Hiệu quả vận hành của Dự án nâng cấp nhà máy xử lý nước thải ở Thiên Tân
Một nhà máy xử lý nước thải ở Thiên Tân đã trải qua dự án nâng cấp và cải tạo áp dụng quy trình Bardenpho-MBBR đã sửa đổi, nâng chất lượng nước thải từ tiêu chuẩn Hạng A được quy định trong "Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải đô thị" (GB 18918-2002) lên tiêu chuẩn Loại A của tiêu chuẩn địa phương Thiên Tân DB 12/599-2015. Quá trình Lò phản ứng màng sinh học di chuyển (MBBR) bao gồm việc bổ sung chất mang lơ lửng MBBR vào lò phản ứng, cung cấp các vị trí để vi sinh vật bám vào và hình thành màng sinh học kèm theo, từ đó tăng sinh khối hiệu quả trong hệ thống và đạt được khả năng loại bỏ chất ô nhiễm. Quy trình MBBR mang lại những ưu điểm như tải trọng xử lý cao, khả năng chống sốc mạnh, hiệu suất xử lý ổn định, quản lý vận hành đơn giản và vận hành quy trình linh hoạt. Ngày càng có nhiều nhà máy xử lý nước thải ở Trung Quốc áp dụng quy trình MBBR để cải tạo. Bài viết này phân tích hiệu suất vận hành của một nhà máy xử lý nước thải Thiên Tân sau khi nâng cấp, nhằm cung cấp tài liệu tham khảo cho các dự án nâng cấp tương tự.
1. Quy trình loại bỏ nitơ và phốt pho sinh học hiện nay
Bể sinh học ban đầu sử dụng quy trình A2/O với công suất xử lý 12.500 tấn/ngày. Tổng tuổi bùn thiết kế là 14 ngày, nồng độ chất rắn lơ lửng hỗn hợp (MLSS) là 3.500 mg/L, nhiệt độ nước thiết kế là 10 độ, hiệu suất bùn là 0,936 kgSS/kgBOD và tải lượng bùn là 0,082 kgBOD/kgMLSS. Độ sâu nước hiệu dụng của bể sinh học là 6 m, với tổng thể tích bể là 9.052,2 m³ và tổng thời gian lưu thủy lực (HRT) là 17,4 giờ. Sự phân bố HRT là: vùng chọn 0,58 giờ, vùng kỵ khí 1,38 giờ, vùng thiếu khí 2,85 giờ, vùng dao động 0,92 giờ và vùng hiếu khí 11,67 giờ. Tỷ lệ tái chế bùn là 100% và tỷ lệ tái chế nội bộ rượu hỗn hợp là 300%. Bể sinh học ban đầu chủ yếu bao gồm các phần kỵ khí{24}}thiếu khí{25}}hiếu khí. Các thông số vận hành có thể được điều chỉnh dựa trên các điều kiện ảnh hưởng và yêu cầu nước thải để loại bỏ nitơ và phốt pho, với chất lượng nước thải đáp ứng tiêu chuẩn Hạng A GB 18918-2002.
2. Tổng quan Dự án Nâng cấp, Cải tạo
Việc nâng cấp này nhằm cải thiện chất lượng nước thải để đáp ứng tiêu chuẩn Loại A của tiêu chuẩn địa phương Thiên Tân "Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải thành phố" (DB 12/599-2015). Chất lượng nước thải và nước thải được thiết kế được thể hiện trongBảng 1. Theo giá trị TN nước thải và nước thải thiết kế, để đạt được TN nước thải dưới 10 mg/L đòi hỏi tỷ lệ khử nitrat là 75,6% trong hệ thống bể sinh học. Bể sinh học ban đầu sử dụng cấu hình A2/O. Các tính toán dựa trên cấu hình bể ban đầu cho thấy tỷ lệ tái chế bên trong sẽ cần tăng từ 200% ban đầu lên 310%, cùng với việc bổ sung một lượng lớn nguồn carbon bên ngoài. Điều này không chỉ làm tăng chi phí vận hành mà khối lượng lớn dòng tái chế bên trong có thể phá vỡ môi trường thiếu oxy. Điều này có thể dẫn đến HRT thực tế trong vùng thiếu khí thấp hơn yêu cầu tối thiểu, ảnh hưởng đến hiệu quả khử nitrat. Quy trình MBBR nâng cao khả năng khử nitrat của hệ thống và cải thiện chất lượng nước thải bằng cách bổ sung chất mang lơ lửng để tăng nồng độ sinh khối trong bể, từ đó đáp ứng các yêu cầu nâng cấp.
