Aggiornamento della progettazione e della pratica dell'impianto di purificazione della qualità dell'acqua di Xin'an Qianhe basato sul processo AAOAO-MBBR e sull'ossidazione dell'ozono
Qingdao, in quanto città centrale costiera nazionale, ha ottenuto risultati significativi nella governance ecologica. Tuttavia, rispetto alle metropoli internazionali di alto livello-, il suo sistema di gestione dell'ambiente idrico urbano deve ancora affrontare sfide strutturali.
Attualmente esistono divari tra il tasso di copertura della rete di tubazioni di drenaggio, l'efficienza operativa degli impianti di trattamento delle acque reflue e le aspettative del pubblico per un ambiente idrico di alta-qualità. C'è anche una certa distanza dalla realizzazione della visione ecologica di costruire una "Bella Qingdao".
Per affrontare queste sfide, Qingdao deve urgentemente attuare misure sistematiche come la pianificazione scientifica, l’allocazione ottimizzata delle risorse e il rafforzamento degli investimenti nelle infrastrutture. Questi sforzi mirano a migliorare complessivamente l’efficienza della rete di raccolta delle acque reflue e la capacità di trattamento dei terminali, consolidando così le basi ecologiche per lo sviluppo sostenibile della città.
Il progetto dell'impianto di purificazione della qualità dell'acqua di Xin'an Qianhe è situato nella nuova area della costa occidentale di Qingdao. Ha una capacità di trattamento progettata di 50.000 m³/giorno, un'area totale del sito di 33.154 m² e un investimento totale di 182,4 milioni di yuan. Lo studio di fattibilità del progetto è stato completato nel marzo 2021, il progetto preliminare e il budget sono stati approvati nel giugno dello stesso anno e la costruzione è iniziata ufficialmente nell'aprile 2023. Attualmente è in fase di costruzione. Il progetto originale richiedeva che i parametri chiave degli effluenti soddisfacessero gli standard di Classe V specificati in GB 3838-2002 "Standard di qualità ambientale per le acque superficiali", mentre l'azoto totale (TN) e altri indicatori dovevano soddisfare gli standard di Grado A di GB 18918-2002 "Standard di scarico di sostanze inquinanti per impianti di trattamento delle acque reflue municipali".
Nel marzo 2022, l'amministrazione per gli affari idrici di Qingdao ha emesso un "Avviso sull'esecuzione di lavori di ammodernamento e ristrutturazione per gli impianti di trattamento delle acque reflue urbane a Qingdao". Questo avviso richiedeva che gli impianti di trattamento intorno alla baia di Jiaozhou, alla baia di Bohai e lungo i fiumi completassero gli aggiornamenti, innalzando lo standard di scarico a una qualità delle acque superficiali quasi-di classe IV, con un TN dell'effluente controllato tra 10 e 12 mg/l. Il rilascio di tale policy è avvenuto nell'intervallo tra l'approvazione del progetto preliminare del progetto (giugno 2021) e il suo avvio fisico (aprile 2023), creando un divario tecnico tra gli standard progettuali originali già approvati e i più recenti requisiti ambientali. In quanto nuovo impianto di trattamento delle acque reflue nella nuova area della costa occidentale, per garantire la conformità una volta completato, è diventato imperativo eseguire contemporaneamente l'ottimizzazione del processo durante la fase di costruzione e sviluppare un piano di ammodernamento economicamente fattibile attraverso studi di fattibilità.
1. Progettazione e selezione dello schema di processo
1.1 Qualità degli effluenti progettati
Gli standard degli effluenti del progetto sono stati migliorati dalla quasi-Classe V alla quasi-Classe IV per la qualità delle acque superficiali. Erano necessarie soluzioni tecniche ragionevoli per ridurre ulteriormente i valori di indicatori come BOD, CODCr,TN, NH₃-N e TP nell'effluente. L'analisi specifica è mostrata inTabella 1.
1.2 Selezione dello schema tecnico di ingegneria
È mostrato il flusso di processo dell'impianto in costruzioneFigura 1.
L'impianto in costruzione adotta il processo "Pretrattamento + Serbatoio biochimico AAOAO modificato + Serbatoio di sedimentazione secondaria + Serbatoio di sedimentazione ad alta-efficienza + Filtro di tipo V-+ Ossidazione con ozono". La disposizione delle strutture è compatta, non lasciando alcun terreno in eccesso per il progetto di riqualificazione, che quindi dovrà basarsi sul cantiere in corso. L'aggiornamento mira principalmente alla rimozione di sostanze inquinanti come il CODCr, NH₃-N, TN e TP. Sono stati proposti due schemi comparativi, come dettagliato inTabella 2.
