Amélioration de la conception et de la pratique de l'usine de purification de la qualité de l'eau de Xin'an Qianhe basée sur le processus AAOAO-MBBR et l'oxydation de l'ozone
Qingdao, en tant que ville centrale côtière nationale clé, a obtenu des résultats significatifs en matière de gouvernance écologique. Cependant, comparé aux-métropoles internationales de premier plan, son système de gestion de l'environnement aquatique urbain reste confronté à des défis structurels.
Actuellement, il existe des écarts entre le taux de couverture du réseau de canalisations de drainage, l'efficacité opérationnelle des installations de traitement des eaux usées et les attentes du public concernant un environnement aquatique de haute-qualité. Il y a aussi du chemin à parcourir pour concrétiser la vision écologique de la construction d'un « beau Qingdao ».
Pour relever ces défis, Qingdao doit mettre en œuvre de toute urgence des mesures systématiques telles qu'une planification scientifique, une allocation optimisée des ressources et un renforcement des investissements dans les infrastructures. Ces efforts visent à améliorer globalement l'efficacité du réseau de collecte des eaux usées et la capacité de traitement du terminal, solidifiant ainsi les bases écologiques du développement durable de la ville.
Le projet d'usine de purification de la qualité de l'eau de Xin'an Qianhe est situé dans la nouvelle zone de la côte ouest de Qingdao. Elle a une capacité de traitement prévue de 50 000 m³/j, une superficie totale de 33 154 m² et un investissement total de 182,4 millions de yuans. Le rapport de l'étude de faisabilité du projet a été achevé en mars 2021, la conception préliminaire et le budget ont été approuvés en juin de la même année et la construction a officiellement débuté en avril 2023. Elle est actuellement en phase de construction. La conception originale exigeait que les principaux paramètres des effluents répondent aux normes de classe V spécifiées dans la norme GB 3838-2002 « Normes de qualité environnementale pour les eaux de surface », tandis que l'azote total (TN) et d'autres indicateurs devaient répondre aux normes de catégorie A de la norme GB 18918-2002 « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales ».
En mars 2022, l'Administration des affaires de l'eau de Qingdao a publié l'« Avis sur la réalisation de travaux de modernisation et de rénovation des usines de traitement des eaux usées urbaines à Qingdao ». Cet avis exigeait que les usines de traitement autour de la baie de Jiaozhou, de la baie de Bohai et le long des rivières terminent leurs mises à niveau, élevant la norme de rejet à une qualité d'eau de surface quasi -classe IV, avec un TN des effluents contrôlé entre 10 et 12 mg/L. La publication de cette politique s'est produite dans l'intervalle entre l'approbation de la conception préliminaire du projet (juin 2021) et son démarrage physique (avril 2023), créant un écart technique entre les normes de conception originales déjà approuvées et les dernières exigences environnementales. En tant que nouvelle installation de traitement des eaux usées dans la nouvelle zone de la côte ouest, pour garantir la conformité une fois achevée, il est devenu impératif de procéder simultanément à l'optimisation des processus pendant la phase de construction et d'élaborer un plan de mise à niveau économiquement réalisable grâce à des études de faisabilité.
1. Conception et sélection du schéma de processus
1.1 Qualité des effluents prévus
Les normes d'effluents du projet ont été améliorées pour passer d'une qualité d'eau de surface de quasi-Classe V à une qualité d'eau de surface de quasi-Classe IV. Des solutions techniques raisonnables étaient nécessaires pour réduire davantage les valeurs d'indicateurs tels que la DBO, la DCO.Cr,TN, NH₃-N et TP dans l'effluent. Une analyse spécifique est présentée dansTableau 1.
1.2 Sélection du schéma technique d'ingénierie
Le flux de processus de l'usine en construction est illustré dansFigure 1.
L'usine en construction adopte le processus « Prétraitement + Réservoir biochimique AAOAO modifié + Réservoir de sédimentation secondaire + Réservoir de sédimentation à haute -efficacité + Filtre de type V-+ Oxydation de l'ozone ». La disposition des structures est compacte, ne laissant aucun terrain excédentaire pour le projet de modernisation, qui doit donc s'appuyer sur la construction en cours. La mise à niveau vise principalement l'élimination des polluants tels que la DCOCr, NH₃-N, TN et TP. Deux schémas comparatifs ont été proposés, comme détaillé dansTableau 2.
