Anwendung des modifizierten AAO-Prozesses in der häuslichen Abwasserbehandlung von Kohlebergwerken
Häusliches Abwasser in Kohlebergwerken stammt hauptsächlich aus Kantinen, Wohnheimen, Büros, Waschküchen und Toiletten, wobei die Abwasserentsorgung über 55 % des Gesamtvolumens ausmacht. Der Abfluss des Badewassers ist relativ konzentriert, was zu erheblichen Durchflussschwankungen führt. Badeentwässerungen zeichnen sich durch eine geringere organische Konzentration und einen höheren Schwebstoffgehalt (SS) aus und unterscheiden sich erheblich von typischen häuslichen Abwässern. Sein zeitlich versetztes Abflussmuster mit anderen Abwasserströmen trägt zu erheblichen Schwankungen der Wasserqualität bei.
Die meisten Kohlebergwerke in China liegen in abgelegenen Gebieten, in denen die Kosten für den Schlammtransport hoch sind. Daher sollten Behandlungsverfahren mit geringerer Schlammausbeute gewählt werden. Mit der Entwicklung von Bergwerken und steigender Personalzahl übersteigt der Abwasserfluss häufig die ursprünglich geplante Kapazität, was Prozesse mit starker Anpassungsfähigkeit an Änderungen der Wasserqualität und -menge innerhalb derselben Fläche erforderlich macht. Unter immer strengeren Umweltrichtlinien, die eine vollständige Wiederverwendung des behandelten Abwassers ohne Einleitung erfordern, müssen Prozesse eine hohe und stabile Abwasserqualität liefern.
Derzeit ist das AAO-Verfahren (Anaerobic-Anoxic-Oxic) die bevorzugte Wahl bei der kommunalen Abwasserbehandlung. In diesem Artikel wird die Anwendungswirksamkeit eines modifizierten AAO-Prozesses (AAO + Suspended Carrier-Prozess) für häusliches Abwasser aus Kohlebergwerken anhand seiner einzigartigen Eigenschaften analysiert.
1. Modifizierter AAO-Prozess
Das AAO-Verfahren ist die einfachste Strömungskonfiguration zur gleichzeitigen Entfernung von Stickstoff und Phosphor. Filamentöse Bakterien können sich unter abwechselnden anaeroben, anoxischen und aeroben Bedingungen nicht stark vermehren, wodurch eine Schlammaufblähung verhindert wird. Es erfordert keine chemische Zugabe, sondern nur eine milde Mischung in anaeroben und anoxischen Tanks, was zu niedrigen Betriebskosten führt. Der Schlamm hat einen hohen Phosphorgehalt, was ihm einen guten Düngewert verleiht.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200 % verbraucht diese interne Wiederverwertung erheblich Energie. Das in den Sekundärklärer eintretende Abwasser muss einen bestimmten Gehalt an gelöstem Sauerstoff (DO) aufrechterhalten, um anaerobe Bedingungen und die Freisetzung von Phosphor zu verhindern, darf jedoch nicht zu hoch sein, um eine Störung der Denitrifizierung im anoxischen Tank über die recycelte Mischlauge zu vermeiden.
Der modifizierte AAO-Prozess (AAO + Suspended Carrier Process) mildert diese Nachteile effektiv. Es erhöht die mikrobielle Masse in den biologischen Tanks, erhöht die volumetrische Beladung, erreicht eine vollständige Trennung von hydraulischer Verweilzeit (HRT) und Schlammverweilzeit (SRT), stärkt die Widerstandsfähigkeit gegenüber hydraulischen und organischen Stoßbelastungen, liefert eine gute Abwasserqualität auch bei kohlenstoffarmen Quellen, erzeugt weniger und stabileren Schlamm (reduziert die Anforderungen an die nachgeschaltete Schlammbehandlungskapazität). Das Abwasser kann die Wasserqualitätsstandards „The Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Water“ (GB/T 18920-2020) und „Code for Design of Coal Planning Engineering“ (GB 50359-2016) für die Kohlewäsche erfüllen. Hou Feng et al. wendete das AAO+suspendierte Trägerverfahren in einer unterirdischen Abwasseraufbereitungsanlage an und erreichte die Standards der Klasse 1A gemäß „Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants“ (GB 18918-2002), wobei Schlüsselindikatoren (CSB, BSB5, NH3-N, TP) die Standards der Klasse IV gemäß „Environmental Quality Standards for Surface Water“ (GB 3838-2002) erreichten. Hao Ruigang et al. verwendete „A/O-Biokontaktoxidation + perforierte Wirbelflockung + Sedimentation mit geneigten Rohren + aktive Sandfiltration“ bei der Erweiterung einer häuslichen Abwasseranlage in einem Kohlebergwerk und erreichte eine Abwasserqualität besser als Klasse 1A. Yan Ziyu et al. erzielte auch gute Ergebnisse mit Biofilmverfahren zur Nachrüstung bestehender häuslicher Abwasserbehandlung in Kohlebergwerken. Der modifizierte AAO-Prozess ermöglicht Kapazitätssteigerungen und eine Verbesserung der Abwasserqualität in bestehenden Anlagen mit minimalen Modifikationen.
