Ứng dụng quy trình AAO cải tiến trong xử lý nước thải sinh hoạt mỏ than
Nước thải sinh hoạt tại các mỏ than chủ yếu có nguồn gốc từ căng tin, ký túc xá, văn phòng, phòng giặt, nhà tắm của nhân viên, trong đó nước thải tắm rửa chiếm trên 55% tổng lượng. Nước tắm xả ra tương đối tập trung nên dòng chảy biến động đáng kể. Được đặc trưng bởi nồng độ hữu cơ thấp hơn và chất rắn lơ lửng (SS) cao hơn, hệ thống thoát nước tắm khác biệt đáng kể so với nước thải sinh hoạt thông thường. Kiểu xả so le của nó với các dòng nước thải khác góp phần làm thay đổi đáng kể chất lượng nước.
Hầu hết các mỏ than ở Trung Quốc đều nằm ở vùng sâu vùng xa, nơi chi phí vận chuyển bùn thải cao. Vì vậy, cần lựa chọn các quy trình xử lý có hiệu suất bùn thấp hơn. Khi các mỏ phát triển và số lượng nhân viên tăng lên, lưu lượng nước thải thường vượt quá công suất thiết kế ban đầu, đòi hỏi các quy trình có khả năng thích ứng mạnh mẽ với những thay đổi về chất lượng và số lượng nước trong cùng một diện tích. Theo các chính sách môi trường ngày càng nghiêm ngặt đòi hỏi phải tái sử dụng toàn bộ nước thải đã qua xử lý mà không xả thải, các quy trình phải mang lại chất lượng nước thải cao và ổn định.
Hiện tại, quy trình AAO (Kỵ khí-Anoxic-Oxic) là lựa chọn ưu tiên trong xử lý nước thải đô thị. Bài viết này phân tích hiệu quả ứng dụng của Quy trình AAO sửa đổi (AAO + Quy trình chất mang lơ lửng) đối với nước thải sinh hoạt mỏ than, dựa trên các đặc điểm riêng của nó.
1. Quy trình AAO được sửa đổi
Quá trình AAO là cấu hình dòng chảy đơn giản nhất để loại bỏ đồng thời nitơ và phốt pho. Vi khuẩn dạng sợi không thể sinh sôi nảy nở rộng rãi trong các điều kiện kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí xen kẽ, ngăn cản sự tạo thành bùn. Nó không cần bổ sung thêm hóa chất, chỉ cần trộn nhẹ trong bể kỵ khí và bể thiếu khí nên chi phí vận hành thấp. Bùn có hàm lượng lân cao nên có giá trị phân bón tốt.
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 >200%, quá trình tái chế nội bộ này tiêu thụ năng lượng đáng kể. Nước thải đi vào bể lắng thứ cấp phải duy trì hàm lượng oxy hòa tan (DO) nhất định để ngăn chặn tình trạng kỵ khí và giải phóng phốt pho, nhưng không quá cao để tránh ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat trong bể anoxic qua dung dịch hỗn hợp tái chế.
