Fallstudie des MBBR+ACCA-Prozesses zur Modernisierung und Rekonstruktion einer städtischen Kläranlage
Vor dem Hintergrund der boomenden Wirtschaft Chinas hat sich das Tempo der Industrialisierung und Urbanisierung erheblich beschleunigt. Dieser Prozess geht unweigerlich mit einem Jahr für Jahr einhergehenden Anstieg der Einleitung von Industrie- und Haushaltsabwässern einher, was die Probleme der Wasserverschmutzung verschärft und den Aufbau einer nachhaltigen ökologischen Zivilisation in China beeinträchtigt. Mit der umfassenden Umsetzung des Aktionsplans zur Vermeidung und Kontrolle der Wasserverschmutzung wurden landesweit strengere Einleitungsanforderungen für städtische Kläranlagen eingeführt. In einigen Städten haben die örtlichen Standards die Wasserqualität quasi der Klasse IV erreicht, und bei Abwässern, die in empfindliche Gewässer eingeleitet werden, nähern sich bestimmte einzelne Indikatoren allmählich dem Standard der Klasse III für Oberflächenwasser an. Allerdings handelt es sich bei den verbleibenden Schadstoffen im städtischen Abwasser nach der biologischen Behandlung hauptsächlich um nicht-biologisch abbaubare organische Verbindungen mit schlechter biologischer Abbaubarkeit. Sich ausschließlich auf herkömmliche biologische Verbesserungstechnologien zu verlassen, reicht nicht mehr aus, um die immer strengeren Emissionsnormen zu erfüllen.
Aktivkoks verfügt über ein hochentwickeltes mesoporöses System, das in der Lage ist, makromolekulare Schadstoffe im Wasser zu adsorbieren. Aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit, Stabilität, guten Adsorptionsleistung und relativ wirtschaftlichen Kosten wird es häufig bei der Behandlung von Industrieabwässern eingesetzt, die schwer biologisch abbaubar sind. In den letzten Jahren hat die Filtrationstechnologie mit Aktivkoks als Medium auch in der fortgeschrittenen Behandlung kommunaler Abwasseranlagen gewisse Anwendungen gefunden und dabei gute Ergebnisse bei der endgültigen Entfernung von Schadstoffen erzielt. Der Autor kombinierte ein technisches Beispiel aus einem Modernisierungsprojekt in einer Kläranlage in der Provinz Henan und übernahm das MBBR+ACCA-Verfahren (Activated Coke Circulated Adsorption), um die Behandlung städtischen Abwassers zu verbessern. Die COD-, NH₃-N- und TP-Indikatoren des Abwassers erfüllten den Wasserstandard GB 3838-2002 der Klasse III und stellten eine Referenz für Modernisierungsprojekte in anderen Kläranlagen dar.
1. Grundsituation der Kläranlage
Die gesamte Auslegungskapazität dieser Abwasseraufbereitungsanlage beträgt 50.000 m³/Tag, bestehend aus einer Entwurfskapazität der Phase I von 18.000 m³/Tag und einer Entwurfskapazität der Phase II von 32.000 m³/Tag. Es behandelt hauptsächlich städtisches häusliches Abwasser und eine kleine Menge Industrieabwasser. Im Jahr 2012 wurde eine Modernisierung abgeschlossen, wobei das Abwasser dem Grad 1A-Standard des Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants GB 18918-2002 entspricht. Der Hauptprozess ist eine mehrstufige AO + Denitrifikationsfilter + Sedimentationstank mit hoher Dichte. Der Prozessablauf ist in dargestelltAbbildung 1.
Derzeit ist die Kläranlage nahezu voll ausgelastet. Basierend auf aktuellen Betriebsdaten kann die Abwasserqualität bei guter Anlagenwartung stabil auf dem GB 18918-2002 Grade 1A-Standard gehalten werden. Die Abwasserkonzentrationen für CSB, BSB₅, NH₃-N, TN und TP liegen im Bereich von 21,77–42,34 mg/L, 1,82–4,15 mg/L, 0,13–1,67 mg/L, 8,86–15,74 mg/L bzw. 0,19–0,42 mg/L.
