Table of Contents

Преимущества комбинированных аэробных и анаэробных процессов при вторичном лечении

Вторичная обработка представляет собой биологическое ядро современного управления сточными водами, где микроорганизмы превращают растворенные и взвешенные органические вещества в безвредные побочные продукты или осеменяемые твердые вещества. В течение десятилетий объекты выбирали между аэробными или анаэробными системами, основанными на затратах на энергию, обработке осадков и качестве стоков. Сегодня растущая совокупность инженерной практики и исследований показывает, что сочетание обоих метаболических путей - аэробного и анаэробного - в одном и том же поезде обработки обеспечивает превосходную производительность, восстановление ресурсов и оперативную устойчивость. В этой статье рассматриваются технические основы, практические преимущества и реальные реализации интегрированной аэробно-анаэробной вторичной обработки, предлагая всеобъемлющий взгляд на специалистов по воде, стремящихся оптимизировать производительность установки при достижении более строгих целей устойчивости.

Основы аэробного и анаэробного метаболизма

Аэробное биологическое лечение

Аэробные процессы полагаются на кислород в качестве терминального акцептора электронов. Гетеротрофные бактерии окисляют органический углерод (измеренный как BOD5 и COD) до углекислого газа и воды, производя новую биомассу. Реакция быстрая: типичные аэробные системы достигают удаления 85-95% BOD при гидравлическом времени удержания (HRT) 4-8 часов в конфигурациях активированного шлама. Кислород подается через механическую аэрацию или диффузный воздух, потребляя 0,8-1,2 кВтч на килограмм удаленного COD. Высокая скорость метаболизма также позволяет нитрифицировать - окисление аммиака нитратировать - в том же бассейне, когда время удержания твердых веществ (SRT) превышает 8-10 дней при 20 ° C. Аэробный шлам громоздкий, но относительно легко оседать, хотя он генерирует 0,4-0,6 кг избыточной биомассы на килограмм удаленного COD, требуя дорогостоящей обработки и

Анаэробное биологическое лечение

Анаэробное пищеварение протекает без кислорода по четырехступенчатому пути: гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. Сложные органические полимеры сначала разбиваются на простые сахара, аминокислоты и жирные кислоты; затем ферментируются в летучие жирные кислоты; и, наконец, превращаются в метан и углекислый газ археями. Процесс медленнее — HRT 12—24 часов для высокопроизводительных реакторов и 20—40 дней для обычных дигестеров — но дает биогаз с содержанием метана 55—70%, который можно сжигать для тепла, электричества или модернизировать до возобновляемого природного газа. Анаэробные системы генерируют только 0,05—0,1 кг избыточного ила на килограмм удаленного КОД, снижение на 70—85% по сравнению с аэробной обработкой. Однако качество стоков редко бывает достаточным для прямого разряда: остаточный КОД, аммиак и сероводород часто остаются на уровнях, требующих дальнейшей полировки.

Синергетические преимущества комбинированных систем

Усиление удаления загрязняющих веществ в более широком спектре

Комбинирование аэробных и анаэробных стадий позволяет каждому процессу обрабатывать то, с чем он справляется лучше всего. Анаэробный гидролиз разрушает сложные, медленно биоразлагаемые соединения (например, липиды, белки, целлюлозу) на более простые субстраты, которые аэробные гетеротрофы могут быстро окисляться. Эта синергия улучшает общее удаление COD от 80-90% в автономных системах до 95-98% в интегрированных конструкциях. Аэробная нитрификация с последующей аноксической денитрификацией (достигается путем рециркуляции нитрата в анаэробную / аноксическую зону) обеспечивает полное удаление азота выше 80-90%, в то время как усиленное биологическое удаление фосфора (EBPR) может быть включено путем циклического удаления осадка через анаэробные и аэробные фазы. Комбинированные системы также разрушают следовые органические загрязнители (фармацевтические препараты, продукты личной гигиены) более эффективно, чем однопроцессные поезда, поскольку анаэробные консорциумы разрушают огнеупорные соединения и аэро

Восстановление энергии и сокращение углеродного следа

Анаэробная стадия превращает часть входящей органической нагрузки в богатый метаном биогаз, компенсируя энергетическую потребность в аэрации. На типичной муниципальной установке улавливание биогаза из первичного ила и бокового потока анаэробного дижестива, обрабатывающего отходы, активированный ил, может удовлетворить 50-80% потребностей в энергии объекта. Когда анаэробная обработка применяется к основному потоку (например, через анаэробное одеяло из шлама или биореактор анаэробной мембраны), восстановление энергии еще выше: чистая энергоположительная работа становится достижимой. На энергию аэрации приходится 50-70% от общего потребления электроэнергии на станции; за счет снижения органической нагрузки, поступающей в аэробные бассейны (часто на 40-70% после анаэробной предварительной обработки), комбинированные системы сокращают мощность аэрации пропорционально. Результирующее снижение спроса на электроэнергию в сети снижает эксплуатационные расходы и выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла, даже при учете беглого метана (который может быть сведен к минимуму при хорошем проектировании

