Atık Su Arıtma Tesislerinde Gelişmiş Azot Giderimi: Saf Biyofilm MBBR Proses Tasarımı ve Performans Analizi|Örnek Olay İncelemesi

Gelişmiş Azot Giderimi için Saf Biyofilm MBBR Sürecinin Mühendislik Tasarımı ve Performansı

Çin'in ekolojik uygarlık inşasının kapsamlı ilerlemesiyle birlikte, atık su arıtma tesislerine (WWTP'ler) yönelik deşarj standartları giderek daha sıkı hale geldi. "Belediye Atık Su Arıtma Tesisleri için Kirleticilerin Deşarj Standardı"nın (GB 18918-2002) A Sınıfı standardı, 15 mg/L'den az veya buna eşit TN gerektirirken, Pekin ve Shandong gibi bölgelerdeki yerel standartlar, sınırı açıkça 10 mg/L'den az veya buna eşit TN olarak belirler. Bu yükseltilmiş standartlar, su kalitesi sınırlarının ötesine geçerek atık su stabilitesi konusunda daha katı talepler getirmektedir. Sonuç olarak, arıtma proseslerinin nitrojen giderme kapasitesinin arttırılmasına acil bir ihtiyaç vardır. Yaklaşımlardan biri, denitrifikasyonu iyileştirmek için mevcut prosesteki karbon kaynağı dozajını arttırmaktır ancak bu, yüksek işletme maliyetlerine ve artan karbon emisyonlarına yol açar. Alternatif olarak, nitrojen giderici bakterileri verimli bir şekilde zenginleştirmek için genellikle biyofilm yöntemlerini kullanan gelişmiş nitrojen giderme tesislerinin eklenmesi, TN giderimini artırabilir, harici karbon kaynaklarına olan ihtiyacı azaltabilir ve karbon emisyonlarını azaltabilir. Güçlü fonksiyonel bakteri zenginleştirmesi, küçük ayak izi ve basit işletme ve bakım avantajlarıyla Hareketli Yataklı Biyofilm Reaktörü (MBBR), Atık Su Arıtma Tesislerinin inşaatı, genişletilmesi ve iyileştirilmesinde yaygın olarak uygulanmaktadır. Deşarj standartlarını, Sınıf IV yüzey suyu kalitesinden daha iyi bir şekilde istikrarlı bir şekilde elde edebilir ve AAT'lerde gelişmiş nitrojen giderimi için önemli potansiyele ve avantajlara sahiptir. Bu makale, verimli atık su denitrifikasyonu için teknik bir referans sağlamayı amaçlayan, gelişmiş nitrojen giderimi için saf bir biyofilm MBBR işleminin uygulanmasının tasarım mantığını ve operasyonel performansını analiz etmek üzere Shandong'daki bir AAT'yi örnek olay çalışması olarak ele almaktadır.

1. Projeye Genel Bakış

1.1 Proje Tanıtımı

Shandong'da bir AAT iki aşamada inşa edildi. BIOLAK prosesinin kullanıldığı ilk aşama, 40.000 m³/gün arıtma kapasitesiyle Kasım 2003'te resmi olarak devreye alındı. BIOLAK prosesinin düzeni ve yükseltme için uygun alan aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:Şekil 1. Başlangıçta atık su kalitesi GB 18918-2002'nin B Sınıfı standardını karşıladı. 2020 yılına gelindiğinde, gelişmiş karbon kaynağı dozajı ve gelişmiş arıtmanın eklenmesiyle atık su kalitesi A Sınıfı standardına yükseltildi. Üç yıllık işletimin ardından 2023 yılına gelindiğinde, genel atık su kalitesi genellikle A Sınıfı standardını karşılayabiliyordu ancak nitrojen giderimi konusunda iki büyük zorlukla karşı karşıyaydı:

Yüksek Karbon Kaynağı Dozu: 15 mg/L'den az veya buna eşit TN hedefine ulaşmak için önemli miktarda harici karbon kaynağı gerekliydi. Proses bölümlerine dayalı hesaplamalar 5,9 kadar yüksek bir C/N oranı gösterdi; oysa tesisin ikinci aşamasındaki AAO prosesi, istikrarlı TN uyumluluğunu sağlamak için yalnızca 4,5-5,0 arası bir C/N gerektiriyordu. Büyük karbon kaynağı ilavesi aynı zamanda aerobik nitrifikasyon sürecini de olumsuz etkileyerek aerobik bölgedeki oksijen talebini artırdı.

