Áp dụng quy trình BIOLAK trong việc nâng cấp nhà máy xử lý nước thải lên tiêu chuẩn gần như{0}}loại IV
Được giới thiệu đến Trung Quốc vào đầu thế kỷ 21, quy trình BIOLAK đã được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải đô thị do cấu trúc đơn giản và chi phí đầu tư thấp. Trong những năm gần đây, với việc thắt chặt các tiêu chuẩn xả thải và tăng cường tự động hóa, hầu hết các nhà máy BIOLAK hiện tại đều phải đối mặt với việc nâng cấp. Những cải tiến như bổ sung chất mang lơ lửng, trang bị thêm bể chứa và xác định lại các khu chức năng được thực hiện để cải thiện việc loại bỏ nitơ và phốt pho. Trong khi các nhà máy mới xây dựng chủ yếu áp dụng quy trình A2/O và mương oxy hóa, có rất ít báo cáo về hiệu suất thực tế của BIOLAK, đặc biệt là theo các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt. Quy trình BIOLAK sử dụng chuỗi sục khí xoay để tạo ra các vùng thiếu khí và hiếu khí tạm thời, về cơ bản hoạt động như một quy trình A/O nhiều giai đoạn. Thông qua việc tối ưu hóa hoạt động, chất lượng nước thải có thể đáp ứng ổn định gần như tiêu chuẩn nước mặt Cấp IV.
1 Bối cảnh dự án
Một nhà máy xử lý nước thải ở tỉnh Hà Bắc sử dụng quy trình BIOLAK làm công nghệ cốt lõi. Lưu lượng vào dao động từ 18.000 đến 22.000 m³/ngày, trung bình 19.000 m³/ngày, xử lý chủ yếu nước thải sinh hoạt đô thị và một lượng nhỏ nước thải chế biến nông nghiệp. Chất lượng nước thải và nước thải được thiết kế được thể hiện trongBảng 1. Tiêu chuẩn xả thải ban đầu là tiêu chuẩn hạng A của *"Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải thành phố" (GB 18918-2002)*. Sau quá trình nâng cấp bao gồm việc phân chia vùng kỵ khí để tăng cường quá trình khử nitrat và khử phospho, nhà máy hiện tuân thủ các giới hạn khu vực kiểm soát chính của *"Tiêu chuẩn xả chất ô nhiễm nước cho lưu vực sông Đại Khánh" (DB13/2795-2018)*. Ngoại trừ tổng nitơ, tất cả các chỉ số khác đều đáp ứng tiêu chuẩn Loại IV được quy định trong *"Tiêu chuẩn chất lượng môi trường đối với nước mặt" (GB 3838-2002)*. Luồng quy trình được thể hiện trongHình 1.
Nhà máy sử dụng natri hypoclorit để khử trùng. Bùn được khử nước bằng tấm lọc và khung áp suất cao-đến độ ẩm dưới 60% trước khi được vận chuyển đi-đồng xử lý trong lò nung xi măng.
Sự đóng góp của mỗi đơn vị xử lý vào việc loại bỏ chất ô nhiễm được tính toán dựa trên cân bằng khối lượng, với các phương pháp cụ thể được tham khảo từ tài liệu.
2 biện pháp tối ưu hóa kiểm soát hoạt động
Nhiều biện pháp tối ưu hóa đã được thực hiện trong quá trình vận hành để tăng cường độ ổn định của nước thải và tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí.
2.1 Kiểm soát oxy hòa tan (DO) tăng cường
Các dự án trang bị thêm BIOLAK hiện tại thường lưu ý rằng khả năng phân vùng yếu của nó là một biến thể A/O nhiều giai đoạn, dẫn đến hiệu quả khử nitrat thấp. Trong dự án này, trong khi vẫn đảm bảo tuân thủ nitơ amoniac trong nước thải, DO tối đa ở cuối vùng sục khí được duy trì ở mức 0,5–1,0 mg/L, thấp hơn yêu cầu kiểm soát DO thông thường.
