Kompleksowa analiza procesów powszechnie stosowanych w oczyszczalniach ścieków komunalnych

Podstawowym celem oczyszczania ścieków komunalnych jest usuwanie ze ścieków substancji zanieczyszczających, takich jak ChZT, BZT₅, TN i TP, w celu spełnienia norm dotyczących odprowadzania ścieków (zgodność z głównym nurtem normy klasy A zawartej w „Normach dotyczących odprowadzania zanieczyszczeń dla oczyszczalni ścieków komunalnych” GB 18918-2002). Obecne główne procesy skupiają się na oczyszczaniu biologicznym w połączeniu z oczyszczaniem wstępnym i zaawansowanymi jednostkami oczyszczania, tworząc kompletny proces „oczyszczania wstępnego - oczyszczania rdzeniowego - zaawansowanego oczyszczania – usuwania osadu”. Poniżej przedstawiono szczegółowe wprowadzenie do sześciu najczęściej stosowanych procesów, obejmujące ich zasady, kluczowe parametry, zalety i wady oraz mające zastosowanie scenariusze, a także biorąc pod uwagę szczegóły techniczne i wykonalność inżynieryjną.

1. Zasada procesu

Wykorzystując osad czynny jako rdzeń, w warunkach tlenowych mikroorganizmy adsorbują i rozkładają zanieczyszczenia organiczne w ściekach, uzyskując oczyszczanie ścieków poprzez oddzielanie osadu-od wody. Proces podstawowy: Sito prętowe → Komora piaskowa → Osadnik pierwotny → Zbiornik napowietrzający → Osadnik wtórny → Dezynfekcja i zrzut; osad resztkowy jest zagęszczany, odwadniany, a następnie utylizowany.

2. Kluczowe parametry projektowe
* Czas retencji hydraulicznej (HRT): 8-12h, przy HRT większym lub równym 6h w zbiorniku napowietrzającym;
* Czas retencji osadu (SRT): 3-5d (dotyczy tylko usuwania substancji organicznych, bez funkcji usuwania azotu i fosforu);
* Ładunek organiczny (F/M): 0,2-0,4 kg BOD₅/(kgMLSS·d);
* Stężenie DO w zbiorniku napowietrzającym: 2-3 mg/L, przy zastosowaniu napowietrzania wymuszonego lub napowietrzania mechanicznego.

3. Zalety i wady
* Zalety: Dojrzała technologia, stabilna praca, wysoka wydajność oczyszczania materii organicznej (stopień usuwania BZT₅ 85%-90%) i stosunkowo niski koszt inwestycji;
* Wady: Brak funkcji usuwania azotu i fosforu, co utrudnia spełnienie aktualnych standardów klasy A; duża produkcja osadu, podatna na pęcznienie nitkowate; duża powierzchnia zabudowy i stosunkowo wysokie zużycie energii.

4. Obowiązujące scenariusze
* Nadaje się do-wcześnie zbudowanych oczyszczalni ścieków o niskim standardzie odprowadzania lub jako jednostka wstępnej obróbki ścieków przemysłowych; obecnie rzadko jest stosowany samodzielnie w nowych projektach, ale głównie jako podstawowy moduł usprawniający procesy.

1. Zasada procesu
W procesie A²O (beztlenowym-beztlenowym-aerobowym) dochodzi do jednoczesnego usuwania azotu i fosforu poprzez synergiczne działanie trzech stref: bakterie-akumulujące fosfor uwalniają fosfor w strefie beztlenowej, bakterie denitryfikacyjne usuwają azot w strefie beztlenowej, a bakterie nitryfikacyjne powodują nitryfikację, a bakterie akumulujące{{3} fosfor absorbują fosfor w strefie tlenowej. Zmodyfikowana wersja (z dodatkiem-zbiornika przedbeztlenowego) rozwiązuje problem konkurencji źródeł węgla pomiędzy denitryfikacją a usuwaniem fosforu, wzmacniając efekt usuwania azotu i fosforu. Proces podstawowy: Oczyszczanie wstępne → Zbiornik beztlenowy → Zbiornik-przedbeztlenowy → Zbiornik beztlenowy → Zbiornik tlenowy → Osadnik wtórny → Oczyszczanie zaawansowane → Zrzut.

