ВЪВЕДЕНИЕ
Ускоряването на урбанизацията направи проблемите със замърсяването все по-важни, сред които градската канализация се превърна в основен проблем. Отпадъчните води, генерирани от промишленото производство и ежедневния живот, не само замърсяват сериозно реките и водоизточниците, но също така представляват голяма заплаха за човешкото здраве и екологичната среда. Следователно подобряването на качеството на пречистването на градските отпадъчни води, за да се гарантира здравословното развитие на градовете, се превърна в неотложен проблем за решаване.
Традиционните методи за химическо третиране, ако се използват неправилно, могат лесно да причинят вторично замърсяване и да променят естествената структура на незамърсените водни тела. За разлика от това, технологията за биоаугментация, базирана на биофилм, като нововъзникващо средство за пречистване на градските отпадъчни води, показва уникални предимства. Тази технология може не само да избегне вторично замърсяване, но също така има характеристиките на проста работа и обработка в реално време. По-важното е, че технологията за биоаугментация е по-малко засегната от концентрацията на замърсители и солеността, като поддържа висока активност дори при неблагоприятни условия и не причинява пренос на замърсители при третиране на токсични отпадъчни води.
Въпреки това, действителният ефект на третиране на биофилма се влияе от много фактори, сред които видът на носителя е един от ключовите фактори. Различните носители имат различен ефект върху растежа и ефективността на биофилма. Следователно изборът на подходящи носители е от решаващо значение за подобряване на ефективността на технологията за биоаугментация при третиране на замърсяването на водата. За тази цел този документ провежда задълбочен анализ и изследване на метода за третиране с биоаугментация за замърсяване на градската вода в инженерството за опазване на околната среда чрез експерименти, целящи да намерят най-добрия тип носител и работни условия и да осигурят по-ефективна техническа поддръжка за третиране на замърсяването на градската вода.
1 ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ МАТЕРИАЛИ И МЕТОДИ
1.1 Експериментална настройка
Експериментът използва плексигласов реактор с биофилм с размери 20 cm x 50 cm и ефективен обем 6,85 L. Устройството за аериране беше помпа за увеличаване на кислорода, чиято основна функция беше да доставя кислород на микроорганизмите и да осигурява достатъчно суспензия на суспендираните носители. По време на 3-часов период на периодично аериране се използва бъркалка за пълно смесване на твърдата течност (микробни носители и канализация). Реакционната температура се контролира на 28 ± 1 градуса с помощта на устройство за контрол на температурата. Цялостната експериментална настройка е показана на фигура 1.
Както е показано на Фигура 1, реакторите (а) и (b) са инокулирани със седимент, като носителите са съответно окачени носители и еластични носители; реактори (c) и (d) бяха инокулирани с активна утайка, като носителите бяха съответно окачени носители и еластични носители. Работните параметри на четирите реактора (a)~(d) бяха основно еднакви. Режимът на работа беше 3 h + 3 h периодична аерация с постепенно нарастващ интензитет на аерация и периодично изхвърляне на утайки. Скоростта на аериране беше 3 L/min за дни 1–2, 2 L/min за дни 3–9 и 3 L/min след ден 9. Методът за закрепване на биофилма беше пълно изпразване след 2 дни периодична работа.
1.2 Експериментални материали
1.2.1 Конфигурация на микробни носители
Конфигурация на еластичен носител: Експериментът използва устойчиво на корозия централно въже с диаметър 4 mm串联 около 600 нишковидни вещества, изработени от полиетилен с висока плътност, като еластичен носител, който беше фиксиран в горната част на реактора за биофилм и висеше естествено. Височината на запълване на този носител беше 26 mm, диаметър на нишката 10 mm, маса 0,978 g/cm³, специфична повърхност 500 m²/cm⁻³, порьозност над 95% и коефициент на запълване 60%.
Конфигурация на суспендиран носител: Суспендираните носители бяха гранулирани вещества, направени от поливинилхлорид, около 260 частици, които бяха във флуидизирано състояние по време на аериране. Диаметърът на носителя беше 150 mm, диаметър на частиците 0,5 mm, маса 100 g/cm³, специфична повърхност 311 m²/cm⁻³, порьозност по-голяма от 99% и коефициент на запълване 60%.