2.2 Tăng cường giám sát dữ liệu quy trình
Để hướng dẫn kiểm soát DO và định lượng nguồn carbon bên ngoài, nitơ nitrat và nitơ amoniac được theo dõi ở cuối vùng kỵ khí và bể BIOLAK để xác định phạm vi kiểm soát tối ưu. Trong quá trình vận hành, liều lượng nguồn carbon bên ngoài đã giảm hoặc dừng lại khi nitơ nitrat ở cuối vùng kỵ khí bị cạn kiệt.<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Đặt mục tiêu kiểm soát nước thải nội bộ
Để đảm bảo tuân thủ ổn định, các mục tiêu kiểm soát nội bộ được đặt ở mức 30%–80% giới hạn xả thải, dựa trên mức độ khó kiểm soát từng chất gây ô nhiễm. Việc vượt quá các giới hạn nội bộ này sẽ dẫn đến việc điều chỉnh thông số quy trình ngay lập tức để đưa nồng độ nước thải về phạm vi có thể chấp nhận được. Các mục tiêu kiểm soát nội bộ hàng năm đối với COD, nitơ amoniac, tổng nitơ và tổng phốt pho lần lượt là 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L và 0,12 mg/L.
2.4 Duy trì nồng độ bùn thích hợp
Sự lãng phí bùn được điều chỉnh dựa trên lưu lượng, tải lượng và mùa. Thời gian lưu bùn (SRT) được duy trì ở mức 15–25 ngày và nồng độ chất rắn lơ lửng hỗn hợp (MLSS) ở mức 2.500–4.500 mg/L. Cụ thể, MLSS được kiểm soát ở mức 2.500–3.500 mg/L vào mùa hè và mùa thu, với tải lượng bùn khoảng 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d), và ở mức 3.500–4.500 mg/L vào mùa đông và mùa xuân, với tải lượng bùn khoảng 0,04 kgCOD/(kgMLSS·d).
2.5 Điều chỉnh hoạt động của các đơn vị xử lý tiên tiến
Nhiệt độ thấp vào mùa đông ảnh hưởng đến quá trình keo tụ và lắng đọng. Việc rửa ngược không kịp thời các bộ lọc loại V{1}}có thể dẫn đến lượng chất rắn lơ lửng và COD trong nước thải tăng cao. Do đó, trong quá trình vận hành vào mùa đông, tần suất rửa ngược đã tăng lên dựa trên hiệu suất đông tụ và việc xả bùn từ bể lắng- đông tụ được tăng cường để giảm nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước thải.
3 Hiệu suất điều trị
COD đầu vào hàng năm dao động từ 109 đến 248 mg/L, trung bình là 176 mg/L. COD nước thải dao động từ 9,5 đến 20,1 mg/L, trung bình 12,1 mg/L. Khi COD nước thải vượt quá mục tiêu kiểm soát nội bộ (15 mg/L), tần suất rửa ngược bộ lọc được tăng lên để giảm chất rắn lơ lửng. Bạn nên nâng cấp bể lắng-đông tụ lên-bể lắng có mật độ cao hoặc đông tụ từ-để có hiệu quả đông tụ tốt hơn.
Nitơ amoniac hàng năm dao động từ 17,8 đến 54,9 mg/L, trung bình 31,9 mg/L. Nitơ amoniac thải ra dao động từ 0,12 đến 1,30 mg/L, trung bình 0,5 mg/L. Khi vượt quá mục tiêu kiểm soát nội bộ, sục khí sẽ được điều chỉnh theo các biện pháp tối ưu hóa. Chất lượng nước thải đáp ứng ổn định các giới hạn khu vực kiểm soát chính *DB13/2795-2018* trong suốt cả năm.
Do nồng độ nguồn carbon đầu vào thấp nên trọng tâm là tối ưu hóa các điều kiện quy trình để tăng cường loại bỏ nitơ và phốt pho, nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng và chi phí.