2. Kluczowe parametry projektowe

Całkowita HTZ: 10–12 godzin, stosunek beztlenowej: beztlenowej: tlenowej HTZ=1: 3:5;
Czas retencji osadu (SRT): 10-12 dni w temperaturze otoczenia, 15 dni w niskiej temperaturze (w celu zrównoważenia wymagań dotyczących nitryfikacji i usuwania fosforu);
Współczynnik recyrkulacji: Współczynnik recyrkulacji mieszaniny cieczy 200% -300% (regulowana zmienna częstotliwość), współczynnik recyrkulacji osadu 50% -80%;
Kontrola DO: strefa beztlenowa mniejsza lub równa 0,2 mg/l, strefa beztlenowa mniejsza lub równa 0,5 mg/l, strefa tlenowa 2-3 mg/l.

3. Zalety i wady

Zalety: Doskonała skuteczność usuwania azotu i fosforu (stopień usuwania TN 70%-80%, stopień usuwania TP 80%-90%), stale spełniający standardy klasy A; dojrzała technologia, umiarkowane koszty eksploatacji, odpowiednia do ścieków komunalnych o dużych wahaniach jakości wody;
Wady: Występują niespójności parametrów pomiędzy usuwaniem azotu i fosforu (SRT, konflikt wymagań dotyczących współczynnika recyrkulacji); ścieki o niskiej-emisyjności wymagają dodatku zewnętrznego źródła węgla; nieco większy ślad.

4. Obowiązujące scenariusze

Obecnie preferowany proces przy nowej budowie, rozbudowie i modernizacji oczyszczalni ścieków komunalnych, szczególnie odpowiedni dla projektów ścieków komunalnych wymagających jednoczesnej kontroli emisji azotu i fosforu. Można go także dostosować do ścieków złożonych zawierających niewielkie ilości ścieków przemysłowych (wymagana korekta współczynnika biodegradowalności).

1. Zasada procesu

Proces ten łączy technologię separacji membranowej z oczyszczaniem biologicznym, zastępując osadnik wtórny modułami membranowymi w celu uzyskania skutecznej separacji-wody z osadu. Przepływ podstawowy: Obróbka wstępna → Zbiornik biologiczny (można zastosować konfiguracje A²O, SBR itp.) → Zbiornik membranowy → Dezynfekcja i zrzut. Moduły membranowe mogą zatrzymywać mikroorganizmy, utrzymując wysokie stężenie MLSS w zbiorniku biologicznym oraz usprawniając nitryfikację i usuwanie materii organicznej.

2. Kluczowe parametry projektowe

Stężenie MLSS: 6000-8000 mg/L (znacznie wyższe niż w procesach tradycyjnych);
Czas retencji osadu (SRT): 20-30 dni (wzmocniona nitryfikacja, odpowiednia dla ścieków niskotemperaturowych i o niskiej zawartości C/N);
Strumień membrany: 10-20 L/(m²·h), wymagający regularnego czyszczenia fizycznego/chemicznego;
Zużycie energii: 0,6-1,0 kWh/m3 (w tym zużycie energii na napowietrzanie i ssanie membranowe).

3. Zalety i wady

Zalety: Doskonała jakość ścieków (TN mniejszy lub równy 8 mg/l, TP mniejszy lub równy 0,3 mg/l), spełniający wymagania dotyczące poprawy jakości wody bliskiej-klasy IV; ślad wynosi tylko 1/3-1/2 śladu tradycyjnych procesów; brak ryzyka utraty osadu, wysoka stabilność pracy;
Wady: Wysoki koszt modułu membranowego (stanowiący 30%-40% całkowitej inwestycji); skomplikowana konserwacja (podatna na zatykanie), wysokie koszty eksploatacji; wyższe zużycie energii niż tradycyjne procesy biologiczne.

4. Obowiązujące scenariusze

Nadaje się do głównych obszarów miejskich o ograniczonych zasobach gruntów, projektów modernizacyjnych z rygorystycznymi normami dotyczącymi ścieków lub specjalnych scenariuszy jakości wody, takich jak niska temperatura i niski stosunek C/N; ma również zastosowanie do zdecentralizowanego oczyszczania ścieków (np. wspólnoty mieszkaniowe, parki przemysłowe).