1.2.2 Приготвяне на експериментална вода
Експерименталната вода е приготвена въз основа на качеството на водата на река Михе в град Вейфан, провинция Шандонг. Бяха добавени често срещани замърсители във водата на река Михе, като KNO3, NH4Cl, C₆H₁₂O₆ и NaNO₂. Температурата на водата се контролира при 7,8 градуса –31,8 градуса, pH при 7,01–8,66, DO при 6,46–11,35 mg/L, NH₄⁺-N при 0,35–6,51 mg/L и COD при 102–273 mg/L. Микроелементи като Cu²⁺, Mg²⁺ и Mn²⁺ също бяха добавени, за да осигурят добра жизнена среда за микроорганизмите. След добавянето концентрациите бяха: CuSO4·5H2O 9,68 ug/L, MgSO4 15,2 ug/L, MnCl2·4H2O 211 ug/L, FeCl3 5,88 ug/L, ZnSO4·7H2O 9,49 ug/L, CoCl2·6H2O 3,85 ug/L.
1.2.3 Експериментална инокулирана утайка
Инокулираната утайка е взета от калта на река Михе в град Уейфанг, провинция Шандонг, а инокулираната активирана утайка е взета от резервоара за аерация на пречиствателна станция за отпадни води в град Уейфанг. Инокулираният седимент се промива с дестилирана вода и се филтрува през 0,45 mm сито от неръждаема стомана. Утайката и активната утайка бяха съответно положени на дъното на реактора за биофилм в съотношение 1:10.
1.3 Методи за анализ
1.3.1 Методи за анализ на индикатора за качеството на водата
Всички методи за анализ на индикатора за качеството на водата в експеримента следваха национални стандартни методи. Крайната стойност на всеки индикатор е средната от три експеримента. Конкретните процедури за измерване са както следва:
pH, DO, T:Измерено с помощта на уред за измерване на разтворен кислород Mettler-Toledo. Конкретните стъпки бяха: уверете се, че измервателният уред е в добро работно състояние; измерване на pH; измерване на разтворения кислород (DO); измерване на температура (Т).
NH4⁺-N:Измерено с колориметричния метод на Nessler. Стъпките бяха: добавете подходящо количество разтвор на натриев хидроксид към водната проба, за да превърнете NH4⁺ в NH3. Обикновено се добавят 0,2 g NaOH на 10 mL водна проба. Добавете реагента на Неслер на капки към пробата от третирана вода, за да реагира с генерирания NH3, за да образува жълта утайка. Изчакайте 15–30 минути за пълно образуване на утайка. Колкото по-високо е съдържанието на NH4⁺-N, толкова по-тъмен е цветът на разтвора. Изчислете концентрацията на NH₄⁺-N въз основа на колориметричните резултати или показанията на абсорбцията.
COD:Измерено чрез метода на бързо храносмилане. Стъпките бяха: добавете подходящо количество от водната проба в колба за смилане и добавете подходящо количество перхлорна киселина и сярна киселина, за да постигнете киселинно смилане на пробата. Уверете се, че рН на пробата е под 2. Топлинно смилане: поставете колбата за смилане във водна баня с постоянна температура или шейкър нагревател, загрейте до кипене и поддържайте за определен период (обикновено 2 часа). Охладете колбата за смилане до стайна температура. Добавете индикатор: добавете малко количество сребърен сулфид като индикатор, за да абсорбирате останалата хлорна киселина. Титруване: използвайте Rhodamine B за титруване. Добавете родамин Б на капки към пробата, докато цветът се промени от розово на жълто-зелено. Изчислете концентрацията на COD.
1.3.2 Метод за анализ на характеристиките на биофилма
Количеството на биофилма се определя от метода на пълнене. Съдържанието на полизахариди и протеиновото съдържание се определят чрез метода на дестилация на азотна киселина и метода Coomassie Brilliant Blue, като се използва съответно говежди серумен албумин като стандарт. Сумата от двете беше съдържанието на EPS. Съдържанието на EPS се използва като индикатор за анализ на характеристиките на биофилма. Експериментът анализира главно ролята на EPS в агрегацията на микробните клетки. Пробите от биофилм преди и след отстраняването на EPS бяха претеглени и беше добавен 0,9% разтвор на NaCl за приготвяне на суспензия. Стойността на OD600 на суспензията се коригира до 0,6 на спектрофотометър. Подходящо количество от суспензията се поставя в 5 mL центрофужна епруветка и 3 mL от супернатантата се вземат на всеки 1 час за измерване на OD6₀0. Процентът на агрегация на микробни клетки в момент t се изчислява съгласно формулата.
Процесът на агрегиране следва кинетично уравнение от първи ред.
