Actualización del diseño y la práctica de la planta de purificación de la calidad del agua de Xin'an Qianhe basada en el proceso AAOAO-MBBR y oxidación de ozono
Qingdao, como ciudad central costera nacional clave, ha logrado resultados significativos en gobernanza ecológica. Sin embargo, en comparación con las metrópolis internacionales-de primer nivel, su sistema de gestión del entorno hídrico urbano todavía enfrenta desafíos estructurales.
Actualmente, existen brechas entre la tasa de cobertura de la red de tuberías de drenaje, la eficiencia operativa de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales y las expectativas públicas de un entorno hídrico de alta-calidad. También queda un largo camino por recorrer para hacer realidad la visión ecológica de construir un "Hermoso Qingdao".
Para abordar estos desafíos, Qingdao necesita urgentemente implementar medidas sistemáticas como la planificación científica, la optimización de la asignación de recursos y el fortalecimiento de la inversión en infraestructura. Estos esfuerzos apuntan a mejorar integralmente la eficiencia de la red de recolección de aguas residuales y la capacidad de tratamiento de la terminal, solidificando así la base ecológica para el desarrollo sostenible de la ciudad.
El proyecto de la Planta de Purificación de la Calidad del Agua de Xin'an Qianhe está ubicado en la Nueva Área de la Costa Oeste de Qingdao. Tiene una capacidad de tratamiento diseñada de 50.000 m³/d, una superficie total de 33.154 m² y una inversión total de 182,4 millones de yuanes. El informe del estudio de factibilidad del proyecto se completó en marzo de 2021, el diseño preliminar y el presupuesto se aprobaron en junio del mismo año y la construcción comenzó oficialmente en abril de 2023. Actualmente se encuentra en fase de construcción. El diseño original requería que los parámetros clave del efluente cumplieran con los estándares de Clase V especificados en GB 3838-2002 "Estándares de calidad ambiental para aguas superficiales", mientras que el nitrógeno total (TN) y otros indicadores debían cumplir con los estándares de Grado A de GB 18918-2002 "Estándares de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales".
En marzo de 2022, la Administración de Asuntos Hídricos de Qingdao emitió el "Aviso sobre la realización de trabajos de mejora y renovación de plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas en Qingdao". Este aviso exigía que las plantas de tratamiento alrededor de la bahía de Jiaozhou, la bahía de Bohai y a lo largo de los ríos completaran mejoras, elevando el estándar de descarga a una calidad de agua superficial cuasi-Clase IV, con un efluente TN controlado entre 10 y 12 mg/L. La publicación de esta política se produjo en el intervalo entre la aprobación del diseño preliminar del proyecto (junio de 2021) y su inicio físico (abril de 2023), creando una brecha técnica entre los estándares de diseño originales ya aprobados y los últimos requisitos ambientales. Como nueva instalación de tratamiento de aguas residuales en la Nueva Área de la Costa Oeste, para garantizar el cumplimiento una vez finalizada, se volvió imperativo llevar a cabo simultáneamente la optimización del proceso durante la fase de construcción y desarrollar un plan de mejora económicamente viable a través de estudios de viabilidad.
1. Diseño y selección del esquema de procesos
1.1 Calidad del Efluente Diseñado
Los estándares de efluentes del proyecto se actualizaron de una calidad de agua superficial de cuasi{0}}Clase V a cuasi-Clase IV. Se necesitaban soluciones técnicas razonables para reducir aún más los valores de indicadores como DBO y DQO.cr,TN, NH₃-N y TP en el efluente. El análisis específico se muestra enTabla 1.
1.2 Selección del esquema técnico de ingeniería
El flujo del proceso de la planta en construcción se muestra enFigura 1.
La planta en construcción adopta el proceso de "Pretratamiento + Tanque Bioquímico AAOAO Modificado + Tanque de Sedimentación Secundaria + Tanque de Sedimentación de Alta-Eficiencia + Filtro Tipo V-+ Oxidación con Ozono". El diseño de las estructuras es compacto, no dejando terreno excedente para el proyecto de mejora, que por lo tanto debe basarse en la construcción en curso. La actualización tiene como objetivo principal la eliminación de contaminantes como la DQO.cr, NH₃-N, TN y TP. Se propusieron dos esquemas comparativos, como se detalla enTabla 2.
