Nghiên cứu điển hình về Quy trình MBBR+ACCA để nâng cấp và xây dựng lại nhà máy xử lý nước thải đô thị
Trong bối cảnh nền kinh tế đang bùng nổ của Trung Quốc, tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa đã tăng tốc đáng kể. Quá trình này chắc chắn đi kèm với lượng nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt gia tăng hàng năm, làm trầm trọng thêm các vấn đề ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến việc xây dựng nền văn minh sinh thái bền vững của Trung Quốc. Với việc triển khai toàn diện Kế hoạch hành động phòng ngừa và kiểm soát ô nhiễm nước, các yêu cầu xả thải nghiêm ngặt hơn đã được áp dụng đối với các nhà máy xử lý nước thải đô thị trên cả nước. Tiêu chuẩn địa phương ở một số thành phố đã đạt đến chất lượng nước gần như{5}}Cấp IV và đối với nước thải thải vào các vùng nước nhạy cảm, một số chỉ số riêng lẻ đang dần tiếp cận tiêu chuẩn Cấp III đối với nước mặt. Tuy nhiên, các chất ô nhiễm còn sót lại trong nước thải đô thị sau khi xử lý sinh học chủ yếu là-các hợp chất hữu cơ không thể phân hủy sinh học và khả năng phân hủy sinh học kém. Chỉ dựa vào các công nghệ tăng cường sinh học truyền thống là không đủ để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt.
Than cốc hoạt tính có hệ thống xốp phát triển cao có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm cao phân tử trong nước. Với độ bền cơ học cao, tính ổn định, hiệu suất hấp phụ tốt và chi phí tương đối tiết kiệm, nó đã được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp khó phân hủy sinh học. Trong những năm gần đây, công nghệ lọc sử dụng than cốc hoạt tính làm môi trường cũng đã tìm thấy một số ứng dụng nhất định trong xử lý tiên tiến của các nhà máy xử lý nước thải đô thị, đạt được kết quả tốt trong việc loại bỏ tối đa các chất ô nhiễm. Kết hợp một ví dụ kỹ thuật từ một dự án nâng cấp tại nhà máy xử lý nước thải ở tỉnh Hà Nam, tác giả đã áp dụng quy trình MBBR+ACCA (Hấp phụ tuần hoàn cốc hoạt tính) để nâng cấp khả năng xử lý nước thải đô thị. Các chỉ số COD, NH₃-N và TP của nước thải đáp ứng tiêu chuẩn nước GB 3838-2002 Loại III, cung cấp tài liệu tham khảo cho các dự án nâng cấp tại các nhà máy xử lý nước thải khác.
1. Hiện trạng cơ bản của nhà máy xử lý nước thải
Tổng công suất thiết kế của nhà máy xử lý nước thải này là 50.000 m³/ngày, bao gồm công suất thiết kế Giai đoạn I là 18.000 m³/ngày và công suất thiết kế Giai đoạn II là 32.000 m³/ngày. Nó chủ yếu xử lý nước thải sinh hoạt đô thị và một lượng nhỏ nước thải công nghiệp. Quá trình nâng cấp đã được hoàn thành vào năm 2012, với nước thải đáp ứng tiêu chuẩn Cấp 1A của Tiêu chuẩn Xả chất ô nhiễm cho các Nhà máy xử lý nước thải thành phố GB 18918{11}}2002. Quy trình chính là AO nhiều giai đoạn + bộ lọc khử nitrat + bể lắng mật độ cao. Luồng quy trình được thể hiện trongHình 1.
Hiện tại, nhà máy xử lý nước thải đang hoạt động gần hết công suất. Dựa trên dữ liệu vận hành hiện tại, nếu nhà máy được bảo trì tốt, chất lượng nước thải có thể được duy trì ổn định ở tiêu chuẩn GB 18918-2002 Cấp 1A. Nồng độ COD, BOD₅, NH₃-N, TN và TP trong nước thải lần lượt nằm trong khoảng 21,77-42,34 mg/L, 1,82-4,15 mg/L, 0,13-1,67 mg/L, 8,86-15,74 mg/L và 0,19-0,42 mg/L.