Vor der Modernisierung war die Anlage mit folgenden Problemen konfrontiert: 1) Alterung und beschädigte Siebe im Vorbehandlungsbereich führten dazu, dass einige schwimmende Rückstände in die biologischen Tanks gelangten, was leicht zu Pumpenverstopfungen führte und die nachfolgende Behandlung beeinträchtigte. 2) Instabile TN-Entfernung bei niedrigen Wintertemperaturen und erheblichen Schwankungen der Wasserqualität und -menge; 3) Unzureichendes Tankvolumen in den biologischen Tanks der Phase I und unangemessene Aufteilung der anoxischen Zone, was zu einer schlechten TN-Entfernungseffizienz und einer hohen Chemikaliendosierung für die anschließende Zugabe von Kohlenstoffquellen führt; 4) Das ursprüngliche Belüftungssystem verwendete veraltete traditionelle Zentrifugalgebläse mit hohem Energieverbrauch; 5) Starke Verstopfung des Filtermediums in den Denitrifikationsfiltern, unvollständige Rückspülung und Schwierigkeiten beim stabilen Betrieb; 6) Häufige Ausfälle der Misch- und Rührausrüstung in den Sedimentationstanks mit hoher Dichte; 7) Häufige Ausfälle der beiden vorhandenen Bandfilterpressen zur Schlammentwässerung, hoher Feuchtigkeitsgehalt des entwässerten Schlamms, großes Schlammvolumen und hohe Schlammentsorgungskosten; 8) Mangel an Einrichtungen zur Geruchskontrolle für die Vorbehandlungs- und Schlammbehandlungssysteme; 9) Veraltetes zentrales Steuerungssystem mit begrenzter Datenspeicherkapazität und Verlust der meisten Fernbedienungsfunktionen.
2. Entwerfen Sie die Wasserqualität
Unter Berücksichtigung jahrelanger betrieblicher Wasserqualitätsdaten der Anlage, mit einem Konfidenzniveau von 90 % und unter Einbeziehung einer gewissen Marge wurde die Qualität des geplanten Zuflusses bestimmt. Basierend auf den Umweltqualitätsanforderungen des aufnehmenden Gewässers müssen die verbesserten Abwasser-COD, BSB₅, NH₃-N und TP dem Wasserstandard GB 3838-2002 Klasse III entsprechen, während TN und SS dem ursprünglichen Standard entsprechen. Die Design-Zufluss- und Abwasserqualitäten sind in dargestelltTabelle 1.
3. Verbesserung des Konzepts und des Prozessablaufs
3.1 Modernisierungskonzept
Je nach geplanter Abwasserqualität stellt dieses Upgrade höhere Anforderungen an CSB, BSB₅, NH₃-N und TP. Unter Berücksichtigung des aktuellen Prozesses der Anlage, der Wasserqualitätseigenschaften und der bestehenden Probleme liegt der Schwerpunkt auf einer verbesserten Entfernung von CSB, NH₃-N und TP bei gleichzeitiger Gewährleistung einer stabilen TN-Entfernung. Darüber hinaus erfordert der begrenzte verfügbare Platz innerhalb der bestehenden Anlage die vollständige Ausschöpfung des Potenzials bestehender Strukturen durch Ausrüstungserneuerung, Prozessintensivierung und Renovierung mit dem Ziel einer wirksamen Entfernung von CSB, NH₃-N, TN und TP. Daher kann die Verwendung der ursprünglichen mehrstufigen AO-Tanks und die Zugabe suspendierter Träger zur Bildung eines hybriden Biofilm--Belebtschlamm-MBBR-Prozesses die Behandlungsstabilität und Stoßbelastungsbeständigkeit wirksam verbessern. Das lange Schlammalter des Biofilms auf Trägern eignet sich für das Wachstum von Nitrifikanten und die Aufrechterhaltung hoher Nitrifikantenkonzentrationen, wodurch die Nitrifikationskapazität des Systems erheblich gesteigert wird. Der dichte Biofilm im Inneren der Träger weist ein langes Schlammalter auf und beherbergt erhebliche Populationen nitrifizierender und denitrifizierender Bakterien, was eine gleichzeitige Nitrifikation-Denitrifikation (SND) ermöglicht und so die TN-Entfernung stärkt. Daher ist das MBBR-Verfahren -gut für die Modernisierung dieser Anlage geeignet.
