi phí loại bỏ nitơ cao. Ngoài ra, quy trình lọc yêu cầu rửa ngược thường xuyên, thường sử dụng phương pháp cọ rửa bằng không khí{22}}nước. Điều này có thể ảnh hưởng đến độ ổn định khi vận hành.

mất ổn định trong các bộ lọc khử nitrat, nghiên cứu áp dụng quá trình khử nitrat tự dưỡng (SAD) dựa trên lưu huỳnh-vào các bộ lọc khử nitrat đã thu hút được sự chú ý. SAD sử dụng lưu huỳnh nguyên tố hoặc các hợp chất lưu huỳnh làm chất cho điện tử trong điều kiện kỵ khí hoặc thiếu khí để giảm NO₃^--N đến N₂. Nó mang lại những ưu điểm như hiệu quả khử nitrat tốt, không cần nguồn carbon hữu cơ, chi phí vận hành thấp và tạo ra bùn thấp. Song Qingyuan và cộng sự. đã nghiên cứu hiệu quả loại bỏ nitơ của bộ lọc SAD đối với nước thải thứ cấp. Sau khi tối ưu hóa các điều kiện thí điểm, việc loại bỏ nitrat vẫn ổn định trên 95%, nhưng tỷ lệ tiêu thụ môi trường đạt 20% mỗi năm, kèm theo nồng độ sunfat trong nước thải tăng lên và độ pH giảm. Để tránh rủi ro ô nhiễm thứ cấp từ SAD, Li Tianxin et al. môi trường được chuẩn bị bằng cách tạo viên hỗn hợp lưu huỳnh và bột đá vôi. Thêm một tỷ lệ đá vôi nhất định vào lớp lọc sẽ trung hòa độ axit được tạo ra và tạo ra kết tủa CaSO₄, làm giảm nồng độ sunfat nước thải và giải quyết hiệu quả các vấn đề sản xuất axit và nồng độ sunfat cao. Tuy nhiên, đá vôi chiếm không gian dành cho môi trường cho điện tử trong hệ thống, làm suy yếu khả năng khử nitrat tiên tiến, tăng độ cứng của nước thải và tăng chi phí vận hành. Nghiên cứu hiện tại về công nghệ SAD chủ yếu ở quy mô phòng thí nghiệm và thí điểm, chưa có đủ kinh nghiệm kỹ thuật để tham khảo. Cần có nghiên cứu ứng dụng sâu hơn trước khi{13}thúc đẩy quy mô công nghiệp.

MBBR là đại diện điển hình cho quy trình-màng sinh học tầng sôi và công nghệ xử lý nước thải mới đã nhận được sự quan tâm đáng kể trong những năm gần đây. Nó sử dụng chất mang lơ lửng có mật độ gần với nước để làm giàu vi sinh vật một cách đặc biệt, tạo thành màng sinh học để đạt được khả năng loại bỏ nitơ tiên tiến. Quá trình-màng sinh học tầng sôi cũng tránh được các vấn đề về tắc nghẽn và rửa ngược vật liệu. Hiện tại, màng sinh học tinh khiết MBBR dành cho quá trình khử nitrat tiên tiến trong Nhà máy xử lý nước thải đã có hơn 20 năm kinh nghiệm hoạt động thành công ở nước ngoài và đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi ở Trung Quốc. Zheng Zhijia và cộng sự. đã sử dụng quy trình MBBR màng sinh học tinh khiết hai giai đoạn để khử nitrat nâng cao. Ở mức C/N{10}}, nitơ nitrat trong nước thải của hệ thống ổn định ở mức (1,87 ± 1,07) mg/L, với tỷ lệ loại bỏ TN trung bình là 93,3%. Một khu phát triển WWTP ở một thành phố nào đó đã xây dựng một bể{15}sinh học MBBR mới làm phương pháp xử lý tiên tiến bậc ba nhằm tăng cường quá trình khử nitrat. Tải lượng loại bỏ TN trong phần thiếu oxy của màng sinh học nguyên chất MBBR là 1,1 g/(m2·d), cải thiện độ tin cậy khử nitrat của hệ thống. Gao Yanbo và cộng sự, nhằm mục đích tăng công suất của nhà máy ban đầu, đã chế tạo một bể chứa sinh học MBBR màng sinh học tinh khiết AO hai giai đoạn-mới, đạt được lượng nước thải TN ổn định dưới 5 mg/L với hiệu suất khử nitrat cao. Do đó, quy trình MBBR màng sinh học tinh khiết cho thấy tiềm năng lớn trong việc loại bỏ nitơ nâng cao trong các nhà máy xử lý nước thải, kết hợp các ưu điểm như hiệu quả sử dụng nguồn carbon cao, tải trọng xử lý cao và dấu chân nhỏ. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra yêu cầu cao hơn về thiết bị, đòi hỏi thiết bị đáng tin cậy để hỗ trợ quá trình vận hành ổn định. So sánh các quy trình loại bỏ nitơ tiên tiến phổ biến được trình bày trongBảng 1.