3.1 Tối ưu hóa kiểm soát DO và loại bỏ tổng nitơ
Tổng nitơ ảnh hưởng hàng năm (TN) dao động từ 20,3 đến 55,6 mg/L (xemHình 2), trung bình là 42,1 mg/L. TN nước thải dao động từ 2,5 đến 14,2 mg/L, trung bình 8,8 mg/L, nằm trong mục tiêu kiểm soát nội bộ (12 mg/L). Tỷ lệ loại bỏ TN trung bình là 79,1%. Với tỷ lệ tái chế bùn là 90% (không tái chế rượu hỗn hợp bên trong), hiệu suất khử nitrat theo lý thuyết là 47,4%, cho thấy quá trình khử nitrat cũng xảy ra ở các khu vực xử lý khác ngoài bộ chọn kỵ khí. Những thay đổi về nitơ dọc theo chuỗi xử lý trong một chu trình điển hình được thể hiện trongHình 3.
Trong một chu trình điển hình, TN dòng vào là 42,0 mg/L, với tổng lượng amoniac và nitơ nitrat là 35,2 mg/L. Sau bộ chọn lọc kỵ khí, TN là 16,7 mg/L, dẫn đến tỷ lệ loại bỏ 43,5% thông qua cân bằng khối lượng, phù hợp với giá trị lý thuyết. Bể BIOLAK góp phần loại bỏ 24,0% TN. TN nước thải tiếp tục được giảm bớt trong bể lắng thứ cấp, góp phần loại bỏ thêm 11,3%, chủ yếu là do thời gian lưu thủy lực dài (8,6 giờ) cho phép khử nitrat nhờ nguồn carbon nội sinh. Các đơn vị khác đóng góp loại bỏ 1,9%. Nước thải cuối cùng TN là 8,1 mg/L, với tổng tỷ lệ loại bỏ là 80,7%.
Kinh nghiệm vận hành cho thấy việc kiểm soát DO là rất quan trọng để loại bỏ TN trong quy trình BIOLAK. Trong các quy trình thông thường, DO thường được đo ở cuối vùng hiếu khí trong cấu trúc kênh nơi DO tương đối đồng đều trên mặt cắt ngang. Tuy nhiên, trong bể BIOLAK, phần cuối vùng sục khí rộng gần 70m, DO tăng dần từ mép dốc vào giữa, chênh lệch 0,5–1,0 mg/L. Vì vậy, vị trí của đầu dò DO cần được chú ý cẩn thận.
Bằng cách kiểm soát chặt chẽ DO tối đa ở cuối vùng sục khí BIOLAK, môi trường thiếu oxy cần thiết cho quá trình khử nitrat đã được đảm bảo một cách hiệu quả. Đã đạt được quá trình nitrat hóa và khử nitrat đồng thời (SND) sử dụng nguồn carbon nội sinh, dẫn đến loại bỏ TN hiệu quả.
3.2 Loại bỏ tổng lượng phốt pho và tối ưu hóa vận hành
Tổng lượng phốt pho hàng năm (TP) dao động từ 1,47 đến 4,80 mg/L (xemHình 4), trung bình là 2,99 mg/L. TP nước thải dao động từ 0,04 đến 0,17 mg/L. Liều lượng chất loại bỏ phốt pho được điều chỉnh dựa trên mục tiêu kiểm soát nội bộ (0,12 mg/L). Nồng độ TP nước thải trung bình là 0,07 mg/L, đáp ứng ổn định tiêu chuẩn xả thải, tỷ lệ loại bỏ TP trung bình là 98,3%.
Sự thay đổi lượng photphat dọc theo chuỗi xử lý trong một chu trình điển hình được thể hiện ởHình 5.
Phosphat đầu vào là 2,70 mg/L, và photphat tuần hoàn trong bùn là 0,58 mg/L, khiến lượng photphat lý thuyết đi vào bộ lọc kỵ khí là 1,70 mg/L. Sau khi giải phóng phốt pho kỵ khí bởi các sinh vật tích lũy polyphosphate (PAO), nồng độ phốt phát đạt 3,2 mg/L. Tỷ lệ nồng độ phốt phát (tối đa trong vùng kỵ khí/nước vào) là 1,9, cho thấy sự giải phóng đáng kể. Lý do chính là khả năng khử nitrat hiệu quả trong điều kiện DO thấp, dẫn đến nồng độ nitrat thấp trong bùn tuần hoàn về vùng kỵ khí, duy trì môi trường kỵ khí tốt (ORP thường dưới -200 mV) và thúc đẩy giải phóng phốt pho.