2 РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИЯ
2.1 Анализ на качеството на отпадъчните води по време на стартиране на закрепване на биофилм с различни носители
Съгласно работните параметри, реакторите бяха стартирани и концентрациите на NH4⁺-N и COD в отпадъчните води бяха тествани съгласно процедурите за сравняване на ефективността на отстраняване на NH4⁺-N и COD с различни източници на инокулация и различни носители.
От фигура 2 (а) може да се види, че според ефективността на отстраняване на NH4⁺-N, процесът на стартиране на прикрепването на биофилма е разделен на три етапа: адаптация, бърз растеж и стабилизиране. По време на процеса на стартиране ефективността на закрепване на биофилма на суспендирани и еластични носители, инокулирани с активна утайка, беше по-добра от тази на носители, инокулирани със седимент. Сред тях, реактор (b) постигна успешно закрепване на биофилма на 12-ия ден, докато реактор (a) беше малко по-бавен. Поради своите структурни предимства, еластичният носител изисква по-кратко време за закрепване на биофилма, докато окаченият носител, поради своя материал, е по-податлив на отделяне на биофилма, намалявайки ефективността на закрепване. Това показва, че изобилието от активни микроорганизми в активната утайка е подобрило началната ефективност на прикрепването на биофилма.
От фигура 2(b) може да се види, че скоростите на отстраняване на COD от реакторите (a)~(d) първо се увеличават и след това се стабилизират. Сред тях, реактор (b) достигна 80% отстраняване по-бързо от (a), докато и двата (c) и (d) се стабилизираха над 80% на ден 9. Това е така, защото силният адсорбционен капацитет и омрежената мрежова структура на еластичния носител увеличиха контактната площ между микроорганизмите и канализацията, подобрявайки ефективността на улавяне на органична материя. В допълнение, адхезивността и богатството на активната утайка също подобряват отстраняването на COD.
2.2 Анализ на влиянието на различни фактори върху ефективността на биофилма
Въз основа на горните резултати от анализа, биофилмът, образуван от реактор (d) (инокулиран с активна утайка и еластичен носител), който има най-добър ефект на отстраняване на замърсителите, беше избран като биофилм за последващи експерименти за по-нататъшен анализ на влиянието на различни фактори върху ефективността на биофилма. Резултатите са показани на фигура 3.
2.2.1 НАПРАВЕТЕ
Експерименталната температура на водата беше зададена на 26 градуса –28 градуса, pH 6,8–7,2 и скорост на водния поток 7,8–8,1 L/min. Скоростите на отстраняване на NH4⁺-N и COD бяха сравнени, тъй като концентрацията на DO се увеличи от 1,5 mg/L на 4,5 mg/L, както е показано на Фигура 3(a).
От Фигура 3(a) може да се види, че с увеличаването на концентрацията на DO се увеличават нивата на отстраняване на NH4⁺-N и COD. Когато DO беше 1,5 mg/L, нивата на отстраняване на NH4⁺-N и COD бяха съответно около 34% и 48%. По това време водното тяло е било в аноксично състояние, с недостатъчен пренос на кислород към биофилма, което затруднява растежа на нитрифициращите бактерии, което води до ниски нива на отстраняване. След това, когато DO се увеличи до 3,5 mg/L, и двете скорости на отстраняване се увеличиха значително и след това промяната постепенно се изравнява. Тоест, след като DO надхвърли 3,5 mg/L, DO вече не е ключов фактор, влияещ върху отстраняването на NH4⁺-N и COD.
2.2.2 pH
Експерименталната температура на водата беше настроена на 26 градуса –28 градуса, скорост на водния поток 7,8–8,1 L/min и HCl и NaHCO3 бяха използвани за регулиране на pH. Скоростите на отстраняване на NH4⁺-N и COD бяха сравнени, когато рН се увеличи от 6 на 9. Може да се види, че с повишаването на pH, скоростите на отстраняване на NH4⁺-N и COD първо се увеличиха и след това намаляха, като и двете достигнаха максимум при pH 7. pH значително влияе върху нитрифициращите бактерии. Оптималното pH за растеж на нитрифициращи бактерии е 7,5–8,0, а тяхната активност е най-силна при pH 7,0–7,8. Извън този диапазон, тяхната активност спада рязко, което води до намаляване на нивата на отстраняване на NH4⁺-N и COD, в съответствие с фигурата.