Basierend auf ähnlichen Upgrade-Projekterfahrungen sind zur Gewährleistung einer stabilen Einhaltung von CSB und TP weiterhin zusätzliche Schutzbehandlungsanlagen zusätzlich zum bestehenden Prozess in Verbindung mit MBBR erforderlich. Als poröses Material weist Aktivkoks im Vergleich zu Aktivkohle eine höhere Adsorptionsleistung auf und entfernt effektiv CSB, SS, TP, Farbstoffe usw. Darüber hinaus kann biologisch aktivierter Koks anhaftende Mikroorganismen nutzen, um organische Stoffe abzubauen, was die Regeneration von Adsorptionsstellen bei gleichzeitiger Adsorption von Schadstoffen ermöglicht. Dieser dynamische Gleichgewichtsmechanismus ermöglicht einen dauerhaften und stabilen Systembetrieb. Das ACCA-Verfahren (Activated Coke Circulated Adsorption) verwendet Aktivkoks als Medium und integriert dabei Filtration und Adsorption. Es nutzt Druckluft, um das Filtermedium anzuheben und zu reinigen. Durch die Zoneneinteilung in umgekehrter Strömungsrichtung und die gleichmäßige Strömungsgestaltung wird ein vollständiger Kontakt zwischen Aktivkoks und Abwasser gewährleistet, wodurch eine ultimative Verbesserung der Wasserqualität erreicht und eine stabile Abwasserkonformität gewährleistet wird.
Die veralteten und fehlerhaften Geräte der Anlage werden durch technologisch fortschrittliche, energieeffiziente-Geräte ersetzt, um die Betriebskosten zu senken. Insbesondere werden die Vorbehandlungssiebe durch intern gespeiste Feinsiebe ersetzt, um Haare und Fasern abzufangen und so ein Verstopfen der MBBR-Trägerrückhaltesiebe zu verhindern.
3.2 Prozessablauf
Der aktualisierte Prozessablauf ist in dargestelltAbbildung 2. Um den Förderhöhenbedarf zu decken, wurde eine neue Hebepumpstation hinzugefügt. Ein neu konstruierter Filter vom Typ V- dient als Vorbehandlungseinheit für die anschließende Aktivkoksadsorption und gewährleistet die Stabilität des ACCA-Systems. Rohwasser strömt durch Siebe und Sandkammern, um Schwimmstoffe, Haare und Partikel zu entfernen, bevor es zur verbesserten Stickstoffentfernung in die Hybrid-MBBR-Biotanks gelangt. Die gemischte Flüssigkeit gelangt dann zur Feststofftrennung in Nachklärbecken. Der Überstand wird über die neue Pumpstation in Denitrifikationsfilter und Sedimentationstanks mit hoher Dichte gefördert. Das Abwasser wird dann von der neuen Pumpstation in den V--Filter und zwei-stufige Aktivkoks-Adsorptionstanks zur weiteren Behandlung gefördert, wobei CSB, TP, SS, Farbstoff usw. weiter entfernt werden. Das endgültige Abwasser wird vor der Ableitung desinfiziert.
