Atualizando o projeto e a prática da planta de purificação da qualidade da água de Xin'an Qianhe com base no processo AAOAO-MBBR e na oxidação do ozônio
Qingdao, como principal cidade costeira central nacional, alcançou resultados significativos na governação ecológica. No entanto, em comparação com metrópoles internacionais-de alto nível, seu sistema de gestão do ambiente hídrico urbano ainda enfrenta desafios estruturais.
Atualmente, existem lacunas entre a taxa de cobertura da rede de tubulações de drenagem, a eficiência operacional das estações de tratamento de águas residuais e as expectativas do público em relação a um ambiente hídrico de alta-qualidade. Há também uma distância de concretizar a visão ecológica de construir uma "Bela Qingdao".
Para enfrentar estes desafios, Qingdao necessita urgentemente de implementar medidas sistemáticas, tais como planeamento científico, otimização da alocação de recursos e reforço do investimento em infraestruturas. Estes esforços visam aumentar de forma abrangente a eficiência da rede de recolha de águas residuais e da capacidade de tratamento dos terminais, solidificando assim a base ecológica para o desenvolvimento sustentável da cidade.
O projeto da Estação de Purificação da Qualidade da Água de Xin'an Qianhe está localizado na Nova Área da Costa Oeste de Qingdao. Possui capacidade de tratamento projetada de 50.000 m³/d, área total de 33.154 m² e investimento total de 182,4 milhões de yuans. O relatório do estudo de viabilidade do projeto foi concluído em março de 2021, o anteprojeto e o orçamento foram aprovados em junho do mesmo ano e a construção foi oficialmente iniciada em abril de 2023. Atualmente está em fase de construção. O projeto original exigia que os principais parâmetros de efluentes atendessem aos padrões de Classe V especificados no GB 3838-2002 "Padrões de Qualidade Ambiental para Águas Superficiais", enquanto o nitrogênio total (TN) e outros indicadores deveriam atender aos padrões de Grau A do GB 18918-2002 "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais".
Em março de 2022, a Administração de Assuntos Hídricos de Qingdao emitiu o "Aviso sobre a realização de trabalhos de atualização e renovação de estações de tratamento de águas residuais urbanas em Qingdao". Este aviso exigia que as estações de tratamento ao redor da Baía de Jiaozhou, da Baía de Bohai e ao longo dos rios concluíssem as melhorias, elevando o padrão de descarga para qualidade de água superficial quase{2}classe IV, com TN de efluentes controlado entre 10-12 mg/L. A divulgação desta política ocorreu no intervalo entre a aprovação preliminar do projeto do projeto (junho de 2021) e seu início físico (abril de 2023), criando uma lacuna técnica entre os padrões de projeto originais já aprovados e os requisitos ambientais mais recentes. Sendo uma nova instalação de tratamento de águas residuais na Nova Área da Costa Oeste, para garantir a conformidade após a conclusão, tornou-se imperativo realizar simultaneamente a otimização do processo durante a fase de construção e desenvolver um plano de modernização economicamente viável através de estudos de viabilidade.
1. Projeto e seleção do esquema de processo
1.1 Qualidade do Efluente Projetado
Os padrões de efluentes do projeto foram atualizados de qualidade de águas superficiais quase-Classe V para quase{1}}Classe IV. Foram necessárias soluções técnicas razoáveis para reduzir ainda mais os valores de indicadores como DBO, DQOCr,TN, NH₃-N e TP no efluente. A análise específica é mostrada emTabela 1.
1.2 Seleção do Esquema Técnico de Engenharia
O fluxo do processo da planta em construção é mostrado naFigura 1.
A planta em construção adota o processo "Pré-tratamento + Tanque Bioquímico AAOAO Modificado + Tanque de Sedimentação Secundário + Tanque de Sedimentação de Alta-Eficiência + Filtro Tipo V-+ Oxidação de Ozônio". A disposição das estruturas é compacta, não deixando sobras de terreno para o projeto de urbanização, que portanto deve basear-se na construção em curso. A atualização visa principalmente a remoção de poluentes como CODCr, NH₃-N, TN e TP. Dois esquemas comparativos foram propostos, conforme detalhado emTabela 2.