1. Zasada procesu

Wykorzystując reaktor rowowy-w kształcie pierścienia, ścieki cyrkulują w rowie przez obracające się szczotki lub dyski w celu napowietrzania, tworząc naprzemienne strefy tlenowe i beztlenowe, co pozwala na degradację i denitryfikację materii organicznej. Typowe konfiguracje obejmują rowy utleniające karuzelowe, rowy utleniające Orbal i zintegrowane rowy utleniające (w tym osadniki wtórne).

2. Kluczowe parametry projektowe

Całkowity HRT: 15-25h (długi czas retencji hydraulicznej, duża odporność na obciążenia udarowe);
Czas retencji osadu (SRT): 10-20 dni (odpowiedni dla wymagań usuwania azotu);
Ładunek organiczny (F/M): 0,05-0,15kg BOD₅/(kgMLSS·d);
Rozpuszczony tlen: Stopniowa dystrybucja w rowie (2-3 mg/L w strefie tlenowej, 0,5-1 mg/L w strefie beztlenowej).

3. Zalety i wady

Zalety: Wyjątkowo duża odporność na obciążenia udarowe, odpowiedni do ścieków o dużych wahaniach jakości i ilości wody; prosta obsługa i zarządzanie, niskie koszty utrzymania; dobry efekt usuwania azotu (stopień usuwania TN 70% -75%);
Wady: Słaby efekt usuwania fosforu (wymaga dodatkowego chemicznego usunięcia fosforu); duża powierzchnia, duże zużycie energii; niewystarczająca elastyczność operacyjna.

4. Obowiązujące scenariusze
Nadaje się do oczyszczalni ścieków w małych i średnich-miastach (objętość 50 000-500 000 m³/d), ścieków złożonych o dużych wahaniach jakości wody (w tym niewielkiej ilości ścieków przemysłowych) lub projektów o ograniczonych możliwościach obsługi i zarządzania.

1. Zasada procesu

Wykorzystując reaktor przerywany, w tym samym zbiorniku realizowanych jest pięć etapów: dopływ, napowietrzanie (tlenowe), sedymentacja, odprowadzanie ścieków i okres przestoju. Degradację materii organicznej oraz usuwanie azotu i fosforu osiąga się poprzez przydział czasu. Zmodyfikowane wersje (procesy CAST, CASS) dodają strefę selekcji i strefę-przedreakcyjnej, aby zwiększyć wydajność osadzania osadu i skuteczność usuwania fosforu.

2. Kluczowe parametry projektowe:
Jeden cykl operacyjny: 4-6 godzin (w tym 2-3 godziny napowietrzania i 1-1,5 godziny sedymentacji);
Czas retencji osadu (SRT): 10-15 dni;
Stężenie MLSS: 3000-5000 mg/L;
Współczynnik drenażu: 1/3-1/2 (każdy drenaż nie powinien przekraczać 1/2 objętości zbiornika).

3. Zalety i wady

Zalety: Niewielkie wymiary (nie ma potrzeby stosowania oddzielnego osadnika wtórnego); elastyczne działanie, z możliwością regulacji parametrów cyklu w zależności od jakości wody; nadaje się do małych i średnich objętości wody, umożliwiając jednoczesne usuwanie azotu i fosforu.
Wady: Wysokie wymagania w zakresie automatycznego sterowania (wymaga precyzyjnej kontroli czasu każdego etapu); niewystarczająca stabilność jakości ścieków, na którą łatwo wpływają parametry operacyjne; szybkie zużycie sprzętu (częste uruchamianie-zatrzymywanie zaworów i pomp).

4. Obowiązujące scenariusze
Nadaje się do małych i średnich-miejskich oczyszczalni ścieków (objętość wody mniejsza lub równa 100 000 m³/d), zdecentralizowanych projektów oczyszczania ścieków (takich jak społeczności i parki przemysłowe) lub scenariuszy, w których występują znaczne wahania jakości wody wymagające elastycznego dostosowania trybów pracy.

1. Zasada procesu
Integruje wszystkie etapy oczyszczania biologicznego (degradacja ChZT, usuwanie azotu, usuwanie fosforu, stabilizacja osadu) w jednym zbiorniku biologicznym. Dzięki podziałowi na strefy i wysokowydajnemu-systemowi napowietrzania osiąga się jednoczesne usuwanie azotu i fosforu oraz redukcję osadu. Najważniejszą cechą jest system napowietrzania BioDopp (napowietrzanie-drobnej pianki o dużej powierzchni), który charakteryzuje się wysoką wydajnością przenoszenia tlenu i jest łatwy w utrzymaniu.