Schéma 1 : AAOAO-MBBR + Processus de réservoir de sédimentation à haute-efficacité
- Modification du système biochimique: Optimiser la structure du réservoir biochimique AAOAO en construction. Améliorez la capacité de dénitrification en augmentant le volume de la zone anoxique. Simultanément, ajoutez des porteurs MBBR localement dans la zone aérobie pour former un processus composite, renforçant l'efficacité d'élimination biochimique de NH₃-N et TN.
- Mise à niveau du système physicochimique : optimisez la structure du réservoir et les paramètres de l'équipement de support du bassin de sédimentation à haute efficacité-pour garantir une conformité TP stable.
- Amélioration avancée du traitement: Augmenter le dosage dans l'unité d'oxydation à l'ozone pour dégrader davantage les matières organiques réfractaires, garantissant la DCOCrconformité des décharges.
Schéma 2 : Cuve de sédimentation à haute-efficacité + processus de filtre dénitrifiant en lit profond
- Optimisation du mode de fonctionnement: Conserver la structure originale du réservoir biochimique AAOAO. Ajoutez des dispositifs d'aération réglables dans la zone post-anoxique pour basculer dynamiquement entre les modes anoxique/aérobie en fonction de la qualité de l'influent, garantissant ainsi l'efficacité du traitement NH₃-N.
- Mise à niveau du système physicochimique : optimisez la structure du réservoir et les paramètres de l'équipement de support du bassin de sédimentation à haute efficacité-pour garantir une conformité TP stable.
- Adoption du filtre dénitrifiant : Convertissez le filtre de type V- en un filtre dénitrifiant à lit profond, en utilisant le dosage d'une source de carbone pour améliorer la capacité d'élimination du TN.
- Amélioration avancée du traitement: Augmenter le dosage dans l'unité d'oxydation à l'ozone pour dégrader davantage les matières organiques réfractaires, garantissant la DCOCrconformité des décharges.
Les deux systèmes peuvent répondre aux exigences d’élimination de l’azote et du phosphore. Le schéma 1 utilise des modifications apportées au réservoir biochimique pour réaliser l’élimination du TN. Son avantage réside dans la pleine utilisation de la source de carbone influente. Lorsque le TN influent fluctue, une source externe de carbone peut également être ajoutée dans la zone anoxique pour éliminer le TN. En comparaison, le filtre dénitrifiant à lit profond utilisé dans le schéma 2 nécessite l'utilisation d'une source externe de carbone et nécessite un maintien à long terme de l'activité microbienne dans le filtre, ce qui augmente les coûts opérationnels. Bien que les coûts d'investissement en construction pour les deux projets soient comparables, sur la base de considérations multidimensionnelles, notamment le contrôle des coûts opérationnels, la stabilité des processus et l'efficacité de l'utilisation des sources de carbone, le schéma 1-, qui offre à la fois efficacité économique et flexibilité opérationnelle, a finalement été sélectionné comme processus de mise en œuvre du projet de mise à niveau.
2. Points clés de la conception technique
2.1 Modification du système biochimique
La technologie de base du processus MBBR réside dans la réalisation d'un mouvement fluidisé efficace des supports suspendus grâce à la conception, améliorant ainsi considérablement l'efficacité de biodégradation du système pour les polluants. Ce système de traitement se compose de cinq éléments clés : des supports de biofilm à haute-résistance mécanique-, une structure de réservoir hydraulique adaptée, un système d'aération directionnelle, un dispositif de tamis d'interception précis et un équipement de propulsion fluide. Sur la base des volumes de réservoir ajustés et des paramètres de conception d'un projet opérationnel de location d'équipement de traitement des eaux usées (MBBR) de 20 000 m³/j au sein du système d'égouts régional, la surface effective totale requise calculée des transporteurs suspendus est d'environ 2 164 000 m². La surface spécifique effective conçue des supports MBBR est supérieure à 750 m²/m³. Le tableau de calcul de conception pour le volume du réservoir AAOAO-MBBR modifié est présenté dansTableau 3.
2.2 Mise à niveau du système physicochimique
Le bassin de décantation à haute efficacité-est conçu pour fonctionner en deux groupes parallèles. La rénovation de cette unité adopte une forme globale de processus, le fournisseur d'équipement fournissant des garanties techniques et des engagements de performance complets-sur le processus. Les paramètres de processus de base et les configurations d'équipement sont les suivants.
