Ця найбільша в світі система MABR змінить ваше розуміння процесу аерації!
В даний час на більшості традиційних очисних споруд енергоспоживання процесу аерації становить понад 50% від загального споживання енергії установкою, залишаючи великий потенціал для економії енергії. Будучи технологією біологічної мембранної очистки стічних вод, яка використовує вибіркову передачу кисню через мембрани для постачання кисню та слугування носієм біоплівки, технологія MABR може ефективно зменшити споживання енергії для очищення стічних вод, збільшити навантаження на установку та покращити видалення поживних речовин азоту та фосфору. Він має значні технічні переваги в обробці стічних вод з високим вмістом кисню, стічних вод з леткими органічними сполуками та стічних вод з високим вмістом аміаку та азоту.
Hespeler Wastewater Plant: найбільша у світі мембранна система MABR
Розташована в Кембриджі, Онтаріо, Канада, станція очищення стічних вод Hespeler є однією з тринадцяти станцій, які обслуговують населення регіону Ватерлоо, яке налічує понад 600{1}} осіб.
Побудована в 1973 році станція була модернізована в 1988 і 1992 роках, але цих модернізацій було недостатньо для задоволення зростаючого попиту населення та зростаючих вимог до ефективності очищення стічних вод. Тому регіональний уряд Ватерлоо вирішив капітально відремонтувати процес вторинної очистки на заводі Hespeler.
Очисні споруди Hespeler
У 2017 та 2018 роках регіональний уряд дослідив проектний план, довгострокову продуктивність та економічну доцільність встановлення технології MABR, зрештою вирішивши модернізувати свою аеробну систему з активним мулом до комбінованої технологічної системи MABR/AO (безкисневий-кисневий). Коли проект запрацював у 2021 році, він став найбільшою у світі системою MABR з точки зору площі поверхні мембрани.
Рішення обрати технологію MABR для заводу Hespeler виявилося дуже вигідним.
1. З точки зору енергозбереження:
Що стосується оригінального аеробного методу активованого мулу в Hespeler, ця секція споживала 60% загальної енергії, оскільки кисень був потрібний для аерації мікропухирцями. В результаті модернізації біохімічне енергоспоживання заводу зменшилося на 40%.
У типових очисних спорудах звичайний метод аерації використовує повітродувку або механічну аерацію, при якій повітря або чистий кисень механічно вводять у стічні води. Хоча ці методи є ефективними та простими в управлінні, вони мають багато недоліків: велика кількість бульбашок аерації призводить до високого споживання енергії, експлуатаційних витрат і низької ефективності передачі кисню.
На відміну від технології MABR, вміст кисню у волоконній мембрані визначається різницею між внутрішнім і зовнішнім вмістом кисню після початку аерації. Матеріал мембрани розчиняє та дифундує кисень як єдину молекулу, щоб він міг дифундувати через мембрану. У порівнянні зі звичайними методами аерації MABR має ряд переваг:
Однак кисень може бути доставлений безпосередньо до біоплівки, що може значно зменшити опір передачі кисню через рідку фазу та охоплює використання кисню понад 100%. За традиційних методів ефективність передачі кисню досягає лише 1,5 кг/(кВт·год), тоді як вона може досягати 6 кг/(кВт·год).
◎ Це стабільне середовище для росту та розмноження мікробів. Інтенсивність аерації MABR є помірною, майже не завдаючи шкоди мікроорганізмам, прикріпленим до волокон мембрани, що стабілізувало ріст мікробів.
◎ Ця аерація не містить бульбашок, що запобігає потраплянню летких компонентів у повітря, зазвичай через бульбашки, щоб уникнути вторинного забруднення. Крім того, він пригнічує утворення піни від мікробного метаболізму.
◎ Завдяки легкому регулюванню подачі кисню можна уникнути викидів газу в результаті мінімальної потреби в кисні для реакції.
2. З точки зору розширення потужностей:
Початкова переробна потужність заводу Hespeler становила 6600 м3/день. Після модернізації потужність очищення зросла до 9320 м3/добу, що на 40% більше.
Обладнання MABR компактне, займає мало місця і може бути встановлено безпосередньо в наявних резервуарах. Кисень вибірково пропускається через мембрану для аерації без бульбашок із високою ефективністю передачі кисню. Наданий кисень повністю використовується біоплівкою, що призводить до високого використання кисню та значного збільшення біомаси системи, досягаючи розширення потужності заводу без фізичного розширення.
Модернізація MABR може збільшити навантаження на існуючі очисні споруди на 20%-40% або навіть вище.
Напрямок перенесення кисню в MABR протитечій напрямку перенесення азоту аміаку та органічної речовини. Нітрифікуючі бактерії формують домінуючий ріст біля поверхні мембрани та захищені зовнішньою біоплівкою, яка не тільки збільшує швидкість нітрифікації, але й забезпечує стабільність нітрифікації. Ця перевага особливо помітна при ударних навантаженнях або в холодні зимові місяці.
Перед модернізацією азот аміаку в зимових стічних водах (з мінімальною температурою води 10 градусів) перевищував стандарт скиду 5 мг/л; після модернізації стічні води відповідали стандарту (ліміт скиду взимку < 5 мг/л, літній ліміт < 2 мг/л).
