Vergleich zwei-stufiger AO- und drei-stufiger AO-Prozesse: Eine Technik Perspektive
Derzeit nutzen die meisten Kläranlagen (WWTPs) in China Belebtschlammverfahren zur Abwasserbehandlung. Davon nutzen fast die Hälfte das Anoxic-Oxic (AO)-Verfahren. Das AO-Verfahren bietet Vorteile wie einen stabilen Betrieb und niedrige Kosten. Die Gesamteffizienz der Stickstoffentfernung (TN), die typischerweise zwischen 60 % und 80 % liegt, wird jedoch durch interne Recyclingverhältnisse eingeschränkt. Da die nationalen Anforderungen an die Stickstoffentfernung immer strenger werden, haben herkömmliche einstufige AO-Verfahren oft Schwierigkeiten, die Anforderungen für die TN-Behandlung zu erfüllen. So sind mehrstufige AO-Prozesse entstanden. Durch die Hintereinanderschaltung von zwei oder mehr AO-Stufen stellt das in der vorangegangenen aeroben Stufe erzeugte Nitrat das Substrat für die Denitrifikation in der nachfolgenden anoxischen Stufe dar. Dadurch wird das Ziel erreicht, die interne Recyclingquote zu reduzieren und gleichzeitig die gesamte TN-Entfernung zu verbessern. Allerdings können übermäßige Stufen auch die betriebliche Komplexität erhöhen. Folglich sind die in China derzeit am häufigsten verwendeten Konfigurationen die zwei-stufigen und drei-stufigen AO-Prozesse. In diesem Artikel wird eine vergleichende Analyse von zwei-- und drei-stufigen AO-Prozessen anhand einer Kläranlage in Südchina als Fallstudie vorgestellt, mit dem Ziel, eine Referenz für die Auswahl technischer Routen in ähnlichen Projekten zu liefern.
1 Projektübersicht
Eine Kläranlage in Südchina umfasst eine Gesamtfläche von 8 Hektar. Die ursprünglich geplante Kapazität betrug 90.000 m³/Tag, wobei die Abwasserqualität sowohl dem Grad A-Standard des „Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants“ (GB 18918-2002) als auch den „Water Pollutant Discharge Limits“ der Provinz Guangdong (DB 44/26-2001) (im Folgenden als „Quasi-Klasse V“ bezeichnet) entsprechen musste. Die Anlage war voll ausgelastet. Nach einschlägiger Planung war eine Erweiterung erforderlich. Die künftigen Abwassernormen mussten auf der Grundlage des aktuellen Stands einen langfristigen Bedarf an TN von weniger als oder gleich 10 mg/L berücksichtigen. Unter umfassender Berücksichtigung der tatsächlichen Standortverhältnisse wurde der Tiefbaumaßstab für diese Erweiterung auf 70.000 m³/Tag festgelegt. Die Anlage würde kurzfristig mit einer Leistung von 50.000 m³/Tag arbeiten und langfristig die Größenordnung von 70.000 m³/Tag erreichen, wodurch sich die Gesamtaufbereitungskapazität der Anlage auf 160.000 m³/Tag belaufen würde. Die geplante Qualität des Zu- und Ablaufwassers ist in dargestelltTabelle 1.
Aufgrund von Standortbeschränkungen wurde im vorläufigen Plan für die Erweiterung die Prozessroute „Mehr-stufiger AO + peripherer-in peripherer-aus rechteckiger Sedimentationstank + hocheffizienter Sedimentationstank + Faserplatte- und -Rahmenfilter angenommen. Die zivilen Strukturen aller größeren Einheiten wurden für die Kapazität von 70.000 m³/Tag gebaut, während die Ausrüstung für die Kapazität von 50.000 m³/Tag installiert wurde. Das biologische Becken würde in naher Zukunft einen mehrstufigen AO-Prozess einsetzen. Langfristig würde die Hinzufügung suspendierter Träger zu einem hybriden Biofilm--Belebtschlammverfahren führen, um den Bedarf an Kapazitätserweiterungen um 40 % zu decken. Bei diesem Entwurf wurden hydraulische Bedingungen für den Maßstab von 70.000 m³/Tag berücksichtigt, während die biologische Behandlung für den Maßstab von 50.000 m³/Tag ausgelegt wurde. Da dieses Projekt die Einführung eines mehrstufigen AO-Prozesses vorsah, wurde ein Vergleich zwischen zwei-stufigem und drei{27}}stufigem AO durchgeführt.
