Verbesserung von Design und Praxis der Wasserqualitätsreinigungsanlage Xin'an Qianhe auf der Grundlage des AAOAO-MBBR-Prozesses und der Ozonoxidation
Als wichtige nationale Küstenhauptstadt hat Qingdao bedeutende Ergebnisse in der ökologischen Governance erzielt. Allerdings steht das städtische Wasserumweltmanagementsystem im Vergleich zu erstklassigen internationalen Metropolen immer noch vor strukturellen Herausforderungen.
Derzeit bestehen Lücken zwischen der Abdeckungsrate des Entwässerungsrohrnetzes, der betrieblichen Effizienz von Abwasseraufbereitungsanlagen und den öffentlichen Erwartungen an eine hochwertige Wasserumgebung. Auch von der Verwirklichung der ökologischen Vision, ein „schönes Qingdao“ zu schaffen, besteht noch ein weiter Weg.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, muss Qingdao dringend systematische Maßnahmen wie wissenschaftliche Planung, optimierte Ressourcenallokation und verstärkte Infrastrukturinvestitionen umsetzen. Diese Bemühungen zielen darauf ab, die Effizienz des Abwassersammelnetzes und der Endbehandlungskapazitäten umfassend zu steigern und so die ökologische Grundlage für die nachhaltige Entwicklung der Stadt zu festigen.
Das Projekt „Xin'an Qianhe Water Quality Purification Plant“ befindet sich in der West Coast New Area von Qingdao. Es verfügt über eine geplante Behandlungskapazität von 50.000 m³/Tag, eine Gesamtstandortfläche von 33.154 m² und eine Gesamtinvestition von 182,4 Millionen Yuan. Der Machbarkeitsstudienbericht für das Projekt wurde im März 2021 fertiggestellt, der vorläufige Entwurf und das Budget wurden im Juni desselben Jahres genehmigt und der Bau begann offiziell im April 2023. Derzeit befindet sich das Projekt in der Bauphase. Der ursprüngliche Entwurf erforderte, dass wichtige Abwasserparameter den in GB 3838-2002 „Environmental Quality Standards for Surface Water“ festgelegten Standards der Klasse V entsprechen, während der Gesamtstickstoff (TN) und andere Indikatoren den Standards der Klasse A von GB 18918-2002 „Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants“ entsprechen sollten.
Im März 2022 veröffentlichte die Qingdao Water Affairs Administration die „Mitteilung zur Durchführung von Modernisierungs- und Renovierungsarbeiten für städtische Abwasseraufbereitungsanlagen in Qingdao“. Gemäß dieser Bekanntmachung mussten Kläranlagen rund um die Jiaozhou-Bucht, die Bohai-Bucht und entlang von Flüssen modernisiert werden, wodurch der Einleitungsstandard auf quasi -Oberflächenwasserqualität der Klasse IV angehoben wurde, wobei die Abwasser-TN auf 10–12 mg/l kontrolliert wurde. Die Veröffentlichung dieser Richtlinie fiel in den Zeitraum zwischen der vorläufigen Entwurfsgenehmigung des Projekts (Juni 2021) und seinem physischen Beginn (April 2023), wodurch eine technische Lücke zwischen den bereits genehmigten ursprünglichen Entwurfsstandards und den neuesten Umweltanforderungen entstand. Da es sich um eine neue Abwasseraufbereitungsanlage in der West Coast New Area handelt, war es zur Sicherstellung der Einhaltung der Vorschriften nach der Fertigstellung unerlässlich, während der Bauphase gleichzeitig Prozessoptimierungen durchzuführen und durch Machbarkeitsstudien einen wirtschaftlich realisierbaren Modernisierungsplan zu entwickeln.
1. Entwurf und Auswahl des Prozessschemas
1.1 Entworfene Abwasserqualität
Die Abwasserstandards des Projekts wurden von der quasi-Klasse V auf die quasi-Klasse IV der Oberflächenwasserqualität angehoben. Um die Werte von Indikatoren wie BSB und CSB weiter zu senken, waren vernünftige technische Lösungen erforderlichCr,TN, NH₃-N und TP im Abwasser. Spezifische Analysen finden Sie inTabelle 1.