Bei diesem Verfahren werden den anoxischen und aeroben Tanks suspendierte Trägerstoffe zugesetzt, wodurch die Vorteile von Belebtschlamm- und Biofilmverfahren kombiniert werden. Es zeichnet sich durch eine hohe volumetrische Beladung, große Biomasse, hohe Behandlungseffizienz, starke Anpassungsfähigkeit an den Prozess, verbesserte Prozessstabilität und gute Nährstoffentfernung aus. Es bildet hochspezialisierte aktive Biofilme, wodurch die Effizienz pro Reaktorvolumen und die Stabilität erhöht werden, was den Einsatz kleinerer Reaktoren ermöglicht. Ablösender Biofilmschlamm enthält mehr Protozoen/Metazoen, hat eine höhere Dichte und größere Partikelgröße, was zu einer guten Absetzbarkeit und einer einfachen Fest--Flüssigkeitstrennung führt. Es ermöglicht eine vollständige SRT-HRT-Trennung, verhindert die Aufblähung von Schlamm und ist für Abwasser mit hohem Gehalt an löslichen organischen Stoffen geeignet.
2.1 Fallstudie
Ein Kohlebergwerk in der Stadt Yan'an, etwa 16 km von der Stadt Zichang entfernt, verfügt über eine häusliche Abwasseraufbereitungsanlage mit einer Auslegungskapazität von 1200 m³/Tag. Der Prozess ist: „Sieb + Ausgleichstank + AAO mit suspendierten Trägern + fortgeschrittene Behandlung (Koagulation-Sedimentation-Filtration) + Desinfektion“. Der Schlamm wird durch „Schwerkrafteindickung + Schneckenpressentwässerung“ behandelt. Das Abwasser erfüllt die strengeren Grenzwerte von *GB/T 18920-2020* und GB 50359-2016 für Kohlewaschwasser. Das aufbereitete Wasser wird für die Grünanlagen des Bergbaus und als Ergänzungswasser in der Kohleaufbereitungsanlage wiederverwendet. Die Qualität des Designzuflusses/-abflusses liegt im TrendTabelle 1. Der Prozessablauf ist in dargestelltAbbildung 1.
Das Abwasser gelangt durch ein Sieb (5 mm Spalt, 75 Grad Installationswinkel) in einen Ausgleichsbehälter (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, effektive Tiefe 2,95 m, Volumen 247,8 m³, HRT 4,13 h), der den Anforderungen von GB 50810-2012 entspricht. Zwei Mischer verhindern ein Absetzen. Drei Tauchpumpen (2 Betriebsstunden +1 Standby, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) fördern Wasser zu den biologischen Tanks.
Das biologische System besteht aus zwei parallelen Zügen. Pro Zug:
- Anaerober Tank: L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, effektive Tiefe 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Anoxischer Tank: L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, effektive Tiefe 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Aerobes Becken: L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, effektive Tiefe 4,0 m, HRT 10,0 h. Die gesamte HRT des Systems beträgt 15,75 h. Im Aerobic-Becken sind Schwebeträger (Füllungsgrad 80 %, spezifische Oberfläche 600 m²/m³) eingebaut. Das Luft--zu-Verhältnis beträgt 13,7:1. Es werden drei Roots-Gebläse (2 Betriebsstunden +1 Standby, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa) verwendet. Das Schlammrecyclingverhältnis beträgt 100 %, das Mischlaugerecyclingverhältnis beträgt 200 %.