2 Vergleich zwei-stufiger und drei-stufiger AO-Prozesse
2.1 Prozessablauf
Das Kernprinzip des mehrstufigen AO-Prozesses besteht darin, das in der vorangegangenen aeroben Stufe erzeugte Nitrat zur Denitrifizierung in der nachfolgenden anoxischen Stufe zu nutzen und dadurch das interne Recyclingverhältnis zu reduzieren. Theoretisch führen mehr Stufen zu einer besseren TN-Entfernung, die Kontrolle wird jedoch komplexer. In der Ingenieurspraxis sind zwei-stufige und drei{4}stufige AO vorherrschend. Ihre Prozessabläufe sind in dargestelltAbbildung 1. Bei einem zwei-Stufen-AO wird die interne Wiederverwertung typischerweise innerhalb der ersten AO-Stufe entworfen. Bei einem dreistufigen AO wird im Allgemeinen kein internes Recycling eingesetzt. Zu den Kläranlagen in Peking, die das zweistufige AO-Verfahren nutzen, gehören Qinghe (400.000 m³/Tag), Xiaohongmen (500.000 m³/Tag), Gao'antun (400.000 m³/Tag), Dingfuzhuang (200.000 m³/Tag) und Huaifang (600.000 m³/Tag). Dieses Verfahren bietet Vorteile wie einfache Ausrüstung, niedrige Betriebs- und Wartungskosten, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen und hohe Kompatibilität mit anderen Verfahren, was zukünftige Upgrades zur Erfüllung höherer Abwasserstandards erleichtert. Theoretisch kann eine dreistufige AO in Reihe den Bedarf an internen Recyclinganlagen überflüssig machen, eine rationellere Zuweisung von Kohlenstoffquellen ermöglichen und die Investitions- und Betriebskosten senken. Dieses Verfahren wird vor allem in Szenarien mit ausreichenden Kohlenstoffquellen und hohen Anforderungen an die Stickstoffentfernung angewendet. Typische Fälle sind die Kläranlage Qujing in Yunnan (80.000 m³/Tag), die städtische Kläranlage des Bezirks Ninghe in Tianjin (90.000 m³/Tag), die Kläranlage Zhangguizhuang in Tianjin (200.000 m³/Tag) und die Daoxianghu-Rekultivierungsanlage in Peking (80.000 m³/Tag).
2.2 Prozessvergleich
In Anbetracht der Tatsache, dass an diesem Standort kein zusätzliches Land für zukünftige Modernisierungen verfügbar ist und dass einige neue lokale Projekte bereits einen Abwasser-TN-Standard von weniger als oder gleich 10 mg/L umsetzen, wurde beim Prozessvergleich ein biologischer Tank-Abwasser-TN-Standard von weniger als oder gleich 10 mg/L berücksichtigt, um der Möglichkeit weiterer strengerer Abwasseranforderungen in der Zukunft Rechnung zu tragen. Weitere Indikatoren betrafen die geplante Abwasserqualität. Basierend auf dem Layout betrug die maximale hydraulische Verweilzeit (HRT) für den biologischen Tank für den kurzfristigen Maßstab von 50.000 m³/Tag 18 Stunden. Durch die Kombination der tatsächlichen Bedingungen des Projekts, der Ergebnisse der BioWin-Simulation und der Bequemlichkeit der Kopplung mit suspendierten Trägern wurde ein Vergleich zwischen zwei-stufigen und drei-stufigen AO-Prozessen durchgeführt.
