Подобрено микробно третиране на отпадъчни води от чесън чрез MBBR + A/O процес
Преглед
Отпадъчни води от чесъносновно произхожда от процесите на нарязване и изплакване по време на обработката на чесъна. Характеризира се свисоки концентрации на органични вещества, sзначителни нива на азот и фосфор и съдържа значителни количества алицин. Алицинът (диалил тиосулфинат) е летлива течност, отговорна за острата миризма на чесън и е химически нестабилна и силно реактивна. Алицинът може да инхибира растежа на различни микроорганизми. Изхвърлянето на отпадъчни води от чесън с висока-концентрация без пречистване причинява сериозно въздействие върху околната среда. Някои изследователи са използвали техники като мембранна филтрация, окисляване на Fenton и микро-електролиза, но тези методи не са ефективни за третиране на отпадъчни води от чесън и използването на големи дози химикали увеличава последващите разходи за третиране. Много учени са предложили методи за биологично третиране, използващи анаеробни-аеробни комбинирани процеси. Въпреки това, поради антибактериалните свойства на алицин, микроорганизмите са трудни за култивиране и ефективността на лечението не е идеална. Следователно фокусът на биологичното лечение е дакултивиране и аклиматизиране на микробни щамове, способни да се адаптират към отпадъчните води от чесън и за подобряване на тяхното биоразграждане.
Това проучване включва култивиране и скринингбактериални щамове, ефективни при разграждането на отпадъчни води от чесън, които след това бяха въведени в aРеактор за биофилм с подвижно легло (MBBR). С помощта на инокулирана утайка и метод за образуване на биофилм-, който увеличава дебита, бяха създадени биофилми за подобряване на отстраняването на азот и фосфор от отпадъчните води. Това беше последвано от по-нататъшно A/O (аноксично/кислородно) биохимично третиране. Съгласно стандарта GB18918-2002, нивата на COD и амонячен азот (NH3-N) в отпадъчните води могат да отговарят на вторичния стандарт (COD: 100 mg/L, NH3-N: 25-30 mg/L). Този процес ефективно намалява органичното съдържание в отпадъчните води, намалявайки трудността на следващите етапи на пречистване.
1. Експериментална секция
1.1 Проектиране на потока на процеса
Общият поток на процеса за пречистване на отпадъчни води от чесън е показан вФигура 1, като основният компонент ебиоразграждане в системата MBBR + A/O. Три скринирани и изолирани щама, ефективни при разграждането на отпадъчни води от чесън – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. и Achromobacter sp. – бяха смесени с активна утайка и въведени в блока MBBR, за да се улесни бързото му стартиране-.
1.2 MBBR + A/O процес на лечение
След преминаване през груби и фини сита за отстраняване на суспендирани твърди вещества, отпадъчните води от чесън се изпомпват директно в MBBR. Влиятелното качество е показано вТаблица 1. Отпадъчните води от MBBR се вливат директно в A/O системата. Поради ниското органично съдържание на отпадъчните води от MBBR, суровите отпадъчни води от чесън се добавят по подходящ начин към кислородния (O) резервоар, за да допълнят източника на въглерод за A/O процеса. За да се тества устойчивостта на удар на системата, степента на органично натоварване на MBBR беше постепенно увеличена по време на непрекъсната работа и качеството на отпадъчните води беше наблюдавано.
1.3 Параметри на процеса
1.3.1 Разтворен кислород (DO)
Прекалено високото DO в рамките на биофилма може да попречи на денитрификацията, причинявайки MBBR да загуби способността си за едновременна нитрификация и денитрификация. Прекомерно ниското DO може да доведе до пролиферация на филаментозни бактерии, засягайки качеството на отпадъчните води и инхибирайки процеса на нитрификация.
1.3.2 Хидравлично време на задържане (HRT)
Прекалено краткото HRT причинява условия на интензивна реакция, при които отпадъчните води, съдържащи повечето органични вещества, се изхвърлят, преди да бъдат напълно абсорбирани. Непрекъснатият приток поддържа микроорганизмите в постоянно състояние на биоразграждане, намалявайки ефективността и увеличавайки консумацията на енергия. Прекалено дългата ХЗТ води до изчерпване на хранителни вещества; без хранителни вещества микроорганизмите намаляват своята активност и метаболитни нужди, за да поддържат оцеляването си.