Trước khi nâng cấp, nhà máy gặp phải các vấn đề sau: 1) Các tấm chắn đã cũ và hư hỏng ở khu vực tiền xử lý khiến một số mảnh vụn trôi nổi vào bể sinh học, dễ làm tắc máy bơm và ảnh hưởng đến quá trình xử lý tiếp theo; 2) Loại bỏ TN không ổn định trong điều kiện nhiệt độ mùa đông thấp và những biến động đáng kể về chất lượng và số lượng nước; 3) Thể tích bể trong bể sinh học Giai đoạn I không đủ và việc phân chia vùng thiếu khí không hợp lý dẫn đến hiệu quả loại bỏ TN kém và liều lượng hóa chất bổ sung nguồn carbon tiếp theo cao; 4) Hệ thống sục khí ban đầu sử dụng máy thổi ly tâm truyền thống lạc hậu, tiêu thụ năng lượng cao; 5) Vật liệu lọc trong bộ lọc khử nitrat bị tắc nghẽn nghiêm trọng, rửa ngược không hoàn toàn và khó vận hành ổn định; 6) Thường xuyên xảy ra lỗi thiết bị trộn và khuấy trong bể lắng-mật độ cao; 7) Hai máy ép lọc đai hiện có thường xuyên gặp sự cố về khử nước bùn, độ ẩm của bùn đã tách nước cao, khối lượng bùn lớn và chi phí xử lý bùn cao; 8) Thiếu thiết bị kiểm soát mùi cho hệ thống tiền xử lý và xử lý bùn; 9) Hệ thống điều khiển trung tâm lỗi thời, khả năng lưu trữ dữ liệu hạn chế và mất hầu hết các chức năng vận hành từ xa.
2. Chất lượng nước thiết kế
Xem xét dữ liệu chất lượng nước vận hành trong nhiều năm từ nhà máy, với độ tin cậy 90% và bao gồm một giới hạn nhất định, chất lượng nước thải thiết kế đã được xác định. Dựa trên yêu cầu về chất lượng môi trường của nguồn tiếp nhận, nước thải được nâng cấp COD, BOD₅, NH₃-N và TP phải đáp ứng tiêu chuẩn nước GB 3838-2002 Loại III, trong khi TN và SS sẽ tuân thủ tiêu chuẩn ban đầu. Ảnh hưởng thiết kế và chất lượng nước thải được thể hiện trongBảng 1.
3. Nâng cấp ý tưởng và quy trình
3.1 Khái niệm nâng cấp
Theo chất lượng nước thải thiết kế, bản nâng cấp này đặt ra các yêu cầu cao hơn đối với COD, BOD₅, NH₃-N và TP. Xem xét quy trình hiện tại của nhà máy, đặc điểm chất lượng nước và các vấn đề hiện tại, trọng tâm là tăng cường loại bỏ COD, NH₃-N và TP trong khi vẫn đảm bảo loại bỏ TN ổn định. Hơn nữa, không gian sẵn có hạn chế trong nhà máy hiện tại đòi hỏi phải khai thác tối đa tiềm năng của các công trình hiện có thông qua đổi mới thiết bị, tăng cường quy trình và cải tạo nhằm mục đích loại bỏ hiệu quả COD, NH₃-N, TN và TP. Do đó, việc sử dụng các bể AO nhiều{6}}giai đoạn ban đầu và thêm chất mang lơ lửng để tạo thành quy trình MBBR bùn hoạt tính màng sinh học lai-có thể cải thiện hiệu quả độ ổn định xử lý và khả năng chống sốc. Tuổi bùn dài của màng sinh học trên chất mang thích hợp cho sự phát triển của quá trình nitrat hóa và duy trì nồng độ nitrat hóa cao, nâng cao đáng kể khả năng nitrat hóa của hệ thống. Màng sinh học dày đặc bên trong chất mang có thời gian ủ bùn lâu, chứa số lượng lớn vi khuẩn nitrat hóa và khử nitrat, cho phép khử nitrat hóa (SND) đồng thời và do đó tăng cường khả năng loại bỏ TN. Do đó, quy trình MBBR rất phù hợp{12}}cho việc nâng cấp nhà máy này.