Azot Gideriminin Zayıf Kararlılığı: Nitrifikasyon ve denitrifikasyon aynı tankta farklı gerekli koşullar altında meydana geldiğinden, işletme parametrelerinin girişteki değişikliklere göre sık sık ayarlanması gerekiyordu. NH₃-N ve TN'nin kontrol edilmesi çelişkiliydi ve nitrifikasyon ile denitrifikasyon arasında istikrarlı bir dengenin korunmasını zorlaştırıyordu. Sistemin şok yükü direnci ortalama düzeydeydi ve bu durum atık su stabilitesinin zayıf olmasına yol açıyordu.

Bu nedenle, nitrifikasyon ve denitrifikasyon arasındaki çelişkiyi çözmek, nitrojen giderme işletim maliyetlerini azaltmak ve atık su stabilitesini iyileştirmek gibi temel hedefler doğrultusunda orijinal BIOLAK prosesinin yükseltilmesi gerekliydi.

1.2 Yükseltme Zorlukları

BIOLAK prosesi, performansı artırmak amacıyla tank içi modifikasyona uygun olmadığından{0}, plan, yeni bir gelişmiş nitrojen giderme ünitesi inşa ederek arıtmayı güçlendirmekti. Orijinal BIOLAK prosesi öncelikli olarak nitrifikasyona ve ikincil olarak denitrifikasyona odaklanıyordu; yeni proses ise denitrifikasyona odaklanacaktı. Gerçek yenileme ihtiyaçları göz önüne alındığında, proje iki büyük zorlukla karşı karşıya kaldı: yeni süreç için sınırlı kullanılabilir alan ve yüksek operasyonel verimlilik gereksinimleri.

Yeni Süreç için Sınırlı Mevcut Arazi: Yeni inşaatın, aslında ayrılmış arazisi olmayan mevcut tesis alanı içerisinde tamamlanması gerekiyordu. İnşaat yalnızca BIOLAK tanklarına bitişik, 400 m² kullanılabilir alana sahip bir yeşil kuşakta mümkündü. Bu, yeni projenin arıtılan birim su başına kapladığı alanın 0,01 m²/(m³·d'ye eşit veya daha az olması gerektiği anlamına geliyordu).

Yüksek Operasyonel Verimlilik Gereksinimleri: Bu basit bir yükseltme değil, biyokimyasal fonksiyonel bölgenin daha da iyileştirilmesiydi. Yeni ünitenin 20 mg/L nitrojen giderme yükünü karşılaması bekleniyordu. Bu prosesin yalnızca sınırlı arazide tamamlanması gerekmiyordu, aynı zamanda orijinal BIOLAK denitrifikasyonuna kıyasla karbon kaynağı dozajının azaltılması ve aynı zamanda stabil denitrifikasyon performansı sağlanması da gerekiyordu. Bu nedenle hem nitrojen giderme verimliliği hem de karbon kaynağı kullanım verimliliği konusunda yüksek talepler ortaya çıktı.