1.2 Auswahl des technischen technischen Schemas
Der Prozessablauf der im Bau befindlichen Anlage ist in dargestelltAbbildung 1.
Die im Bau befindliche Anlage nutzt den Prozess „Vorbehandlung + modifizierter biochemischer AAOAO-Tank + sekundärer Sedimentationstank + hocheffizienter Sedimentationstank + Filter vom Typ V- + Ozonoxidation“. Die Anordnung der Bauwerke ist kompakt, so dass kein überschüssiges Land für das Modernisierungsprojekt übrig bleibt, das sich daher an den laufenden Bauarbeiten orientieren muss. Die Modernisierung zielt vor allem auf die Entfernung von Schadstoffen wie CSB abCr, NH₃-N, TN und TP. Es wurden zwei Vergleichsschemata vorgeschlagen, wie in beschriebenTabelle 2.
Schema 1: AAOAO-MBBR + Hocheffizienter Sedimentationstankprozess
- Biochemische Systemmodifikation: Optimieren Sie die Struktur des im Bau befindlichen biochemischen AAOAO-Tanks. Verbessern Sie die Denitrifikationskapazität durch Erweiterung des Volumens der anoxischen Zone. Fügen Sie gleichzeitig MBBR-Träger lokal in der aeroben Zone hinzu, um einen Verbundprozess zu bilden, der die biochemische Entfernungseffizienz von NH₃-N und TN stärkt.
- Upgrade des physikalisch-chemischen Systems: Optimieren Sie die Tankstruktur und die unterstützenden Ausrüstungsparameter des hocheffizienten Sedimentationstanks, um eine stabile TP-Konformität sicherzustellen.
- Erweiterte Behandlungsverbesserung: Erhöhen Sie die Dosierung in der Ozonoxidationseinheit, um feuerfeste organische Stoffe weiter abzubauen und so den CSB sicherzustellenCrEntlassungskonformität.
Schema 2: Hocheffizienter Sedimentationstank + denitrifizierender Tiefbettfilterprozess
- Optimierung des Betriebsmodus: Behalten Sie die ursprüngliche Struktur des biochemischen AAOAO-Tanks bei. Fügen Sie einstellbare Belüftungsgeräte in der post-anoxischen Zone hinzu, um basierend auf der Qualität des Zuflusses dynamisch zwischen anoxischen/aeroben Modi zu wechseln und so die Wirksamkeit der NH₃-N-Behandlung sicherzustellen.
- Upgrade des physikalisch-chemischen Systems: Optimieren Sie die Tankstruktur und die unterstützenden Ausrüstungsparameter des hocheffizienten Sedimentationstanks, um eine stabile TP-Konformität sicherzustellen.
- Einführung eines denitrifizierenden Filters: Wandeln Sie den Filter vom Typ V- in einen denitrifizierenden Tiefbettfilter um und nutzen Sie die Dosierung der Kohlenstoffquelle, um die Fähigkeit zur TN-Entfernung zu verbessern.
- Erweiterte Behandlungsverbesserung: Erhöhen Sie die Dosierung in der Ozonoxidationseinheit, um feuerfeste organische Stoffe weiter abzubauen und so den CSB sicherzustellenCrEntlassungskonformität.
Beide Systeme können die Anforderungen an die Stickstoff- und Phosphorentfernung erfüllen. Schema 1 nutzt Modifikationen am biochemischen Tank, um eine TN-Entfernung zu erreichen. Sein Vorteil liegt in der vollständigen Nutzung der einströmenden Kohlenstoffquelle. Wenn das einströmende TN schwankt, kann zur TN-Entfernung auch eine externe Kohlenstoffquelle in der anoxischen Zone hinzugefügt werden. Im Vergleich dazu erfordert der in Schema 2 verwendete denitrifizierende Tiefbettfilter die Verwendung einer externen Kohlenstoffquelle und erfordert die langfristige Aufrechterhaltung der mikrobiellen Aktivität im Filter, was die Betriebskosten erhöht. Obwohl die Bauinvestitionskosten für beide Schemata vergleichbar sind, wurde aufgrund mehrdimensionaler Überlegungen, einschließlich Betriebskostenkontrolle, Prozessstabilität und Effizienz der Kohlenstoffquellennutzung, letztendlich Schema 1 -, das sowohl wirtschaftliche Effizienz als auch betriebliche Flexibilität bietet, als Umsetzungsprozess für das Modernisierungsprojekt ausgewählt.