Quy trình AAO đã sửa đổi (Quy trình AAO + Nhà cung cấp dịch vụ bị đình chỉ) giảm thiểu những nhược điểm này một cách hiệu quả. Nó làm tăng khối lượng vi sinh vật trong bể sinh học, tăng cường tải thể tích, đạt được sự phân tách hoàn toàn giữa thời gian lưu thủy lực (HRT) và thời gian lưu bùn (SRT), tăng cường khả năng phục hồi trước tải trọng thủy lực và hữu cơ, mang lại chất lượng nước thải tốt ngay cả với nguồn carbon thấp, tạo ra ít bùn hơn và ổn định hơn (giảm yêu cầu về công suất xử lý bùn ở hạ lưu). Nước thải có thể đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước của "Tiêu chuẩn chất lượng nước tái sử dụng nước tái chế đô thị-cho nước linh tinh đô thị" (GB/T 18920-2020) và "Quy tắc thiết kế kỹ thuật chuẩn bị than" (GB 50359-2016) để rửa than. Hầu Phong và cộng sự. áp dụng quy trình mang chất lơ lửng AAO+ trong nhà máy xử lý nước thải ngầm, đạt tiêu chuẩn loại 1A theo “Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm cho nhà máy xử lý nước thải đô thị” (GB 18918-2002), với các chỉ số chính (COD, BOD5, NH3-N, TP) đạt tiêu chuẩn loại IV theo “Tiêu chuẩn chất lượng môi trường đối với nước mặt” (GB 3838-2002). Hao Ruigang và cộng sự. đã sử dụng "Quá trình oxy hóa tiếp xúc sinh học A/O + Tạo bông xoáy đục lỗ + Lắng ống nghiêng + Lọc cát hoạt động" trong việc mở rộng nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt mỏ than, đạt được chất lượng nước thải tốt hơn Loại 1A. Yan Ziyu và cộng sự. cũng đạt được kết quả tốt khi sử dụng quy trình màng sinh học để cải tiến hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt mỏ than hiện có. Quy trình AAO Sửa đổi cho phép tăng công suất và cải thiện chất lượng nước thải ở các nhà máy hiện có với những sửa đổi tối thiểu.
Quá trình này bao gồm việc bổ sung chất mang lơ lửng vào bể anoxic và hiếu khí, kết hợp các ưu điểm của quá trình bùn hoạt tính và màng sinh học. Nó có tính năng tải thể tích cao, sinh khối lớn, hiệu quả xử lý cao, khả năng thích ứng mạnh mẽ với môi trường nước, tăng cường tính ổn định của quy trình và loại bỏ chất dinh dưỡng tốt. Nó hình thành các màng sinh học hoạt tính có tính chuyên môn cao, tăng hiệu suất trên mỗi thể tích lò phản ứng và độ ổn định, cho phép tạo ra các lò phản ứng nhỏ hơn. Bùn màng sinh học bong ra chứa nhiều động vật nguyên sinh/metazoa hơn, có mật độ cao hơn và kích thước hạt lớn hơn, dẫn đến khả năng lắng tốt và tách chất lỏng-rắn dễ dàng. Nó cho phép tách hoàn toàn SRT-HRT, loại bỏ hiện tượng đóng cặn bùn và phù hợp với nước thải giàu chất hữu cơ hòa tan.
2.1 Nghiên cứu trường hợp
Một mỏ than ở thành phố Diên An, cách thành phố Tử Xương khoảng 16 km, có nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt với công suất thiết kế 1200 m³/ngày. Quy trình này là: "Sàng lọc + Bể cân bằng + AAO với chất mang lơ lửng + Xử lý nâng cao (Đông tụ-Lắng đọng-Lọc) + Khử trùng". Bùn được xử lý thông qua "Làm đặc trọng lực + Khử nước bằng máy ép trục vít". Nước thải đáp ứng các giới hạn nghiêm ngặt hơn *GB/T 18920-2020* và GB 50359-2016 đối với nước rửa than. Nước đã xử lý được tái sử dụng cho Cây xanh của mỏ và làm nước bổ sung trong nhà máy luyện than. Chất lượng nước thải/nước thải được thiết kế nằm trongBảng 1. Luồng quy trình được thể hiện trongHình 1.
Nước thải đi qua sàng (khe hở 5 mm, góc lắp đặt 75 độ) vào bể cân bằng (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, độ sâu hiệu dụng 2,95 m, thể tích 247,8 m³, HRT 4,13 h), đáp ứng yêu cầu GB 50810-2012. Hai máy trộn ngăn chặn sự lắng đọng. Ba máy bơm chìm (2 nhiệm vụ +1 dự phòng, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) nâng nước lên bể sinh học.