Zwei rechteckige periphere -Einlass-/Auslass-Nachklärbecken (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m) haben eine Oberflächenbeladungsrate von 1,2 m³/(m²·h) und eine HRT von 2,5 h.
Ein integrierter Wasserreiniger (kombiniert Koagulation, Sedimentation und Filtration) bietet eine fortschrittliche Behandlung zur weiteren Entfernung von SS und Phosphor.
Die Schlammbehandlung umfasst die Schwerkrafteindickung (Tank aus Kohlenstoffstahl mit einem Durchmesser von 2,5 m × 5,0 m) und die anschließende Entwässerung durch eine Schneckenpresse. Polyacrylamid (PAM) wird vor der Entwässerung mit 3,0–5,0 kg/t Trockensubstanz dosiert. Der täglich entwässerte Schlammkuchen beträgt höchstens 150 kg mit einem Feuchtigkeitsgehalt von höchstens 80 % und wird vom Standort abtransportiert.
Für die Desinfektion wird ein vor Ort installierter ClO2-Generator (effektive Chlordosis 120 g/h) verwendet, der am Klarbrunneneinlass dosiert wird. Der klare Brunnen hat ein Nutzvolumen von 250 m³ und ermöglicht eine Kontaktzeit von 4,2 Stunden.
Die Anlage ist mit einer umfassenden Online-Überwachung (Durchflussmesser, Restchlor, pH-Wert, Sauerstoffgehalt, CSB, Trübung, Schlammgehalt/-konzentration) und automatisierten Steuerungssystemen für Pumpen, Gebläse, Rückspülung, Chemikaliendosierung und -mischung ausgestattet, die einen intelligenten, unbeaufsichtigten Betrieb gewährleisten.
2.2 Leistungsanalyse
Die Anlage wurde 2021 in Betrieb genommen und ist seit über zwei Jahren in Betrieb. Die tatsächliche Qualität des Zu-/Abflusses im Jahr 2024 ist in dargestelltTabelle 2.
Das einströmende BSB5/N-Verhältnis beträgt 5,5, was auf ein niedriges Kohlenstoff-{2}}zu-Stickstoff-Verhältnis (C/N) im Abwasser hinweist, das im Sommer aufgrund von Regeneinträgen und Gewohnheitsänderungen weiter abnimmt. Extreme Wintertemperaturen in Yan'an können bis zu -21 Grad erreichen. Die tatsächliche Abwasserqualität ist besser als geplant, mit Entfernungsraten von: CSB 97,8 %, BSB 5 99.7 %, SS 99,7 %, NH3-N 93,5 %, TP 87,10 % und erfüllt die Standards für Kohlenstoff und Kohlewäsche.
Die aktive Biofilmmasse in den anoxischen/aeroben Tanks beträgt bis zu 125 g/m² Träger, was einem MLSS von 13 g/L-dem Vierfachen des herkömmlichen Belebtschlamms entspricht. Mikroorganismen befinden sich in der endogenen Atmungsphase, was zu einer täglichen Schlammproduktion von etwa einem Drittel der herkömmlichen Methoden führt, mit besserer Absetzbarkeit, was den Einsatz kleinerer Schlammbehandlungsgeräte ermöglicht.
Obwohl die Bio--Kontaktoxidation ohne Schlammrückführung funktionieren kann, haben Untersuchungen von Xiong Ren et al. zeigt, dass Systeme mit Rückführung höhere Entfernungsraten für CSB, TN, NH3-N, SS erreichen und die Schlammausbeute um 29,6 % reduzieren. Dieses Design beinhaltet die Wiederverwertung gemischter Flüssigkeiten mit betrieblicher Flexibilität basierend auf der Abwasserqualität.
Die Anlage (1200 m³/Tag) nimmt eine Fläche von 1350,3 m² ein, mit einer Kapitalinvestition von 20 Millionen CNY und Betriebskosten von 1,05 CNY/m³.
