So sánh các quy trình AO hai{0}}giai đoạn và ba-giai đoạn AO: Kỹ thuật Luật xa gần
Hiện tại, phần lớn các nhà máy xử lý nước thải (WWTP) ở Trung Quốc đều áp dụng các quy trình-dựa trên bùn hoạt tính để xử lý nước thải. Trong số này, gần một nửa sử dụng quy trình Anoxic-Oxic (AO). Quá trình AO mang lại những ưu điểm như hoạt động ổn định và chi phí thấp. Tuy nhiên, hiệu suất loại bỏ tổng nitơ (TN) của nó thường dao động từ 60% đến 80%, bị hạn chế bởi tỷ lệ tái chế nội bộ. Với các yêu cầu quốc gia ngày càng nghiêm ngặt về loại bỏ nitơ, các quy trình AO một giai đoạn{8}}thông thường thường gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu xử lý TN. Do đó, các quy trình AO nhiều giai đoạn đã xuất hiện. Bằng cách kết nối hai hoặc nhiều giai đoạn AO nối tiếp, nitrat được tạo ra ở giai đoạn hiếu khí trước đó sẽ cung cấp chất nền cho quá trình khử nitrat trong giai đoạn thiếu khí tiếp theo. Điều này đạt được mục tiêu giảm tỷ lệ tái chế nội bộ đồng thời tăng cường loại bỏ TN tổng thể. Tuy nhiên, các giai đoạn quá mức cũng có thể làm tăng độ phức tạp trong vận hành. Do đó, cấu hình được áp dụng phổ biến nhất ở Trung Quốc hiện là quy trình AO hai giai đoạn và ba giai đoạn. Bài viết này trình bày phân tích so sánh về các quy trình AO hai{18}}giai đoạn và ba{19}}giai đoạn sử dụng nhà máy xử lý nước thải ở miền Nam Trung Quốc làm nghiên cứu điển hình, nhằm cung cấp tài liệu tham khảo cho việc lựa chọn các tuyến kỹ thuật trong các dự án tương tự.
1 Tổng quan dự án
Một nhà máy xử lý nước thải ở miền Nam Trung Quốc có tổng diện tích 8 ha. Công suất thiết kế ban đầu của nó là 90.000 m³/ngày, với chất lượng nước thải cần phải đáp ứng cả tiêu chuẩn Hạng A của "Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải thành phố" (GB 18918-2002) và "Giới hạn xả chất ô nhiễm nước" của tỉnh Quảng Đông (DB 44/26-2001) (sau đây gọi là "Cấp V"). Nhà máy đã hoạt động hết công suất. Theo quy hoạch có liên quan, việc mở rộng là cần thiết. Các tiêu chuẩn nước thải trong tương lai, dựa trên hiện trạng, cần xem xét yêu cầu dài hạn của TN Nhỏ hơn hoặc bằng 10 mg/L. Xem xét toàn diện các điều kiện thực tế của khu vực, quy mô xây dựng dân dụng cho lần mở rộng này được đặt ở mức 70.000 m³/d. Nhà máy sẽ vận hành với công suất 50.000 m³/ngày trong thời gian tới và đạt quy mô 70.000 m³/ngày trong dài hạn, nâng tổng công suất xử lý của nhà máy lên 160.000 m³/ngày. Chất lượng nước đầu vào và nước thải được thiết kế được thể hiện trongBảng 1.
Do hạn chế về địa điểm, kế hoạch mở rộng sơ bộ đã áp dụng lộ trình xử lý "AO-giai đoạn + Ngoại vi-Trong ngoại vi-Bể lắng hình chữ nhật ngoài +-Bể lắng hiệu suất cao + Tấm sợi-và-Bộ lọc khung". Các công trình dân dụng của tất cả các đơn vị lớn được xây dựng với quy mô 70.000 m³/d, trong khi thiết bị được lắp đặt với công suất 50.000 m³/d. Bể sinh học sẽ sử dụng quy trình AO nhiều giai đoạn trong thời gian tới. Về lâu dài, việc bổ sung các chất mang lơ lửng sẽ tạo ra{17}quy trình bùn hoạt tính màng sinh học lai để đáp ứng nhu cầu mở rộng công suất 40%. Đối với thiết kế này, các điều kiện thủy lực được xem xét cho quy mô 70.000 m³/d, trong khi xử lý sinh học được thiết kế cho quy mô 50.000 m³/d. Vì dự án này dự định áp dụng quy trình AO nhiều{25}}giai đoạn nên chúng tôi đã tiến hành so sánh giữa AO hai{26}}giai đoạn và ba{27}}giai đoạn.