2.2.3 Скорост на водния поток
Експерименталната температура на водата беше зададена на 26 градуса –28 градуса, pH 6,8–7,2, DO 3,5–4,5 mg/L. Скоростите на отстраняване на NH4⁺-N и COD бяха сравнени, тъй като скоростта на водния поток се увеличи от 6,5 L/min на 9,5 L/min. Може да се види, че преди скоростта на потока да достигне 8,0 L/min, скоростите на отстраняване се увеличават с увеличаване на скоростта на потока, достигайки максимум при 8,0 L/min, и след това започват да намаляват. Това е така, защото подходящата скорост на потока насърчава движението на водата, ускорявайки транспортирането на вещества и кислород в биофилма, но прекалено високата скорост на потока въздейства върху биофилма, причинявайки известна загуба на биофилм, като по този начин засяга ефективността на обработката.
2.2.4 COD Натоварване
The experimental water temperature was set at 26℃–28℃, DO 3.5 mg/L, pH 7, water flow velocity 8 L/min. The NH₄⁺-N and COD removal rates were compared as the COD load increased from 15 g/m²·d to 30 g/m²·d. It can be seen that when the COD load increased from 15 g/m²·d to 30 g/m²·d, the removal rates increased rapidly and then gradually stabilized, reaching a maximum at a COD load of 25 g/m²·d. At this point, the NH₄⁺-N removal rate was close to 90%, and the COD removal rate exceeded 90%. When the COD load exceeded 25 g/m²·d, further increasing the load did not significantly change the removal rates. The optimal COD load for the biofilm used in the experiment was 25 g/m²·d.
2.2.5 Влиятелно съотношение C/N
Експерименталната температура на водата беше зададена на 26 градуса –28 градуса, DO 3,5 mg/L, pH 7, скорост на водния поток 8 L/min. Скоростите на отстраняване на NH4⁺-N и COD бяха сравнени при влиятелни съотношения C/N от 5,3, 10,2 и 14,6, като резултатите са показани на фигура 3(e).
От Фигура 3(e) може да се види, че когато съотношението C/N на потока е 5,3, биофилмът постига добра степен на отстраняване на NH4⁺-N от 90%, но степента на отстраняване на COD е ниска. Това е така, защото ниското съотношение C/N благоприятства растежа на автотрофни нитрифициращи бактерии, което ги кара да се конкурират по-силно за хранителни вещества и DO, отколкото хетеротрофните нитрифициращи бактерии, което води до дисбаланс между хетеротрофните и автотрофните нитрифициращи бактерии, което води до лошо отстраняване на COD. Когато влиятелното съотношение C/N беше 10,2, биофилмът постигна относително високи скорости на отстраняване както за NH4⁺-N, така и за COD, тъй като при това условие хетеротрофните и автотрофните нитрифициращи бактерии растат в баланс и ефективността на пречистване на биофилма беше висока. Когато входящото съотношение C/N беше 14,6, степента на отстраняване на COD беше висока, надвишаваща 90%, но степента на отстраняване на NH4⁺-N спадна рязко до само около 65%. Следователно, когато се избира съотношението C/N на потока, трябва да се вземат предвид както ефективността на отстраняване на NH4⁺-N, така и COD.
3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
За да се подобри ефектът от третирането на замърсяването на водата, беше предложен метод за биоаугментация на третиране на замърсяването на градската вода, базиран на биофилм. Беше конструиран реактор за биофилм, за да се сравни стартовата производителност на закрепването на биофилма с различни източници на инокулация и различни носители, както и ефектите на DO, pH, скоростта на водния поток, COD натоварването и влиятелното съотношение C/N върху ефективността на пречистване на отпадъчни води на биофилма. Анализът показа, че еластичният носещ биофилм, инокулиран с активна утайка, има по-високи нива на отстраняване на NH4⁺-N и COD, постигайки по-добра ефективност на обработката. Освен това, когато концентрацията на DO се поддържа при 3,5 mg/L, pH се контролира в подходящия диапазон от 7,0 до 7,8, скоростта на водния поток е стабилизирана на 8,0 L/min, COD натоварване при 25 g/m²·d и съотношението C/N на инфузията е коригирано на 10,2, биофилмът показва оптимален ефект на отстраняване на замърсителите. В обобщение, методът за биоаугментация на третиране на замърсяването на градската вода, базиран на биофилм, показва значителни предимства и потенциал. Генерирането на биофилм, съобразен с местните условия за пречистване на замърсяването на градската вода, дава идеи за подобряване на замърсяването на градската вода и поддържане на градския екологичен баланс.