Esquema 1: Processo AAOAO-MBBR + Tanque de Sedimentação de Alta{3}}Eficiência
- Modificação do Sistema Bioquímico: Otimizar a estrutura do tanque bioquímico AAOAO em construção. Aumente a capacidade de desnitrificação expandindo o volume da zona anóxica. Simultaneamente, adicione transportadores MBBR localmente na zona aeróbica para formar um processo composto, fortalecendo a eficiência de remoção bioquímica de NH₃-N e TN.
- Atualização do sistema físico-químico: otimize a estrutura do tanque e os parâmetros do equipamento de suporte do tanque de sedimentação de alta-eficiência para garantir conformidade estável com TP.
- Aprimoramento de tratamento avançado: Aumentar a dosagem na unidade de oxidação de ozônio para degradar ainda mais a matéria orgânica refratária, garantindo CODCrconformidade de descarga.
Esquema 2: Tanque de sedimentação de alta-eficiência + Processo de filtro de leito profundo desnitrificante
- Otimização do modo de operação: Manter a estrutura original do tanque bioquímico AAOAO. Adicione dispositivos de aeração ajustáveis na zona pós-anóxica para alternar dinamicamente entre os modos anóxico/aeróbico com base na qualidade do afluente, garantindo a eficácia do tratamento com NH₃-N.
- Atualização do sistema físico-químico: otimize a estrutura do tanque e os parâmetros do equipamento de suporte do tanque de sedimentação de alta-eficiência para garantir conformidade estável com TP.
- Adoção de Filtro Desnitrificante: Converta o filtro tipo V-em um filtro desnitrificante de leito profundo, utilizando dosagem de fonte de carbono para aumentar a capacidade de remoção de TN.
- Aprimoramento de tratamento avançado: Aumentar a dosagem na unidade de oxidação de ozônio para degradar ainda mais a matéria orgânica refratária, garantindo CODCrconformidade de descarga.
Ambos os esquemas podem atender aos requisitos de remoção de nitrogênio e fósforo. O Esquema 1 utiliza modificações no tanque bioquímico para conseguir a remoção de TN. Sua vantagem reside no aproveitamento integral da influente fonte de carbono. Quando o TN afluente flutua, uma fonte externa de carbono também pode ser adicionada na zona anóxica para remoção do TN. Em comparação, o filtro desnitrificante de leito profundo usado no Esquema 2 exige o uso de uma fonte externa de carbono e requer manutenção-de longo prazo da atividade microbiana no filtro, aumentando os custos operacionais. Embora os custos de investimento em construção para ambos os esquemas sejam comparáveis, com base em considerações multidimensionais, incluindo controle de custos operacionais, estabilidade de processos e eficiência de utilização de fontes de carbono, o Esquema 1-que oferece eficiência econômica e flexibilidade operacional, foi finalmente selecionado como o processo de implementação para o projeto de modernização.
2. Principais pontos do projeto de engenharia
2.1 Modificação do Sistema Bioquímico
A tecnologia central do processo MBBR reside na obtenção de um movimento fluidizado eficiente de transportadores suspensos através do projeto, aumentando assim significativamente a eficiência de biodegradação do sistema para poluentes. Esse sistema de processo consiste em cinco elementos principais: transportadores de biofilme de alta resistência-mecânica-, uma estrutura de tanque hidráulico adaptada, um sistema de aeração direcional, um dispositivo de tela de interceptação preciso e equipamento de propulsão de fluidos. Com base nos volumes ajustados dos tanques e nos parâmetros de projeto de um projeto operacional de aluguel de equipamento de tratamento de águas residuais (MBBR) de 20.000 m³/d dentro do sistema de esgoto regional, a área de superfície efetiva total necessária calculada dos transportadores suspensos é de aproximadamente 2.164.000 m². A área de superfície específica efetiva projetada dos transportadores MBBR é superior a 750 m²/m³. A tabela de cálculo de projeto para o volume do tanque AAOAO-MBBR modificado é mostrada emTabela 3.
2.2 Atualização do Sistema Físico-Químico
O tanque de sedimentação de alta-eficiência foi projetado para operar em dois grupos paralelos. A reforma desta unidade adota a forma de pacote de processos, com o fornecedor do equipamento fornecendo garantias técnicas completas do processo e compromissos de desempenho. Os principais parâmetros do processo e configurações do equipamento são os seguintes.