2 So sánh quy trình AO hai giai đoạn{1}}và ba giai đoạn{2}}
2.1 Quy trình xử lý
Nguyên tắc cốt lõi của quy trình AO nhiều giai đoạn là sử dụng nitrat được tạo ra ở giai đoạn hiếu khí trước đó để khử nitrat ở giai đoạn thiếu khí tiếp theo, nhờ đó làm giảm tỷ lệ tái chế nội bộ. Về mặt lý thuyết, càng nhiều giai đoạn thì việc loại bỏ TN càng tốt, nhưng việc kiểm soát trở nên phức tạp hơn. Trong thực hành kỹ thuật, AO hai-giai đoạn và ba-giai đoạn AO chiếm ưu thế. Luồng quy trình của họ được thể hiện trongHình 1. Đối với AO hai giai đoạn-, việc tái chế nội bộ thường được thiết kế trong giai đoạn AO đầu tiên. Đối với AO ba-giai đoạn, việc tái chế nội bộ thường không được sử dụng. Các nhà máy xử lý nước thải ở Bắc Kinh sử dụng-quy trình AO giai đoạn hai bao gồm Qinghe (400.000 m³/d), Xiaohongmen (500.000 m³/d), Gao'antun (400.000 m³/d), Dingfuzhuang (200.000 m³/d) và Huaifang (600.000 m³/d). Quy trình này mang lại những ưu điểm như thiết bị đơn giản, chi phí vận hành và bảo trì thấp, khả năng chống va đập mạnh và khả năng tương thích cao với các quy trình khác, tạo điều kiện nâng cấp trong tương lai để đáp ứng các tiêu chuẩn nước thải cao hơn. Về mặt lý thuyết, AO ba giai đoạn nối tiếp có thể loại bỏ nhu cầu về thiết bị tái chế nội bộ, cho phép phân bổ nguồn carbon hợp lý hơn và giảm chi phí đầu tư và vận hành. Quá trình này chủ yếu được áp dụng trong các tình huống có đủ nguồn carbon và nhu cầu loại bỏ nitơ cao. Các trường hợp điển hình bao gồm Nhà máy xử lý nước thải Qujing ở Vân Nam (80.000 m³/d), Nhà máy xử lý nước thải đô thị quận Ninghe ở Thiên Tân (90.000 m³/d), Nhà máy xử lý nước thải Zhangguizhuang ở Thiên Tân (200.000 m³/d) và Nhà máy cải tạo Daoxianghu ở Bắc Kinh (80.000 m³/d).
2.2 So sánh quy trình
Xem xét rằng không còn đất bổ sung để nâng cấp trong tương lai tại địa điểm này và một số dự án mới ở địa phương đã triển khai tiêu chuẩn TN nước thải Nhỏ hơn hoặc bằng 10 mg/L, quá trình so sánh coi nước thải TN của bể sinh học Nhỏ hơn hoặc bằng 10 mg/L để đáp ứng khả năng yêu cầu nước thải nghiêm ngặt hơn trong tương lai. Các chỉ tiêu khác tuân thủ chất lượng nước thải thiết kế. Dựa trên cách bố trí, đối với-quy mô ngắn hạn là 50.000 m³/d, Thời gian lưu nước (HRT) tối đa cho bể sinh học là 18 giờ. Kết hợp các điều kiện thực tế của dự án, kết quả mô phỏng BioWin và sự thuận tiện của việc ghép nối với các sóng mang bị treo, chúng tôi đã tiến hành so sánh giữa các quy trình AO hai{9}}giai đoạn và ba{10}}giai đoạn.