Le réservoir de coagulation se compose de deux groupes avec un total de 4 compartiments. La taille du compartiment unique conçue est de 2,675 m × 2,725 m × 5,9 m. Le temps de rétention maximal est d'environ 3,8 minutes, avec un gradient de vitesse (G) supérieur ou égal à 250 s-¹. Chaque agitateur est configuré avec une puissance unitaire unique-de 4 kW.
Le réservoir de floculation se compose de deux groupes avec un total de 2 compartiments. La taille du compartiment unique conçue est de 5,65 m × 5,65 m × 5,9 m. La durée maximale de détention est d’environ 8,3 minutes. Le diamètre intérieur du tube d'aspiration est de 2 575 mm. Il est configuré avec des agitateurs de type turbine -de Φ2 500 mm, chacun d'une puissance de 7,5 kW.
Le bassin de décantation se compose de deux groupes. La surface du tube incliné pour un seul groupe est d'environ 84 m². Le diamètre du bassin de décantation est de 11,7 m. Le taux de charge hydraulique moyen conçu sur la surface du tube incliné est de 12,4 m³/(m²·h), avec une valeur maximale de 16,1 m³/(m²·h). Le taux de charge hydraulique moyen conçu pour la zone de sédimentation est de 7,6 m³/(m²·h), avec une valeur maximale de 9,9 m³/(m²·h).
Le système de dosage de produits chimiques est configuré comme suit : Le liquide commercial de chlorure de polyaluminium (PAC) (10 % Al₂O₃) est conçu comme coagulant, dosé en plusieurs points dans la section d'entrée du réservoir de coagulation. La dose maximale conçue est de 300 mg/L, avec une dose moyenne de 150 à 200 mg/L. Des pompes doseuses à membrane mécanique sont utilisées, configurées avec un système de dilution en ligne 10 -. Le polyacrylamide anionique (PAM) est conçu comme floculant, dosé dans la section de floculation du bassin de sédimentation à haute efficacité-. Un ensemble d’unités de préparation et de dosage de solution PAM continue entièrement automatiques est utilisé, avec une concentration de solution de 2 g/L. La dose maximale conçue est de 0,6 mg/L, avec une dose moyenne de 0,3 mg/L. Les pompes doseuses sont des pompes doseuses à vis, également équipées d'un système de dilution en ligne 10 fois.
2.3 Vérification d'une expérience pilote-d'oxydation de l'ozone à l'échelle
Pour vérifier la faisabilité que les effluents de l'usine modernisée répondent de manière stable aux normes des eaux de surface de classe IV (concentration de DCO inférieure ou égale à 30 mg/L), cette étude a sélectionné l'effluent secondaire des première et deuxième phases de l'usine de purification de la qualité de l'eau de Lianwanhe comme sujet de recherche en juin 2024. Une expérience de vérification des performances du processus de traitement avancé « Filtration sur sable + oxydation de l'ozone » a été menée. L'expérience visait à évaluer l'applicabilité de ce processus à la conception du projet Xin'an et la réalisabilité de l'objectif.
Cette expérience a utilisé l'unité de filtration sur sable-à petite échelle existante (capacité de traitement de 1,5 m³/h) au sein de l'usine de Lianwanhe. Un dispositif de réaction d'oxydation de l'ozone à l'échelle pilote-(réacteur tour, volume effectif 0,5 m³) a été installé sur-site. L'effluent du bassin de décantation secondaire existant a été filtré par le petit filtre à sable, puis soulevé par une pompe pour entrer dans la tour d'oxydation de l'ozone par le haut. L’effet oxydant de l’ozone a été utilisé pour éliminer les matières organiques réfractaires de l’influent, permettant ainsi une réduction supplémentaire de la DCO.
2.3.1 Performance de la « Filtration sur sable + Oxydation de l'ozone » avec un dosage d'ozone de 20 mg/L et un THS de 30 min
Au cours de cette phase de recherche, la concentration de DCO dans l'influent variait de 38,2 à 43,4 mg/L, avec une moyenne de 40,4 mg/L. Après traitement par le procédé « Filtration Sable + Oxydation Ozone », la DCO de l'effluent final était en moyenne de 28,8 mg/L. L'expérience a révélé que lorsque la concentration de DCO était élevée, il y avait encore des cas où la DCO de l'effluent ne répondait pas à la norme. De plus, la couleur finale de l'effluent issu de l'essai pilote est restée supérieure à celle de l'influent, ne répondant pas à la norme de rejet. Les détails sont affichés dansFigure 2(a).