Không làm thay đổi thể tích bể sinh học hiện có, các vùng chức năng bên trong của bể sinh học đã được cấu hình lại. Cấu hình A2/O ban đầu (kỵ khí-anoxic-hiếu khí) đã được sửa đổi thành cấu hình giai đoạn Bardenpho 6-: vùng kỵ khí, vùng thiếu oxy, vùng dao động, vùng hiếu khí, vùng hậu{5}}anoxic và vùng sau{8}}hiếu khí. Cụ thể, vùng chọn ban đầu đã được chuyển đổi thành vùng kỵ khí. Vùng kỵ khí ban đầu, vùng xoay (phần trước) và vùng thiếu khí ban đầu đều được sử dụng làm vùng{12}}tiền thiếu oxy. Nửa trước của hành lang đầu tiên trong khu vực hiếu khí ban đầu đã được điều chỉnh thành khu vực xoay. Hành lang hiếu khí thứ nhất, thứ hai và thứ ba ban đầu được chuyển đổi thành khu vực MBBR, nơi bổ sung thêm các chất mang lơ lửng, cùng với hệ thống sàng lọc đầu vào/đầu ra và hệ thống sục khí phụ trợ ở đáy. Hành lang hiếu khí thứ tư đã được chuyển đổi thành vùng{14}hậu thiếu oxy. Vùng xoay ban đầu được phân chia theo chức năng và điều chỉnh thành vùng hậu{15}}hậu thiếu khí và hậu hiếu khí. Các thông số của bể sinh học cải tạo được thể hiện ởBảng 2.
Về vận hành quy trình, dung dịch hỗn hợp từ vùng hiếu khí được tuần hoàn về vùng anoxic và nguồn carbon được bổ sung vào vùng anoxic. Vi khuẩn khử nitrat sử dụng nguồn carbon để khử nitrat để loại bỏ nitơ nitrat được tạo ra trong vùng hiếu khí. Nitơ nitrat dư đi vào vùng-anoxic, nơi nguồn carbon bổ sung được thêm vào để tiếp tục khử nitrat. Sau khi cải tạo, nồng độ chất rắn lơ lửng hỗn hợp (MLSS) là 4.000 mg/L, tỷ lệ tái chế bùn là 50%–100%, tỷ lệ tái chế nội bộ của rượu hỗn hợp là 200%–250% và oxy hòa tan trong vùng MBBR là 2–5 mg/L. Sơ đồ quy trình sau khi cải tạo được thể hiện trongHình 1.
3. Vận hành hệ thống sau khi cải tạo bể sinh học
Sau khi hoàn thành việc cải tạo bể sinh học, giai đoạn vận hành thử bắt đầu. Bùn đã tách nước từ một nhà máy xử lý nước thải khác được đưa vào bể sinh học, làm tăng nhanh nồng độ bùn lên trên 3.000 mg/L trong thời gian ngắn. Điều này rút ngắn thời gian nuôi cấy và thích nghi với bùn, cho phép khởi động nhanh bể sinh học và khôi phục khả năng loại bỏ nitơ và phốt pho. Trong giai đoạn vận hành thử nghiệm, do lưu lượng nước thải vào tương đối thấp và nồng độ chất ô nhiễm tương đối thấp nên tải trọng vận hành thực tế thấp hơn tải lượng thiết kế. Cách tiếp cận đầu tiên là nuôi cấy và làm thích nghi bùn hoạt tính cho đến khi hệ thống sinh học ổn định và chất lượng nước thải đạt tiêu chuẩn, sau đó bổ sung chất mang MBBR để hình thành màng sinh học.