2.2.1 Mô phỏng BioWin
HRT ban đầu là 18 giờ đã được thiết lập và giảm dần. HRT tối thiểu đạt được yêu cầu TN nước thải là 14 giờ. Đối với hai-giai đoạn AO, các điểm phân phối ảnh hưởng là vùng kỵ khí, vùng thiếu khí-giai đoạn đầu tiên và vùng-anoxic giai đoạn thứ hai. Đối với AO ba-giai đoạn, các điểm ảnh hưởng là vùng kỵ khí, vùng-thiếu khí giai đoạn hai và vùng{10}}thiếu khí giai đoạn ba.
① Nghiên cứu với tỷ lệ phân phối ảnh hưởng cố định
Đặt tỷ lệ phân phối nước thải ở mức 4:3:3 cho cả hai, mô phỏng so sánh ba sơ đồ: hai- AO giai đoạn (tỷ lệ tái chế 200%), AO ba-giai đoạn với tổng tỷ lệ tái chế là 200% (tái chế 100% trong giai đoạn AO đầu tiên + 100% tái chế từ vùng Oxic thứ ba đến vùng Anoxic đầu tiên) và AO ba-giai đoạn với tỷ lệ tái chế là 100% (tái chế) chỉ trong giai đoạn AO đầu tiên). Các luồng mô phỏng được hiển thị trongHình 2.
Bảng 2hiển thị kết quả mô phỏng cho tỷ lệ dòng chảy vào cố định ở HRT=14 h.
Từ Bảng 2, có thể thấy rằng đối với cả AO hai{1}}giai đoạn và ba{2}}giai đoạn AO, nên thiết lập tái chế nội bộ trong giai đoạn AO đầu tiên để tối đa hóa quá trình khử nitrat ở vùng anoxic đầu tiên bằng cách sử dụng nguồn carbon trong dòng nước thải thô. Đối với AO ba{4}}giai đoạn, việc thiết lập tái chế nội bộ từ cuối giai đoạn thứ ba đến vùng anoxic đầu tiên đã cải thiện đôi chút khả năng loại bỏ TN và TP, nhưng hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ lại giảm. Đây là suy đoán được cho là do lưu lượng chung trong bể sinh học tăng lên do quá trình tái chế mang oxy hòa tan vào vùng anoxic, ảnh hưởng đến môi trường thiếu oxy. Ngoài ra, HRT thực tế ở mỗi vùng bị rút ngắn và quá trình chuyển đổi giữa các điều kiện hoạt động được tăng tốc, dẫn đến hiệu quả giảm. Đối với các đặc điểm dòng chảy vào giống như các đặc điểm trong dự án này ở miền Nam Trung Quốc, nơi nồng độ TN không cao lắm, AO hai giai đoạn-có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về nước thải, cho thấy không có lợi thế khác biệt nào đối với AO ba-giai đoạn. Đối với các kịch bản có COD cao và dòng chảy TN cao, AO ba giai đoạn có thể phù hợp hơn.
② Nghiên cứu điều chỉnh tỷ lệ phân phối ảnh hưởng
Cả AO hai{0}}giai đoạn và ba{1}}giai đoạn đều được đặt với tỷ lệ tái chế nội bộ là 100% trong giai đoạn AO đầu tiên. Các nghiên cứu được tiến hành trên-tỷ lệ phân phối dòng nước chảy vào có nhiều điểm (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Ở đây, 1:0:0 có nghĩa là tất cả những người có ảnh hưởng đều đi vào ngay phía trước; 3:7:0 đối với AO ba{21}}giai đoạn có nghĩa là nước thải chỉ được phân phối đến vùng kỵ khí và giai đoạn AO thứ hai. Kết quả mô phỏng cho tỷ lệ phân phối được điều chỉnh được thể hiện trongBảng 3.