1.3.3 Съотношение въглерод-към-азот (C/N)
Ниското съотношение C/N може да доведе до катализа на превръщането на амоняка в други вещества, засягайки отстраняването на амонячен азот. Освен това лесно причинява образуване на нишки, непрекъснат растеж, засягащ флокулацията, което води до натрупване на утайка и плаваща утайка. Високото съотношение C/N е неблагоприятно за микробното биоразграждане и растеж, увеличавайки органичното натоварване върху микроорганизмите.
1.4 MBBR Biofilm Старт-
Стартиране-на биофилм: Използван е методът на инокулирана утайка +-повишаване на дебита. Активирана утайка, обогатена с MBR-, се инокулира в реактора с първоначална концентрация на суспендирани твърди вещества в смесена течност (MLSS) от приблизително 5,82 g/L. Стартира аерирането и към реактора се добавят полиетиленови носители с aкоефициент на запълване около 60%. TheНАПРАВЕТЕв реактора беше контролиранонад 4,0 mg/l. Скоростта на входящия поток се увеличава стъпаловидно на стъпки от 20 L/h: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 L/h, като всяка скорост на потока се поддържа за 1 ден. По време на тази фаза не се губи утайка. Светложълт биофилм се образува върху повърхността на носителите, където микроорганизмите се закрепват и растат. След успешно стартиране-на биофилм, стабилната работа продължи, поддържайки aВреме за задържане на утайката (SRT) от 30 дни. По време на стабилна работа степента на органично натоварване на MBBR беше коригирана, за да се наблюдава въздействието му върху ХПК, отстраняването на азот и фосфор.
2. Резултати и дискусия
2.1 Анализ на качеството на отпадъчните води на MBBR по време на стартиране-на биофилм
Интензитетът на аерация в MBBR беше регулиран, за да се контролира концентрацията на DO. Когато DO беше под 4,0 mg/L, интензитетът на аериране беше недостатъчен, за да поддържа равномерно турбулентно движение на носителите с висок -поток, предотвратявайки адекватно смесване и затруднявайки образуването на биофилм върху повърхностите на носителите. Когато DO е между 4,0–6,0 mg/L, носителите се смесват старателно с активната утайка и отпадъчните води. Наблюдава се промяна на цвета от бяло до жълтеникаво-кафяво на носителите, което показва успешно прикрепване и растеж на микроби при тази интензивност на аериране, както е показано вФигура 2.
Вариационната крива на входящата и изходящата ХПК по време на-фазата на стартиране е показана вФигура 3(а). Първоначалното намаляване на ефективността на лечението се дължи на много малкото количество прикрепени микроорганизми върху носителите; самото разграждане от микроорганизми в активната утайка беше недостатъчно за отстраняване на голямото количество органични вещества. С напредването на -стартирането количеството прикрепени микроорганизми върху носителите се увеличи, като постепенно се образува биофилм. Концентрацията на COD в отпадъчните води постепенно се стабилизира и ефективността на отстраняване на COD се стабилизира над 90%.
Вариационната крива на MBBR входящ и изходящ NH3-N е показана вФигура 3(b). Нитрификацията от аеробни бактерии в активната утайка ефективно отстранява амонячния азот. Започвайки от ден 7, вливащата концентрация на NH3-N постепенно се повишава. До 23-ия ден, въпреки че вливащият се NH3-N все още нараства, степента на отстраняване също се увеличава. Това е така, защото нитрифициращите бактерии първоначално растат бавно; с времето тяхната популация нараства, биофилмът узрява и степента на отстраняване на NH3-N постепенно се увеличава и стабилизира.
Вариационната крива на MBBR входящ и изходящ TN е показана вФигура 3(c). За разлика от отстраняването на амонячен азот, ефективността на отстраняване на TN първоначално намалява. Това беше така, защото средата на реактора имаше достатъчно източник на кислород и въглерод, ограничавайки растежа на денитрифициращите бактерии. Въпреки това, с образуването на биофилма, ефективността на отстраняване на TN започва да се подобрява. До 20-ия ден, въпреки че концентрацията на входящия TN се повишава, изходящият TN и скоростта на отстраняване се стабилизират, варирайки между 50%–60%.
Вариационната крива на MBBR входящ и изходящ поток TP е показана вФигура 3(d). От началото-до стабилната работа скоростта на премахване на TP остава стабилна. Въпреки че вливащата концентрация на TP беше висока първоначално и намаля по-късно, ефективността на отстраняване не показа значителна промяна, което показва способността на системата за отстраняване на фосфор. Степента на отстраняване на ТР в системата се поддържа между 80%–90%.