Esquema 1: AAOAO-MBBR + Proceso de tanque de sedimentación de alta-eficiencia
- Modificación del sistema bioquímico: Optimizar la estructura del tanque bioquímico AAOAO en construcción. Mejorar la capacidad de desnitrificación ampliando el volumen de la zona anóxica. Simultáneamente, agregue portadores de MBBR localmente en la zona aeróbica para formar un proceso compuesto, fortaleciendo la eficiencia de eliminación bioquímica de NH₃-N y TN.
- Actualización del sistema fisicoquímico: Optimice la estructura del tanque y los parámetros del equipo de soporte del tanque de sedimentación de alta-eficiencia para garantizar un cumplimiento estable de TP.
- Mejora del tratamiento avanzado: Aumentar la dosificación en la unidad de oxidación de ozono para degradar aún más la materia orgánica refractaria, asegurando DQOcrcumplimiento del alta.
Esquema 2: Tanque de sedimentación de alta-eficiencia + proceso de filtración de lecho profundo desnitrificador
- Optimización del modo de operación: Mantener la estructura original del tanque bioquímico AAOAO. Agregue dispositivos de aireación ajustables en la zona post-anóxica para cambiar dinámicamente entre modos anóxico/aeróbico según la calidad del afluente, garantizando la eficacia del tratamiento de NH₃-N.
- Actualización del sistema fisicoquímico: Optimice la estructura del tanque y los parámetros del equipo de soporte del tanque de sedimentación de alta-eficiencia para garantizar un cumplimiento estable de TP.
- Adopción de filtro desnitrificante: Convierta el filtro tipo V-en un filtro desnitrificante de lecho profundo, utilizando dosificación de fuente de carbono para mejorar la capacidad de eliminación de TN.
- Mejora del tratamiento avanzado: Aumentar la dosificación en la unidad de oxidación de ozono para degradar aún más la materia orgánica refractaria, asegurando DQOcrcumplimiento del alta.
Ambos esquemas pueden cumplir con los requisitos de eliminación de nitrógeno y fósforo. El esquema 1 utiliza modificaciones en el tanque bioquímico para lograr la eliminación de TN. Su ventaja radica en aprovechar al máximo la fuente de carbono entrante. Cuando el TN afluente fluctúa, también se puede agregar una fuente de carbono externa en la zona anóxica para la eliminación del TN. En comparación, el filtro desnitrificante de lecho profundo utilizado en el Esquema 2 requiere el uso de una fuente de carbono externa y requiere un mantenimiento a largo plazo-de la actividad microbiana en el filtro, lo que aumenta los costos operativos. Aunque los costos de inversión en construcción para ambos esquemas son comparables, basándose en consideraciones multidimensionales que incluyen el control de costos operativos, la estabilidad del proceso y la eficiencia en la utilización de la fuente de carbono, el Esquema 1-que ofrece eficiencia económica y flexibilidad operativa fue finalmente seleccionado como el proceso de implementación para el proyecto de mejora.
2. Puntos clave del diseño de ingeniería
2.1 Modificación del sistema bioquímico
La tecnología central del proceso MBBR radica en lograr un movimiento fluidizado eficiente de los portadores suspendidos a través del diseño, mejorando así significativamente la eficiencia de biodegradación del sistema para los contaminantes. Este sistema de proceso consta de cinco elementos clave: portadores de biopelículas-mecánicos-de alta resistencia, una estructura de tanque hidráulico adaptada, un sistema de aireación direccional, un dispositivo de pantalla de interceptación preciso y un equipo de propulsión de fluidos. Según los volúmenes ajustados de los tanques y los parámetros de diseño de un proyecto operativo de alquiler de equipos de tratamiento de aguas residuales (MBBR) de 20.000 m³/d dentro del sistema de alcantarillado regional, la superficie efectiva total calculada requerida de los transportadores suspendidos es de aproximadamente 2.164.000 m². La superficie específica efectiva diseñada de los soportes MBBR es superior a 750 m²/m³. La tabla de cálculo de diseño para el volumen del tanque AAOAO-MBBR modificado se muestra enTabla 3.
2.2 Actualización del sistema fisicoquímico
El tanque de sedimentación de alta-eficiencia está diseñado para funcionar en dos grupos paralelos. La renovación de esta unidad adopta la forma de un paquete de procesos, en el que el proveedor del equipo proporciona garantías técnicas completas-del proceso y compromisos de rendimiento. Los parámetros principales del proceso y las configuraciones del equipo son los siguientes.