Từ Bảng 3, có thể thấy tỷ lệ phân phối có ảnh hưởng nhẹ đến chất lượng nước thải. Xu hướng chung là khi tỷ lệ nước thải được phân phối đến các giai đoạn sau tăng lên, nồng độ TN, NH₃-N và TP trong nước thải tăng lên và nhu cầu sục khí cũng tăng dần. Khi tỷ lệ dòng vào là 3:7:0, AO ba{7}}giai đoạn cho thấy khả năng loại bỏ TN tốt hơn một chút và tỷ lệ không khí-trên-nước thấp hơn một chút so với AO hai{10}}giai đoạn. Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, sự khác biệt này nhìn chung không đáng kể. Hơn nữa, việc tăng tỷ lệ nước thải sang các giai đoạn sau, tuy có lợi cho việc sử dụng nguồn carbon trong quá trình khử nitrat, nhưng chắc chắn sẽ làm tăng tải trọng cho các phản ứng sinh hóa do đầu vào NH₃-N, chất hữu cơ và TP. Do đó, bạn nên giữ lại cấu hình dòng nước đầu vào đa điểm và thực hiện điều chỉnh theo từng giai đoạn dựa trên chất lượng nước thực tế trong quá trình vận hành. Điều đáng lưu ý là mặc dù AO ba{17}}giai đoạn này cho thấy khả năng loại bỏ TN tốt hơn so với AO hai{18}}giai đoạn này với tỷ lệ nước vào là 2:4:4, khi nước thải đến các giai đoạn sau tăng lên, nước thải NH₃-N có xu hướng tăng lên, tại thời điểm đó NH₃-N không còn có thể đáp ứng tiêu chuẩn nước thải nữa.
③ Hiệu suất điều trị của Giai đoạn hai{0}}Giai đoạn ba-Giai đoạn AO
Cấu hình AO ba-giai đoạn được mô phỏng bằng HRT=14 h, tỷ lệ thể tích bằng nhau cho từng giai đoạn (1:1:1), 100% tái chế nội bộ được thiết lập ở giai đoạn AO đầu tiên và tỷ lệ dòng vào là 4:3:3, trong hai điều kiện: tái chế 100% và đóng tái chế. Cấu hình AO hai giai đoạn{11}}được mô phỏng bằng HRT=14 h, bộ tái chế nội bộ 100% và tỷ lệ dòng vào là 4:3:3. Kết quả cho thấy AO hai giai đoạn{17}}đã đạt được TN nước thải tối ưu ở mức 6,29 mg/L; AO ba{19}giai đoạn với 100% tái chế bên trong ở phía trước đạt mức tốt nhất tiếp theo ở mức 7,51 mg/L; AO ba giai đoạn không có tái chế bên trong hoạt động kém hơn ở mức 8,52 mg/L. Cả ba kịch bản đều có thể đáp ứng yêu cầu xác minh nước thải (TN Nhỏ hơn hoặc bằng 10 mg/L).
Bảng 4hiển thị so sánh thông số thiết kế giữa AO hai-giai đoạn và ba-giai đoạn. Có thể thấy rằng đối với cả hai quy trình, HRT cần thiết để đạt được yêu cầu TN nước thải là dưới 18 giờ. Sự khác biệt chính giữa hai quá trình như sau:
Một. Về mặt lý thuyết, AO ba{0}}giai đoạn có giới hạn trên cao hơn; tức là nếu vận hành hợp lý thì cả chi phí đầu tư và vận hành đều có thể thấp hơn. AO hai{4}}giai đoạn có ít hạng mục và giai đoạn thiết bị hơn, dẫn đến chi phí thiết bị thấp hơn và độ khó quản lý vận hành thấp hơn.
b. Đối với dự án cụ thể này, do dài hạn đã được xem xét và thể tích bể được thiết kế cho HRT 18-giờ nên khoản đầu tư dân dụng sẽ giống nhau cho dù áp dụng AO hai{2}}giai đoạn hay ba{4}}giai đoạn. Chi phí thiết bị cho AO ba{6}}giai đoạn cao hơn. Do đó, từ góc độ đầu tư, áp dụng AO hai giai đoạn sẽ kinh tế hơn.
c. Về chi phí hoạt động, AO ba-giai đoạn có thể tiết kiệm khoảng 0,002 CNY/m³ bằng cách loại bỏ 100% chi phí năng lượng tái chế rượu hỗn hợp. Xem xét khả năng giảm hiệu quả sử dụng nguồn carbon trong hoạt động thực tế do các điều kiện thiếu khí/oxic xen kẽ trong AO ba{4}}giai đoạn, sự khác biệt thực tế về chi phí vận hành có thể còn nhỏ hơn.