Schema 1: processo AAOAO-MBBR + serbatoio di sedimentazione ad alta-efficienza
- Modificazione del sistema biochimico: Ottimizzare la struttura del serbatoio biochimico AAOAO in costruzione. Migliora la capacità di denitrificazione espandendo il volume della zona anossica. Contemporaneamente, aggiungere trasportatori MBBR localmente nella zona aerobica per formare un processo composito, rafforzando l'efficienza di rimozione biochimica di NH₃-N e TN.
- Aggiornamento del sistema fisico-chimico: ottimizza la struttura del serbatoio e i parametri delle apparecchiature di supporto del serbatoio di sedimentazione ad alta-efficienza per garantire una conformità TP stabile.
- Miglioramento del trattamento avanzato: Aumentare il dosaggio nell'unità di ossidazione dell'ozono per degradare ulteriormente la materia organica refrattaria, garantendo il CODCrconformità allo scarico.
Schema 2: serbatoio di sedimentazione ad alta-efficienza + processo di filtraggio a letto profondo denitrificante
- Ottimizzazione della modalità operativa: Mantenere la struttura originale del serbatoio biochimico AAOAO. Aggiungi dispositivi di aerazione regolabili nella zona post-anossica per passare dinamicamente tra le modalità anossica/aerobica in base alla qualità dell'affluente, garantendo l'efficacia del trattamento con NH₃-N.
- Aggiornamento del sistema fisico-chimico: ottimizza la struttura del serbatoio e i parametri delle apparecchiature di supporto del serbatoio di sedimentazione ad alta-efficienza per garantire una conformità TP stabile.
- Adozione del filtro denitrificante: Converte il filtro di tipo V- in un filtro denitrificante a letto profondo, utilizzando il dosaggio della fonte di carbonio per migliorare la capacità di rimozione del TN.
- Miglioramento del trattamento avanzato: Aumentare il dosaggio nell'unità di ossidazione dell'ozono per degradare ulteriormente la materia organica refrattaria, garantendo il CODCrconformità allo scarico.
Entrambi gli schemi possono soddisfare i requisiti per la rimozione di azoto e fosforo. Lo schema 1 utilizza modifiche al serbatoio biochimico per ottenere la rimozione del TN. Il suo vantaggio risiede nello sfruttamento completo della fonte di carbonio influente. Quando il TN influente fluttua, è possibile aggiungere anche una fonte esterna di carbonio nella zona anossica per la rimozione del TN. In confronto, il filtro denitrificante a letto profondo utilizzato nello Schema 2 richiede l'uso di una fonte esterna di carbonio e richiede il mantenimento a lungo-termine dell'attività microbica nel filtro, aumentando i costi operativi. Sebbene i costi di investimento di costruzione per entrambi gli schemi siano comparabili, sulla base di considerazioni multidimensionali tra cui il controllo dei costi operativi, la stabilità del processo e l'efficienza nell'utilizzo delle fonti di carbonio, lo Schema 1-che offre sia efficienza economica che flessibilità operativa, è stato infine selezionato come processo di implementazione per il progetto di ammodernamento.
2. Punti chiave della progettazione ingegneristica
2.1 Modifica del sistema biochimico
La tecnologia principale del processo MBBR risiede nel raggiungimento di un efficiente movimento fluidizzato dei trasportatori sospesi attraverso la progettazione, migliorando così in modo significativo l'efficienza di biodegradazione del sistema per gli inquinanti. Questo sistema di processo è costituito da cinque elementi chiave: supporti di biofilm ad alta resistenza-meccanica-, una struttura adattata del serbatoio idraulico, un sistema di aerazione direzionale, un dispositivo di schermatura di intercettazione preciso e apparecchiature di propulsione fluida. Sulla base dei volumi dei serbatoi adeguati e dei parametri di progettazione di un progetto di noleggio operativo di apparecchiature per il trattamento delle acque reflue (MBBR) da 20.000 m³/giorno all'interno del sistema fognario regionale, la superficie effettiva totale richiesta calcolata dei trasportatori sospesi è di circa 2.164.000 m². La superficie specifica effettiva progettata dei supporti MBBR è superiore a 750 m²/m³. La tabella di calcolo del progetto per il volume del serbatoio AAOAO-MBBR modificato è mostrata inTabella 3.
2.2 Aggiornamento del sistema fisico-chimico
Il serbatoio di sedimentazione ad alta-efficienza è progettato per funzionare in due gruppi paralleli. Il rinnovamento di questa unità adotta la forma di un pacchetto di processi, in cui il fornitore dell'apparecchiatura fornisce garanzie tecniche sull'intero processo-e impegni in termini di prestazioni. I parametri principali del processo e le configurazioni delle apparecchiature sono i seguenti.
