Komplexní analýza běžně používaných procesů v městských čistírnách odpadních vod

Hlavním cílem čištění městských odpadních vod je odstranit z odpadních vod znečišťující látky, jako je CHSK, BSK₅, TN a TP, aby byly splněny standardy vypouštění (hlavní dodržování standardu třídy A „Standardu vypouštění znečišťujících látek pro čistírny městských odpadních vod“ GB 18918-2002). Současné hlavní procesy se soustředí na biologické čištění v kombinaci s předúpravou a jednotkami pokročilého čištění, které tvoří kompletní proces „předúpravy - jádrové úpravy - pokročilé úpravy – likvidace kalu“. Následuje podrobný úvod do šesti nejrozšířenějších procesů, zahrnuje jejich principy, klíčové parametry, výhody a nevýhody a použitelné scénáře, přičemž bere v úvahu také technické detaily a technickou proveditelnost.

1. Princip procesu

Pomocí aktivovaného kalu jako jádra mikroorganismy za aerobních podmínek adsorbují a rozkládají organické znečišťující látky v odpadních vodách, čímž dosahují čištění odpadních vod pomocí separace kalové-vody. Jádrový proces: Barové síto → Drťová komora → Primární usazovací nádrž → Provzdušňovací nádrž → Sekundární usazovací nádrž → Dezinfekce a vypouštění; zbytkový kal se zahustí, odvodní a poté zlikviduje.

2. Klíčové parametry návrhu
* Hydraulická retenční doba (HRT): 8-12h, s HRT větší nebo rovnou 6h v provzdušňovací nádrži;
* Doba retence kalu (SRT): 3-5d (platí pouze pro odstraňování organické hmoty, bez funkcí odstraňování dusíku a fosforu);
* Organické zatížení (F/M): 0,2-0,4 kg BOD5/(kgMLSS.d);
* Koncentrace DO v provzdušňovací nádrži: 2-3 mg/l při použití nuceného provzdušňování nebo mechanického provzdušňování.

3. Výhody a nevýhody
* Výhody: Vyspělá technologie, stabilní provoz, vysoká účinnost při zpracování organické hmoty (míra odstraňování BSK₅ 85 %-90 %) a relativně nízké investiční náklady;
* Nevýhody: Žádné funkce odstraňování dusíku a fosforu, takže je obtížné splnit současné standardy třídy A; velká produkce kalu, náchylná k vláknitému hromadění; velký půdorys a relativně vysoká spotřeba energie.

4. Použitelné scénáře
* Vhodné pro brzy{0}}vybudované čistírny odpadních vod s nízkými standardy vypouštění nebo jako jednotka pro předčištění průmyslových odpadních vod; v současné době se zřídka používá samostatně v nových projektech, ale většinou jako základní modul pro zlepšování procesů.

1. Princip procesu
A²O (Anaerobní-Anaerobní-Aerobní) proces dosahuje současného odstraňování dusíku a fosforu prostřednictvím synergického působení tří zón: fosfor-bakterie akumulující fosfor uvolňují fosfor v anaerobní zóně, denitrifikační bakterie odstraňují dusík v anoxické zóně a nitrififikační{2}bakterie nitrifikující bakterie3} fosfor v aerobní zóně. Upravená verze (s přidáním pre-anoxické nádrže) řeší problém konkurence zdroje uhlíku mezi denitrifikací a odstraňováním fosforu a zvyšuje účinek odstraňování dusíku a fosforu. Základní proces: Předúprava → Anaerobní nádrž → Před-anoxická nádrž → Anoxická nádrž → Aerobní nádrž → Sekundární sedimentační nádrž → Pokročilá úprava → Vypouštění.

2. Klíčové parametry návrhu

Celková HRT: 10-12h, poměr anaerobní:anoxický:aerobní HRT=1:3:5;
Doba retence kalu (SRT): 10-12 dní při okolní teplotě, 15 dní při nízké teplotě (k vyrovnání požadavků na nitrifikace a odstranění fosforu);
Poměr recirkulace: Poměr recirkulace směsného louhu 200%-300% (nastavitelná variabilní frekvence), poměr recirkulace kalu 50%-80%;
DO Control: Anaerobní zóna Méně než nebo rovna 0,2 mg/L, anoxická zóna Méně než nebo rovna 0,5 mg/L, aerobní zóna 2-3 mg/L.

3. Výhody a nevýhody

Výhody: Vynikající účinnost odstraňování dusíku a fosforu (rychlost odstraňování TN 70%-80%, rychlost odstraňování TP 80%-90%), konzistentně splňující standardy třídy A; vyspělá technologie, mírné provozní náklady, vhodné pro komunální odpadní vody s velkými výkyvy kvality vody;
Nevýhody: Mezi odstraňováním dusíku a fosforu existují nekonzistence parametrů (SRT, požadavky na recirkulační poměr jsou v rozporu); odpadní voda s nízkým -zdrojem uhlíku vyžaduje přidání externího zdroje uhlíku; trochu větší stopa.

