Ефект на A2O-MBBR + комбиниран процес на изградени влажни зони за пречистване на битови отпадъчни води в селските райони

Ефект на A2O-MBBR + CWs комбинирана технология за пречистване на битови отпадъчни води в селските райони

През последните години държавата активно насърчава стратегията за развитие на съживяването на селските райони, като се фокусира върху подобряването на жизнената среда и поставя по-високи изисквания към пречистването на битови отпадъчни води в селските райони. Понастоящем основните процеси за пречистване на битови отпадъчни води в селските райони включват биологични методи, екологични методи и комбинирани процеси, повечето от които произхождат от пречистването на градските отпадъчни води. Въпреки това, селските райони се характеризират с разпръснато население, което води до множество проблеми като голямо разпръскване на отпадъчни води, трудности при събирането, малък мащаб на пречистване, ниски нива на използване на ресурсите и недостатъчни пречиствателни съоръжения. Освен това съществуват значителни разлики в качеството и количеството на отпадъчните води, географското местоположение, климата и икономическите нива в различните региони, което затруднява стандартизирането на технологиите за пречистване; простото приемане на градски технологии за пречистване на отпадъчни води не е възможно. Инфраструктурата за събиране на отпадъчни води, като канализационните мрежи, често е неадекватна в селските райони. Събирането на отпадъчни води лесно се влияе от комбинирани канализационни преливания и инфилтрация на подземни води, което води до ниска органична концентрация в отпадъчните води и повишена трудност за биологично отстраняване на азот. Големите колебания в качеството и количеството на отпадъчните води в селските райони затрудняват поддържането на стабилна концентрация на биомаса в пречиствателните съоръжения. Освен това ниските зимни температури ограничават капацитета за биологично третиране, което води до ниска ефективност и нестабилно качество на отпадъчните води, склонни към превишаване на стандартите в традиционните процеси на активна утайка. Следователно има спешна необходимост от разработване на технологии за пречистване на отпадъчни води, подходящи за местните условия, със силна устойчивост на ударни натоварвания, стабилна дългосрочна-работа, ниска консумация на енергия и висока ефективност на пречистване.

Селските райони в Китай са склонни да предпочитат ниско{0}}разходни,-лесни-за-управление технологии за пречистване на битови отпадъчни води, като комбинираните биологични и екологични процеси са основна изследователска насока. Понастоящем широко използваното интегрирано пакетирано оборудване за пречистване на отпадъчни води в селските райони използва главно процеси като анаеробни-аноксични-кислородни (A2O) и биофилмов реактор с подвижно легло (MBBR). Проучванията показват, че процесът MBBR разчита повече на дизайна на съоръжението, отколкото на прецизния оперативен контрол, като не изисква професионален технически персонал за регулиране, което го прави удобен за работа и поддръжка. Това е по-подходящо за практическите нужди от пречистване на битови отпадъчни води в селските райони, където техническият персонал е оскъден. Неговите предимства включват висока концентрация на биомаса, силна устойчивост на ударни натоварвания, висока ефективност на обработка и малък отпечатък. Изследване на Luo Jiawen и др. показва, че добавянето на MBBR среда към процеса A2O може значително да подобри неговия капацитет за пречистване на отпадъчни води. Zhou Zhengbing et al., в действителен проект за битови отпадъчни води в селските райони, проектираха дву-етапен анаеробен/аноксичен-комбиниран процес с биологичен аериран филтър, постигайки стабилно качество на отпадъчните води, отговарящо на стандарта от клас А на GB 18918-2002 „Стандарт за заустване на замърсители за общински пречиствателни станции за отпадъчни води“. Освен това изградените влажни зони (CW) често се използват за пречистване на битови отпадъчни води в селските райони. Например Zhang Yang et al. са използвали биовъглен като пълнител за модифициране на изградена влажна зона, откривайки, че нивата на отстраняване за TN, TP и COD могат да достигнат съответно 99,41%, 91,40% и 85,09%. Предишни изследвания от нашата група също показаха, че пълнителят с биовъглен за утайки може да подобри ефективността на отстраняване на азот и фосфор от изградени влажни зони, като подобри ефективността и ефективността на обработката на цялостната система и направи системата по-устойчива на шокови натоварвания. Въз основа на горното изследване, за да проучи комбинирана технология, подходяща за пречистване на битови отпадъчни води в селските райони и да се справи с предизвикателства като трудност при поддържане на стабилна концентрация на биомаса, слаба устойчивост на шокови натоварвания и качество на отпадъчните води, податливо на колебания и превишаване на стандартите в съоръженията за пречистване на селски отпадъчни води, авторът постави процес A2O-MBBR в началото, като го напълни със суспендирани носители на биофилм, за да създаде интегриран среда с фиксиран-филм с активирана утайка (IFAS), повишавайки концентрацията на утайката в системата и подобрявайки ефективността на обработката. Като се има предвид екологичното използване на налична неизползвана земя като езера и депресии в селските райони и комбинирането на изградени влажни зони като процес на полираща обработка, бяха използвани методи като използване на пълнител с биовъглен от утайки, рециркулираща нитрифицирана течност и засаждане на потопени растения, за да се подобри оперативната стабилност на композитната влажна зона. Така беше конструиран комбиниран процес A2O-MBBR + CWs.