Dựa trên kinh nghiệm của dự án nâng cấp tương tự, để đảm bảo tuân thủ ổn định COD và TP, vẫn cần có thêm các cơ sở xử lý an toàn bổ sung ngoài quy trình hiện tại cùng với MBBR. Than cốc hoạt tính, như một vật liệu xốp, thể hiện hiệu suất hấp phụ đáng kể hơn so với than hoạt tính, loại bỏ hiệu quả COD, SS, TP, màu, v.v. Hơn nữa, than cốc hoạt tính sinh học có thể sử dụng các vi sinh vật kèm theo để phân hủy chất hữu cơ, cho phép tái tạo các vị trí hấp phụ trong khi hấp phụ các chất ô nhiễm. Cơ chế cân bằng động này cho phép hệ thống vận hành bền vững và ổn định. Quá trình hấp phụ tuần hoàn than cốc hoạt tính (ACCA) sử dụng than cốc hoạt tính làm môi trường, tích hợp lọc và hấp phụ. Nó sử dụng khí nén để nâng và làm sạch vật liệu lọc. Thông qua việc-phân vùng dòng chảy ngược và thiết kế dòng chảy đồng nhất, nó đảm bảo sự tiếp xúc hoàn toàn giữa than cốc hoạt tính và nước thải, đạt được sự cải thiện chất lượng nước tối ưu và đảm bảo tuân thủ nước thải ổn định.
Đối với thiết bị cũ và bị lỗi của nhà máy, chúng sẽ được thay thế bằng thiết bị có công nghệ tiên tiến, tiết kiệm năng lượng-để giảm chi phí vận hành. Cụ thể, các màn lọc tiền xử lý sẽ được thay thế bằng các màn lọc mịn được cấp nguồn bên trong để ngăn chặn tóc và sợi, ngăn ngừa tắc nghẽn các màn giữ chất mang MBBR.
3.2 Quy trình xử lý
Luồng quy trình được nâng cấp được hiển thị trongHình 2. Để đáp ứng yêu cầu về cột áp, một trạm bơm nâng mới đã được bổ sung. Bộ lọc loại V{2}}mới được xây dựng đóng vai trò là đơn vị tiền xử lý cho quá trình hấp phụ cốc hoạt tính tiếp theo, đảm bảo sự ổn định của hệ thống ACCA. Nước thô đi qua màn chắn và buồng chứa sạn để loại bỏ các chất nổi, tóc và các hạt nhỏ trước khi đi vào bể sinh học lai MBBR để tăng cường loại bỏ nitơ. Hỗn hợp rượu sau đó đi vào bể lắng thứ cấp để tách chất rắn. Chất nổi phía trên được nâng qua trạm bơm mới vào các bộ lọc khử nitrat và bể lắng-mật độ cao. Sau đó, nước thải được trạm bơm mới nâng lên vào bộ lọc loại V-và hai-bể hấp phụ cốc hoạt tính giai đoạn để xử lý nâng cao, tiếp tục loại bỏ COD, TP, SS, màu, v.v. Nước thải cuối cùng được khử trùng trước khi thải ra ngoài.