Dựa trên so sánh toàn diện, mặc dù quy trình SAD không yêu cầu bổ sung nguồn carbon nhưng ứng dụng hiện tại của nó vẫn chưa hoàn thiện và tiềm ẩn rủi ro ô nhiễm thứ cấp nên không được xem xét cho lần nâng cấp này. Mặc dù các bộ lọc khử nitrat được sử dụng rộng rãi nhưng chúng chủ yếu được sử dụng trong nâng cấp WWTP trong đó TN nước vào/nước thải thiết kế thường là 15/12 mg/L, xử lý tải loại bỏ TN tương đối nhỏ. Vì dự án này yêu cầu phải đáp ứng các nhu cầu loại bỏ TN cao và dài hạn nên việc vận hành sẽ rút ngắn đáng kể chu trình rửa ngược của bộ lọc, làm tăng độ khó và tính không ổn định khi vận hành. Quy trình MBBR màng sinh học tinh khiết kết hợp các ưu điểm như hiệu quả sử dụng carbon cao, không cần rửa ngược, ứng dụng hoàn thiện và không gây ô nhiễm thứ cấp. Xem xét những thách thức về quy trình và yêu cầu cải tạo, dự án cuối cùng đã chọn việc xây dựng một bể-sinh học MBBR màng sinh học tinh khiết mới (sau đây gọi là bể MBBR) làm giải pháp loại bỏ nitơ tiên tiến cho giai đoạn đầu tiên, được thiết kế với C/N=4.5 và thời gian hoàn vốn đầu tư theo kế hoạch là 7,37 năm.

3. Kế hoạch xây dựng mới

3.1 Quy trình xử lý

Sơ đồ quá trình xử lý nước thải sau cải tạo được thể hiện ởHình 3. Nước thải của nhà máy đi qua các màng lọc mịn, buồng chứa cát xoáy và bể lắng sơ cấp trước khi vào bể-sinh học BIOLAK để loại bỏ chất hữu cơ, nitơ amoniac, v.v. Sau đó, nước được nâng lên bằng máy bơm vào bể MBBR để loại bỏ TN nâng cao. Bể MBBR được thiết kế cho TN dòng vào là 35 mg/L và TN nước thải nhỏ hơn hoặc bằng 15 mg/L. Nước thải MBBR được bơm thứ cấp đưa đến phương pháp xử lý tiên tiến hiện có của nhà máy để tách chất rắn-lỏng và thải bùn. Nước thải cuối cùng được khử trùng trước khi thải ra sông tiếp nhận. Bùn dư thừa được cô đặc, tách nước và vận chuyển{10}ra khỏi địa điểm để xử lý.

3.2 Xe tăng MBBR mới

Bể MBBR sử dụng quy trình AO, được chế tạo bằng cách sử dụng bể Lipp để lắp ráp mô-đun, hoàn thành trong 30 ngày. Tổng thời gian lưu thủy lực của hệ thống (HRT) là 1,43 giờ. SPR-Chất mang lơ lửng hiếu khí và thiếu khí chuyên dụng loại III được thêm vào bên trong bể, với tỷ lệ lấp đầy 60% ở vùng hiếu khí và 55% ở vùng thiếu khí. Giá đỡ có dạng hình trụ dẹt, đường kính 25 mm và cao 10 mm, có diện tích bề mặt riêng hiệu dụng lớn hơn hoặc bằng 800 m2/m³. Vùng anoxic được trang bị 4 máy trộn tần số biến đổi chuyên dụng MBBR-chuyên dụng{14}}(loại năng lượng hóa học SPR), mỗi máy N=5.5 kW, cung cấp khả năng hóa lỏng đồng đều và đủ cho các chất mang. Sau khi màng sinh học trưởng thành, 2 máy trộn được vận hành thường xuyên, 2 máy còn lại ở chế độ chờ nóng. Vùng hiếu khí sử dụng máy thổi trục vít để sục khí. Một máy thổi đơn có công suất không khí 14,50 m³/phút, áp suất 90 kPa, N=22 kW. Một bộ ống khuếch tán đục lỗ dành riêng cho vùng hiếu khí (loại SPR) được lắp đặt. Do thể tích sục khí cần thiết thấp nên thường có thể sử dụng máy thổi Giai đoạn I hiện tại, với máy thổi mới và máy thổi Giai đoạn I đóng vai trò dự phòng chung. Màn chắn chặn vật liệu mới (loại SPR), dày 12 mm, có tuổi thọ thiết kế là 30 năm, được lắp đặt ở cả vùng hiếu khí và vùng thiếu khí.

3.3 Cơ sở vật chất hỗ trợ mới

• Hệ thống ảnh hưởng: Nước thải từ bể sinh học BIOLAK-được nâng lên bể MBBR. 4 máy bơm đầu vào được lắp đặt (2 nhiệm vụ, 2 dự phòng), mỗi máy có Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Hệ thống định lượng nguồn carbon: Nước thải từ bể sinh học BIOLAK Giai đoạn I-chỉ chứa COD khó sử dụng. Để đảm bảo quá trình khử nitrat nâng cao trong vùng anoxic của bể MBBR, natri axetat được sử dụng làm bơm định lượng nguồn carbon bên ngoài. 4 được lắp đặt (2 nhiệm vụ, 2 chế độ chờ), mỗi bơm có Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.