Hệ thống sinh học bao gồm hai đoàn tàu song song. Mỗi chuyến tàu:
- Bể kỵ khí: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, độ sâu hiệu dụng 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Bể thiếu khí: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, độ sâu hiệu dụng 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Bể hiếu khí: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, độ sâu hiệu dụng 4,0 m, HRT 10,0 h. Tổng HRT của hệ thống là 15,75 h. Các chất mang lơ lửng (tỷ lệ lấp đầy 80%, diện tích bề mặt riêng 600 m2/m³) được lắp đặt trong bể hiếu khí. Tỷ lệ thiết kế không khí{11}}trên{12}}nước là 13,7:1. Ba máy thổi Roots (2 nhiệm vụ +1 ở chế độ chờ, Q=6.84 m³/phút, N=11 kW, P=44.1 kPa) được sử dụng. Tỷ lệ tái chế bùn là 100%, Tỷ lệ tái chế rượu hỗn hợp là 200%.
Hai bể lắng thứ cấp ngoại vi hình chữ nhật-đầu vào/đầu ra (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m mỗi cái) có tốc độ tải bề mặt là 1,2 m³/(m²·h) và HRT là 2,5 giờ.
Một máy lọc nước tích hợp (kết hợp đông tụ, lắng, lọc) cung cấp phương pháp xử lý tiên tiến để loại bỏ thêm SS và phốt pho.
Xử lý bùn bao gồm làm dày trọng lực (bể thép carbon Φ2,5 m×5,0 m) sau đó khử nước bằng máy ép trục vít. Polyacrylamide (PAM) được định lượng ở mức 3,0–5,0 kg/t chất rắn khô trước khi khử nước. Bánh bùn đã tách nước hàng ngày Nhỏ hơn hoặc bằng 150 kg với độ ẩm Nhỏ hơn hoặc bằng 80%, được vận chuyển ra khỏi-công trường.
Quá trình khử trùng sử dụng-máy tạo ClO2 tại chỗ (liều lượng clo hiệu quả 120 g/giờ) được định lượng ở đầu vào giếng trong. Giếng trong có thể tích hiệu dụng là 250 m³, cung cấp thời gian tiếp xúc là 4,2 giờ.
Nhà máy được trang bị hệ thống giám sát trực tuyến chuyên sâu (đồng hồ đo lưu lượng, clo dư, pH, DO, COD, độ đục, mức/nồng độ bùn) và hệ thống điều khiển tự động cho máy bơm, máy thổi, rửa ngược, định lượng và trộn hóa chất, đảm bảo vận hành thông minh, không cần giám sát.
2.2 Phân tích hiệu suất
Nhà máy hoàn thành vận hành thử vào năm 2021 và đã hoạt động được hơn hai năm. Chất lượng nước thải/nước thải thực tế năm 2024 được thể hiện trongBảng 2.
Tỷ lệ BOD5/N có ảnh hưởng là 5,5, cho thấy nước thải có tỷ lệ cacbon-to-nitơ (C/N) thấp, tỷ lệ này càng giảm vào mùa hè do lượng mưa xâm nhập và thay đổi thói quen. Nhiệt độ mùa đông khắc nghiệt ở Diên An có thể lên tới -21 độ. Chất lượng nước thải thực tế tốt hơn thiết kế, tỷ lệ loại bỏ đạt: COD 97,8%, BOD5 99.7%, SS 99,7%, NH3-N 93,5%, TP 87,10%, đạt tiêu chuẩn cho ngành tẩy rửa và rửa than.
Khối lượng màng sinh học hoạt động trong bể anoxic/aerobic cao tới 125 g/m2, tương đương với MLSS là 13 g/L-gấp bốn lần so với bùn hoạt tính thông thường. Vi sinh vật đang trong giai đoạn hô hấp nội sinh nên lượng bùn thải ra hàng ngày khoảng 1/3 so với phương pháp thông thường, khả năng lắng tốt hơn, cho phép sử dụng thiết bị xử lý bùn nhỏ hơn.
Mặc dù quá trình oxy hóa-tiếp xúc sinh học có thể diễn ra mà không cần tái chế bùn, nhưng nghiên cứu của Xiong Ren và cộng sự. cho thấy các hệ thống tái chế đạt được tỷ lệ loại bỏ COD, TN, NH3-N, SS cao hơn và giảm lượng bùn thải tới 29,6%. Thiết kế này kết hợp tái chế rượu hỗn hợp, với tính linh hoạt trong vận hành dựa trên chất lượng nước thải.