Sau khi các vật liệu mang được thêm vào khu vực hiếu khí của bể sinh học, chúng được ngâm lần đầu tiên. Các vi sinh vật dần dần bám vào bề mặt của chúng. Nhìn bề mặt, màu sắc của bề mặt chất mang thay đổi từ màu trắng sang màu vàng đất nhạt khi có nhiều vi sinh vật bám vào hơn và màng sinh học trở nên dày đặc hơn. Màu sắc của chất mang dần dần đậm hơn. Hai tháng sau khi bổ sung chất mang, quá trình hình thành màng sinh học diễn ra tốt đẹp, với bề mặt chất mang xuất hiện màu nâu vàng-và màu đậm dần. Bốn tháng sau khi bổ sung chất mang, màng sinh học trên bề mặt chất mang xuất hiện màu nâu sẫm và dày đặc. Sự tiến triển của sự hình thành màng sinh học có thể được quan sát bằng trực quan dựa trên sự thay đổi màu sắc của chất mang, như thể hiện trongHình 2. Vào tháng 12 năm 2021, kiểm tra bằng kính hiển vi bùn hoạt tính từ bể sinh học và bùn từ vật liệu mang cho thấy cấu trúc bông cặn nhỏ gọn có đặc tính hấp phụ và lắng tốt. Nhìn bề ngoài, chất mang cho thấy sự hình thành màng sinh học rõ ràng. Kiểm tra bằng kính hiển vi đã xác định được các sinh vật như Vorticella, Opercularia và Epistylis, thỉnh thoảng nhìn thấy một số lông mao di động, cho thấy giai đoạn hình thành màng sinh học đã hoàn thành.
4. Hiệu suất vận hành sau khi cải tạo bể sinh học
4.1 Hiệu quả loại bỏ COD và BOD sau cải tạo
Giá trị COD và BOD của nước thải năm 2022 được thể hiện trongHình 3. COD nước thải dao động từ 10,2 đến 24,9 mg/L, trung bình là 18,0 mg/L. BOD đầu ra dao động từ 2,1 đến 4,9 mg/L, trung bình là 3,4 mg/L. Cả COD và BOD nước thải đều đáp ứng ổn định tiêu chuẩn loại A của địa phương Thiên Tân. Hệ thống được cải tạo không chỉ thể hiện hiệu suất loại bỏ COD và BOD tốt mà còn duy trì mức COD và BOD đầu ra ổn định và tuân thủ trong mùa lũ, ngay cả khi tải lượng nước thải thực tế của nhà máy đạt 110% công suất thiết kế. Điều này cho thấy hệ thống có khả năng chống sốc tải tốt.
4.2 Hiệu suất loại bỏ TN và NH₃-N sau khi cải tạo
Giá trị TN và NH₃-N của nước thải năm 2022 được hiển thị trongHình 4. TN dao động từ 3,72 đến 8,74 mg/L, trung bình là 6,43 mg/L. NH₃-N dao động từ 0,02 đến 1,25 mg/L, trung bình là 0,12 mg/L. Trong quá trình vận hành vào mùa đông, do nhiệt độ thấp hơn nên tốc độ nitrat hóa và khử nitrat giảm. Trong thực tế, nồng độ bùn được tăng lên trên 6.000 mg/L. Vận hành ở nồng độ bùn cao có lợi cho việc cải thiện khả năng chống chịu va đập của hệ thống sinh học, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Sự phối hợp giữa nồng độ bùn cao và màng sinh học gắn với chất mang MBBR giúp nâng cao hiệu quả xử lý của hệ thống sinh học.
Chất mang MBBR cung cấp môi trường thuận lợi cho cộng đồng vi sinh vật, hỗ trợ sự phát triển và sinh sản của chúng. Sau khi thích nghi và trưởng thành, khả năng nitrat hóa và khử nitrat của màng sinh học được tăng cường. Vi sinh vật bám và phát triển thành từng lớp trên bề mặt chất mang, làm tăng mật độ của động vật và hình thành các cấu trúc bùn lớn, dày đặc và nhanh chóng ổn định. Khi đối mặt với những thay đổi về chất lượng nước bên ngoài, các vi sinh vật trên bề mặt chất mang tiết ra các chất đa bào ngoại bào (EPS) để tự bảo vệ, từ đó làm giảm tác động của những thay đổi đột ngột về chất lượng nước lên các vi sinh vật ở lớp-bên trong.