В обобщение,поддържане на MBBR системата DO между 4–6 mg/L, зрял биофилм, развит след 20 дни непрекъснато хранене. В сравнение с традиционните процеси на активна утайка, системата MBBR предлага силна устойчивост на удар и висока ефективност на пречистване, като ефективно намалява трудността на следващите етапи на пречистване на отпадъчните води от преработката на чесън.
2.2 Анализ на качеството на отпадъчните води по време на стабилна работа
След фазата-на стартиране на биофилма биофилмът узрява. За да се тества устойчивостта на удар на системата MBBR, степента на органично натоварване непрекъснато се увеличава по време на стабилна работа.
Вариационната крива на MBBR входящ и изходящ ХПК по време на стабилна работа е показана вФигура 4(а). От дни 1-5, с постоянен приток, ефективността на отстраняване на ХПК остава над 95%, а концентрацията на ХПК в отпадъчните води достига около 100 mg/L. От 5-ия до 20-ия ден скоростта на притока се увеличава, като постепенно се повишава органичното натоварване от 20 kgCOD/m³·d до 30 kgCOD/m³·d. Не се наблюдава значителна промяна в ефективността на отстраняване и COD в отпадъчните води остава между 80–100 mg/L, демонстрирайки силна устойчивост на удар. След ден 20, скоростта на входящия поток беше допълнително увеличена, като непрекъснато се повишаваше органичното натоварване в реактора от 30 kgCOD/m³·d до 37 kgCOD/m³·d, поддържано в продължение на 5 дни. Капацитетът за отстраняване на COD на MBBR остава над 95%.
Фигури 4(b) и (c)показват вариационните криви за NH3-N и съответно TN по време на стабилна работа. От дни 1-5, с постоянен приток, биофилмът MBBR показва едновременна нитрификация и денитрификация. Аеробни нитрифициращи бактерии, прикрепени към външния слой на биофилма, напълно смесени с отпадъчните води при аериране, консумират значителни източници на азот чрез нитрификация. Денитрифициращите бактерии във вътрешния аноксичен слой ефективно премахват нитратния азот чрез денитрификация. От дни 5-20, с увеличаване на скоростта на притока, ефективността на отстраняване на NH3-N и TN първоначално намалява значително. След около 7 дни непрекъсната работа системата постепенно се адаптира. Въпреки че ефективността на отстраняване за NH3-N и TN след това се увеличи, тя остана по-ниска, отколкото през периода на нисък-дебит. При постоянен приток отстраняването на NH3-N достига над 90%, с изтичащ NH3-N между 10–15 mg/L, а отстраняването на TN основно се поддържа над 80%, с изтичащ TN около 30 mg/L. След увеличаване на притока и системата достигна нов баланс при непрекъснато въздействие, отстраняването на NH3-N се стабилизира около 80%, с изтичане на NH3-N между 50–70 mg/L и отстраняване на TN около 60%, с изтичане на TN под 50 mg/L.
Вариационната крива за TP по време на стабилна работа е показана вФигура 4(d). Концентрацията на TP в изтичащия поток основно се поддържаше около 10 mg/L. Първоначално, с постоянен нисък поток и ниска входяща концентрация на TP, ефектът от лечението е ограничен. Тъй като скоростта на входящия поток и входящата концентрация на TP се увеличиха, беше постигната висока ефективност на третиране по време на фазата на въздействие и последващата операция с високо-натоварване, като степента на отстраняване на TP варираше около 90%.
В обобщение,при удар с високо органично натоварване, ефективността на отстраняването на COD на системата остава до голяма степен непроменена, но отстраняването на NH3-N и TN намалява по-значително. Когато органичното натоварване достигна своя максимум от 37 kgCOD/m³·d, ефективността на отстраняване на системата за NH3-N и TN намаля значително.
2.3 Анализ на качеството на отпадните води на MBBR + A/O система
След началната{0}}фаза на биофилма и един месец стабилна работа, надолу по веригата беше добавен A/O процес за усъвършенствано третиране на отпадъчните води от MBBR. Приложени са градиентни увеличения на скоростта на притока, за да се увеличи общото органично натоварване, с цел да се определи оптималната скорост на притока, съответстваща на оптималната ХЗТ.
