Отстраняване на амонячен азот от микро-замърсена речна вода и комбинирана канализация с помощта на MBBR опаковки от различни материали
Реакторът за биофилм с подвижно легло (MBBR) съчетава предимствата на процеса с активна утайка и традиционния процес с биофилм, което го прави иновативна и революционна технология в съвременното биологично пречистване на отпадъчни води. Многобройни предишни проучвания показват, че процесът MBBR може ефективно да облекчи налягането за отстраняване на азот от градската канализация. Опаковките на био-носителите в процеса MBBR могат да транспортират биофилма до целия реактор, да насърчават контакта между биофилма, кислорода и реакционните субстрати и да подобряват ефективността на реакциите на разграждане. Благодарение на тяхната уникална стабилност и характеристики на плътност, те имат широки перспективи за приложение.
Понастоящем повечето MBBR био{0}}носещи опаковки са направени главно от материали като полиетилен (PE), полипропилен (PP), полиуретан (PU) и порест полиуретан (PPC). Сред тях MBBR уплътненията на основата на PE- имат добър ефект на отстраняване на хрома, CODCr, амонячен азот, общ азот, общ органичен въглерод и летливи феноли в отпадъчните води; PP уплътненията се използват най-вече в комбинирани MBBR процеси, като MBBR-AO комбиниран процес и MBBR-MBR комбиниран процес; PU и PPC опаковките имат висока порьозност, която може да осигури по-голяма площ за закрепване на микроорганизми, позволявайки на микроорганизмите да растат бързо и стабилно, като по този начин ефективно премахват органичните замърсители и различни хранителни вещества в отпадъчните води. PE и PPC опаковките са два широко използвани типа в момента. PE опаковките се прилагат по-широко с по-добра производителност, докато PPC опаковките имат по-силна хидрофилност и по-голяма специфична повърхност, които са по-благоприятни за прикрепването на микроорганизми. И двата вида опаковки имат своите предимства и недостатъци и притежават добра механична якост и ниска цена. Въпреки това има малко доклади за техните ефекти на отстраняване на амонячен азот от микро-замърсена речна вода и комбинирана дъждовна-канализация в MBBR-AO съединения процес. Тази статия изследва въздействието от добавянето на различни типове MBBR био-носители (PE и PPC материали) в MBBR-AO свързан процес върху ефективността на отстраняване на амонячен азот от микро-замърсена речна вода и комбинирана дъждовна-канализация. Едновременно с това той анализира скоростта на образуване на биофилм и експлоатационния живот на различни уплътнения на био-носител MBBR, като цели да подобри специфичните методи за избор на различни уплътнения на био{19}}носител на MBBR в процеса MBBR за пречистване на отпадни води.
1. Процес на пречистване на отпадъчни води
1. 1 Данни за опаковката на потока на процеса и био-носителя
Устройството за пречистване на отпадъчни води, използвано в това проучване, е самостоятелно-проектиран биологичен реактор с кипящ слой, възприемащ MBBR-AO свързан процес. Основният технологичен поток е показан на фигура 1(a), а специфичното оборудване включва решетка, повдигаща помпа, уплътнения на био-носител MBBR, интегриран високо-ефективен резервоар за биологично отстраняване на азот, високо-ефективен резервоар за утаяване, система за аериране и т.н. Дебитът на входящия поток на реактора е 50 m³/d (приблизително 2 m³/h), ефективното хидравлично време на задържане е 5 часа, а ефективният обем на реактора е около 10 m³.
Био-носещите уплътнения на MBBR в устройството за пречистване на отпадни води са уплътнения на базата на PE-и носители на PPC гел. Опаковките на базата на PE- са във формата на пръстеновидни лъчения с размер Φ25 mm × 10 mm, 19 отвора и петоъгълни канали, със специфична повърхност от приблизително 500 m²/m³ [Фигура 1(b)]; опаковките PPC гел носител са кубични с размер Φ10 mm×10 mm×10 mm и специфична повърхност от около 5000 m²/m³ [Фигура 1(c)].