2. Wichtige technische Designpunkte
2.1 Biochemische Systemmodifikation
Die Kerntechnologie des MBBR-Prozesses besteht darin, durch Design eine effiziente Fluidbewegung suspendierter Träger zu erreichen und dadurch die biologische Abbaueffizienz des Systems für Schadstoffe erheblich zu verbessern. Dieses Prozesssystem besteht aus fünf Schlüsselelementen: hoch-mechanischen-Biofilmträgern, einer angepassten hydraulischen Tankstruktur, einem gerichteten Belüftungssystem, einem präzisen Abfangsiebgerät und einer Flüssigkeitsantriebsausrüstung. Basierend auf den angepassten Tankvolumina und den Auslegungsparametern eines betriebsbereiten 20.000 m³/d-Mietprojekts für Abwasserbehandlungsanlagen (MBBR) innerhalb des regionalen Abwassersystems beträgt die berechnete erforderliche Gesamtnutzfläche der Hängeträger ca. 2.164.000 m². Die ausgelegte effektive spezifische Oberfläche der MBBR-Träger beträgt mehr als 750 m²/m³. Die Entwurfsberechnungstabelle für das modifizierte AAOAO-MBBR-Tankvolumen ist in dargestelltTabelle 3.
2.2 Upgrade des physikalisch-chemischen Systems
Der hocheffiziente Sedimentationstank ist für den Betrieb in zwei parallelen Gruppen ausgelegt. Die Renovierung dieser Einheit erfolgt in Form eines Prozesspakets, wobei der Ausrüstungslieferant vollständige -technische Prozessgarantien und Leistungsverpflichtungen bietet. Die wichtigsten Prozessparameter und Gerätekonfigurationen sind wie folgt.
Der Koagulationstank besteht aus zwei Gruppen mit insgesamt 4 Kammern. Die geplante Einzelabteilgröße beträgt 2,675 m × 2,725 m × 5,9 m. Die Spitzenverweilzeit beträgt ungefähr 3,8 Minuten, mit einem Geschwindigkeitsgradienten (G) größer oder gleich 250 s-¹. Jedes Rührwerk ist mit einer Einzelleistung von 4 kW ausgestattet.
Der Flockungsbehälter besteht aus zwei Gruppen mit insgesamt 2 Kammern. Die geplante Einzelabteilgröße beträgt 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. Die maximale Haftzeit beträgt ca. 8,3 Minuten. Der Innendurchmesser des Saugrohrs beträgt 2.575 mm. Es ist mit Turbinenrührwerken mit einem Durchmesser von 2.500 mm und einer Leistung von jeweils 7,5 kW ausgestattet.
Das Absetzbecken besteht aus zwei Gruppen. Die geneigte Röhrenfläche für eine einzelne Gruppe beträgt ca. 84 m². Der Durchmesser des Absetzbeckens beträgt 11,7 m. Die geplante durchschnittliche hydraulische Belastungsrate auf der geneigten Rohroberfläche beträgt 12,4 m³/(m²·h), mit einem Spitzenwert von 16,1 m³/(m²·h). Die geplante durchschnittliche hydraulische Belastungsrate für die Sedimentationszone beträgt 7,6 m³/(m²·h), mit einem Spitzenwert von 9,9 m³/(m²·h).