2. Süreç Karşılaştırması ve Seçimi

BIOLAK prosesi ile arıtıldıktan sonra atık TN esas olarak nitrat nitrojenden oluşur. Şu anda, olgunlaşmış gelişmiş nitrojen giderme prosesleri öncelikle, taşıyıcı yüzeylerde bağlı bir durumda verimli bir şekilde zenginleşen mikroorganizmalarla karakterize edilen ve geleneksel aktif çamur proseslerine göre önemli ölçüde daha yüksek fonksiyonel bakteri zenginleştirme verimliliği sunan biyofilm yöntemlerini kullanmaktadır. Biyofilm işlemleri ayrıca, şekilde gösterildiği gibi, taşıyıcı akışkanlaştırmaya dayalı olarak sabit-yatak ve hareketli-yatak türlerine ayrılabilir.Şekil 2.Tipik sabit{0}}yataklı biyofilm süreçleri olan nitrifikasyon filtreleri, mikrobiyal büyüme taşıyıcıları olarak sabit granüler filtre ortamını kullanır. Harici bir karbon kaynağı ekleyerek, biyofilmin denitrifikasyonunu ve ortamın filtrelenmesini kullanarak NO₃'un eş zamanlı olarak uzaklaştırılmasını sağlarlar.^--N, SS ve diğer kirleticiler. Avantajları arasında stabil arıtılmış su kalitesi, ikincil arıtıcılara ihtiyaç duyulmaması ve kompakt bir yerleşim düzeni yer alır; bu da bunların ikincil atık sudan TN giderimini güçlendirmek için gelişmiş bir arıtma ünitesi olarak AAT yükseltmelerinde yaygın olarak kullanılmasını sağlar. Ancak operasyonel odak noktası C/N'nin gelişmiş denitrifikasyon verimliliği üzerindeki etkisi olmalıdır. Yine 40.000 m³/gün kapasiteli Pingtang Atık Su Arıtma Tesisi Aşama I yükseltme projesi, atık su TN'sini yarı-Sınıf IV yüzey suyu standartlarına yükseltmek, yaklaşık 0,045 m²/(m³·d) ayak izi elde etmek, araziden tasarruf etmek ve verimli arıtmayı mümkün kılmak için ileri arıtma süreci olarak nitrifikasyon filtresi + yüksek-verimli çözünmüş hava flotasyonu (DAF) kullanmıştır, ancak C/N şu şekildedir: 18.34'e kadar yükseldi. Atık su TN'sine yönelik yeni yerel standartları karşılamak amacıyla, Chengdu No. 9 Su Islah Tesisi, yükseltme işlemi olarak yüksek-yoğunluklu bir sedimantasyon tankını ve nitrifikasyondan arındırıcı derin-yatak filtresini benimsedi ve C/N değeri 5,7 oldu ve yüksek standartlar altında gelişmiş arıtma elde edildi. Haining'deki Dingqiao AAT, Qiantang Nehri Havzası için gereken A Sınıfı deşarj standartlarını karşılayamadı. Gao Feiya ve diğerleri. gelişmiş TN arıtımı için nitrifikasyondan arındırıcı bir derin yatak filtresi kullandı, aynı anda SS ve TP'yi gidererek atık su kalitesini yarı Sınıf IV standartlarına yaklaştırdı, ancak 15,68 gibi yüksek bir C/N ile yüksek nitrojen giderme maliyetlerine yol açtı. Ek olarak, filtre işlemleri, genellikle hava{22}}su temizleme yöntemi kullanılarak düzenli geri yıkama gerektirir ve bu, operasyonel stabiliteyi etkileyebilir.

Nitrifikasyon filtrelerindeki dengesizlik nedeniyle, nitrifikasyon filtrelerine kükürt-bazlı ototrofik denitrifikasyonun (SAD) uygulanmasına ilişkin araştırmalar dikkat çekti. SAD, NO₃'u azaltmak için anaerobik veya anoksik koşullar altında elektron donörleri olarak elementel kükürt veya kükürt bileşiklerini kullanır.^--N'den N₂'ye. İyi denitrifikasyon verimliliği, organik karbon kaynağına ihtiyaç duyulmaması, düşük işletme maliyeti ve düşük çamur üretimi gibi avantajlar sunar. Song Qingyuan ve diğerleri. SAD filtresinin ikincil atık su üzerindeki nitrojen giderme etkisini inceledi. Pilot koşulların optimize edilmesinden sonra nitrat giderimi %95'in üzerinde sabit kaldı, ancak ortam tüketim oranı yıllık %20'ye ulaştı; buna artan atık su sülfat konsantrasyonu ve düşen pH eşlik etti. SAD'den kaynaklanan ikincil kirlilik risklerini önlemek için Li Tianxin ve ark. kükürt ve kireçtaşı tozu karışımının peletlenmesiyle ortam hazırlandı. Filtre yatağına belirli bir oranda kireçtaşı eklenmesi, oluşan asitliği nötralize etti ve CaSO₄ çökeltisi oluşturdu, atık sudaki sülfat konsantrasyonunu düşürdü ve asit üretimi ve yüksek sülfat seviyeleri sorunlarına etkili bir şekilde çözüm buldu. Bununla birlikte, kireç taşının sistem içinde elektron donör ortamı için yer kaplaması, gelişmiş denitrifikasyon kapasitesinin zayıflaması, atık su sertliğinin artması ve işletme maliyetlerinin artması anlamına geliyordu. SAD teknolojisine ilişkin mevcut araştırmalar, temel olarak laboratuvar ve pilot ölçekte olup, referans olarak yetersiz mühendislik deneyimine sahiptir. Endüstriyel{13}ölçekte tanıtımdan önce daha fazla uygulamalı araştırmaya ihtiyaç vardır.