1.2 Качество на канализацията
В това проучване устройството за пречистване на отпадни води е използвано за пречистване на два типа водни тела: микро-замърсена речна вода и комбинирана дъждовна{1}}канализация. Микро-замърсената речна вода е от градска река в района на Zhejiang с ниски нива на замърсяване и нейната концентрация на амонячен азот е относително ниска, със средна масова концентрация от 5 mg/L. Комбинираната дъждовна вода-отпадъчни води беше източникът на вливане на две канализационни помпени станции (Помпена станция 1 и Помпена станция 2) на пречиствателна станция за отпадни води в Zhejiang, с относително висока концентрация на амонячен азот, варираща от 3 до 20 mg/L. Това е така, защото някои азотни оксиди във въздуха реагират с дъждовната вода, за да образуват азотна киселина или нитрати по време на периода на валежите, което е по-благоприятно за размножаването на амоня-окисляващи бактерии, което води до относително високо съдържание на амонячен азот в канализацията. Междувременно стойността на pH и на двете водни тела се поддържаше между 7 и 9.
1.3 Работни параметри на устройството за пречистване на отпадъчни води
1.2.1 Първоначален процес на образуване на биофилм
Системата за пречистване на отпадни води стартира чрез добавяне на опаковки на партиди за образуване на биофилм. Съгласно действителния флуидизиращ ефект на уплътненията в реактора, крайната обемна фракция на добавените уплътнения беше определена на 20%. По време на-процеса на стартиране суспендираната утайка в системата не беше върната, а съотношението на връщане на утайката по време на пречистването на отпадъчните води беше 1:8.
1.2.2 Контрол на работните параметри на устройството
Устройството за пречистване на отпадни води работи при стайна температура (20 градуса). Оборудването за аериране в долната част на устройството се използва за контролиране на скоростта на аериране по време на пречистване на отпадъчни води. Междувременно дебитът на входящия поток на устройството беше контролиран на 2 m³/h, а други параметри по време на пречистването на отпадъчните води останаха основно постоянни. Комбинираната дъждовна-канализация от помпена станция 1 и помпена станция 2, както и микро-замърсената речна вода, бяха избрани като входящи водни проби.
2. Резултати и дискусия
2.1 Скорост на образуване на биофилм на MBBR опаковки с различни материали
По време на-фазата на стартиране на устройството за пречистване на отпадъчни води качеството на входящата вода беше стабилно. След добавяне на опаковките на партиди, опаковките претърпяха нормално образуване и узряване на биофилм.
При едни и същи условия на работа скоростта на образуване на биофилм на опаковките на био-носители с различни материали варира значително поради присъщите им характеристики. Скоростта на образуване на биофилм на опаковки на основата на PE- е сравнително бавна, което изисква добавянето на химикали като глюкоза за затворена аерационна култура. Чрез наблюдение на работата на PE и PPC опаковки в MBBR-AO свързан процес, беше установено, че около 5 дни след добавянето на PE опаковки, тънък жълтеникаво-кафяв биофилм се появява на повърхността на носителите. След непрекъсната работа в продължение на около 1 седмица голям брой парамеции, епистил, ротифери и малко количество вихри се появиха на повърхността на носителя, което показва, че биофилмът е основно зрял и стартирането-на системата е завършено по това време. Обратно, скоростта на образуване на биофилм при PPC опаковките е по-бърза и биофилмът узрява основно за около 3 дни, докато утайката може да се адсорбира във вътрешността на опаковките. Образуването на биофилм спомага за подобряване на активността на амоня-окислителните бактерии. В сравнение с PE опаковките, голямата специфична повърхност на PPC опаковките е по-благоприятна за образуване на биофилм и микробно обездвижване. За PE опаковки от един и същи материал, третиращи различни видове отпадъчни води, ефектът на образуване на биофилм на опаковките също показва значителни разлики. Може да се види от Фигура 2(a), че има тънък светлокафяв биофилм върху повърхността на PE опаковките в микро-замърсената речна вода. Фигура 2(b) обаче показва, че слоят биофилм върху повърхността на PE опаковките в комбинираната дъждовна-канализация е фрагментиран, което показва, че ефектът на образуване на биофилм от PE опаковките в микро-замърсената речна вода е значително по-добър от този в комбинираната дъждовна-канализация. Може да се види от Фигура 2(c) и Фигура 2(d), че разликата в ефекта на образуване на биофилм от PPC опаковките в микро-замърсената речна вода и комбинираната дъждовна-канализация не е значителна.
2. 2 Капацитет за отстраняване на амонячен азот от опаковки с био-носители с различни материали
Съдържанието на амонячен азот е ключов показател за оценка на действителния ефект от пречистване на отпадъчни води от помпени станции. Следователно капацитетът за отстраняване на амонячен азот има важно практическо насочващо значение за избора на типове опаковки на био-носители в свързания процес на MBBR-AO.