O tanque de coagulação consiste em dois grupos com um total de 4 compartimentos. O tamanho do compartimento único projetado é 2,675 m × 2,725 m × 5,9 m. O tempo de pico de detenção é de aproximadamente 3,8 minutos, com gradiente de velocidade (G) maior ou igual a 250 s-¹. Cada agitador é configurado com uma única unidade-de potência de 4 kW.
O tanque de floculação consiste em dois grupos com um total de 2 compartimentos. O tamanho do compartimento único projetado é 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. O tempo máximo de detenção é de aproximadamente 8,3 minutos. O diâmetro interno do tubo de aspiração é de 2.575 mm. Ele é configurado com agitadores tipo turbina-de Φ2.500 mm, cada um com potência de 7,5 kW.
O tanque de sedimentação consiste em dois grupos. A área do tubo inclinado para um único grupo é de aproximadamente 84 m². O diâmetro do tanque de sedimentação é de 11,7 m. A taxa de carga hidráulica média projetada na superfície inclinada do tubo é de 12,4 m³/(m²·h), com valor de pico de 16,1 m³/(m²·h). A taxa média de carregamento hidráulico projetada para a zona de sedimentação é de 7,6 m³/(m²·h), com valor de pico de 9,9 m³/(m²·h).
O sistema de dosagem de produtos químicos é configurado da seguinte forma: O líquido comercial de cloreto de polialumínio (PAC) (10% Al₂O₃) é projetado como coagulante, dosado em vários pontos na seção afluente do tanque de coagulação. A dosagem máxima projetada é de 300 mg/L, com dosagem média de 150–200 mg/L. São utilizadas bombas dosadoras de diafragma mecânicas, configuradas com um sistema de diluição on-line de 10{8} vezes. A poliacrilamida aniônica (PAM) é projetada como floculante, dosada na seção de floculação do tanque de sedimentação de alta-eficiência. É utilizado um conjunto de unidades contínuas de preparação e dosagem de solução PAM totalmente automáticas, com concentração de solução de 2 g/L. A dosagem máxima projetada é de 0,6 mg/L, com dosagem média de 0,3 mg/L. As bombas dosadoras são bombas dosadoras do tipo parafuso, também equipadas com sistema de diluição online de 10 vezes.
2.3 Verificação do experimento-de oxidação de ozônio em escala piloto
Para verificar a viabilidade de o efluente da planta atualizada atender de forma estável aos padrões de águas superficiais Classe IV (concentração de DQO menor ou igual a 30 mg/L), este estudo selecionou o efluente secundário da primeira e segunda fases da Planta de Purificação da Qualidade da Água de Lianwanhe como objeto de pesquisa em junho de 2024. Um experimento de verificação de desempenho para o processo de tratamento avançado "Filtragem de Areia + Oxidação de Ozônio" foi conduzido. O experimento teve como objetivo avaliar a aplicabilidade deste processo à concepção do projeto Xin'an e à viabilidade da meta.
Este experimento utilizou a unidade de filtragem de areia de pequena{0}}escala existente (capacidade de tratamento de 1,5 m³/h) na planta de Lianwanhe. Um dispositivo de reação de oxidação de ozônio em escala-piloto (reator em torre, volume efetivo de 0,5 m³) foi instalado no-local. O efluente do tanque de sedimentação secundário existente foi filtrado pelo pequeno filtro de areia e depois levantado por uma bomba para entrar na torre de oxidação de ozônio pelo topo. O efeito oxidante do ozônio foi utilizado para remover a matéria orgânica refratária do afluente, conseguindo maior redução da DQO.
2.3.1 Desempenho de “Filtragem de Areia + Oxidação de Ozônio” na Dosagem de Ozônio de 20 mg/L e TRH de 30 min
Durante esta fase de pesquisa, a concentração afluente de DQO variou de 38,2 a 43,4 mg/L, com média de 40,4 mg/L. Após tratamento pelo processo “Filtração de Areia + Oxidação de Ozônio”, a DQO final do efluente foi média de 28,8 mg/L. O experimento descobriu que quando a concentração de DQO era alta, ainda havia casos em que o DQO do efluente não atendia ao padrão. Além disso, a cor final do efluente do teste piloto permaneceu superior à do afluente, não atendendo ao padrão de lançamento. Os detalhes são mostrados emFigura 2(a).