MBBR, akışkanlaştırılmış{0}}yataklı biyofilm süreçlerinin ve son yıllarda büyük ilgi gören yeni bir atık su arıtma teknolojisinin tipik bir temsilcisidir. Mikroorganizmaları özel olarak zenginleştirmek için suya yakın yoğunluğa sahip asılı taşıyıcılar kullanır ve gelişmiş nitrojen giderimi sağlamak için bir biyofilm oluşturur. Akışkanlaştırılmış-yatak biyofilm süreçleri ayrıca ortamın tıkanması ve geri yıkanması sorunlarını da önler. Şu anda, ileri Atık Su Arıtma Tesisi denitrifikasyonuna yönelik saf biyofilm MBBR'nin yurt dışında 20 yılı aşkın başarılı operasyonel deneyimi bulunmaktadır ve Çin'de giderek daha geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Zheng Zhijia ve diğerleri. gelişmiş denitrifikasyon için iki-aşamalı saf biyofilm MBBR sürecini kullandı. C/N=4.0'de sistemin atık nitrat nitrojeni (1,87 ± 1,07) mg/L'de stabilize edildi ve ortalama %93,3'lük bir TN uzaklaştırma oranı vardı. Belirli bir şehirdeki geliştirme bölgesi AAT, gelişmiş denitrifikasyon için üçüncül gelişmiş arıtma olarak yeni bir MBBR biyo{15}tankı inşa etti. Saf biyofilm MBBR'nin anoksik bölümündeki TN çıkarma yükü 1,1 g/(m²·d) idi ve bu da sistem denitrifikasyon güvenilirliğini arttırdı. Orijinal tesisin kapasitesini artırmayı amaçlayan Gao Yanbo ve diğerleri, yüksek denitrifikasyon verimliliğiyle 5 mg/L'nin altında stabil atık su TN'si elde eden yeni bir iki aşamalı AO saf biyofilm MBBR biyo{21}}tankı inşa etti. Bu nedenle, saf biyofilm MBBR işlemi, yüksek karbon kaynağı kullanım verimliliği, yüksek arıtma yükü ve küçük ayak izi gibi avantajları birleştirerek AAT'lerde gelişmiş nitrojen giderimi için büyük bir potansiyel göstermektedir. Ancak aynı zamanda ekipman üzerinde daha yüksek talepler doğurur ve istikrarlı proses operasyonunu desteklemek için güvenilir ekipman gerektirir. Yaygın olarak kullanılan gelişmiş nitrojen giderme işlemlerinin bir karşılaştırması şurada gösterilmektedir:Tablo 1.

Kapsamlı bir karşılaştırmaya göre, SAD süreci herhangi bir karbon kaynağı ilavesi gerektirmese de, mevcut uygulaması henüz olgunlaşmadığından ve ikincil kirlilik riskleri taşıdığından bu yükseltme için dikkate alınmadı. Denitrifikasyon filtreleri yaygın olarak kullanılmasına rağmen, çoğunlukla tasarım giriş/çıkış TN'sinin genellikle 15/12 mg/L olduğu AAT iyileştirmelerinde kullanılır ve nispeten küçük bir TN giderme yükünü idare eder. Bu proje, uzun vadeli, yüksek TN çıkarma taleplerinin karşılanmasını gerektirdiğinden, işlem, filtrenin geri yıkama döngüsünü önemli ölçüde kısaltacak ve operasyonel zorluğu ve istikrarsızlığı artıracaktır. Saf biyofilm MBBR işlemi, yüksek karbon kullanım verimliliği, geri yıkamaya gerek olmaması, olgun uygulama ve ikincil kirliliğin olmaması gibi avantajları birleştirir. Proses zorluklarını ve yenileme gerekliliklerini göz önünde bulunduran proje, sonuçta, ilk aşama için gelişmiş nitrojen giderme çözümü olarak, C/N=4.5 ile tasarlanan ve 7,37 yıllık planlı bir yatırım geri ödeme süresine sahip yeni bir saf biyofilm MBBR biyo-tankının (bundan sonra MBBR tankı olarak anılacaktır) yapımını seçti.