Сокращение шлама и улучшение обработки

Анаэробное пищеварение стабилизирует биомассу и уменьшает массу твердых веществ на 40-60% по сравнению со стабилизацией только аэробными. Когда анаэробная предварительная обработка применяется вверх по течению, общий объем осадка для обезвоживания и удаления существенно падает, сокращая затраты на перевозку и сборы за опрокидывание свалок. Переваренный осадок более стабилен, с более низким потенциалом запаха и меньшим количеством патогенов, что делает его пригодным для применения на сельскохозяйственных землях (биосолиды класса B или класса A с расширенной обработкой). Комбинированные системы также производят осадок, который более легко обезвоживается - твердые вещества 25-30% типичны по сравнению с 18-22% для аэробных отходов осадок - дальнейшее снижение веса транспортировки.

Стабильность процессов при переменной загрузке

Установки очистки сточных вод сталкиваются с ежедневными и сезонными колебаниями потока и силы. Анаэробные системы относительно нечувствительны к органическим ударным нагрузкам, потому что медленно растущие метаногены буферизируют быстрые изменения: они могут поглощать переходные пики без немедленного вымывания или обрушения производительности. Аэробные стадии, в свою очередь, обеспечивают способность полировки для остаточных питательных веществ и захватывают любые твердые вещества, переносимые из анаэробного реактора. Эта двухуровневая защита делает комбинированные поезда более устойчивыми, чем автономные системы, которые могут страдать от нитевидной насыпки (аэробная) или накопления кислоты (анаэробная) во время расстройств. Автоматизированные схемы управления, такие как корректировка коэффициентов рециркуляции и заданных точек растворенного кислорода, дополнительно стабилизируют процесс.

Потенциал восстановления питательных веществ

Анаэробное пищеварение высвобождает фосфор и азот из биосолид в жидкую фазу. Включая реакторы кристаллизации струвитов (например, на анаэробном дижестивере отторгают поток) или технологии бокового потока анаммокса, объекты могут восстанавливать фосфор в качестве удобрения с медленным высвобождением и уменьшать нагрузку на азот, возвращаясь к биологическому процессу. Это не только улучшает общую эффективность удаления питательных веществ, но и создает поток дохода от восстановленных продуктов. Международная ассоциация воды (IWA) выделяет несколько полномасштабных примеров, когда комбинированные системы достигают восстановления фосфора 10-15% при одновременном снижении химического потребления для осадков фосфора.

Конфигурации реализации

Анаэробно-аноксический аэробный (A2O) процесс

Конфигурация A2O последовательно помещает анаэробные, аноксические и аэробные зоны с внутренней переработкой из аэробной в аноксическую зону для денитрификации. Эта конструкция широко используется для биологического удаления питательных веществ (BNR) и может быть адаптирована к гибридной операции путем засева анаэробной зоны с помощью фиксированных пленочных сред для повышения удержания биомассы. Полномасштабные установки A2O достигают сточных TN ниже 8 мг / л и TP ниже 1 мг / л с умеренным потреблением энергии.

Анаэробное лечение, сопровождаемое аэробной пользой

Высокоскоростные анаэробные реакторы (UASB, EGSB, анаэробный мембранный биореактор) обрабатывают основной поток сточных вод сначала, удаляя 60-80% КОД при производстве биогаза. Затем сток проходит через аэробную стадию (активированный шлам, фильтр для просачивания или мембранный биореактор) для окончательного удаления КОД, аммиака и патогена. Этот подход распространен в тропических и промышленных применениях, где сточные воды теплые (25-35 ° C) и сильные (COD > 1500 мг / л. Комбинация уменьшает общее производство осадка на ~50% и энергию аэрации на 60% по сравнению с обычным активированным осадком. Для технической справки см. эта статья журнала об аэробных системах UASB в исследованиях воды .

Интегрированный активированный ил (IFAS) и биофильм-реактор с движущейся кроватью (MBBR)

Системы IFAS и MBBR приостанавливают пластиковые носители в аэробном реакторе для поддержки прикрепленных биопленок роста, увеличивая концентрацию биомассы и SRT без увеличения объема резервуара. При сочетании с отдельной анаэробной зоной вверх по течению (или анаэробным дижестивером для обработки боковым потоком) они достигают высокопроизводительного удаления КОД и нитрификации в компактном следе. Несколько проектов модернизации превратили существующие аэробные установки в комбинированные конфигурации IFAS-анаэробные, удвоив емкость без новой конструкции.

Секвенирование аккумуляторных реакторов с анаэробными фазами

SBR, работающие на цикле заполнения-реакции-поселения-деканта, могут включать в себя анаэробную фазу смешивания перед аэрацией. Эта конструкция цикла способствует высвобождению и поглощению фосфора, и если анаэробная фаза продлевается (2-4 часа), позволяет происходить некоторый метаногенез внутри реактора. Полномасштабные SBR с анаэробными фазами показали 40-50% снижение выходного осадка и на 15-20% более низкую энергию аэрации по сравнению с обычными SBR.