4. Designparameter wichtiger Behandlungseinheiten
4.1 Biologische Tanks
Die bestehenden biologischen Tanks der Phase I sind in zwei Gruppen mit relativ kleinem Tankvolumen, aber solider Struktur unterteilt. Daher wurden für diese Modernisierung die Tankwände um 0,5 m angehoben, um den Förderhöhenanforderungen gerecht zu werden. Nach der Renovierung beträgt das gesamte effektive Volumen 10.800 m³, mit einer Gesamt-HRT von 14,4 Stunden und einer HRT in der anoxischen Zone von 6,4 Stunden, wodurch die anoxische Verweilzeit erhöht wird, um die TN-Entfernung zu verbessern. Die bestehenden biologischen Tanks der Phase II haben ein effektives Volumen von 19.600 m³, eine Gesamt-HRT von 14,7 Stunden und eine HRT in der anoxischen Zone von 6,8 Stunden. Dieses Projekt umfasste den Austausch der Belüftungssysteme und einiger veralteter Tauchrührwerke in den biologischen Tanks der Phasen I und II sowie den Einbau von suspendierten Trägern und Rückhaltesieben. Die Träger bestehen aus Polyurethan oder anderen Hochleistungsverbundwerkstoffen mit einer Kubikgröße von 24 mm, einer spezifischen Oberfläche von 4.000 m²/m³ und einem Füllgrad von 20 %. Der AOR-Wert des biologischen Aufbereitungssystems beträgt 853,92 kg O₂/h, bei einer Luftzufuhrrate von 310,36 Nm³/min.
4.2 Hebepumpstation und Abwassertank
Es wurde eine neue Hebepumpstation gebaut, um das Abwasser aus den Sedimentationstanks mit hoher Dichte zum V{1}-Filter zur weiteren Behandlung zu pumpen. Ein Abwassertank speichert das Rückspülabwasser aus den Filtern. Mithilfe kleiner Pumpen wird das Rückspülabwasser gleichmäßig in die Biotanks der Phase II gepumpt, um Stoßbelastungen zu vermeiden. Drei sekundäre Hebepumpen wurden installiert (2 Betriebsstunden + 1 Standby, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW) mit variabler Frequenzantriebssteuerung (VFD). Der Rückspül-Abwassertank ist mit 2 Transferpumpen (1 Betriebsbereitschaft + 1, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) und einem Tauchrührwerk (N=2.2 kW) ausgestattet, um Sedimentation zu verhindern.
4.3 V-Typfilter
Es wurde ein neuer Filter vom Typ V- mit Strukturabmessungen von 36,9 m (L) × 29,7 m (B) × 8,0 m (H) konstruiert. Es werden homogene Quarzsandfiltermedien verwendet. Der Filter ist in 6 Zellen unterteilt, die in zwei Reihen angeordnet sind. Das Auslassrohr jeder Zelle verfügt über ein elektrisches Regelventil zur Regelung des Betriebs mit konstantem Wasserstand. Der Rückspülvorgang kann über eine SPS geregelt werden. Die Auslegungsfiltrationsrate beträgt 7,0 m3/h, die Zwangsfiltrationsrate beträgt 8,4 m3/h und die Einzelzellenfiltrationsfläche beträgt 49,4 m². Die Intensität des Rückspülwassers beträgt 11 m³/(m²·h), die Intensität der Rückspülluft beträgt 55 m³/(m²·h) und die Intensität der Oberflächenreinigung beträgt 7 m³/(m²·h). Die Dauer der Rückspülung beträgt 10 Minuten. Der Rückspülzyklus dauert 24 Stunden (einstellbar) und wäscht jeweils eine Zelle. Die Quarzsand-Mediengröße beträgt 1-1,6 mm mit k₈₀ < 1,3. Es werden vor Ort gegossene monolithische Filterplatten verwendet.
4.4 Aktivkoks-Adsorptionstanks
Es wurde ein neuer Aktivkoks-Adsorptionstank mit Strukturabmessungen von 49,5 m (L) × 30,15 m (B) × 11,0 m (H) gebaut. Es verwendet eine zweistufige Filterkonfiguration mit insgesamt 36 Zellen, 18 Zellen pro Stufe. Die maximale Filterleistung beträgt 6,02 m³/(m²·h), im Durchschnitt 4,63 m³/(m²·h). Die Einzelzellenabmessungen der ersten -Stufe betragen L×B×H=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, mit einer Leerbettkontaktzeit (EBCT) von 1,4 Stunden. Die Einzelzellenabmessungen der zweiten-Stufe betragen L×B×H=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, mit einer EBCT von 1,08 h. Das System verwendet 2.000 Tonnen Aktivkoks mit einer Partikelgröße von 2–8 mm und ist mit mobilen Kokswaschern, Wasserverteilern, Ein-/Auslasswehren usw. ausgestattet.