4. Použitelné scénáře

V současnosti preferovaný proces pro novou výstavbu, rozšiřování a modernizaci městských čistíren odpadních vod, zvláště vhodný pro projekty komunálních odpadních vod vyžadující současnou kontrolu emisí dusíku a fosforu. Lze jej přizpůsobit i komplexní odpadní vodě obsahující malá množství průmyslových odpadních vod (je nutná úprava koeficientu biologické rozložitelnosti).

1. Princip procesu

Tento proces kombinuje technologii membránové separace s biologickým čištěním, přičemž sekundární sedimentační nádrž nahrazuje membránovými moduly, aby se dosáhlo účinné separace-kalové vody. Průtok jádra: Předúprava → Biologická nádrž (lze použít konfigurace A²O, SBR atd.) → Membránová nádrž → Dezinfekce a vypouštění. Membránové moduly mohou zadržovat mikroorganismy, udržovat vysokou koncentraci MLSS v biologické nádrži a zlepšují nitrifikaci a odstraňování organické hmoty.

2. Klíčové parametry návrhu

Koncentrace MLSS: 6000-8000 mg/L (výrazně vyšší než u tradičních procesů);
Doba retence kalu (SRT): 20-30 dní (vylepšená nitrifikace, vhodná pro nízkoteplotní odpadní vody s nízkým C/N);
Membránový tok: 10-20 l/(m²·h), vyžadující pravidelné fyzikální/chemické čištění;
Spotřeba energie: 0,6-1,0 kWh/m³ (včetně spotřeby energie provzdušňováním a membránovým sáním).

3. Výhody a nevýhody

Výhody: Vynikající kvalita odpadních vod (TN menší nebo rovno 8 mg/l, TP menší nebo rovno 0,3 mg/l), splňující požadavky pro přechod na kvalitu vody blízké -třídě IV; stopa je pouze 1/3-1/2 stopy tradičních procesů; žádné riziko ztráty kalu, vysoká provozní stabilita;
Nevýhody: Vysoké náklady na membránový modul (představující 30 % - 40 % celkové investice); složitá údržba (náchylný k zanášení), vysoké provozní náklady; vyšší spotřeba energie než tradiční biologické procesy.

4. Použitelné scénáře

Vhodné pro městské jádrové oblasti s omezenými půdními zdroji, projekty modernizace s přísnými standardy odpadních vod nebo speciální scénáře kvality vody, jako je nízká teplota a nízký poměr C/N; použitelné také pro decentralizované čištění odpadních vod (např. obytné komunity, průmyslové parky).

1. Princip procesu

Pomocí příkopového reaktoru ve tvaru prstence{0}} cirkuluje odpadní voda v příkopu prostřednictvím rotujících kartáčů nebo kotoučů pro provzdušňování, čímž se střídají aerobní a anoxické zóny, aby se dosáhlo degradace organické hmoty a denitrifikace. Mezi běžné konfigurace patří oxidační příkopy Carrousel, oxidační příkopy Orbal a integrované oxidační příkopy (včetně sekundárních sedimentačních nádrží).

2. Klíčové parametry návrhu

Celková HRT: 15-25h (dlouhá hydraulická retenční doba, silná odolnost vůči rázovému zatížení);
Doba retence kalu (SRT): 10-20d (vhodné pro požadavky na odstranění dusíku);
Organické zatížení (F/M): 0,05-0,15 kg BOD5/(kgMLSS-d);
Rozpuštěný kyslík: Postupná distribuce v příkopu (2-3 mg/l v aerobní zóně, 0,5-1 mg/l v anoxické zóně).

3. Výhody a nevýhody

Výhody: Extrémně silná odolnost proti rázovému zatížení, vhodná pro odpadní vody s velkými výkyvy kvality a množství vody; jednoduchá obsluha a správa, nízké náklady na údržbu; dobrý účinek odstraňování dusíku (rychlost odstraňování TN 70 %-75 %);
Nevýhody: Slabý účinek odstraňování fosforu (vyžaduje pomocné chemické odstraňování fosforu); velký půdorys, vysoká spotřeba energie; nedostatečná provozní flexibilita.

4. Použitelné scénáře
Vhodné pro čistírny odpadních vod v malých a středních{0}}městech (objem 50 000–500 000 m³/d), komplexní odpadní vody s velkými výkyvy kvality vody (včetně malého množství průmyslových odpadních vod) nebo projekty s omezenými možnostmi provozu a řízení.

1. Princip procesu

S využitím přerušovaného reaktoru je v jedné nádrži dokončeno pět stupňů: přítok, provzdušňování (aerobní), sedimentace, vypouštění odpadních vod a období nečinnosti. Degradace organické hmoty, odstranění dusíku a fosforu je dosaženo časovým přidělením. Upravené verze (procesy CAST, CASS) přidávají zónu výběru a před{2}}reakční zónu pro zvýšení účinnosti usazování kalu a účinnosti odstraňování fosforu.

2. Klíčové parametry návrhu:
Jeden provozní cyklus: 4-6 hodin (včetně 2-3 hodin provzdušňování a 1-1,5 hodiny sedimentace);
Doba retence kalu (SRT): 10-15 dní;
MLSS koncentrace: 3000-5000 mg/l;
Odtokový poměr: 1/3-1/2 (každý odvod by neměl přesáhnout 1/2 objemu nádrže).