3. Yeni İnşaat Planı

3.1 Süreç Akışı

Yenileme sonrası atık su arıtma prosesinin akışı şekilde gösterilmektedir.Şekil 3. Tesisin suyu, organik madde, amonyak nitrojeni vb.nin giderilmesi için BIOLAK biyo-tankına girmeden önce ince eleklerden, girdaplı kum odalarından ve birincil çökeltme tanklarından geçer. Daha sonra gelişmiş TN giderimi için pompalarla MBBR tankına kaldırılır. MBBR tankı, 35 mg/L giriş TN'si ve 15 mg/L'den az veya buna eşit çıkış TN'si için tasarlanmıştır. MBBR atık suyu, ikincil pompalarla tesisin katı-sıvı ayırma ve çamur israfına yönelik mevcut gelişmiş arıtma sistemine kaldırılır. Nihai atık su, alıcı nehre deşarj edilmeden önce dezenfekte edilir. Fazla çamur yoğunlaştırılır, suyu alınır ve bertaraf edilmek üzere saha dışına taşınır.

3.2 Yeni MBBR Tankı

MBBR tankı, modüler montaj için Lipp tankları kullanılarak inşa edilen ve 30 günde tamamlanan bir AO sürecini kullanıyor. Toplam sistem hidrolik tutma süresi (HRT) 1,43 saattir. Tankların içerisine SPR-III tipi özel aerobik ve anoksik askılı taşıyıcılar eklenerek aerobik bölgede %60, anoksik bölgede ise %55 dolum oranı sağlanır. Taşıyıcılar yassı silindiriktir, çapı 25 mm ve yüksekliği 10 mm olup etkin özgül yüzey alanı 800 m²/m³'ten büyük veya buna eşittir. Anoksik bölge, her biri N=5.5 kW olan, taşıyıcılar için eşit ve yeterli akışkanlaştırma sağlayan 4 MBBR-özel değişken-frekans karıştırıcı (SPR kimyasal güç tipi) ile donatılmıştır. Biyofilm olgunlaşmasının ardından 2 karıştırıcı rutin olarak çalıştırılır, diğer 2 karıştırıcı ise sıcak bekleme durumundadır. Aerobik bölgede havalandırma için vidalı üfleyiciler kullanılır. Tek bir üfleyicinin hava kapasitesi 14,50 m³/dak, basınç 90 kPa, N=22 kW'tır. Bir takım aerobik bölgeye özel delikli boru difüzörleri (SPR tipi) monte edilmiştir. Gerekli havalandırma hacminin düşük olması nedeniyle, mevcut Faz I üfleyiciler genellikle kullanılabilir; yeni üfleyici ve Faz I üfleyiciler karşılıklı yedek olarak görev yapar. Hem aerobik hem de anoksik bölgelere, 30 yıl hizmet ömrüne sahip, 12 mm kalınlığında yeni malzeme önleme ekranları (SPR tipi) yerleştirildi.

3.3 Yeni Destek Tesisleri

• Etki Sistemi: BIOLAK biyo-tankından gelen atık su MBBR tankına kaldırılır. 4 giriş pompaları kurulur (2 çalışma, 2 yedek), her biri Q=840 m³/sa, H=65 kPa, N=30 kW.
• Karbon Kaynağı Dozajlama Sistemi: Aşama I BIOLAK biyolojik-tankından çıkan atık su yalnızca kullanımı zor olan KOİ içerir. MBBR tankının anoksik bölgesinde gelişmiş denitrifikasyonu sağlamak için, her biri Q=300 L/sa, H=200 kPa, N=0.37 kW'a sahip harici karbon kaynağı. 4 ölçüm pompaları kurulurken (2 görev, 2 yedek) sodyum asetat kullanılır.