2. 3 Ефект на премахване на амонячен азот от PE и PPC опаковки върху микро-замърсена речна вода по време на{-краткосрочна работа на процеса
Както е показано на Фигура 3, средните входящи масови концентрации на амонячен азот на процеса MBBR-AO, свързан с PE и PPC опаковки, бяха съответно 3,69 mg/L и 3,39 mg/L. Междувременно действителната вливаща концентрация на амонячен азот се колебае значително, което се дължи на валежите. В процеса с PE опаковки средното количество на амонячен азот и средната скорост на отстраняване на микро-замърсената речна вода са съответно 3,12 mg/L и 84,55%, което е по-високо от тези при процеса с PPC опаковки (2,56 mg/L и 75,52%). Това показва, че добавянето на PE опаковки в MBBR-AO свързан процес е по-благоприятно за отстраняването на амонячен азот от микро-замърсена речна вода в краткосрочен план (в рамките на 12 дни).
2.4 Ефект на премахване на амонячен азот от PE и PPC опаковки върху комбинирана дъждовна{0}}канализация по време на краткосрочна-операция на процеса
Както е показано на фигура 4, по време на краткосрочната (18{3}}дни) работа на процеса MBBR{4}}AO с PE уплътнения, средните входящи масови концентрации на амонячен азот в комбинираните отпадъчни води от-дъждовна вода от помпена станция 1 [фигура 4(a)] и помпена станция 2 [фигура 4(b)] бяха 7,24 mg/L и 9,35 mg/L, съответно. Когато бяха добавени PE опаковки в краткосрочен-срок (18-дни) пречистване на комбинирана дъждовна-отпадъчна вода от Помпена станция 1 и Помпена станция 2, използвайки MBBR-AO свързан процес, концентрацията на амонячен азот в отпадъчните води намаля значително. Средните количества за отстраняване на амонячен азот са 6,93 mg/L и 7,9 mg/L, със средни нива на отстраняване съответно 95,71% и 84,49%. По време на краткосрочното-(18-дни) пречистване на комбинирани дъждовни-отпадъчни води от помпена станция 1, степента на отстраняване на амонячен азот остана над 90% и достигна почти 100% на 9-ия ден. Пречистените отпадъчни води могат да бъдат по-благоприятни за растежа на прикрепени микроорганизми, като по този начин насърчават отстраняването на амонячен азот. Междувременно, по време на краткосрочното (18-дневно) третиране на комбинирана дъждовна вода-канализация от помпена станция 2, степента на отстраняване на амонячен азот остава предимно около 90%, което показва, че добавянето на PE опаковки в свързания процес MBBR-AO има силен ефект на отстраняване на амонячен азот в комбинирана дъждовна вода-канализация в краткосрочен план (18 дни).
Както е показано на Фигура 5, в MBBR-AO съчетания процес с PPC уплътнения, входящите масови концентрации на амонячен азот в комбинираната дъждовна вода-отпадни води от помпена станция 1 [Фигура 5(a)] и помпена станция 2 [Фигура 5(b)] варират съответно от 3 до 20 mg/L и 3 до 22 mg/L, с големи флуктуации. Това може да се дължи на валежи, които причиняват навлизане на азотни оксиди във въздуха в канализационната система, което води до значителни колебания в концентрацията на входящия амонячен азот. Средните входящи масови концентрации на амонячен азот в комбинираната дъждовна вода-отпадъчни води от помпена станция 1 и помпена станция 2 бяха съответно 14,76 mg/L и 13,26 mg/L. След краткосрочно -третиране (24 дни) чрез MBBR-AO съчетан процес с PPC уплътнения, концентрацията на амонячен азот в отпадъчните води намаля значително, със средни масови концентрации от само 5,32 mg/L и 6,42 mg/L. Средните количества за отстраняване на амонячен азот са 9,44 mg/L и 6,84 mg/L, а средните нива на отстраняване са съответно 63,96% и 51,58%. Това показва, че PPC уплътненията имат известен ефект върху отстраняването на амонячен азот от комбинираната дъждовна-канализация. Високата концентрация на амонячен азот в комбинираната дъждовна-канализация може да се дължи на въвеждането на други сложни компоненти в канализацията, като по този начин се възпрепятства разграждането на амонячен азот от PPC уплътненията. В сравнение с PE опаковките, PPC опаковките имат по-малки пори и по-голяма порьозност. Примесите и суспендираните частици в комбинираната дъждовна-канализация могат да блокират порите на PPC опаковките, което води до агломерация вътре в опаковките и по този начин намалява ефективността на отстраняване на амонячен азот. Междувременно предишни проучвания са установили, че биофилмите, по-малки от 1 mm, могат да причинят запушване на порите вътре в опаковките. Въпреки че биофилмите могат да ускорят вътрешното блокиране на опаковките, те не са основният фактор.