Trong các nhà máy xử lý nước thải sử dụng quy trình MBBR, hiện tượng nitrat hóa và khử nitrat (SND) đồng thời đã được quan sát thấy trong vùng vận chuyển hiếu khí. Kiểm tra các giá trị TN của nước thải đầu vào và nước thải từ vùng mang hiếu khí cho thấy sự khác biệt là 2–6 mg/L. Sự khác biệt này càng rõ rệt, đặc biệt khi lượng oxy hòa tan trong bể hiếu khí được kiểm soát dưới 2 mg/L, cho thấy SND có ý nghĩa hơn trong điều kiện lượng oxy hòa tan thấp. Nước thải TN từ bể lắng thứ cấp đã đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn, nghĩa là việc loại bỏ TN đã hoàn tất trong giai đoạn xử lý sinh học. Trong hoạt động thực tế, bộ lọc khử nitơ-sâu hoạt động như một quy trình bảo vệ. Trong điều kiện bình thường, nó hoạt động như một bộ lọc thông thường để đảm bảo các chỉ số SS đáp ứng tiêu chuẩn.
4.3 Hiệu suất loại bỏ TP và SS sau khi cải tạo
Giá trị TP và SS nước thải năm 2022 được thể hiện trongHình 5. TP nước thải của WWTP dao động từ 0,04 đến 0,22 mg/L, trung bình là 0,10 mg/L. SS thải ra dao động từ 1 đến 4 mg/L, trung bình là 2,2 mg/L. Sau khi nâng cấp, TP nước thải của bể lắng thứ cấp là khoảng 1,0 mg/L và SS khoảng 26 mg/L. Bằng cách thêm clorua sắt và PAM vào bể lắng có hiệu suất cao-để tăng cường quá trình đông tụ và thông qua quá trình tinh chế sâu hơn trong bộ lọc tầng sâu khử nitơ{13}}, TP và SS nước thải đã đáp ứng ổn định tiêu chuẩn loại A tại địa phương ở Thiên Tân và giá trị màu đã giảm đáng kể.
5. Kết luận
Để đáp ứng tiêu chuẩn Loại A tại địa phương ở Thiên Tân, quy trình A2/O ban đầu tại Nhà máy xử lý nước thải đã được chuyển đổi thành cấu hình năm{0} giai đoạn Bardenpho, kết hợp quy trình MBBR trong khu vực hiếu khí để tăng cường khả năng loại bỏ nitơ sinh học, giảm TN và NH₃-N thải ra. Trong mùa lũ với dòng chảy quá tải, tất cả các chỉ tiêu đều đạt ổn định tiêu chuẩn, thể hiện khả năng chống va đập tốt. Sau khi cải tạo bể sinh học, tỷ lệ tái chế bên trong là 200%–300%, tỷ lệ tái chế bùn bên ngoài là 50%–100%, nồng độ bùn là 4.000–6.000 mg/L, oxy hòa tan trong vùng hiếu khí được kiểm soát ở mức 3–5 mg/L và oxy hòa tan trong vùng kỵ khí được kiểm soát ở mức 0,2–0,5 mg/L. Năm 2022, chất lượng nước thải của Nhà máy xử lý nước thải là: COD 10,2–24,9 mg/L, trung bình 18,0 mg/L; BOD 2,1–4,9 mg/L, trung bình 3,4 mg/L; NH₃-N 0,02–1,25 mg/L, trung bình 0,12 mg/L; TN 3,72–8,74 mg/L, trung bình 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, trung bình 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, trung bình 2,2 mg/L. Tất cả đều đáp ứng ổn định tiêu chuẩn loại A của tiêu chuẩn địa phương Thiên Tân "Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải thành phố" (DB 12/599-2015).