4. Thông số thiết kế của các đơn vị xử lý chính
4.1 Bể sinh học
Các bể sinh học Giai đoạn I hiện tại được chia thành hai nhóm với thể tích bể tương đối nhỏ nhưng cấu trúc chắc chắn. Vì vậy, trong lần nâng cấp này, vừa đáp ứng yêu cầu về cột nước, thành bể đã được nâng lên 0,5 m. Sau khi cải tạo, tổng thể tích hiệu dụng là 10.800 m³, với tổng HRT là 14,4 giờ và HRT vùng anoxic là 6,4 giờ, tăng thời gian lưu thiếu khí để cải thiện khả năng loại bỏ TN. Các bể sinh học Giai đoạn II hiện tại có thể tích hiệu dụng là 19.600 m³, tổng HRT là 14,7 giờ và HRT vùng anoxic là 6,8 giờ. Dự án này liên quan đến việc thay thế hệ thống sục khí và một số máy trộn chìm đã cũ trong cả bể sinh học Giai đoạn I và II, đồng thời bổ sung thêm chất mang lơ lửng và màn chắn lưu giữ. Các giá đỡ được làm bằng polyurethane hoặc các vật liệu tổng hợp hiệu suất cao{14}cao khác, với thông số hình khối là 24 mm, diện tích bề mặt riêng là 4.000 m2/m³ và tỷ lệ lấp đầy là 20%. AOR của hệ thống xử lý sinh học là 853,92 kg O₂/h, với tốc độ cung cấp không khí là 310,36 Nm³/phút.
4.2 Trạm bơm nâng và bể chứa nước thải
Một trạm bơm nâng mới đã được xây dựng để bơm nước thải từ{{0}bể lắng mật độ cao tới bộ lọc loại V-để xử lý tiếp. Một bể chứa nước thải lưu trữ nước thải rửa ngược từ các bộ lọc. Máy bơm nhỏ được sử dụng để bơm đều nước thải rửa ngược vào bể sinh học pha II để tránh bị sốc tải. Ba máy bơm nâng thứ cấp đã được lắp đặt (2 nhiệm vụ + 1 dự phòng, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW), với bộ điều khiển biến tần (VFD). Bể chứa nước thải rửa ngược được trang bị 2 máy bơm chuyển (1 nhiệm vụ + 1 dự phòng, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) và một máy trộn chìm (N=2.2 kW) để ngăn chặn sự lắng đọng.
Bộ lọc loại 4.3 V{1}}
Bộ lọc loại V{0}}mới được xây dựng với kích thước cấu trúc là 36,9 m (L) × 29,7 m (W) × 8,0 m (H). Nó sử dụng phương tiện lọc cát thạch anh đồng nhất. Bộ lọc được chia thành 6 ô xếp thành 2 hàng. Ống thoát của mỗi tế bào có một van điều chỉnh điện để kiểm soát hoạt động mực nước liên tục. Quá trình rửa ngược có thể được điều chỉnh thông qua PLC. Tốc độ lọc thiết kế là 7,0 m/giờ, tốc độ lọc cưỡng bức là 8,4 m/giờ và diện tích lọc{12}một ô là 49,4 m2. Cường độ nước rửa ngược là 11 m³/(m2·h), cường độ không khí rửa ngược là 55 m³/(m2·h) và cường độ quét bề mặt là 7 m³/(m2·h). Thời gian rửa ngược là 10 phút. Chu trình rửa ngược là 24 giờ (có thể điều chỉnh), rửa từng ô một. Kích thước vật liệu cát thạch anh là 1-1,6 mm với k₈₀ < 1,3. Sử dụng các tấm lọc nguyên khối đúc{26}}tại chỗ.
4.4 Bể hấp phụ cốc hoạt tính
Một bể hấp phụ than cốc hoạt tính mới được chế tạo với kích thước kết cấu là 49,5 m (L) × 30,15 m (W) × 11,0 m (H). Nó sử dụng cấu hình lọc hai{4}}giai đoạn với tổng số 36 ô, 18 ô mỗi giai đoạn. Tốc độ lọc tối đa là 6,02 m³/(m2·h), trung bình là 4,63 m³/(m2·h). Kích thước ô-giai đoạn đơn{12}}đầu tiên là L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, với thời gian tiếp xúc với lớp trống (EBCT) là 1,4 giờ. Kích thước ô đơn-giai đoạn thứ hai{19}}là L×W×H=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, với EBCT là 1,08 h. Hệ thống sử dụng 2.000 tấn than cốc hoạt tính cỡ hạt 2-8 mm, được trang bị máy rửa than cốc di động, bộ phân phối nước, đập tràn vào/ra...