По време на краткосрочната-работа на свързания процес MBBR-AO, средните нива на отстраняване на амонячен азот от PE опаковки за комбинирана дъждовна{2}}канализация (95,71% за помпена станция 1 и 84,49% за помпена станция 2) бяха малко по-високи от тези за микро-замърсена речна вода (84,55%). Обратно, средните нива на отстраняване на амонячен азот от PPC опаковки за комбинирана дъждовна{10}}канализация (63,96% за помпена станция 1 и 51,58% за помпена станция 2) са малко по-ниски от тези за микро-замърсена речна вода (75,52%). За PE опаковките, в сравнение с микро-замърсената речна вода, ниската концентрация на разтворен кислород в комбинираната дъждовна-канализация е по-благоприятна за едновременната нитрификация и денитрификация на микроорганизми върху PE опаковките за отстраняване на азот. По време на образуването на биофилм на PPC опаковките, утайката се адсорбира във вътрешността на опаковките, което води до повишаване на концентрацията на разтворен кислород, което не е благоприятно за едновременната нитрификация и денитрификация на вътрешни микроорганизми, което води до намаляване на скоростите на отстраняване на амонячен азот както в комбинираната дъждовна{21}}канализация, така и в микро-замърсената речна вода.
В обобщение, добавянето на PE опаковки е по-благоприятно за разграждането на амонячен азот в комбинираната дъждовна{0}}канализация чрез MBBR-AO свързан процес в краткосрочен план.
Ефект на премахване на амонячен азот от PE и PPC опаковки върху комбинирана дъждовна{0}}канализация по време на дългосрочна-работа на процеса
Както е показано на Фигура 6, по време на дългосрочната- (96-дни) работа на процеса MBBR-AO, свързан с PE опаковки, входящите масови концентрации на амонячен азот в комбинираната дъждовна{17}}канализация от помпена станция 1 [Фигура 6(a)] и помпена станция 2 [Фигура 6(b)] варират от 2 до 25 mg/L и съответно 3 до 35 mg/L, с големи колебания. Средните входящи масови концентрации на амонячен азот бяха съответно 10,20 mg/L и 8,93 mg/L. След третиране чрез комбинирания процес MBBR-AO, средните масови концентрации на амонячен азот в отпадъчните води намаляват до 2,93 mg/L и 2,67 mg/L, със средни отстранени количества от 7,27 mg/L и 6,26 mg/L и средни скорости на отстраняване съответно от 71,27% и 70,10%. Няма значителна разлика в разграждането на амонячен азот в комбинираната дъждовна{28}}канализация от помпена станция 1 и помпена станция 2 чрез добавяне на PE уплътнения по време на дългосрочната- (96-дни) работа на MBBR-AO съединения процес и нивата на отстраняване на амонячен азот се поддържат на около 74%. Това показва, че добавянето на PE уплътнения в MBBR-AO съединения процес има добър ефект на премахване на амонячен азот в комбинираната дъждовна{38}}канализация по време на дългосрочна-срочна (96-дни) работа. Когато комбинираният процес MBBR-AO с PE опаковки работи в по-късния етап (84-96 дни), независимо дали вливането е комбинирана дъждовна вода-отпадни води от помпена станция 1 или помпена станция 2, концентрацията на амонячен азот в отпадъчните води се повишава значително и степента на отстраняване на амонячен азот е значително по-ниска от скоростта на отстраняване от почти 90% в ранния етап на операцията на процеса. Това е така, защото след продължителна употреба, самите PE опаковки се повреждат и остаряват, а грапавостта на повърхността на опаковките се променя, което води до намаляване на експлоатационната якост и капацитета за отстраняване на амонячен азот.