В това проучване, използвайки необработена отпадъчна вода от селска пречиствателна станция за отпадъчни води в Хефей като обект за пречистване, беше конструирана пилотна-мащабна експериментална настройка на комбинирания процес A2O-MBBR + CWs. Изследвано е влиянието на сезонните промени в температурата на водата върху ефективността на нейното пречистване. Индикаторите за замърсители във входящия и отпадъчния поток бяха наблюдавани по време на работа, за да се проучи ефективността на отстраняването и експлоатационната стабилност. Едновременно с това беше анализирана икономическата осъществимост на процеса. Целта е да се осигурят референтни данни и основа за прилагането на A2O + конструирана комбинирана технология за влажни зони в проекти за пречистване на битови отпадъчни води в селските райони в Китай и да се предложат референции за насърчаване на пречистването на битови отпадъчни води и изграждане на красиви, екологично обитаеми села в селските райони.

1. Експериментална постановка и методи на изследване

1.1 Комбиниран процес

Експериментът с комбиниран процес A2O-MBBR + CWs възприема серия от операции на A2O модул, въглерод-базирана подповърхностна влажна зона и екологично езерце. Устройството A2O се състоеше от анаеробен-аноксичен контактен резервоар и аеробен мембранен резервоар (MBBR). Както преградният анаеробен резервоар, така и зоната за аериране на аеробния MBBR резервоар бяха напълнени със суспендирана среда за носител на биофилм, за да се осигурят повърхности за закрепване на микроорганизми за образуване на биофилми. Активната утайка и биофилмът в резервоарите съществуват едновременно, образувайки система IFAS, която може стабилно да поддържа биомасата на системата. Обърканият аноксичен резервоар подобри процеса на денитрификация чрез рециркулация на нитрифицирана течност. Аеробният MBBR резервоар имаше система за аериране на дъното, за да подобри ефективността на нитрификация. Порт за дозиране на полиалуминиев хлорид (PAC) беше поставен вътре в резервоара за допълнително химическо отстраняване на фосфора, което позволява ефективно отстраняване на фосфора. Модулът CWs включваше въглерод-базирана подповърхностна влажна зона и потопено растително екологично езерце. Базираната на въглерод-подземен поток влажна зона използва три-степенна система за филтриране на пълнителя. Аериращите дискове бяха монтирани в долната част на зоната за пълнене за обратно промиване на средата за смекчаване на запушването. Екологичното езерце с потопени растения имаше варовиков субстратен слой на дъното и беше засадено с студоустойчиви потопени растения Vallisneria natans и Potamogeton crispus. Инсталацията беше поставена на открито. В екологичното езерце е монтиран термометър за следене на сезонните промени в температурата на водата. Подробният процес на комбинирания процес A2O-MBBR + CWs е показан вФигура 1.