4.5 Tòa nhà Coke được kích hoạt
Một tòa nhà than cốc hoạt tính mới được xây dựng để lưu trữ than cốc hoạt tính và cung cấp cho bể hấp phụ. Kích thước kết cấu là 33,5 m (L) × 13,0 m (W) × 6,5 m (H). Thiết bị phụ trợ chính bao gồm: 1 màn rung khử nước than cốc đã hoạt hóa, 3 máy bơm cấp than cốc (2 nhiệm vụ + 1 dự phòng, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 bơm xả dịch lọc (1 nhiệm vụ + 1 dự phòng, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 máy nén khí (1 nhiệm vụ + 1 dự phòng, Q=7.1 m³/phút, N=37 kW) và một bình thu khí (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Phòng khử nước tấm-và-khung
Một phòng khử nước dạng tấm-và-khung mới được xây dựng bên cạnh phòng khử nước bùn hiện có. Do giới hạn về không gian, một bộ máy ép lọc dạng tấm-và-khung (diện tích lọc 300 mét vuông) đã được định cấu hình, đóng vai trò dự phòng cho máy ép lọc băng tải. Các thiết bị phụ trợ bao gồm một bể điều hòa (thể tích hiệu dụng 80 m³). Lượng bùn là 6.150 kg DS/ngày, với độ ẩm bùn thức ăn đặc là 97% và độ ẩm bánh đã khử nước là 60%. Thiết bị phụ trợ chính bao gồm: 2 máy bơm cấp liệu (1 nhiệm vụ + 1 dự phòng, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 máy bơm nước ép (1 nhiệm vụ + 1 dự phòng, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 máy bơm rửa (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 máy bơm định lượng (1 nhiệm vụ + 1 dự phòng, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 máy nén khí (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 bộ bình thu khí (V=5 m³, P=1.0 MPa) và 1 bộ thiết bị chuẩn bị PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Hệ thống kiểm soát mùi
Một hệ thống kiểm soát mùi lọc sinh học mới đã được bổ sung với tốc độ dòng khí thiết kế là 12.000 m³/h. Ống nhựa gia cường thủy tinh (GRP) được sử dụng để thu gom và xử lý mùi hôi từ hệ thống tiền xử lý và xử lý bùn. Khung thép không gỉ và bảng độ bền PC được sử dụng để bịt kín thiết bị tiền xử lý.
4.8 Cập nhật cơ sở khác
- Được thay thế bằng 2 màn lọc mịn được dẫn vào bên trong với khẩu độ 5 mm, có băng tải trục vít và bình chứa nước rửa, V=10 m³ và 2 máy bơm nước rửa (1 nhiệm vụ + 1 ở chế độ chờ, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Được thay thế bằng 4 máy thổi khí treo hiệu quả hơn, được điều khiển bằng VFD (3 nhiệm vụ + 1 ở chế độ chờ, Q=130 m³/phút, P=63 kPa, N=150 kW).
- Thay thế vật liệu lọc trong các bộ lọc khử nitrat hiện có bằng 1.800 m³ vật liệu gốm (cỡ hạt 3-5 mm).
- Đã thay thế 2 máy khuấy trộn trong bể lắng-mật độ cao (tốc độ 60-80 vòng/phút, N=5.5 kW), 4 máy khuấy keo tụ (tốc độ 10-20 vòng/phút, N=2.2 kW) và bộ lắng dạng ống (260 m²).
- Đã thay thế máy ép lọc đai bằng đai rộng 2 m và máy nén khí phù hợp, 1 bộ.
- Bằng cách sử dụng phòng điều khiển trung tâm ban đầu, thiết bị, dụng cụ được cập nhật và điều khiển tập trung đã được thiết lập, đã thiết lập một-hệ thống liên lạc dữ liệu trên toàn nhà máy để đạt được sự liên lạc dữ liệu giữa phòng điều khiển trung tâm và các trạm biến áp, cũng như tự động hóa việc kiểm soát quy trình sản xuất.