2.3.2 Performance de la « Filtration sur sable + Oxydation de l'ozone » avec un dosage d'ozone de 25 mg/L et un THS de 30 min
Pour améliorer encore l'élimination de la DCO et réduire la couleur des effluents, cette phase a continué à augmenter le dosage d'ozone tout en maintenant le HRT à 30 min. Dans cette phase expérimentale, la concentration de DCO dans l'influent variait de 36,3 à 46,2 mg/L, avec une moyenne de 40,4 mg/L. Après traitement, la concentration de DCO a été réduite à 28 mg/L. La couleur finale de l'effluent issu de l'essai pilote restait toujours supérieure à celle de l'influent, ne répondant pas à la norme de rejet. Les détails sont affichés dansFigure 2(b).
2.3.3 Performance de la « Filtration sur sable + Oxydation de l'ozone » avec un dosage d'ozone de 30 mg/L et un THS de 30 min
Dans les conditions d'un dosage d'ozone de 30 mg/L et d'un HRT de 30 min, le procédé « Filtration sur Sable + Oxydation de l'Ozone » a montré une bonne efficacité de traitement de la DCO des effluents secondaires. Au cours de cette phase de test, la concentration de DCO dans l'influent variait de 38,2 à 42,2 mg/L, avec une moyenne de 40,2 mg/L. Après traitement, la concentration de DCO dans l'effluent est restée stable en dessous de 30 mg/L, avec une moyenne de 26 mg/L. Au cours de cette phase, le processus a également démontré une bonne efficacité d'élimination des couleurs, avec une couleur mesurée constamment inférieure à 20, répondant de manière stable à la norme de décharge. Les détails sont affichés dansFigure 2(c).
2.3.4 Conclusion expérimentale
D'après les résultats expérimentaux, dans des conditions de réaction optimales, le rapport entre la dose d'ozone (30 mg/L) et l'élimination de la DCO (12,2 mg/L) dans l'unité de traitement à l'ozone était de 2,45 : 1,00.
L'expérience pilote a prouvé que le processus de traitement avancé « Filtration sur sable + oxydation de l'ozone » peut réduire efficacement la valeur DCO de l'effluent secondaire représentatif de l'usine de Lianwanhe. Par conséquent, l'adoption du processus « Filtration sur sable + oxydation de l'ozone » comme processus de traitement avancé pour le projet Xin'an Qianhe présente une bonne faisabilité et peut garantir que la DCO des effluents du projet reste stable en dessous de 30 mg/L.
3. Conclusion
Cette recherche se concentre sur trois modules de modification principaux : le système de traitement biochimique adopte le processus hybride AAOAO-MBBR (croissance suspendue et attachée) ; l'unité de traitement physico-chimique optimise la structure du réservoir et la sélection des équipements pour le bassin de sédimentation à haute efficacité ; et le lien de traitement avancé est validé par une expérience pilote d'oxydation de l'ozone à l'échelle -.
Grâce à l'optimisation synergique de cette chaîne de processus, un système de traitement de processus complet-"Amélioration biochimique – Amélioration physicochimique – Sauvegarde avancée" est construit. Simultanément, cette conception technique suit le fait objectif de la construction en cours du projet, nécessitant une optimisation coordonnée des séquences de construction pour toutes les structures afin de maximiser l'utilisation des installations existantes et de minimiser la charge de travail de rénovation.
Le projet utilise la norme de qualité des effluents de l’usine en construction comme référence pour la qualité des effluents de conception. Les concentrations de rejet de DCOCr, DBO₅, NH₃-N et TP doivent être conformes aux normes de classe IV (TN inférieur ou égal à 10/12 mg/L) spécifiées dans la norme GB 3838-2002 « Normes de qualité environnementale pour les eaux de surface ». Les autres indicateurs doivent être conformes aux normes de catégorie A du GB 18918-2002 « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales ». Ce projet de modernisation a une échelle de conception de 50 000 m³/j, un investissement total de 27,507 millions de yuans, un coût d'exploitation de 0,3 yuans/m³, un coût total de 0,39 yuans/m³ et un prix d'exploitation de l'eau de 0,45 yuans/m³.