2.2.1 BioWin-Simulation
Eine anfängliche HRT von 18 Stunden wurde festgelegt und schrittweise reduziert. Die minimale HRT zur Erreichung der TN-Anforderung des Abwassers betrug 14 Stunden. Für die zwei-Stufen-AO waren die einflussreichen Verteilungspunkte die anaerobe Zone, die erste-Stufe anoxische Zone und die zweite-Stufe anoxische Zone. Für die drei -stufige AO waren die Einflusspunkte die anaerobe Zone, die anoxische Zone der zweiten -Stufe und die anoxische Zone der dritten -Stufe.
① Studie mit festem Zuflussverteilungsverhältnis
Bei der Einstellung des Zuflussverteilungsverhältnisses für beide auf 4:3:3 wurden in Simulationen drei Schemata verglichen: zwei-stufiges AO (Recyclingverhältnis 200 %), drei-stufiges AO mit einem Gesamtrecyclingverhältnis von 200 % (100 % Recycling innerhalb der ersten AO-Stufe + 100 % Recycling von der dritten oxischen Zone zur ersten anoxischen Zone) und drei-stufiges AO mit einem Recyclingverhältnis von 100 % (Recycling nur innerhalb der ersten AO-Stufe). Die Simulationsabläufe sind in dargestelltAbbildung 2.
Tabelle 2zeigt die Simulationsergebnisse für ein festes Zulaufverhältnis bei HRT=14 h.
Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass es sowohl für die zwei-stufige als auch für die drei-stufige AO empfohlen wird, in der ersten AO-Stufe eine interne Rückführung einzurichten, um die Denitrifikation in der ersten anoxischen Zone durch Nutzung der Kohlenstoffquelle im Rohzufluss zu maximieren. Für die drei-Stufen-AO verbesserte die Einrichtung eines internen Recyclings vom Ende der dritten Stufe bis zur ersten anoxischen Zone die TN- und TP-Entfernung leicht, die Effizienz der Entfernung organischer Stoffe nahm jedoch ab. Hierbei handelt es sich um eine Vermutung, die auf den durch die Rückführung erhöhten Gesamtdurchfluss im biologischen Tank zurückzuführen ist, der gelösten Sauerstoff in die anoxische Zone beförderte und sich auf die anoxische Umgebung auswirkte. Darüber hinaus verkürzte sich die tatsächliche HRT in jeder Zone und der Übergang zwischen den Betriebsbedingungen beschleunigte sich, was zu einer verringerten Effizienz führte. Für Zuflusseigenschaften wie die in diesem Projekt in Südchina, wo die TN-Konzentration nicht sehr hoch ist, kann die zwei-stufige AO den Abwasserbedarf vollständig decken, zeigt aber keinen eindeutigen Vorteil für die drei-stufige AO. Für Szenarien mit hohem CSB- und hohem TN-Einfluss könnte die dreistufige AO besser geeignet sein.
② Studie zur Anpassung der Einflussverteilungsverhältnisse
Sowohl die zwei-stufige als auch die drei{1}}stufige AO wurden mit einer internen Recyclingquote von 100 % in der ersten AO-Stufe festgelegt. Es wurden Studien zu Zuflussverteilungsverhältnissen an mehreren -Punkten durchgeführt (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Hier bedeutet 1:0:0, dass alle einflussreichen Personen ganz vorne eintreten; 3:7:0 für die dreistufige AO bedeutet, dass der Zufluss nur auf die anaerobe Zone und die zweite AO-Stufe verteilt wird. Simulationsergebnisse für angepasste Verteilungsverhältnisse sind in dargestelltTabelle 3.
Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass das Verteilungsverhältnis einen leichten Einfluss auf die Abwasserqualität hat. Der allgemeine Trend besteht darin, dass mit zunehmendem Anteil des auf spätere Stufen verteilten Zuflusses die TN-, NH₃-N- und TP-Konzentrationen im Abfluss zunehmen und auch der Belüftungsbedarf allmählich zunimmt. Bei einem Zuflussverhältnis von 3:7:0 zeigte die drei-stufige AO eine etwas bessere TN-Entfernung und ein etwas niedrigeres Luft-zu-Wasser-Verhältnis als die zwei-stufige AO. Im tatsächlichen Betrieb ist dieser Unterschied jedoch im Allgemeinen vernachlässigbar. Darüber hinaus erhöht die Erhöhung des Anteils des Zuflusses zu späteren Stufen zwar die Nutzung der Kohlenstoffquelle bei der Denitrifikation, erhöht jedoch zwangsläufig die Belastung biochemischer Reaktionen aufgrund des Eintrags von NH₃-N, organischer Substanz und TP. Daher wird empfohlen, die Mehrpunkt-Zuflusskonfiguration beizubehalten und schrittweise Anpassungen basierend auf der tatsächlichen Wasserqualität während des Betriebs vorzunehmen. Es ist erwähnenswert, dass, obwohl die drei-stufige AO eine bessere TN-Entfernung zeigte als die zwei-stufige AO bei einem Zuflussverhältnis von 2:4:4, mit zunehmendem Zufluss zu späteren Stufen das abfließende NH₃-N einen steigenden Trend zeigte, sodass NH₃-N an diesem Punkt nicht mehr den Abwasserstandard erfüllen konnte.
③ Behandlungsleistung von AO im zwei-Stadium und im drei{1}Stadium
Eine drei{0}}stufige AO-Konfiguration wurde mit HRT=14 h, gleichen Volumenverhältnissen für jede Stufe (1:1:1), 100 % internem Kreislauf in der ersten AO-Stufe und einem Zuflussverhältnis von 4:3:3 unter zwei Bedingungen simuliert: mit 100 % Kreislauf und mit geschlossenem Kreislauf. Eine zwei-stufige AO-Konfiguration wurde mit HRT=14 h, 100 % internem Recyclingsatz und einem Zulaufverhältnis von 4:3:3 simuliert. Die Ergebnisse zeigten, dass die zwei{17}}Stufen-AO die optimale Abwasser-TN bei 6,29 mg/L erreichte; das dreistufige AO mit 100 % internem Recycling an der Vorderseite erreichte mit 7,51 mg/L den nächstbesten Wert; die drei-stufige AO ohne interne Rückführung schnitt mit 8,52 mg/L schlechter ab. Alle drei Szenarien könnten die Anforderungen an die Abwasserüberprüfung erfüllen (TN kleiner oder gleich 10 mg/L).
Tabelle 4zeigt den Designparametervergleich zwischen zwei-stufigem und drei-stufigem AO. Es ist ersichtlich, dass für beide Verfahren die zur Erreichung des TN-Anforderungsbedarfs des Abwassers erforderliche HRT weniger als 18 Stunden beträgt. Die Hauptunterschiede zwischen den beiden Verfahren sind folgende:
A. Theoretisch, das drei-stufige AO hat eine höhere Obergrenze; Das heißt, bei ordnungsgemäßem Betrieb können sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten geringer sein. Der zwei-stufige AO verfügt über weniger Ausrüstungsgegenstände und Stufen, was zu geringeren Ausrüstungskosten und geringeren Schwierigkeiten bei der Betriebsführung führt.
B. Für dieses spezielle ProjektDa die Langfristigkeit berücksichtigt wurde und das Tankvolumen für eine 18-stündige HRT ausgelegt war, wären die zivilen Investitionen identisch, unabhängig davon, ob die zwei-stufige oder drei{4}stufige AO übernommen würde. Die Ausrüstungskosten für den drei-stufigen AO sind höher. Aus Investitionssicht ist daher die Einführung der zweistufigen AO wirtschaftlicher.
C. Bezüglich der Betriebskosten, könnte die drei-Stufen-AO etwa 0,002 CNY/m³ einsparen, indem die Energiekosten für die 100-prozentige Wiederverwertung der gemischten Flüssigkeit entfallen. In Anbetracht der potenziellen Verringerung der Kohlenstoffquellennutzungseffizienz im tatsächlichen Betrieb aufgrund der wechselnden anoxischen/oxischen Bedingungen in der drei-Stufen-AO wäre der tatsächliche Unterschied bei den Betriebskosten wahrscheinlich noch geringer.