Фигура 7 показва промените в концентрацията на входящия амонячен азот, концентрацията на изтичащ амонячен азот, количеството на отстранения амонячен азот и скоростта на отстраняване на амонячен азот по време на дългосрочната-работа на процеса MBBR-AO, свързан с PPC уплътнения. Масовите концентрации на входящия амонячен азот в комбинираната дъждовна-канализация от помпена станция 1 [Фигура 7(a)] и помпена станция 2 [Фигура 7(b)] варират от 3 до 35 mg/L, със средни входящи масови концентрации на амонячен азот от 10,96 mg/L и 8,10 mg/L, съответно. След третиране чрез комбинирания процес MBBR-AO, средните масови концентрации на амонячен азот в отпадъчните води намаляват до 3,96 mg/L и 3,39 mg/L, със средни отстранени количества от 7,00 mg/L и 4,71 mg/L и средни скорости на отстраняване съответно от 63,87% и 58,15%. По време на дългосрочната-работа на MBBR-AO съединения процес, добавянето на PPC уплътнения имаше малко по-добър ефект на разграждане на амонячен азот в комбинираната дъждовна-канализация от помпена станция 1, отколкото тази от помпена станция 2, но разликата не беше значителна. Това показва, че добавянето на PPC уплътнения в свързания процес MBBR-AO има известен ефект на премахване на амонячен азот в комбинираната дъждовна{29}}канализация по време на дългосрочна-експлоатация. Степента на отстраняване на амонячен азот при MBBR-AO съчетания процес с PPC уплътнения по време на дългосрочна-работа е по-висока от тази по време на краткосрочна-операция. Това е така, защото по време на дългосрочна-работа утайката се натрупва вътре в опаковките на PPC, образувайки локална анаеробна или аноксична среда, която осигурява подходяща жизнена среда за жизнените дейности на нитрифициращите бактерии. Нитрифициращите бактерии се размножават бързо и скоростта на локалната реакция се ускорява
В обобщение, добавянето на PE опаковки е по-благоприятно за разграждането на амонячен азот в комбинираната дъждовна{0}}канализация чрез MBBR-AO съединения процес по време на дългосрочна-работа. Междувременно PE опаковките трябва да бъдат сменени или почистени своевременно след дългосрочна-трайна употреба, за да се гарантира, че амонячният азот в канализацията все още може да бъде ефективно отстранен по време на дългосрочната-работа на MBBR-AO съединения процес.
Експлоатационен живот на опаковки за био{0}}носители с различни материали
В сравнение с PPC уплътненията, PE уплътненията имат по-дълъг експлоатационен живот по време на дългосрочното-третиране на микро-замърсена речна вода и комбинирана дъждовна{2}}канализация чрез свързания процес MBBR-AO. Както е показано на Фигура 8(a), PPC уплътненията претърпяват шлака и повреда по време на процеса на пречистване на отпадъчни води от свързания процес MBBR-AO. Междувременно стареене и агломерация настъпват вътре в опаковките след дългосрочна-работа [Фигури 8(b) и 8(c)]. PPC уплътненията имат лоша пропускливост на утайки. Въпреки че подобните на гъба PPC опаковки имат голяма специфична повърхност, техните вътрешни пори лесно се адсорбират от утайки и трудно изтичат. Дългосрочното-натрупване на утайка вътре в опаковките води до образуване на анаеробна или аноксична среда, което води до постепенна промяна на цвета на опаковките от кафяво към черно. Това води до проблеми като шлака, счупване, стареене и агломерация на PPC уплътненията по време на дългосрочна-експлоатация, като по този начин съкращава техния експлоатационен живот. Това е и основният фактор за слабия ефект на PPC опаковките при отстраняване на амонячен азот от комбинираната дъждовна{19}}канализация [Фигури 5(a) и 5(b)]. За разлика от това, PE уплътненията по същество нямаха горните проблеми по време на дългосрочното-третиране на отпадъчни води чрез MBBR-AO съединения процес, с по-добра издръжливост и по-дълъг експлоатационен живот. Разумната конфигурация на носителя може ефективно да буферира въздействието на водния поток върху биофилма, позволявайки на биофилма да расте стабилно, без да бъде повреден.
Изводи
В това проучване опаковките от PE био-носещи опаковки и PPC опаковките бяха добавени по време на процеса на пречистване на отпадни води на свързания процес MBBR-AO. Бяха изследвани ефектите на опаковъчните материали върху разграждането на амонячен азот в микро-замърсена речна вода и комбинирана дъждовна-канализация, както и скоростта на образуване на микробен биофилм и експлоатационния живот на опаковките с различни материали. В сравнение с PPC опаковките, PE опаковките имат по-бавна скорост на образуване на биофилм, но по-дълъг експлоатационен живот. Междувременно, независимо дали се използват за дългосрочно-или краткосрочно-третиране на микро-замърсена речна вода и комбинирана дъждовна-канализация чрез MBBR-AO свързан процес, PE опаковките проявяват по-добри ефекти на разграждане върху амонячния азот. Резултатите от изследването осигуряват техническа подкрепа за избора на опаковъчни материали в процесите на пречистване на отпадъчни води.