Im Vergleich zur herkömmlichen AAO, die eine längere SRT für einen effektiven Betrieb bei niedrigen Temperaturen erfordert, behält dieser modifizierte Prozess die Einfachheit der gleichzeitigen Nährstoffentfernung bei und reichert gleichzeitig die biologische Gemeinschaft mit Trägern an. Die SRT-HRT-Trennung verbessert die Bio-stabilität und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb unter niedrigen C/N- und niedrigen{4}}Temperaturbedingungen. Ein stabiles Abwasser kann mit wenig oder gar keinem Schlammrecycling aufrechterhalten werden, was eine Reduzierung des Schlamms vor Ort und geringere Kosten für die Schlammbehandlung ermöglicht. Aufgrund seiner Einfachheit und seines geringen Volumenanteils eignet es sich hervorragend für die häusliche Abwasseraufbereitung in Kohlebergwerken.
3. Optimierungsforschung für den AAO-Prozess
Modifizierte AAO-Prozesse werden typischerweise gemäß den Parametern im „Standard for Design of Outdoor Wastewater Engineering“ (GB 50014-2021) entworfen. Allerdings ist eine Optimierung der Betriebsparameter (HRT, SRT, Belüftung, Recyclingverhältnisse, MLSS) speziell für Kohlebergwerksabwasser erforderlich, um optimale Bedingungen für zukünftige Gestaltung und Betrieb zu ermitteln.
Bei der konventionellen AAO wird Schlamm aus dem aeroben in den anaeroben Tank zurückgeführt und enthält Nitrat und einen hohen Sauerstoffgehalt, der die biologische Phosphorentfernung beeinträchtigen kann. Es kann der Prozess der University of Cape Town (UCT) in Betracht gezogen werden, bei dem Schlamm in den anoxischen Tank zurückgeführt wird, nitrifizierte Flüssigkeit in den anoxischen Tank und eine zusätzliche Rückführung vom anoxischen zum anaeroben Tank hinzugefügt wird, um die Bio-P-Entfernung zu verbessern.
Die Schlammbehandlung kann 50–60 % der Betriebskosten einer Anlage ausmachen. Es sollten In-{3}}Technologien zur Schlammreduzierung vor Ort eingesetzt werden. Der hohe MLSS in modifizierten AAO-Bio{5}}-Tanks führt zu einem hohen F/M-Verhältnis, bei dem es zu einer Entkopplung des Stoffwechsels kommen kann, was die Schlammreduzierung fördert und die Kosten für die Schlammbehandlung senkt. Zukünftiger Schwerpunkt sollte auf der Anwendung von In-situ-Reduktionstechnologien wie kryptischem Wachstum durch Mikro-Lyse, Oxic-Settling-Anaerob (OSA)-Prozess und der Entkopplung des Stoffwechsels bei der Abwasserbehandlung von Kohlebergwerken liegen.
Dieses Verfahren eignet sich zur Nachrüstung bestehender AAO-Anlagen in Kohlebergwerken. Das Hinzufügen von Trägerstoffen zu anoxischen/aeroben Tanks kann die Abwasserqualität verbessern, die Kapazität erhöhen und die Systemstabilität erhöhen. Bei Anlagen mit strengeren Abwasseranforderungen kann der Ersatz des Nachklärbeckens durch ein MBR-System die Wasserqualität weiter verbessern.
4. Fazit
- Der modifizierte AAO-Prozess eignet sich für die Aufrüstung bestehender AAO-Systeme in Kohlebergwerken, um die Stabilität zu verbessern, die Kapazität zu erhöhen oder strengere Standards zu erfüllen.
- Bei der Aufbereitung von häuslichem Abwasser aus Kohlebergwerken kann das Abwasser gleichzeitig die *GB/T 18920-2002*-Standards für Straßenbewässerung/Grünflächen und die GB 50359-2016-Standards für Kohlewaschwasser erfüllen, was eine starke Anpassungsfähigkeit an Änderungen in der Wasserqualität und -menge beweist.
- Das Verfahren erzeugt stabilen Schlamm mit guter Absetzbarkeit und einfacher Trennung, erzeugt weniger Schlamm und senkt die Kosten für die Schlammbehandlung.