2.2.2 Analyse des langfristigen Szenarios mit suspendierten Netzbetreibern
Aufgrund der besonderen Anforderungen dieses Projekts musste beim biologischen Tank die Machbarkeit und Zweckmäßigkeit des langfristigen Kapazitätserweiterungsplans berücksichtigt werden, d. h. die Auswirkungen des Hinzufügens suspendierter Träger.
Kern des MBBR-Verfahrens ist die Erhöhung der Biomasse im Reaktor durch Zugabe suspendierter Trägerstoffe. Diese können aeroben, anoxischen oder anaeroben Tanks zugesetzt werden. Wenn man jedoch die Fluidisierung von Trägerstoffen in Betracht zieht, würde die Zugabe zu anaeroben oder anoxischen Tanks den Bedarf an Mischleistung deutlich erhöhen. Daher wird vorzugsweise die Ergänzung zu Aerobic-Tanks empfohlen. Das Volumen für anaerobe/anoxische Zonen kann durch Abtrennung von der aeroben Zone ergänzt werden, während der Mangel an aerobem Volumen durch die hinzugefügten Träger ausgeglichen wird. Mit anderen Worten: Das unzureichende aerobe Volumen wird durch die vergrößerte Oberfläche der suspendierten Trägerstoffe ausgeglichen, die anhand der Schadstofffrachtumwandlung berechnet wird, um die erforderliche Trägerstoffmenge zu bestimmen, wobei ein bestimmtes Füllverhältnis gesteuert wird, um das zusätzliche Volumen zu erhalten.
Basierend auf Berechnungen würde die erforderliche MBBR-Trägeroberfläche 2.597.708 m² betragen, wenn man den zwei{0}}stufigen AO-Prozess übernehmen und alle suspendierten Träger langfristig zur aeroben Zone der ersten{1}}Stufe hinzufügen würde, was 12,99 Millionen CNY kosten würde. Andere damit verbundene feste Ausrüstungskosten (einschließlich MBBR-Fluidisierungssysteme, spezielle Mischer, Siebsysteme und intelligente Steuerungssysteme) würden 6,15 Millionen CNY betragen. Bei Anwendung des drei{9}stufigen AO-Prozesses müsste die MBBR-Zone aufgrund der stärker verteilten Zonen in zwei Abschnitte unterteilt werden (erste-Stufe und zweite-Stufe aerobe Zonen). Folglich würden die Kosten für die Installation der entsprechenden MBBR-Festausrüstung (ohne die Betreiber selbst) leicht auf 7,77 Millionen CNY steigen, während die Betreiberkosten gleich bleiben. Dies bedeutet, dass die Einführung des dreistufigen AO die zukünftigen Nachrüstungsinvestitionen um 1,62 Millionen CNY erhöhen und auch die Komplexität der Nachrüstung erhöhen würde. Darüber hinaus ist das Screening-System der Bereich, der nach der Hinzufügung eines Trägers am anfälligsten für Probleme ist. Die drei-Stufen-AO fügt einen zusätzlichen Abschnitt mit Bildschirmen hinzu, was die Bedienschwierigkeiten erhöht.
Aus dem obigen Vergleich geht hervor, dass aufgrund der übermäßigen Partitionierung im drei-stufigen AO, wobei jede Partition ein ähnliches Volumen hat, die Nachrüstschwierigkeit höher ist als die des zwei-stufigen AO. Konstruktion, betriebliche Komplexität und die Hinzufügung von Siebgeräten führen auch zu höheren Investitionen als bei der zweistufigen AO. Daher ist die Einführung des zwei-stufigen AO für die zukünftige Kopplung mit ausgesetzten Netzbetreibern förderlicher.