4.5 Aktivkoks-Gebäude
Für die Lagerung von Aktivkoks und dessen Zuführung zu den Adsorptionsbehältern wurde ein neues Aktivkoksgebäude errichtet. Die Strukturabmessungen betragen 33,5 m (L) × 13,0 m (B) × 6,5 m (H). Zur Hauptzusatzausrüstung gehören: 1 Aktivkoksentwässerungs-Vibrationssieb, 3 Kokszuführpumpen (2 Betriebsbereitschaft + 1 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 Filtrataustragspumpen (1 Betriebsbereitschaft =120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 Luftkompressoren (1 Betriebs-+ 1 Standby, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) und ein Luftbehälter (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Platten--und-Rahmen-Entwässerungsraum
Neben dem bestehenden Schlammentwässerungsraum wurde ein neuer Platten-{0}}und-Rahmen-Entwässerungsraum gebaut. Aus Platzgründen wurde ein Satz Platten-{3}}und-Rahmenfilterpressen (Filterfläche 300 m²) konfiguriert, der als Ersatz für die Bandfilterpresse diente. Zu den Nebenanlagen gehört ein Konditionierungstank (Nutzvolumen 80 m³). Die Schlammmenge beträgt 6.150 kg TS/Tag, mit einem Feuchtigkeitsgehalt des eingedickten Futterschlamms von 97 % und einem Feuchtigkeitsgehalt des entwässerten Kuchens von 60 %. Zur Hauptzusatzausrüstung gehören: 2 Speisepumpen (1 Betriebsbereitschaft + 1, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 Druckwasserpumpen (1 Betriebsbereitschaft, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 Waschpumpe (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 Dosierpumpen (1 Betrieb + 1 Standby, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 Luftkompressor (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 Satz Luftbehälter (V=5 m³, P=1.0 MPa) und 1 Satz PAM-Aufbereitungseinheit (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Geruchskontrollsystem
Ein neues Biofiltrations-Geruchskontrollsystem mit einem Auslegungsluftdurchsatz von 12.000 m³/h wurde hinzugefügt. Rohre aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) werden zur Sammlung und Behandlung von Gerüchen aus den Vorbehandlungs- und Schlammbehandlungssystemen verwendet. Zur Abdichtung von Vorbehandlungsgeräten werden Edelstahlrahmen und PC-Endurance-Boards verwendet.
4.8 Weitere Aktualisierungen der Einrichtung
- Ersetzt durch 2 innenbeschickte Feinsiebe mit 5 mm Öffnung, mit Förderschnecken und Waschwassertank, V=10 m³ und 2 Waschwasserpumpen (1 Betriebsbereitschaft + 1, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Ersetzt durch 4 effizientere Luftfederungsgebläse, VFD-gesteuert (3 Betriebsstunden + 1 Standby, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Ersetzte die Filtermedien in den bestehenden Denitrifikationsfiltern durch 1.800 m³ Keramikmedien (Partikelgröße 3-5 mm).
- 2 Mischrührwerke in den Sedimentationstanks mit hoher Dichte (Geschwindigkeit 60–80 U/min, N=5.5 kW), 4 Flockungsrührwerke (Geschwindigkeit 10–20 U/min, N=2.2 kW) und die Röhrenabscheider (260 m²) wurden ersetzt.
- Ersetzte die Bandfilterpresse durch ein 2 m breites Band und passenden Luftkompressor, 1 Satz.
- Unter Verwendung des ursprünglichen zentralen Kontrollraums, aktualisierter Geräte und Instrumente sowie einer etablierten zentralen Steuerung wurde ein werksweites Datenkommunikationssystem eingerichtet, um die Datenkommunikation zwischen dem zentralen Kontrollraum und den Umspannwerken sowie die Automatisierung der Produktionsprozesssteuerung zu erreichen.