El tanque de coagulación consta de dos grupos con un total de 4 compartimentos. El tamaño del compartimento único diseñado es 2,675 m × 2,725 m × 5,9 m. El tiempo máximo de detención es de aproximadamente 3,8 minutos, con un gradiente de velocidad (G) mayor o igual a 250 s-¹. Cada agitador está configurado con una sola-unidad de potencia de 4 kW.
El tanque de floculación consta de dos grupos con un total de 2 compartimentos. El tamaño del compartimento único diseñado es 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. El tiempo máximo de detención es de aproximadamente 8,3 minutos. El diámetro interior del tubo de aspiración es de 2.575 mm. Está configurado con agitadores tipo turbina-de Φ2.500 mm, cada uno con una potencia de 7,5 kW.
El tanque de sedimentación consta de dos grupos. La superficie del tubo inclinado para un solo grupo es de aproximadamente 84 m². El diámetro del tanque de sedimentación es de 11,7 m. La tasa de carga hidráulica promedio diseñada sobre la superficie del tubo inclinado es de 12,4 m³/(m²·h), con un valor máximo de 16,1 m³/(m²·h). La tasa de carga hidráulica promedio diseñada para la zona de sedimentación es de 7,6 m³/(m²·h), con un valor máximo de 9,9 m³/(m²·h).
El sistema de dosificación de productos químicos está configurado de la siguiente manera: El líquido comercial de cloruro de polialuminio (PAC) (10 % Al₂O₃) está diseñado como coagulante, dosificado en múltiples puntos en la sección de entrada del tanque de coagulación. La dosis máxima diseñada es de 300 mg/L, con una dosis promedio de 150 a 200 mg/L. Se utilizan bombas dosificadoras de diafragma mecánicas, configuradas con un sistema de dilución en línea 10-. La poliacrilamida aniónica (PAM) está diseñada como floculante y se dosifica en la sección de floculación del tanque de sedimentación de alta-eficiencia. Se utiliza un conjunto de unidad de preparación y dosificación de solución PAM continua y totalmente automática, con una concentración de solución de 2 g/L. La dosis máxima diseñada es de 0,6 mg/L, con una dosis promedio de 0,3 mg/L. Las bombas dosificadoras son bombas dosificadoras de tornillo, también equipadas con un sistema de dilución en línea de 10 veces.
2.3 Verificación del experimento piloto-de oxidación del ozono a escala
Para verificar la viabilidad de que el efluente de la planta mejorada cumpla de manera estable con los estándares de aguas superficiales de Clase IV (concentración de DQO menor o igual a 30 mg/L), este estudio seleccionó el efluente secundario de la primera y segunda fases de la Planta de Purificación de la Calidad del Agua de Lianwanhe como tema de investigación en junio de 2024. Se llevó a cabo un experimento de verificación del rendimiento para el proceso de tratamiento avanzado "Filtración de arena + Oxidación de ozono". El experimento tuvo como objetivo evaluar la aplicabilidad de este proceso al diseño del proyecto Xin'an y la viabilidad del objetivo.
Este experimento utilizó la unidad de filtración de arena a pequeña escala- existente (capacidad de tratamiento de 1,5 m³/h) dentro de la planta de Lianwanhe. Se instaló en el sitio-un dispositivo de reacción de oxidación del ozono a escala piloto- (reactor de torre, volumen efectivo de 0,5 m³). El efluente del tanque de sedimentación secundario existente se filtró mediante un pequeño filtro de arena y luego se elevó mediante una bomba para ingresar a la torre de oxidación de ozono desde la parte superior. Se aprovechó el efecto oxidante del ozono para eliminar la materia orgánica refractaria del afluente, logrando una mayor reducción de la DQO.
2.3.1 Rendimiento de "Filtración con Arena + Oxidación con Ozono" a una Dosis de Ozono de 20 mg/L y TRH de 30 min
Durante esta fase de investigación, la concentración de DQO del afluente osciló entre 38,2 y 43,4 mg/L, con un promedio de 40,4 mg/L. Luego del tratamiento mediante el proceso de “Filtración con Arena + Oxidación con Ozono”, la DQO del efluente final promedió 28,8 mg/L. El experimento encontró que cuando la concentración de DQO era alta, todavía había casos en los que la DQO efluente no cumplía con el estándar. Además, el color del efluente final de la prueba piloto permaneció más alto que el del afluente, sin cumplir con el estándar de descarga. Los detalles se muestran enFigura 2(a).