2.3 Vergleichsergebnis
Basierend auf der obigen Analyse können sowohl zwei{0}}stufige als auch drei-stufige AO-Prozesse das Ziel einer Abwasser-TN von weniger als oder gleich 10 mg/L erreichen. Unter den Randbedingungen dieses Projekts -begrenzter Platz, die Notwendigkeit, das Tankvolumen kurzfristig zu maximieren, und der langfristige -Plan zur Hinzufügung von hängenden Trägern- bietet der zwei-stufige AO Vorteile in Bezug auf kurzfristige Investitionen und Bequemlichkeit bei der Verwaltung/Wartung der Ausrüstung. Es bietet außerdem eine höhere Kompatibilität für zukünftige Nachrüstungen mit Hängeträgern, was zu geringeren Gesamtinvestitionen und geringeren Nachrüstungs- und Betriebsschwierigkeiten führt. Daher wurde nach umfassender Überlegung der zweistufige AO-Prozess für diesen Entwurf empfohlen.
3 Betriebsleistung
Die geschätzten Gesamtinvestitionen für dieses Projekt belaufen sich auf 304,5721 Millionen CNY, die Baukosten belaufen sich auf 243,6019 Millionen CNY, was einer Baueinheitskosten von 3.480,03 CNY/m³ entspricht. Die Behandlungskosten betragen 1,95 CNY/m³ und die Betriebskosten 1,20 CNY/m³.
Für dieses Projekt hat das biologische Becken eine Gesamt-HRT von 18 Stunden (bestehend aus: anaerobe Zone 2 Stunden, erste-Stufe anoxische Zone 3,5 Stunden, erste-Stufe aerobe Zone 7,5 Stunden, Entgasungszone 0,5 Stunden, zweite-Stufe anoxische Zone 2,5 Stunden, zweite-Stufe aerobe Zone 2 Stunden) mit einer effektiven Wassertiefe von 8,6 m. Es ist ein einstellbarer abschnittsweiser Wassereinlass implementiert, der bei Bedarf eine Anpassung des Zuflussverteilungsverhältnisses in Schritten von 20 % ermöglicht. Im tatsächlichen Betrieb liegt die Konzentration der gemischten suspendierten Feststoffe (MLSS) im biologischen Tank zwischen 3.500 und 4.000 mg/l, das Schlammrückführungsverhältnis liegt zwischen 40 % und 100 % und das interne Recyclingverhältnis der gemischten Flüssigkeit liegt zwischen 100 % und 200 %. Die tatsächliche Zu- und Abwasserqualität wird in angezeigtTabelle 5, was grundsätzlich mit den Simulationsergebnissen übereinstimmt.
4 Fazit
Am Beispiel einer Kläranlage in Südchina wurde mit Hilfe der BioWin-Simulation ein technischer und wirtschaftlicher Vergleich zwischen zwei-stufigen und drei{1}stufigen AO-Prozessen durchgeführt. Die zweistufige AO mit weniger Ausrüstungsgegenständen und Stufen, geringeren Ausrüstungskosten und geringeren Betriebsmanagementschwierigkeiten eignet sich besser für Bedingungen in Südchina, wo die einflussreiche TN nicht sehr hoch ist. Bei der dreistufigen AO wirkte sich die Einrichtung eines internen Recyclings vom Ende der dritten Stufe bis zur ersten anoxischen Zone negativ auf die Effizienz der TN-Entfernung aus, erhöhte die Schwierigkeiten bei der Betriebsführung und erhöhte die Investitionskosten. Das Design erfüllt gleichzeitig die kurzfristigen Behandlungsanforderungen von 50.000 m³/Tag und TN kleiner oder gleich 10 mg/L, während der langfristige Maßstab von 70.000 m³/Tag durch die Kopplung mit schwebenden Trägern erreicht werden kann. Die tatsächlichen Betriebsergebnisse stimmen weitgehend mit den BioWin-Simulationsergebnissen überein, mit einer durchschnittlichen Abwasser-TN von 6,86 mg/L, was den Designanforderungen entspricht.