5. Betriebsleistung und technische -Wirtschaftsindikatoren
5.1 Betriebsleistung
Nach Abschluss dieses Modernisierungsprojekts sind alle Behandlungseinheiten stabil in Betrieb. Die Daten zur Überwachung der Qualität des Zu- und Abwassers für das Jahr 2023 sind in dargestelltTabelle 2.
Wie gezeigt, betrugen die durchschnittlichen Abwasserkonzentrationen für CSB, NH₃-N, TN, TP und SS 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 und 2,63 mg/L, mit durchschnittlichen Entfernungsraten von 95,16 %, 99,45 %, 77,31 %, 94,75 % bzw. 97,38 %. Der abfließende CSB, NH₃-N und TP erfüllten durchweg den Wasserstandard GB 3838-2002 Klasse III.
Das modernisierte Projekt ist seit fast zwei Jahren in Betrieb. Die Ergebnisse zeigen, dass der MBBR+ACCA-Prozess stabil und effizient ist und qualitativ hochwertiges Abwasser erzeugt, das eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen und niedrigen Temperaturen aufweist. Selbst bei einer winterlichen Mindestwassertemperatur von 9,4 Grad und erheblichen Schwankungen der Wasserqualität blieb die Abwasserqualität stabil und entsprach den Abflussnormen. Vor und nach der Aufrüstung erhöhte sich die Dosierung der Kohlenstoffquelle nicht, die TN-Entfernung wurde jedoch deutlich verbessert. Dies liegt einerseits daran, dass an den MBBR-Trägern befestigte nitrifizierende Mikroorganismen in einer stabilen aeroben Umgebung wachsen und sich ansammeln, was zu einer vollständigeren Nitrifikation führt. Andererseits wurde Nitrat in den modernisierten MBBR-Tanks und anoxischen Tanks weiter entfernt. Das abschließende ACCA-System fungiert als Schutz, indem es widerspenstige CSB, TP, SS usw. weiter adsorbiert und entfernt und so die Abwasserqualität stabiler macht. Darüber hinaus kann die Anlage nach der Projektumsetzung hochwertiges aufbereitetes Wasser produzieren und damit den Grundstein für die zukünftige Wasserwiederverwendung legen.
5.2 Technische -Wirtschaftsindikatoren
Die Gesamtinvestition für dieses Projekt betrug 86.937.600 RMB, bestehend aus Bau- und Installationskosten von 74.438.500 RMB, sonstigen Ausgaben von 7.593.500 RMB, Eventualkosten von 4.101.600 RMB und einem anfänglichen Betriebskapital von 804.000 RMB. Nach einem stabilen Systembetrieb betragen die zusätzlichen Stromkosten für die gesamte Anlage 0,11 RMB/m³, die Kosten für Aktivkoks betragen 0,39 RMB/m³, was zu einer Gesamterhöhung der Betriebskosten von ca. 0,50 RMB/m³ führt.
6. Fazit
- Dieses Projekt umfasste die Erneuerung der Ausrüstung, die Prozessintensivierung und die Renovierung der bestehenden Abwasseraufbereitungsanlage und fügte eine fortschrittliche Behandlung hinzu, wodurch die Entfernungseffizienz für CSB, NH₃-N, TN und TP verbessert wurde.
- Nach der Modernisierung mit dem Hauptverfahren „MBBR+ACCA“ verbesserten sich die CSB-, NH₃-N- und TP-Werte des Abwassers stabil von Klasse 1A auf den Oberflächenwasserklasse-III-Standard, und die TN-Entfernung wurde deutlich verbessert.
- Die Praxis zeigt, dass dieser Prozess stabil und effizient arbeitet, resistent gegen Belastungsstöße ist, qualitativ hochwertiges Abwasser erzeugt und Betriebskosten von ca. 0,50 RMB/m³ verursacht. Es kann als Referenz für Modernisierungsprojekte und Wasserwiederverwendungsinitiativen in anderen Kläranlagen dienen.