Das chemische Dosiersystem ist wie folgt konfiguriert: Als Koagulationsmittel dient handelsübliche Polyaluminiumchloridflüssigkeit (PAC) (10 % Al₂O₃), die an mehreren Stellen im Zuflussbereich des Koagulationstanks dosiert wird. Die vorgesehene Höchstdosis beträgt 300 mg/L, mit einer durchschnittlichen Dosierung von 150–200 mg/L. Zum Einsatz kommen mechanische Membrandosierpumpen, konfiguriert mit einem 10-fachen Online-Verdünnungssystem. Anionisches Polyacrylamid (PAM) ist als Flockungsmittel konzipiert und wird im Flockungsabschnitt des hocheffizienten Sedimentationstanks dosiert. Es wird eine vollautomatische Einheit zur kontinuierlichen Vorbereitung und Dosierung von PAM-Lösungen mit einer Lösungskonzentration von 2 g/l verwendet. Die vorgesehene Höchstdosis beträgt 0,6 mg/L, bei einer durchschnittlichen Dosierung von 0,3 mg/L. Dosierpumpen sind Schneckendosierpumpen, die ebenfalls mit einem 10-fachen Online-Verdünnungssystem ausgestattet sind.
2.3 Verifizierung des Ozonoxidationsversuchs im Pilotmaßstab
Um die Machbarkeit des Abwassers der modernisierten Anlage zu überprüfen, das die Oberflächenwasserstandards der Klasse IV (CSB-Konzentration kleiner oder gleich 30 mg/L) stabil erfüllt, wurde in dieser Studie im Juni 2024 das Sekundärabwasser aus der ersten und zweiten Phase der Lianwanhe-Wasserqualitätsreinigungsanlage als Forschungsgegenstand ausgewählt. Es wurde ein Leistungsüberprüfungsexperiment für den erweiterten Behandlungsprozess „Sandfiltration + Ozonoxidation“ durchgeführt. Das Experiment zielte darauf ab, die Anwendbarkeit dieses Prozesses auf das Xin'an-Projektdesign und die Erreichbarkeit des Ziels zu bewerten.
Bei diesem Experiment wurde die vorhandene kleine Sandfiltrationsanlage (Aufbereitungskapazität 1,5 m³/h) im Werk Lianwanhe genutzt. Vor Ort wurde eine Ozonoxidationsreaktionsanlage im Pilotmaßstab-(Turmreaktor, effektives Volumen 0,5 m³) aufgebaut. Das vorhandene Abwasser des sekundären Sedimentationstanks wurde durch den kleinen Sandfilter gefiltert und dann durch eine Pumpe angehoben, um von oben in den Ozonoxidationsturm zu gelangen. Die oxidierende Wirkung von Ozon wurde genutzt, um feuerfeste organische Stoffe aus dem Zufluss zu entfernen und so eine weitere COD-Reduzierung zu erreichen.
2.3.1 Leistung von „Sandfiltration + Ozonoxidation“ bei einer Ozondosierung von 20 mg/L und einer HRT von 30 Minuten
Während dieser Forschungsphase lag die CSB-Konzentration im Zufluss zwischen 38,2 und 43,4 mg/L, mit einem Durchschnitt von 40,4 mg/L. Nach der Behandlung durch das Verfahren „Sandfiltration + Ozonoxidation“ betrug der endgültige CSB im Abwasser durchschnittlich 28,8 mg/l. Das Experiment ergab, dass es bei hoher CSB-Konzentration immer noch Fälle gab, in denen der CSB im Abwasser den Standard nicht erfüllte. Darüber hinaus blieb die endgültige Farbe des Abwassers aus dem Pilottest höher als die des Zuflusses und entsprach nicht den Abflussstandards. Details finden Sie inAbbildung 2(a).
2.3.2 Leistung von „Sandfiltration + Ozonoxidation“ bei einer Ozondosierung von 25 mg/L und einer HRT von 30 Minuten
Um die CSB-Entfernung weiter zu verbessern und die Farbe des Abwassers zu reduzieren, wurde in dieser Phase die Ozondosis weiter erhöht, während die HRT bei 30 Minuten gehalten wurde. In dieser Versuchsphase lag die CSB-Konzentration im Zufluss zwischen 36,3 und 46,2 mg/L, im Durchschnitt bei 40,4 mg/L. Nach der Behandlung wurde die CSB-Konzentration auf 28 mg/L reduziert. Die endgültige Farbe des Abwassers aus dem Pilottest blieb immer noch höher als die des Zuflusses und erfüllte nicht den Abflussstandard. Details finden Sie inAbbildung 2(b).