5. Hiệu suất hoạt động và các chỉ số kinh tế{1}}kỹ thuật
5.1 Hiệu suất hoạt động
Sau khi hoàn thành dự án nâng cấp này, toàn bộ các đơn vị xử lý đã hoạt động ổn định. Dữ liệu giám sát chất lượng nước đầu vào và nước thải năm 2023 được trình bày trongBảng 2.
Như được hiển thị, nồng độ nước thải trung bình đối với COD, NH₃-N, TN, TP và SS là 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 và 2,63 mg/L, với tỷ lệ loại bỏ trung bình lần lượt là 95,16%, 99,45%, 77,31%, 94,75% và 97,38%. Nước thải COD, NH₃-N và TP luôn đáp ứng tiêu chuẩn nước GB 3838-2002 Loại III.
Dự án nâng cấp đã đi vào hoạt động được gần hai năm. Kết quả chỉ ra rằng quy trình MBBR+ACCA ổn định, hiệu quả và tạo ra nước thải-chất lượng cao, thể hiện khả năng chống chịu va đập mạnh mẽ và điều kiện{{3} nhiệt độ thấp. Ngay cả khi nhiệt độ nước mùa đông tối thiểu là 9,4 độ và chất lượng nước có biến động đáng kể, chất lượng nước thải vẫn ổn định và đáp ứng tiêu chuẩn xả thải. Trước và sau khi nâng cấp, liều lượng nguồn carbon không tăng nhưng khả năng loại bỏ TN được tăng cường đáng kể. Điều này là do, một mặt, các vi sinh vật nitrat hóa gắn vào chất mang MBBR phát triển và tích lũy trong môi trường hiếu khí ổn định, dẫn đến quá trình nitrat hóa hoàn thiện hơn. Mặt khác, nitrat còn được loại bỏ thêm trong các bể MBBR và bể anoxic nâng cấp. Hệ thống ACCA cuối cùng hoạt động như một biện pháp bảo vệ, tiếp tục hấp phụ và loại bỏ COD, TP, SS, v.v., giúp chất lượng nước thải ổn định hơn. Hơn nữa, sau khi triển khai dự án, nhà máy có thể sản xuất-nước tái chế chất lượng cao, đặt nền móng cho việc tái sử dụng nước trong tương lai.
5.2 Các chỉ số kinh tế-kỹ thuật
Tổng mức đầu tư cho dự án này là 86,937.600 RMB, bao gồm chi phí xây dựng và lắp đặt là 74.438.500 RMB, các chi phí khác là 7.593.500 RMB, chi phí dự phòng là 4.101.600 RMB và vốn lưu động ban đầu là 804.000 RMB. Sau khi hệ thống vận hành ổn định, chi phí điện tăng thêm cho toàn bộ nhà máy là 0,11 RMB/m³, chi phí than cốc hoạt tính là 0,39 RMB/m³, dẫn đến tổng chi phí vận hành tăng khoảng 0,50 RMB/m³.
6. Kết luận
- Dự án này đã thực hiện đổi mới thiết bị, tăng cường quy trình và cải tạo tại nhà máy xử lý nước thải hiện có, đồng thời bổ sung phương pháp xử lý tiên tiến, nâng cao hiệu quả loại bỏ COD, NH₃-N, TN và TP.
- Sau khi nâng cấp, sử dụng quy trình chính "MBBR+ACCA", COD, NH₃-N và TP nước thải được cải thiện ổn định từ Cấp 1A lên tiêu chuẩn Cấp III của nước mặt và khả năng loại bỏ TN được tăng cường đáng kể.
- Thực tiễn cho thấy rằng quy trình này hoạt động ổn định và hiệu quả, có khả năng chống sốc khi tải, tạo ra nước thải-chất lượng cao và tăng thêm chi phí vận hành khoảng 0,5 RMB/m³. Nó có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các dự án nâng cấp và sáng kiến tái sử dụng nước tại các nhà máy xử lý nước thải khác.