超级初沉池?奥地利新技术可四两拨千斤,巧妙改造污水厂

导读:
Wett博士的这套初沉池改造理念是否用于中国的污水厂还有待热心人心的验证,毕竟中国的情况跟欧洲不一样。但他因地制宜的独立思考能力很值得我们参考借鉴,而实现节能减耗、资源回收的污水处理是我们共同的愿景。

随着大家对污水蕴含能量的认识的加深,如何快速捕获污水厂进水中的COD成为污水处理工程应用的一大热点。曾被认为过时的A-B法工艺也因此重新吸引了业界的关注。最近一个污水处理工程师和一个计算流体动力学专家来到意大利的一座污水厂拍了段视频。他们想借视频告诉大家:他们有个四两拨千斤的好方法,可以帮助几乎世界上任何一座污水厂“轻松”完成扩容升级。

A-B法是在欧洲的常用污水处理工艺之一。A和B分别是吸附(adsorption)和生物曝气(bio-oxidation)的缩写简称。通过A段的强化碳源生物絮凝作用快速提取COD,去除率达60%以上;B段用于硝化,出水的硝态氮通过回流到A段实现反硝化。随着大家对污水蕴含能量的认识的加深,曾被认为过时的A-B法工艺重新吸引了业界的关注。因为通过这种机械而非曝气的方式,可从污水中回收更多的碳源并导向厌氧消化阶段。

正因这些特点,AB法也被认为非常适合与PN/A(短程硝化/厌氧氨氧化)工艺相结合,也就是所谓的主流厌氧氨氧化。厌氧氨氧化工艺DEMON的发明者Bernhard Wett博士就是其中的实践代表,著名的奥地利Strass污水厂的主流厌氧氨氧化探索就是他的代表作之一。

主流厌氧氨氧化的愿景固然美好,但实践起来依然遥遥无期,包括Strass污水厂的尝试也并未真正成功。在过去几年的探索里,Wett博士已将DEMON工艺从1.0版本升级到2.0版本——截留anammox菌的方式从经典的旋流分离器(hydro-cyclons)改为了微筛(micro-sieve)。同时他的团队也对A段的高速碳捕获进行优化。

AAA沉淀池

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AAA TRIPLE A沉淀池的logo

他给这种沉淀池设计取名“AAA TRIPLE A”,并为其申请了专利。

为什么他想将这个沉淀池单独拿出来推销呢?小编猜测Wett博士可能在某天突然顿悟:“虽然我还没能实现主流anammox,但这个A段的高速碳捕获完全可以自成一家的呀。”

为什么他可能会有此顿悟?正如Wett博士在视频所说,AAA是Alternating Activated Adsoprtion的缩写,也就是交替活性吸附。首先它由两个交替运行的反应池组成,当AAA-1池在排泥的时候,AAA-2池会经历一个进水、曝气和静置浓缩的循环。其次它不是一个普通的初沉池,而是一个生物吸附工艺。传统的初沉池只能去除三分之一的有机质,而这种沉淀池设计的COD捕获率至少60%。

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AAA沉淀池的空气驱动原理图 | 图源:newportwater

他称这种沉淀池有不少优点,包括:

为超负荷的污水厂减压,增加处理能力

在A段去除约2/3的COD和约1/3的氮磷

减少曝气量并增加甲烷产量,实现能量盈余

初沉污泥浓缩至5%,直接进入消化器

污泥减量 - 初沉污泥/二沉污泥比约为0.75

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AAA沉淀池的出水和浓缩污泥效果图 | 图源:newportwater

工艺应用

下图是该系统的一个过程循环(小编个人认为本质就是个SBR系统)时间通常约1小时。每个循环包括五个阶段:进水/出水(30分钟)、压缩、排泥、进气和静置。出水由进水驱动,而所有其他过程都是空气驱动的,包括曝气和混合、气浮排泥,气封滗水等。曝气有溶解氧控制,标准点设为1 mg /L。排泥时间视乎活性沉淀池中的实际污泥含量,并根据总固体浓度的在线测量数据作自动调整。

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他称这种平行设计帮助高速初沉池实现连续工作,一个反应周期约1-2小时。除了快速高效,操作简单是另一大设计亮点——该工艺循环完全由空气驱动,无需任何混合器或泵。因此他认为非常适合用于现有初沉池的改造,包括各种规模的新建和升级改造项目。

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意大利Alta Badia污水厂:左侧是其外观,右侧展示现有初沉池的污泥料斗区改造成污泥浓缩池的情况。 | 图源:NEWport

运行效果

除了上图的意大利Alta Badia污水厂,AAA沉淀池在德国也有一个案例,人口当量为46000PE,项目内容是对两个现有初沉池进行改造。该系统的COD去除率达66%,平均除磷率为43%,总氮去除率如下图所示,平均为36%。

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位于德国的一个AAA沉淀池的COD和N的去除情况

计算机模拟

话说视频里的另外一个小哥叫Wim Audenaert,一位毕业于比利时根特大学的环境技术博士。是Wett博士的乙方,他的工作是帮AAA沉淀池做一个基于CFD的3D虚拟设计。

CFD是Computational Fluid Dynamics的英文缩写,即计算流体动力学。CFD是通过计算机对包括流体流动和热传导等物理现象的系统进行的分析。在污水厂,了解系统的水力特性对污水处理效率有重要影响,例如污水仓可能会遇到因为搅拌设备选择和布局不合理导致池内死水区和污泥沉淀等问题。对工艺优化和改造而言,中试实验不便宜,而且你无法找到10个真正的系统来测试,但你可以通过CFD建模,对不同运行条件进行虚拟仿真测试,提高测试速度和降低成本。可视化的3D模型可以帮助运行人员更好地了解污水厂的运行概况。如下图所示,这些CFD模型,可以将溶解氧、总氮浓度等参数可视化。基于这些分析结果,管理人员可以制定相应措施,减少不必要的曝气量,提高能效。

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沉淀池的CFD仿真 | 图源:AM-TEAM

污水处理新路线图

Wett博士的这套初沉池改造理念是否用于中国的污水厂还有待热心人心的验证,毕竟中国的情况跟欧洲不一样。但他因地制宜的独立思考能力很值得我们参考借鉴,而实现节能减耗、资源回收的污水处理是我们共同的愿景。

去年11月Wett博士参加了在重庆举办的一个IWA国际会议。他在会上分享了一个基于A/B 工艺的AAA初沉池+侧流DEMON的污水处理工艺路线图,与传统的初沉池+活性污泥工艺对比:前者可以回收更多的有机物,因而得到更多的甲烷和回流氨氮(由侧流工艺补偿)。虽然仍未能实现主流厌氧氨氧化,但这套过渡性理念若能成功,也已经能为许多现有污水厂的提标改造提供了更灵活的方法。

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基于A/B 工艺的高速碳捕获和侧流DEMON的污水处理工艺 | 图源:IWA