2.3.3 Leistung von „Sandfiltration + Ozonoxidation“ bei einer Ozondosierung von 30 mg/L und einer HRT von 30 Minuten
Unter den Bedingungen einer Ozondosis von 30 mg/L und einer HRT von 30 Minuten zeigte das Verfahren „Sandfiltration + Ozonoxidation“ eine gute Behandlungswirksamkeit für sekundären Abwasser-CSB. In dieser Testphase lag die CSB-Konzentration im Zufluss zwischen 38,2 und 42,2 mg/L, im Durchschnitt bei 40,2 mg/L. Nach der Behandlung blieb die CSB-Konzentration im Abwasser stabil unter 30 mg/L und lag im Durchschnitt bei 26 mg/L. In dieser Phase zeigte das Verfahren auch eine gute Farbentfernungswirksamkeit, wobei die gemessene Farbe konstant unter 20 lag und die Entladungsnorm stabil erfüllte. Details finden Sie inAbbildung 2(c).
2.3.4 Experimentelle Schlussfolgerung
Basierend auf den experimentellen Ergebnissen betrug das Verhältnis von Ozondosis (30 mg/L) zu CSB-Entfernung (12,2 mg/L) in der Ozonbehandlungseinheit unter optimalen Reaktionsbedingungen 2,45:1,00.
Das Pilotexperiment bewies, dass der fortschrittliche Aufbereitungsprozess „Sandfiltration + Ozonoxidation“ den CSB-Wert des repräsentativen Sekundärabwassers aus der Lianwanhe-Anlage wirksam senken kann. Daher ist die Einführung des Verfahrens „Sandfiltration + Ozonoxidation“ als fortschrittliches Behandlungsverfahren für das Projekt Xin'an Qianhe gut machbar und kann sicherstellen, dass der CSB-Wert des Abwassers stabil unter 30 mg/l bleibt.
3. Fazit
Diese Forschung konzentriert sich auf drei Kernmodifikationsmodule: Das biochemische Behandlungssystem übernimmt den AAOAO-MBBR-Hybridprozess (suspendiertes und befestigtes Wachstum); Die physikalisch-chemische Behandlungseinheit optimiert die Tankstruktur und die Ausrüstungsauswahl für den hocheffizienten Sedimentationstank. und die fortschrittliche Behandlungsverbindung wird durch ein Ozonoxidationsexperiment im Pilotmaßstab-validiert.
Durch die synergistische Optimierung dieser Prozesskette wird ein vollständiges Prozessbehandlungssystem „Biochemische Verbesserung – physikalisch-chemische Verbesserung – fortgeschrittener Schutz“ aufgebaut. Gleichzeitig folgt dieser technische Entwurf der objektiven Tatsache des laufenden Projektbaus und erfordert eine koordinierte Optimierung der Bauabläufe für alle Bauwerke, um die Nutzung vorhandener Einrichtungen zu maximieren und den Renovierungsaufwand zu minimieren.
Das Projekt verwendet den Abwasserqualitätsstandard der im Bau befindlichen Anlage als Maßstab für die Qualität des Entwurfseinflusses. Die Einleitungskonzentrationen von CSBCr, BSB₅, NH₃-N und TP müssen den Standards der Klasse IV (TN kleiner oder gleich 10/12 mg/L) entsprechen, die in GB 3838-2002 „Environmental Quality Standards for Surface Water“ festgelegt sind. Andere Indikatoren müssen den Standards der Klasse A von GB 18918-2002 „Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants“ entsprechen. Dieses Modernisierungsprojekt hat einen Entwurfsumfang von 50.000 m³/Tag, eine Gesamtinvestition von 27,507 Millionen Yuan, Betriebskosten von 0,3 Yuan/m³, Gesamtkosten von 0,39 Yuan/m³ und einen Betriebswasserpreis von 0,45 Yuan/m³.