2.3.2 Rendimiento de "Filtración con Arena + Oxidación con Ozono" a una Dosis de Ozono de 25 mg/L y TRH de 30 min
Para mejorar aún más la eliminación de DQO y reducir el color del efluente, esta fase continuó aumentando la dosis de ozono mientras se mantenía la HRT en 30 min. En esta fase experimental, la concentración de DQO del afluente osciló entre 36,3 y 46,2 mg/L, con un promedio de 40,4 mg/L. Después del tratamiento, la concentración de DQO se redujo a 28 mg/L. El color del efluente final de la prueba piloto aún permaneció más alto que el del afluente, sin cumplir con el estándar de descarga. Los detalles se muestran enFigura 2(b).
2.3.3 Rendimiento de "Filtración con Arena + Oxidación con Ozono" a una Dosis de Ozono de 30 mg/L y TRH de 30 min
En las condiciones de una dosis de ozono de 30 mg/L y un TRH de 30 min, el proceso de "Filtración de Arena + Oxidación de Ozono" mostró una buena efectividad de tratamiento para la DQO del efluente secundario. En esta fase de prueba, la concentración de DQO del afluente osciló entre 38,2 y 42,2 mg/L, con un promedio de 40,2 mg/L. Después del tratamiento, la concentración de DQO del efluente permaneció estable por debajo de 30 mg/L, con un promedio de 26 mg/L. En esta fase, el proceso también demostró una buena eficacia en la eliminación del color, con un color medido consistentemente por debajo de 20, cumpliendo de manera estable con el estándar de descarga. Los detalles se muestran enFigura 2(c).
2.3.4 Conclusión experimental
Según los resultados experimentales, en condiciones óptimas de reacción, la relación entre la dosis de ozono (30 mg/L) y la eliminación de DQO (12,2 mg/L) en la unidad de tratamiento de ozono fue de 2,45:1,00.
El experimento piloto demostró que el proceso de tratamiento avanzado "Filtración de arena + oxidación con ozono" puede reducir eficazmente el valor de DQO del efluente secundario representativo de la planta de Lianwanhe. Por lo tanto, adoptar el proceso de "Filtración de arena + Oxidación con ozono" como proceso de tratamiento avanzado para el proyecto Xin'an Qianhe tiene buena viabilidad y puede garantizar que la DQO del efluente del proyecto se mantenga estable por debajo de 30 mg/L.
3. Conclusión
Esta investigación se centra en tres módulos de modificación principales: el sistema de tratamiento bioquímico adopta el proceso híbrido AAOAO-MBBR (crecimiento suspendido y adjunto); la unidad de tratamiento fisicoquímico optimiza la estructura del tanque y la selección de equipos para el tanque de sedimentación de alta-eficiencia; y el vínculo de tratamiento avanzado se valida mediante un experimento piloto-de oxidación del ozono a escala.
A través de la optimización sinérgica de esta cadena de procesos, se construye un-sistema completo de tratamiento de procesos de "Mejora bioquímica – Mejora fisicoquímica – Protección avanzada". Al mismo tiempo, este diseño de ingeniería sigue el hecho objetivo de la construcción del proyecto actual en curso, lo que requiere una optimización coordinada de las secuencias de construcción de todas las estructuras para maximizar el uso de las instalaciones existentes y minimizar la carga de trabajo de renovación.
El proyecto utiliza el estándar de calidad del efluente de la planta en construcción como punto de referencia para la calidad del afluente de diseño. Las concentraciones de descarga de DQOcr, DBO₅, NH₃-N y TP deberán cumplir con los estándares de Clase IV (TN menor o igual a 10/12 mg/L) especificados en GB 3838-2002 "Estándares de calidad ambiental para aguas superficiales". Otros indicadores deberán cumplir con los estándares de Grado A de GB 18918-2002 "Estándar de descarga de contaminantes para plantas de tratamiento de aguas residuales municipales". Este proyecto de mejora tiene una escala de diseño de 50.000 m³/d, una inversión total de 27.507 millones de yuanes, un costo operativo de 0,3 yuanes/m³, un costo total de 0,39 yuanes/m³ y un precio operativo del agua de 0,45 yuanes/m³.