Sau vùng sục khí BIOLAK, sự hấp thu phốt pho đáng kể xảy ra, làm giảm nồng độ phốt phát ở cuối xuống còn 0,3 mg/L, đạt hiệu suất loại bỏ phốt pho sinh học là 88,9%. Sau bể lắng và ổn định nồng độ lân tăng lên 0,64 mg/L. Phân tích cho thấy điều này là do HRT kéo dài trong bể lắng và DO được kiểm soát chặt chẽ trong bể BIOLAK, tạo ra tình trạng yếm khí trong bể lắng và gây giải phóng phốt pho thứ cấp. Sau khi dùng hóa chất trong thiết bị đông tụ, lượng photphat trong nước thải giảm xuống còn 0,06 mg/L. Do đó, xem xét chi phí kinh tế và độ phức tạp trong vận hành, hy sinh một số hiệu quả loại bỏ phốt pho sinh học để tăng cường khử nitrat là một chiến lược tối ưu hóa khả thi cho các nhà máy tương tự.
4 Chi phí hoạt động
Chi phí vận hành trực tiếp bao gồm điện, hóa chất và xử lý bùn. Theo thống kê hàng năm, điện năng tiêu thụ riêng là 0,66 kWh/m³. Với giá điện là 0,65 CNY/kWh (dựa trên tổng hợp giá cao điểm/tắt{4}}cao điểm), chi phí điện là 0,429 CNY/m³. Mức tiêu thụ này cao hơn theo "Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng vận hành của các nhà máy xử lý nước thải thành phố", chủ yếu là do hiệu suất sử dụng oxy của hệ thống sục khí thấp hơn một chút. Chi phí hóa chất, bao gồm natri axetat, chất loại bỏ phốt pho, PAM, natri hypoclorit và hóa chất khử nước, tổng cộng là 0,151 CNY/m³. Cách sử dụng và chi phí cụ thể được thể hiện trongBảng 2.
Bùn có nguồn gốc chủ yếu từ các nguồn sinh học và hóa học (bể đông tụ). Tấm lọc và khung áp suất cao- được sử dụng cùng với vôi và sắt clorua làm chất điều hòa. Liều lượng vôi chiếm khoảng 25% trọng lượng bùn khô. Bánh tách nước có độ ẩm 60%. Sản lượng bùn khử nước hàng ngày khoảng 9 tấn, với sản lượng bùn khô riêng khoảng 0,15%. Chi phí vận chuyển bùn là 250 CNY/tấn, dẫn đến chi phí xử lý bùn là khoảng 0,118 CNY/m³. Do đó, tổng chi phí sản xuất trực tiếp là 0,698 CNY/m³.
5 kết luận
① Một nhà máy xử lý nước thải ở tỉnh Hà Bắc, sử dụng quy trình BIOLAK để xử lý nước thải đô thị, đã hoạt động liên tục trong một năm với chất lượng nước thải ổn định đáp ứng các giới hạn khu vực kiểm soát chính là *DB13/2795-2018* (Tiêu chuẩn nước mặt Chuẩn IV).
② Là một biến thể của quy trình A/O nhiều giai đoạn, việc kiểm soát DO tối đa ở cuối vùng sục khí BIOLAK ở mức 0,5–1,0 mg/L dẫn đến tỷ lệ loại bỏ TN là 24,0% ở vùng BIOLAK và 11,3% trong bể lắng. Điều này đạt được đồng thời quá trình khử nitrat-và khử nitrat nguồn carbon nội sinh, chứng tỏ khả năng loại bỏ nitơ đáng kể.
③ Chi phí vận hành trực tiếp cho quy trình BIOLAK là 0,698 CNY/m³. Các biện pháp tối ưu hóa vận hành, bao gồm giám sát dữ liệu quy trình và đặt ra các mục tiêu kiểm soát nội bộ hợp lý, có thể cung cấp tài liệu tham khảo để tối ưu hóa vận hành và tiết kiệm năng lượng/chi phí trong các nhà máy xử lý nước thải tương tự.