Nhà máy (1200 m³/d) chiếm diện tích 1350,3 m2, vốn đầu tư 20 triệu CNY và chi phí vận hành là 1,05 CNY/m³.
So với AAO thông thường đòi hỏi SRT mở rộng để vận hành hiệu quả ở nhiệt độ-thấp, quy trình sửa đổi này vẫn duy trì tính đơn giản của việc loại bỏ chất dinh dưỡng đồng thời đồng thời làm phong phú thêm quần thể sinh học bằng chất mang. Khả năng phân tách SRT-HRT tăng cường độ ổn định-sinh học, đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trong điều kiện C/N thấp và nhiệt độ-thấp. Nước thải ổn định có thể được duy trì với ít hoặc không cần tái chế bùn, giúp-giảm bùn tại chỗ và giảm chi phí xử lý bùn. Tính đơn giản và không cồng kềnh của nó làm cho nó rất phù hợp để xử lý nước thải sinh hoạt ở mỏ than.
3. Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình AAO
Các quy trình AAO đã sửa đổi thường được thiết kế theo thông số trong "Tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật nước thải ngoài trời" (GB 50014-2021). Tuy nhiên, cần tối ưu hóa các thông số vận hành (HRT, SRT, sục khí, tỷ lệ tái chế, MLSS) cụ thể cho nước thải mỏ than để xác định các điều kiện tối ưu cho thiết kế và vận hành trong tương lai.
Trong AAO thông thường, bùn được tuần hoàn từ bể hiếu khí sang bể kỵ khí, mang theo nitrat và DO cao, có thể làm giảm khả năng loại bỏ phốt pho sinh học. Có thể xem xét quy trình của Đại học Cape Town (UCT), trong đó bùn được tái chế về bể anoxic, rượu nitrat hóa sang bể anoxic và một chất tái chế bổ sung từ bể anoxic sang bể kỵ khí được thêm vào để tăng cường khả năng loại bỏ P sinh học.
Xử lý bùn có thể chiếm 50–60% chi phí vận hành của nhà máy. Nên áp dụng-công nghệ giảm bùn tại chỗ. MLSS cao trong các bể sinh học AAO-đã cải tiến dẫn đến tỷ lệ F/M cao, trong đó quá trình trao đổi chất tách rời có thể xảy ra, thúc đẩy việc giảm bùn và giảm chi phí xử lý bùn. Trong tương lai, nên tập trung vào việc áp dụng-các công nghệ khử tại chỗ như tăng trưởng khó hiểu thông qua quá trình-phân giải vi mô, quy trình Oxic-Lắng-kỵ khí (OSA) và loại bỏ quá trình trao đổi chất trong xử lý nước thải mỏ than.
Quá trình này phù hợp để cải tiến các nhà máy AAO hiện có tại các mỏ than. Việc bổ sung chất mang vào bể anoxic/aerobic có thể cải thiện chất lượng nước thải, tăng công suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Đối với các nhà máy có yêu cầu khắt khe hơn về nước thải, việc thay thế bể lắng thứ cấp bằng hệ thống MBR có thể nâng cao hơn nữa chất lượng nước.
4. Kết luận
- Quy trình AAO Sửa đổi phù hợp để nâng cấp các hệ thống AAO hiện có trong các mỏ than nhằm nâng cao tính ổn định, tăng công suất hoặc đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe hơn.
- Khi xử lý nước thải sinh hoạt ở mỏ than, nước thải có thể đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn *GB/T 18920-2002* đối với việc tưới đường/cây xanh và tiêu chuẩn GB 50359-2016 đối với nước rửa than, thể hiện khả năng thích ứng mạnh mẽ với những thay đổi về chất lượng và số lượng nước.
- Quá trình này tạo ra bùn ổn định, có khả năng lắng tốt và dễ phân tách, tạo ra ít bùn hơn và giảm chi phí xử lý bùn.