Реальные мировые тематические исследования

Ejby Mølle Wastewater Treatment Plant, Дания

На этом объекте в 100 000 ПЭ используется реактор UASB для первичной обработки с последующим активированным процессом осадка для нитрификации-денитрификации и окончательного уточнения. Биогаз из UASB и из отдельного осадочного дижестива генерирует электричество и тепло, покрывая 90% потребности завода в энергии. Качество стока соответствует датским пределам сброса (8 мг N / L, 1,5 мг P / L, 8 мг BOD / L) последовательно. Общее производство осадка на 30% ниже, чем в среднем по стране для сопоставимых заводов.

Сенека очистная установка для сточных вод, США

В штате Нью-Йорк в 2015 году была модернизирована Сенека WWTP для преобразования существующей аэробной лагуны в анаэробно-аэробную систему очистки. Анаэробный дигестер обрабатывает первичный ил и утолщенный активированный ил отходов, в то время как основной поток проходит через аноксико-аэробную конфигурацию с носителями IFAS. Завод сообщает о 30% сокращении энергии аэрации, 40% сокращении затрат на перевозку ила и производстве 250 000 кВтч / год электроэнергии из биогаза.

Джамнагарский завод промышленных стоков, Индия

Обслуживая большой нефтехимический и нефтеперерабатывающий комплекс, этот объект обрабатывает высокопрочные промышленные сточные воды (COD > 5000 мг / л) с использованием двухступенчатого анаэробного UASB, за которым следует реактор с движущейся биопленкой (аэробный). UASB удаляет 75% КОД и производит биогаз, используемый для генерации пара. MBBR полирует стоки до уровня ниже 250 мг / л КОД, отвечающий индийским промышленным стандартам сброса. Объединенная система занимает на 40% меньше земли, чем вариант только для аэробики.

Проблемы и оперативные соображения

Интегрированные системы требуют тщательной разработки, чтобы избежать общих подводных камней. Анаэробные реакторы чувствительны к низким температурам; ниже 15°C, метаногенез значительно замедляется, снижая выход биогаза и эффективность обработки. Изоляция, рекуперация тепла от сжигания биогаза или впрыска пара может потребоваться в холодном климате. Сульфид водорода, образующийся на анаэробных стадиях, может вызывать запах и коррозию в аэробном оборудовании нисходящего потока; дозирование железа, химические скрубберы или биофильтры являются типичными контрмерами. Управление процессом является более сложным, чем автономные системы: операторы должны сбалансировать рециркуляции осадка, скорости отходов и растворенного кислорода в нескольких зонах для предотвращения выброса биомассы или чрезмерного окисления анаэробных условий. Капитальные затраты для добавления анаэробной стадии могут быть значительными, хотя периоды окупаемости 3-6 лет являются общими, когда учитывается экономия энергии и сокращение осадка. Модернизация существующих установок требует тщательного гидравлического анализа и часто

Будущие направления и новые технологии

Исследования продолжают расширять границы комбинированной обработки. Анаэробные мембранные биореакторы (AnMBR) устраняют необходимость в отдельном уточнении, производя твердые сточных вод, которые могут быть непосредственно обработаны в аэробном МБР для высококачественного повторного использования. Пилотные исследования показывают >98% удаление КОД и >90% удаление азота с потреблением энергии около 0,2 кВтч / м 3 - менее половины от потребления обычного активированного шлама. - менее половины от потребления энергии. Аэробные гранулированные илатные реакторы могут быть объединены с анаэробным удалением шлама в одном сосуде. Гранульный биомассы оседает быстро, позволяя очень высокие концентрации биомассы и короткий ЗГТ. С цифровой стороны, системы управления машинным обучением, которые предсказывают изменения влияний и регулируют аэрацию, переработку и химическое дозирование развертываются в комбинированных технологических поездах, повышая энергоэффективность еще на 10-15%. Эти достижения в сочетании

Заключение

Интеграция аэробных и анаэробных биологических процессов в рамках вторичной очистки сточных вод обеспечивает измеримые преимущества: более высокое удаление загрязняющих веществ, существенное восстановление энергии, снижение объемов осадка, большая стабильность процесса и новые возможности для восстановления ресурсов. Хотя существуют такие проблемы, как чувствительность к температуре и повышенная сложность управления, они поддаются управлению с помощью текущей инженерной практики. Тематическое исследование из Дании, США и Индии демонстрирует, что комбинированные системы являются технически зрелыми и экономически привлекательными в различных масштабах и сильных сторонах сточных вод. По мере того, как водный сектор движется к круговым и климатически нейтральным операциям, синергия между кислородозависимой и безкислородной биологией станет не просто вариантом, но основой устойчивого проектирования очистки. Специалисты по воде, оценивающие модернизацию установок или новые проекты, должны рассматривать комбинированные аэробно-анаэробные конфигурации как проверенный путь к превосходной производительности и долгосрочной ценности. Для дальнейшего чтения Федерация водной среды предлагает всеобъемлющие руководства по проектированию по биологическому удалению питательных веществ и восстановлению энергии.