2.2.2 Phân tích kịch bản nhà cung cấp dịch vụ bị đình chỉ dài hạn-
Do những yêu cầu đặc biệt của dự án này, bể sinh học cần xem xét tính khả thi và thuận tiện của-kế hoạch mở rộng công suất dài hạn, tức là tác động của việc bổ sung các vật liệu mang bị đình chỉ.
Cốt lõi của quy trình MBBR là tăng sinh khối trong lò phản ứng bằng cách thêm chất mang lơ lửng. Chúng có thể được thêm vào bể hiếu khí, thiếu khí hoặc kỵ khí. Tuy nhiên, khi xem xét việc hóa lỏng chất mang, việc thêm chúng vào bể kỵ khí hoặc thiếu khí sẽ làm tăng đáng kể yêu cầu về công suất trộn. Vì vậy, việc bổ sung thêm bể hiếu khí được khuyến khích. Thể tích của vùng kỵ khí/thiếu khí có thể được bổ sung bằng cách tách ra khỏi vùng hiếu khí, trong khi sự thiếu hụt về thể tích hiếu khí sẽ được bù đắp bằng các chất mang bổ sung. Nói cách khác, thể tích hiếu khí không đủ là do diện tích bề mặt tăng lên của chất mang lơ lửng, được tính toán dựa trên chuyển đổi tải chất ô nhiễm để xác định lượng chất mang cần thiết, kiểm soát tỷ lệ lấp đầy nhất định để đạt được thể tích bổ sung.
Dựa trên tính toán, nếu áp dụng-quy trình AO hai giai đoạn và thêm tất cả các chất mang lơ lửng vào-vùng hiếu khí giai đoạn đầu tiên về lâu dài thì diện tích bề mặt chất mang MBBR cần thiết sẽ là 2.597.708 m2, trị giá 12,99 triệu CNY. Chi phí thiết bị cố định liên quan khác (bao gồm hệ thống hóa lỏng MBBR, máy trộn chuyên dụng, hệ thống sàng lọc và hệ thống điều khiển thông minh) sẽ là 6,15 triệu CNY. Nếu áp dụng quy trình AO ba-giai đoạn, do có nhiều vùng phân tán hơn nên vùng MBBR sẽ cần được chia thành 2 phần (khu vực hiếu khí giai đoạn-đầu tiên và giai đoạn{12}}hiếu khí thứ hai). Do đó, chi phí lắp đặt thiết bị cố định MBBR tương ứng (không bao gồm giá đỡ) sẽ tăng nhẹ lên 7,77 triệu CNY, trong khi chi phí giá đỡ vẫn giữ nguyên. Điều này có nghĩa là việc áp dụng AO ba giai đoạn sẽ tăng khoản đầu tư trang bị thêm trong tương lai thêm 1,62 triệu CNY và cũng tăng độ phức tạp của việc trang bị thêm. Hơn nữa, hệ thống sàng lọc là khu vực dễ gặp sự cố nhất sau khi bổ sung nhà cung cấp dịch vụ. AO ba giai đoạn{20}}sẽ bổ sung thêm một phần màn hình, làm tăng độ khó khi vận hành.
Từ so sánh ở trên, do có quá nhiều phân vùng trong AO ba{0}}giai đoạn, với mỗi phân vùng có dung lượng tương tự nhau nên độ khó trang bị thêm của nó cao hơn so với AO hai giai đoạn-. Việc xây dựng, độ phức tạp trong vận hành và việc bổ sung thiết bị sàng lọc cũng dẫn đến mức đầu tư cao hơn so với AO hai giai đoạn-. Do đó, việc áp dụng AO hai giai đoạn- sẽ có lợi hơn cho việc kết nối với các nhà cung cấp dịch vụ bị đình chỉ trong tương lai.