Кривата на изменение на COD е показана вФигура 5(а). Скоростта на притока се увеличава последователно: 100, 120, 130, 150, 170 L/h. От началото до максималния дебит, органичното натоварване на MBBR системата се увеличи от 20 kgCOD/m³·d до 37 kgCOD/m³·d. Крайният изтичащ поток от комбинираната система остава стабилен, с концентрация на ХПК под 100 mg/L. При продължително високо органично натоварване системата MBBR се представи добре, въпреки че нейните отпадъчни води показаха леко увеличение, когато скоростта на потока достигна 150 L/h. След поддържане на скорост на потока от 170 L/h в продължение на няколко дни, се наблюдава забележима възходяща тенденция в ХПК на изтичащите води от MBBR. Въпреки това, с последващия A/O процес, крайната комбинирана системна отпадъчна вода все още се поддържаше под 100 mg/L. Това показва, че дори при високо органично натоварване от 37 kgCOD/m³·d, комбинираният процес все още има силен ефект на премахване на отпадъчните води от обработката на чесън.
Вариационните криви за NH3-N и TN са показани вФигури 5(b) и (c), съответно. Отпадъчните води от обработката на чесън имат високи концентрации на амонячен азот и общ азот, които могат допълнително да се увеличат с течение на времето поради окисление. Обикновено концентрацията на амонячен азот варира от 300–500 mg/L, а общият азот от 450–600 mg/L. При едновременната нитрификация и денитрификация в MBBR отстраняването на амонячен азот е по-ефективно, вероятно защото нитрифициращите бактерии използват по-ефективно отпадъчните води при аериране. Денитрифициращите бактерии изискват аноксични условия и често зависят от консумирания органичен въглерод за денитрификация. При увеличаване на скоростта на входящия поток, ефективността на отстраняване на NH3-N и TN беше основното съображение. От дни 1-4, поради ниския дебит и умерения NH3-N, скоростта на отстраняване на NH3-N остава над 90%, а ефективността на отстраняване на TN постепенно се увеличава. Впоследствие скоростта на приток беше значително увеличена. Ясно се наблюдава, че с увеличаване на скоростта на входящия поток, концентрациите на NH3-N и TN в отпадъчните води на различни етапи последователно се повишават, като по-високите скорости на входящия поток водят до по-високи концентрации в отпадъчните води. С увеличаване на скоростта на потока, биомасата върху носителите на биофилм се увеличава, засилвайки нитрификацията, където амонячният азот се окислява от нитрифициращи бактерии до нитрати и нитрити под кислород.
Кривата на промяна на концентрацията на ТР е показана вФигура 5(d). Като се имат предвид високите влиятелни концентрации на COD и TN, теоретичната оптимална концентрация на TP за микробен растеж е над 100 mg/L. Въпреки това, вливащата се концентрация на TP е далеч под това теоретично изискване. Следователно, концентрацията на TP в изтичащите води на MBBR остава около 10 mg/L, а крайната концентрация на TP в отпадъчните води на системата се поддържа между 2–3 mg/L.
Характеристиките на утайката на системата MBBR и последващата A/O система преди и след работа бяха измерени, както е показано вТаблица 2.
В обобщение,когато дебитът беше увеличен до 150 L/h, скоростите на отстраняване за COD, NH3-N, TN и TP бяха по-добри от тези при други дебити. ХЗТ при този дебит е 27 часа. Освен това концентрацията на утайка както в MBBR, така и в A/O системите се увеличи значително след работа.
3. Заключение
След образуването на биофилм в MBBR, ефективността на отстраняване за COD, NH3-N, TN и TP беше стабилна. По време на един месец непрекъсната работа при стабилни условия, отстраняването на COD достигна над 95%, отстраняването на NH3-N и TN се стабилизира около 80%, а отстраняването на TP се стабилизира около 90%.
Отпадъчните води от MBBR бяха допълнително пречистени в A/O системата. Комбинираният процес може да издържи на органично натоварване до 37 kgCOD/m³·d. Оптималната операция за цялостния процес е под ХЗТ от 27 часа. Крайният ефлуент COD се стабилизира под 100 mg/L, NH3-N между 10–20 mg/L, TN под 30 mg/L и TP под 10 mg/L. Концентрацията на утайката в системата MBBR след работа беше 8,5 g/L, а в A/O системата беше 4,1 g/L, и двете значително по-високи, отколкото преди операцията, което показва значително увеличение на микробната биомаса. Нивата на COD и амонячен азот след биологично третиране отговарят на стандарта за вторично изхвърляне на GB18918-2002. За по-нататъшно третиране може да се използва усъвършенстваната окислителна технология на Fenton за дълбоко третиране на биологично пречистените отпадъчни води, за да се постигне стандартът за заустване от първо ниво.