2. Kluczowe parametry projektowe
Zużycie energii: 0,075 kWh/m3 (znacznie niższe niż w przypadku tradycyjnych procesów, co świadczy o znacznych korzyściach w zakresie-oszczędności energii);
Stężenie MLSS: 8 g/L (wysokie stężenie osadu, zwiększające skuteczność oczyszczania);
Wydajność transferu tlenu: 5 kgO₂/kWh, zapotrzebowanie na tlen 0,2-0,3 mg/L;
Całkowita HTZ: 8-12 godzin, odpowiednia do rutynowych potrzeb oczyszczania ścieków komunalnych.

3. Zalety i wady
Zalety: Znakomity efekt-oszczędności energii (zużycie energii stanowi tylko 1/5-1/8 tradycyjnych procesów); wysoka integracja, niewielka powierzchnia; niska produkcja osadu, eliminująca potrzebę skomplikowanej utylizacji osadu; łatwa konserwacja systemu napowietrzania (można czyścić online, bez przestojów); Wady: Wysoki próg techniczny, podstawowe wyposażenie opiera się na imporcie; nadaje się do określonych właściwości wody, możliwość dostosowania do ścieków o wysokiej zawartości soli i opornych na ścieki wymaga dalszej weryfikacji.

4. Obowiązujące scenariusze
Nadaje się do nowo budowanych komunalnych oczyszczalni ścieków (dążących do oszczędzania i redukcji zużycia energii) oraz projektów oczyszczania ścieków w parkach przemysłowych. Został on z powodzeniem zastosowany w Niemczech, Czechach oraz prowincjach Szanghaj i Hebei w moim kraju.

Wybór procesów dla oczyszczalni ścieków komunalnych wymaga kompleksowego uwzględnienia pięciu kluczowych czynników: charakterystyki jakości wody, standardów zrzutu, objętości wody, zasobów gruntów i kosztów operacyjnych. Podstawowa logika jest następująca:

• Normy dotyczące jakości wody i zrzutów: Do jednoczesnego usuwania azotu i fosforu w celu spełnienia norm klasy A preferowane są zmodyfikowane procesy A²O i MBR; w celu podniesienia jakości wody do klasy bliskiej IV preferowane są procesy MBR; w przypadku jakości wody o dużych wahaniach preferowane są procesy utleniające i modyfikowane SBR.
• Water Volume: Large wastewater treatment plants (>500 000 m³/d) priorytetowo traktuje zmodyfikowane procesy A²O i procesy rowowe utleniające; małe i średnie- oczyszczalnie ścieków (10 000–500 000 m³/d) mogą wybrać procesy A²O, modyfikowany SBR lub BioDopp; projekty zdecentralizowane (<10,000 m³/d) prioritize SBR and MBR processes.
• Grunty i koszty: W głównych obszarach miejskich, gdzie jest mało ziemi, preferowane są procesy MBR, SBR i BioDopp; w przypadku ograniczonych budżetów preferowane są zmodyfikowane procesy A²O i rowu utleniającego; aby uzyskać długoterminowe-oszczędności energii, można rozważyć procesy BioDopp.
• Eksploatacja i zarządzanie: W przypadku zakładów o ograniczonych możliwościach operacyjnych i zarządczych preferowane są procesy utleniające i zmodyfikowane procesy A²O (proste w obsłudze); dla osób o wyższym poziomie automatyzacji odpowiednie są zmodyfikowane procesy MBR i SBR.

Podsumowując, zmodyfikowany proces A²O, z jego zaletami w postaci stabilnego usuwania azotu i fosforu, umiarkowanym kosztem i szerokimi możliwościami adaptacji, pozostaje głównym wyborem dla miejskich oczyszczalni ścieków; proces MBR nadaje się do modernizacji i wymagań dotyczących kompaktowego układu; a nowsze procesy, takie jak BioDopp, oferują nowe kierunki oszczędzania energii i redukcji emisji, a scenariusze ich zastosowań będą stopniowo rozszerzane w przyszłości.