2.3.2 Desempenho de “Filtragem de Areia + Oxidação de Ozônio” na Dosagem de Ozônio de 25 mg/L e TRH de 30 min
Para melhorar ainda mais a remoção de DQO e reduzir a cor do efluente, esta fase continuou aumentando a dosagem de ozônio, mantendo o TRH em 30 min. Nesta fase experimental, a concentração afluente de DQO variou de 36,3 a 46,2 mg/L, com média de 40,4 mg/L. Após o tratamento, a concentração de DQO foi reduzida para 28 mg/L. A cor final do efluente do teste piloto ainda se manteve superior à do afluente, não atendendo ao padrão de lançamento. Os detalhes são mostrados emFigura 2(b).
2.3.3 Desempenho de “Filtragem de Areia + Oxidação de Ozônio” na Dosagem de Ozônio de 30 mg/L e TRH de 30 min
Nas condições de dosagem de ozônio de 30 mg/L e TRH de 30 min, o processo “Filtragem de Areia + Oxidação de Ozônio” apresentou boa eficácia no tratamento de DQO de efluentes secundários. Nesta fase de testes, a concentração afluente de DQO variou de 38,2 a 42,2 mg/L, com média de 40,2 mg/L. Após o tratamento, a concentração de DQO do efluente permaneceu estável abaixo de 30 mg/L, com média de 26 mg/L. Nesta fase, o processo também demonstrou boa eficácia na remoção de cor, com cor medida consistentemente abaixo de 20, atendendo de forma estável ao padrão de descarga. Os detalhes são mostrados emFigura 2(c).
2.3.4 Conclusão Experimental
Com base nos resultados experimentais, sob condições ótimas de reação, a proporção entre dosagem de ozônio (30 mg/L) e remoção de DQO (12,2 mg/L) na unidade de tratamento de ozônio foi de 2,45:1,00.
O experimento piloto provou que o processo de tratamento avançado "Filtragem de Areia + Oxidação de Ozônio" pode efetivamente reduzir o valor de DQO do efluente secundário representativo da planta de Lianwanhe. Portanto, a adoção do processo de "Filtragem de Areia + Oxidação de Ozônio" como processo de tratamento avançado para o projeto Xin'an Qianhe tem boa viabilidade e pode garantir que o DQO do efluente do projeto permaneça estável abaixo de 30 mg/L.
3. Conclusão
Esta pesquisa se concentra em três módulos principais de modificação: o sistema de tratamento bioquímico adota o processo híbrido AAOAO-MBBR (crescimento suspenso e anexado); a unidade de tratamento físico-químico otimiza a estrutura do tanque e a seleção de equipamentos para o tanque de sedimentação de alta-eficiência; e o link de tratamento avançado é validado por meio de um experimento-de oxidação de ozônio em escala piloto.
Através da otimização sinérgica dessa cadeia de processo, é construído um-sistema completo de tratamento de processo de "Aprimoramento Bioquímico – Melhoramento Físico-Químico – Proteção Avançada". Simultaneamente, este projeto de engenharia segue o fato objetivo da construção do projeto atual em andamento, necessitando de otimização coordenada das sequências de construção para todas as estruturas para maximizar o uso das instalações existentes e minimizar a carga de trabalho de renovação.
O projeto utiliza o padrão de qualidade do efluente da planta em construção como referência para a qualidade do afluente de projeto. As concentrações de descarga de CODCr, BOD₅, NH₃-N e TP devem estar em conformidade com os padrões de Classe IV (TN menor ou igual a 10/12 mg/L) especificados em GB 3838-2002 "Padrões de qualidade ambiental para águas superficiais". Outros indicadores devem cumprir os padrões de Grau A da GB 18918-2002 "Padrão de Descarga de Poluentes para Estações de Tratamento de Águas Residuais Municipais". Este projeto de modernização tem uma escala de projeto de 50.000 m³/d, um investimento total de 27,507 milhões de yuans, um custo operacional de 0,3 yuans/m³, um custo total de 0,39 yuans/m³ e um preço operacional da água de 0,45 yuans/m³.