Il serbatoio di coagulazione è composto da due gruppi con un totale di 4 scomparti. La dimensione progettata del singolo compartimento è 2.675 m × 2.725 m × 5,9 m. Il tempo di detenzione di picco è di circa 3,8 minuti, con un gradiente di velocità (G) maggiore o uguale a 250 s-¹. Ogni agitatore è configurato con una singola-unità di potenza da 4 kW.
Il serbatoio di flocculazione è composto da due gruppi con un totale di 2 scomparti. La dimensione progettata del singolo compartimento è 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. Il tempo di detenzione di punta è di circa 8,3 minuti. Il diametro interno del tubo di pescaggio è di 2.575 mm. È configurato con agitatori a turbina da Φ2.500 mm-, ciascuno con una potenza di 7,5 kW.
La vasca di sedimentazione è composta da due gruppi. La superficie del tubo inclinato per un singolo gruppo è di circa 84 m². Il diametro della vasca di sedimentazione è di 11,7 m. Il carico idraulico medio progettato sulla superficie inclinata del tubo è di 12,4 m³/(m²·h), con un valore di picco di 16,1 m³/(m²·h). Il tasso di carico idraulico medio progettato per la zona di sedimentazione è di 7,6 m³/(m²·h), con un valore di picco di 9,9 m³/(m²·h).
Il sistema di dosaggio chimico è configurato come segue: Il liquido commerciale di cloruro di polialluminio (PAC) (10% Al₂O₃) è progettato come coagulante, dosato in più punti nella sezione di afflusso del serbatoio di coagulazione. Il dosaggio massimo previsto è 300 mg/L, con un dosaggio medio di 150–200 mg/L. Vengono utilizzate pompe dosatrici a membrana meccanica, configurate con un sistema di diluizione in linea 10- volte. La poliacrilammide anionica (PAM) è progettata come flocculante, dosata nella sezione di flocculazione del serbatoio di sedimentazione ad alta efficienza. Viene utilizzato un set di unità continue completamente automatiche per la preparazione e il dosaggio della soluzione PAM, con una concentrazione della soluzione di 2 g/L. Il dosaggio massimo previsto è 0,6 mg/L, con un dosaggio medio di 0,3 mg/L. Le pompe dosatrici sono pompe dosatrici del tipo a vite, dotate anche di un sistema di diluizione in linea 10 volte.
2.3 Verifica dell'esperimento pilota-su scala dell'ossidazione dell'ozono
Per verificare la fattibilità che gli effluenti dell'impianto aggiornato soddisfino stabilmente gli standard delle acque superficiali di Classe IV (concentrazione di COD inferiore o uguale a 30 mg/l), questo studio ha selezionato l'effluente secondario della prima e della seconda fase dell'impianto di purificazione della qualità dell'acqua di Lianwanhe come soggetto di ricerca nel giugno 2024. È stato condotto un esperimento di verifica delle prestazioni per il processo di trattamento avanzato "Filtrazione di sabbia + ossidazione dell'ozono". L'esperimento mirava a valutare l'applicabilità di questo processo alla progettazione di Xin'an e la realizzabilità dell'obiettivo.
Questo esperimento ha utilizzato l'unità di filtraggio a sabbia esistente su piccola-scala (capacità di trattamento 1,5 m³/h) all'interno dello stabilimento di Lianwanhe. Sul-sito è stato installato un dispositivo di reazione di ossidazione dell'ozono su scala pilota-(reattore a torre, volume effettivo 0,5 m³). L'effluente esistente del serbatoio di sedimentazione secondaria è stato filtrato dal piccolo filtro a sabbia, quindi sollevato da una pompa per entrare nella torre di ossidazione dell'ozono dall'alto. L'effetto ossidante dell'ozono è stato utilizzato per rimuovere la materia organica refrattaria dall'affluente, ottenendo un'ulteriore riduzione del COD.
2.3.1 Esecuzione della "Filtrazione con sabbia + Ossidazione con ozono" con un dosaggio di ozono di 20 mg/l e una terapia ormonale sostitutiva di 30 minuti
Durante questa fase di ricerca, la concentrazione di COD influente variava da 38,2 a 43,4 mg/L, con una media di 40,4 mg/L. Dopo il trattamento mediante il processo "Filtrazione con sabbia + Ossidazione con ozono", il COD dell'effluente finale era in media di 28,8 mg/L. L'esperimento ha rilevato che quando la concentrazione di COD era elevata, c'erano ancora casi in cui il COD dell'effluente non soddisfaceva lo standard. Inoltre, il colore dell'effluente finale del test pilota è rimasto superiore a quello dell'affluente, non soddisfacendo lo standard di scarico. I dettagli sono mostrati inFigura 2(a).