Крім того, встановлення реакторів MABR в анаеробних або безкисневих резервуарах дозволяє здійснювати одночасну нітрифікацію та денітрифікацію. За однакових умов загального вмісту азоту в стічних водах порівняно з іншими процесами видалення азоту, такими як A2O, це зменшує внутрішні коефіцієнти рециркуляції, покращуючи ефективність денітрифікації, заощаджуючи джерела вуглецю та енергію.
Три ключові фактори, що впливають на мембранний аерований біоплівковий реактор (MABR)
1. Тиск аерації
Оскільки робочий тиск у MABR має залишатися нижче точки кипіння мембрани, ми отримуємо аерацію без бульбашок.
◎ При надто низькому тиску у внутрішній біоплівці буде недостатньо розчиненого кисню, і таким чином діяльність аеробних нітрифікуючих і гетеротрофних бактерій постраждає.
◎ При дуже високому тиску вся біоплівка буде аеробною, заохочуючи анаеробні денітрифікуючі бактерії та інші анаероби не рости та негативно впливати на процес денітрифікації.
Фактично, ефект очищення повинен бути досягнутий на практиці за відповідної інтенсивності якості води відповідно до конкретної якості води.
2. Швидкість течії води
На стадії прикріплення мікробів надмірна швидкість потоку буде перешкоджати росту та адгезії мікробів, тому швидкість потоку на цьому етапі не надто висока.
Після формування біоплівки збільшення швидкості потоку води зменшує товщину прикордонного шару рідини. Оскільки товщина біоплівки стабілізується під час стабільної роботи, збільшення швидкості потоку зменшує товщину прикордонного шару рідкої фази та сприяє оновленню біоплівки, що надмірно зменшує товщину біоплівки, збільшуючи ефективність перенесення кисню та забруднюючих речовин.
Згідно з дослідженнями, швидкість потоку стоків є одним із факторів, що впливають на ріст мікробів і товщину біоплівки.
◎ Тонший прикордонний шар пояснюється вищою швидкістю потоку та відповідною стабільною товщиною біоплівки.
◎ Збільшення швидкості розкладання забруднюючих речовин вимагає зменшення швидкості потоку, товстої стабільної біоплівки та більш товстої стабільної біоплівки при меншій швидкості потоку.
3. Співвідношення вуглецю, азоту та фосфору в стічних водах
Відповідне співвідношення C:N:P сприяє росту мікроорганізмів у біоплівці MABR, полегшуючи одночасну нітрифікацію та денітрифікацію в реакторі.
◎ У випадках низького співвідношення C:N концентрація органічного вуглецю недостатня для задоволення потреби джерела вуглецю для денітрифікації, що впливає на загальну ефективність видалення азоту.
◎ Коли співвідношення C:N занадто високе, аеробні гетеротрофні бактерії будуть розмножуватися та споживати велику кількість кисню, знижуючи концентрацію розчиненого кисню та перешкоджаючи нітрифікації.
Чотири загальні сценарії застосування мембранного аерованого біоплівкового реактора (MABR)
- Очищення стічних вод з високим вмістом аміаку і азоту
- Комплексні пристрої для очищення побутових стоків
- Біологічне відновлення міських річкових вод
- Модернізація очисних споруд для підвищення продуктивності
Фактично, останніми роками MABR все частіше використовується на очисних спорудах у всьому світі.
Наприклад, на заводі з очищення стічних вод YBSD в штаті Іллінойс, США, 10 оригінальних аеробних біореакторів було модернізовано до 2 анаеробних резервуарів, 2 безкисневих резервуарів MABR і 6 аеробних резервуарів із встановленням 12 модулів MABR у безкисневих резервуарах. Це перетворило попередній аеробний процес на процес видалення азоту та фосфору, досягнувши мети збільшення потужності очищення з одночасним покращенням біологічного видалення азоту та фосфору.
Період акліматизації біоплівки системи MABR становив лише 3 тижні, і після того, як система очищення стічних вод була повністю запущена в експлуатацію, навантаження БПК5, що надходить, зросла до 0,60 кг/(м3·день), що на 47% більше, ніж до рівні оновлення.
Кінцеві стоки заводу відповідали всім проектним очікуванням, з БПК стічних вод5<10 mg/L, total suspended solids (TSS) < 10 mg/L, NH3-N < 1.5 mg/L, and TP < 1.0 mg/L. The average oxygen transfer rate (OTR) and oxygen transfer efficiency (OTE) were 10.8 g/(m2·day) and 33.3%, respectively.
Аналіз мікробної популяції біоплівки показав, що бактерії, що окиснюють аміак (AOB) і бактерії, що окиснюють нітрити (NOB), становлять 40% мікробної популяції, що більш ніж у чотири рази вище, ніж у звичайних процесах з активним мулом.
Крім того, порівняно з процесом CAS для заводу такого ж масштабу (з інвестиційною вартістю 25 мільйонів доларів США та часом будівництва 2,5 роки), процес MABR мав інвестиційну вартість лише 5 мільйонів доларів США та час будівництва 1 рік, істотно скорочує витрати і терміни будівництва.