3. Výhody a nevýhody

Výhody: Malá půdorysná plocha (není potřeba samostatné sekundární sedimentační nádrže); flexibilní provoz s nastavitelnými parametry cyklu podle kvality vody; vhodné pro malé až střední objemy vody, umožňující současné odstraňování dusíku a fosforu.
Nevýhody: Vysoké požadavky na automatizované řízení (vyžaduje přesné řízení časování každého stupně); nedostatečná stabilita kvality odtoku, snadno ovlivnitelná provozními parametry; rychlé opotřebení zařízení (časté spouštění{0}}zastavování ventilů a čerpadel).

4. Použitelné scénáře
Vhodné pro malé a střední{0}}městské čistírny odpadních vod (objem vody menší nebo roven 100 000 m³/d), projekty decentralizovaného čištění odpadních vod (jako jsou obce a průmyslové parky) nebo scénáře s výraznými výkyvy kvality vody vyžadující flexibilní úpravu provozních režimů.

1. Princip procesu
Integruje všechny kroky biologického čištění (degradace CHSK, odstranění dusíku, odstranění fosforu, stabilizace kalu) do jediné biologické nádrže. Díky zónovému designu a vysoce účinnému provzdušňovacímu systému je dosaženo současného odstraňování dusíku a fosforu a snižování kalu. Hlavní předností je provzdušňovací systém BioDopp (velko-plošné provzdušňování jemnou pěnou), který má vysokou účinnost přenosu kyslíku a snadno se udržuje.

2. Klíčové parametry návrhu
Spotřeba energie: 0,075 kWh/m³ (výrazně nižší než u tradičních procesů, což prokazuje podstatné výhody-úspor energie);
Koncentrace MLSS: 8 g/l (vysoká koncentrace kalu, zvyšující účinnost čištění);
Účinnost přenosu kyslíku: 5 kgO₂/kWh, spotřeba kyslíku 0,2-0,3 mg/l;
Celková HRT: 8-12 h, vhodné pro běžné potřeby čištění komunálních odpadních vod.

3. Výhody a nevýhody
Výhody: Vynikající efekt úspory energie- (spotřeba energie je pouze 1/5-1/8 tradičních procesů); vysoká integrace, malé rozměry; nízká produkce kalů, což eliminuje potřebu složité likvidace kalů; snadná údržba aeračního systému (lze vyčistit online, bez prostojů); Nevýhody: Vysoký technický práh, základní vybavení závisí na dovozu; vhodné pro specifické kvality vody, adaptabilita na vysoce slané a odolné odpadní vody vyžaduje další ověření.

4. Použitelné scénáře
Vhodné pro nově budované komunální čistírny odpadních vod (s cílem úspory energie a snižování spotřeby) a projekty čištění odpadních vod průmyslových parků. V mé zemi byl úspěšně aplikován v Německu, České republice a provinciích Šanghaj a Che-pej.

Výběr procesů pro městské čistírny odpadních vod vyžaduje komplexní zvážení pěti klíčových faktorů: charakteristiky kvality vody, standardy vypouštění, objem vody, půdní zdroje a provozní náklady. Základní logika je následující:

• Normy kvality vody a vypouštění: Pro současné odstraňování dusíku a fosforu pro splnění standardů třídy A jsou preferovány modifikované procesy A²O a MBR; pro zlepšení kvality vody blížící se třídě IV jsou preferovány procesy MBR; pro kvalitu vody s velkými výkyvy jsou preferovány oxidační příkop a modifikované procesy SBR.
• Water Volume: Large wastewater treatment plants (>500 000 m³/d) upřednostnit modifikované procesy A²O a oxidační příkop; malé a střední-čističky odpadních vod (10 000–500 000 m³/d) si mohou vybrat procesy A²O, modifikovaný SBR nebo BioDopp; decentralizované projekty (<10,000 m³/d) prioritize SBR and MBR processes.
• Pozemky a náklady: V městských oblastech, kde je půda vzácná, jsou preferovány procesy MBR, SBR a BioDopp; pro omezené rozpočty jsou preferovány modifikované A²O a oxidační příkopové procesy; pro dlouhodobé{0}}úspory energie lze zvážit procesy BioDopp.
• Provoz a řízení: Pro závody s omezenými provozními a řídícími schopnostmi jsou preferovány oxidační příkop a modifikované procesy A²O (jednoduché na provoz); pro ty s vyšší úrovní automatizace jsou vhodné modifikované procesy MBR a SBR.

Stručně řečeno, modifikovaný proces A²O se svými výhodami stabilního odstraňování dusíku a fosforu, nízkou cenou a širokou přizpůsobivostí zůstává hlavní volbou pro městské čistírny odpadních vod; proces MBR je vhodný pro modernizaci a požadavky na kompaktní uspořádání; a novější procesy jako BioDopp nabízejí nové směry pro úsporu energie a snižování emisí a jejich aplikační scénáře se budou v budoucnu postupně rozšiřovat.