2.3.2 Prestazioni della "Filtrazione con sabbia + Ossidazione con ozono" con un dosaggio di ozono di 25 mg/l e una terapia ormonale sostitutiva di 30 minuti
Per migliorare ulteriormente la rimozione del COD e ridurre il colore dell'effluente, questa fase ha continuato ad aumentare il dosaggio di ozono mantenendo la HRT a 30 minuti. In questa fase sperimentale, la concentrazione di COD influente variava da 36,3 a 46,2 mg/L, con una media di 40,4 mg/L. Dopo il trattamento, la concentrazione di COD è stata ridotta a 28 mg/L. Il colore dell'effluente finale del test pilota rimaneva ancora superiore a quello dell'affluente, non soddisfacendo lo standard di scarico. I dettagli sono mostrati inFigura 2(b).
2.3.3 Esecuzione della "Filtrazione con sabbia + Ossidazione con ozono" con un dosaggio di ozono di 30 mg/l e una terapia ormonale sostitutiva di 30 minuti
Nelle condizioni di un dosaggio di ozono di 30 mg/l e una HRT di 30 minuti, il processo di "filtrazione con sabbia + ossidazione con ozono" ha mostrato una buona efficacia di trattamento per il COD dell'effluente secondario. In questa fase di test, la concentrazione di COD influente variava da 38,2 a 42,2 mg/L, con una media di 40,2 mg/L. Dopo il trattamento, la concentrazione di COD nell'effluente è rimasta stabile al di sotto di 30 mg/L, con una media di 26 mg/L. In questa fase, il processo ha dimostrato anche una buona efficacia nella rimozione del colore, con un colore misurato costantemente inferiore a 20, rispettando stabilmente lo standard di scarico. I dettagli sono mostrati inFigura 2(c).
2.3.4 Conclusione sperimentale
Sulla base dei risultati sperimentali, in condizioni di reazione ottimali, il rapporto tra il dosaggio di ozono (30 mg/L) e la rimozione del COD (12,2 mg/L) nell'unità di trattamento dell'ozono era 2,45:1,00.
L'esperimento pilota ha dimostrato che il processo di trattamento avanzato "Filtrazione con sabbia + Ossidazione con ozono" può ridurre efficacemente il valore COD dell'effluente secondario rappresentativo dell'impianto di Lianwanhe. Pertanto, l'adozione del processo di "filtrazione con sabbia + ossidazione con ozono" come processo di trattamento avanzato per il progetto Xin'an Qianhe ha una buona fattibilità e può garantire che il COD degli effluenti del progetto rimanga stabile al di sotto di 30 mg/l.
3. Conclusione
Questa ricerca si concentra su tre moduli di modifica principali: il sistema di trattamento biochimico adotta il processo ibrido AAOAO-MBBR (crescita sospesa e attaccata); l'unità di trattamento fisico-chimico ottimizza la struttura del serbatoio e la scelta delle apparecchiature per il serbatoio di sedimentazione ad alta-efficienza; e il collegamento al trattamento avanzato viene convalidato attraverso un esperimento pilota-su scala dell'ossidazione dell'ozono.
Attraverso l'ottimizzazione sinergica di questa catena di processi, viene costruito un sistema di trattamento completo-del processo di "Potenziamento biochimico – Miglioramento fisico-chimico – Salvaguardia avanzata". Allo stesso tempo, questa progettazione ingegneristica segue il fatto oggettivo del progetto di costruzione in corso, richiedendo l'ottimizzazione coordinata delle sequenze di costruzione per tutte le strutture per massimizzare l'uso delle strutture esistenti e ridurre al minimo il carico di lavoro di ristrutturazione.
Il progetto utilizza lo standard di qualità degli effluenti dell'impianto in costruzione come punto di riferimento per la qualità degli effluenti di progettazione. Le concentrazioni di scarico di CODCr, BOD₅, NH₃-N e TP devono essere conformi agli standard di Classe IV (TN inferiore o uguale a 10/12 mg/L) specificati in GB 3838-2002 "Standard di qualità ambientale per le acque superficiali". Altri indicatori devono essere conformi agli standard di Grado A di GB 18918-2002 "Standard di scarico degli inquinanti per gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali". Questo progetto di ammodernamento ha una scala di progettazione di 50.000 m³/d, un investimento totale di 27,507 milioni di yuan, un costo operativo di 0,3 yuan/m³, un costo totale di 0,39 yuan/m³ e un prezzo operativo dell'acqua di 0,45 yuan/m³.