2.3 Kết quả so sánh
Dựa trên phân tích ở trên, cả hai-quy trình AO hai giai đoạn và ba{1}}giai đoạn đều có thể đạt được mục tiêu TN nước thải Nhỏ hơn hoặc bằng 10 mg/L. Trong các điều kiện ranh giới của dự án này-không gian hạn chế, nhu cầu tối đa hóa thể tích bể chứa-trong ngắn hạn và kế hoạch dài hạn- nhằm bổ sung các phương tiện vận chuyển bị đình chỉ-hai-giai đoạn AO có lợi thế về-đầu tư ngắn hạn và sự thuận tiện trong quản lý/bảo trì thiết bị. Nó cũng cung cấp khả năng tương thích cao hơn cho việc trang bị thêm trong tương lai với các tàu sân bay bị đình chỉ, dẫn đến tổng mức đầu tư thấp hơn cũng như giảm bớt khó khăn trong vận hành và trang bị thêm. Do đó, sau khi xem xét toàn diện, quy trình AO hai giai đoạn{12}được đề xuất cho thiết kế này.
3 Hiệu suất hoạt động
Tổng mức đầu tư ước tính cho dự án này là 304,5721 triệu CNY, với chi phí xây dựng là 243,6019 triệu CNY, tương đương chi phí xây dựng đơn vị là 3.480,03 CNY/m³. Chi phí xử lý là 1,95 CNY/m³ và chi phí vận hành là 1,20 CNY/m³.
Đối với dự án này, bể sinh học có tổng thời gian HRT là 18 giờ (bao gồm: vùng kỵ khí 2 giờ, vùng thiếu khí giai đoạn thứ nhất là 3,5 giờ, vùng hiếu khí giai đoạn thứ nhất là 7,5 giờ, vùng khử khí là 0,5 giờ, vùng thiếu khí giai đoạn thứ hai là 2,5 giờ, vùng hiếu khí giai đoạn hai là 2 giờ), với độ sâu nước hiệu quả là 8,6 m. Lượng nước nạp theo từng phần có thể điều chỉnh được thực hiện, cho phép điều chỉnh tỷ lệ phân phối nước vào với mức tăng 20% khi cần thiết. Trong vận hành thực tế, nồng độ chất rắn lơ lửng hỗn hợp (MLSS) trong bể sinh học dao động từ 3.500 đến 4.000 mg/L, tỷ lệ hoàn trả bùn dao động từ 40% đến 100% và tỷ lệ tái chế nội bộ của rượu hỗn hợp dao động từ 100% đến 200%. Chất lượng nước thải và ảnh hưởng thực tế được thể hiện trongBảng 5, về cơ bản phù hợp với kết quả mô phỏng.
4 Kết luận
Sử dụng một nhà máy xử lý nước thải ở miền Nam Trung Quốc làm nghiên cứu điển hình, chúng tôi đã tiến hành so sánh kỹ thuật và kinh tế giữa các quy trình AO hai giai đoạn và ba giai đoạn với sự hỗ trợ của mô phỏng BioWin. AO hai-giai đoạn, với ít hạng mục và giai đoạn thiết bị hơn, chi phí thiết bị thấp hơn và độ khó quản lý vận hành thấp hơn, phù hợp hơn với điều kiện ở miền Nam Trung Quốc nơi TN ảnh hưởng không cao lắm. Đối với AO ba-giai đoạn, việc thiết lập tái chế nội bộ từ cuối giai đoạn thứ ba đến vùng anoxic đầu tiên đã ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả loại bỏ TN, làm tăng khó khăn trong quản lý vận hành và tăng chi phí đầu tư. Thiết kế này đồng thời đáp ứng các yêu cầu xử lý ngắn hạn là 50.000 m³/d và TN Nhỏ hơn hoặc bằng 10 mg/L, trong khi có thể đạt được quy mô dài hạn 70.000 m³/d bằng cách kết hợp với các chất mang lơ lửng. Kết quả vận hành thực tế phần lớn phù hợp với kết quả mô phỏng BioWin, với TN nước thải trung bình là 6,86 mg/L, đáp ứng yêu cầu thiết kế.