1.2 Дизайн на настройката и работни параметри

Експерименталната инсталация е конструирана с помощта на полипропиленови плочи с дебелина 10 mm. Анаеробният резервоар с прегради беше пълен с квадратна среда за носител на биофилм и съдържаше преградни плочи. Съотношението на рециркулация на смесена течност за аноксичния резервоар с прегради беше 50%~150% и той също така съдържаше преградни плочи. Аеробният MBBR резервоар беше разделен от преграда на зона за аеробна аерация и зона за утаяване. Зоната на аериране беше запълнена с MBBR суспендирана носеща среда със съотношение въздух-към-вода 6:1~10:1. Седиментационната зона имаше отвор за дозиране на PAC и наклонени плочи за подпомагане на утаяването. Влажната зона на подповърхностния поток на базата на въглерод-: първичната зона на пълнител беше запълнена с варовик (диаметър ~5 cm), зоната на вторичния пълнител със зеолит (диаметър ~3 cm), а зоната на третичния пълнител с пълнител с биовъглен от утайки (диаметър ~0,5~1,0 cm). Височината на пълнителя за всяка зона беше 75 cm. Между първичната и вторичната зона за пълнене беше зададена междина зона с ширина около 4 cm за функции като добавяне на външни източници на въглерод, наблюдение и поддръжка/изпразване (по време на този експеримент не беше добавен източник на въглерод). Потопеното растително екологично езерце беше напълнено с варовиков пълнител (диаметър ~ 3 cm) на височина 20 cm. Потопените растения бяха засадени на разстояние между редовете 10 cm и разстояние между растенията 10 cm. Експериментът използва сурови отпадъчни води от селска пречиствателна станция за отпадъчни води в Хефей като влиятелен. Експерименталният период е от 25 май 2022 г. до 17 януари 2023 г., общо 239 дни. Потопените растения бяха събрани веднъж на 2 декември, с честота приблизително веднъж на всеки 6 месеца. Проектираният капацитет за пречистване на отпадъчни води беше 50~210 L/d. Подробните проектни параметри на инсталацията са показани вТаблица 1.

1.3 Експериментални методи

1.3.1 Експериментален дизайн

1.3.1.1 Тест за оптимален капацитет за пречистване на отпадъчни води

След успешна пробна експлоатация на експерименталната инсталация (стабилно качество на отпадъчните води), тестът за оптимален капацитет за пречистване на отпадъчни води беше проведен от 25 май 2022 г. до 30 юни 2022 г. При условия на поддържане на съотношение въздух-към-вода в аеробния резервоар 6:1, съотношение на рециркулация на нитрифицирана течност 100% и използване на PAC (съдържание на Al2O3 28%) около 3,7 g/d, капацитетът за пречистване на отпадъчни води на инсталацията постепенно се увеличава (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). Промените в качеството на отпадъчните води бяха наблюдавани, за да се проучи оптималният капацитет за пречистване на отпадъчните води на инсталацията. През този период температурата на водата варира между 24,5~27,1 градуса. За да се осигури стабилно съответствие на отпадъчните води през зимата, приетият стандарт за отпадъчни води беше стандарт от степен A на GB 18918-2002 „Стандарт за изхвърляне на замърсители за общински пречиствателни станции за отпадъчни води“.

1.3.1.2 Тест за цялостна ефективност на комбинирания процес

Тестовият период беше от 1 юли 2022 г. до 17 януари 2023 г. Оптималният капацитет за пречистване на отпадъчни води беше определен на 120 L/d. Съотношението въздух-към-вода в аеробния резервоар беше 6:1~10:1, а съотношението на рециркулация на смесената течност беше 50%~150%. Индикатори за качество на входящата и изходящата вода (TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N и COD) от всяка технологична единица бяха наблюдавани. Бяха записани промени в температурата на водата по време на тестовия период (повлияни от сезонния климат). Ефективността на пречистване на комбинирания процес A2O-MBBR + CWs за ​​селски битови отпадъчни води беше анализирана и беше изследвано влиянието на сезонните температурни промени на водата върху ефективността на комбинирания процес.

1.3.2 Вземане на проби

По време на тестовия период нередовно са вземани проби (приблизително 1~2 пъти седмично) за изследване на качеството на водата. Бяха събрани проби от входящия поток от инсталацията, отпадъчни води от анаеробен-аноксичен резервоар, отпадъчни води от аеробни MBBR резервоари, отпадъчни води от подповърхностни влажни зони на основата на въглерод-и отпадъчни води от потопени растителни екологични езера. Бяха взети проби от входящата вода от входната тръба на инсталацията и проби от отпадъчните води от изхода на всеки блок. Изследването на показателя за качество на водата е завършено в същия ден на пробовземането. Тестваните индикатори включват TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N и COD. Всеки път, когато бяха взети проби, температурата на водата, показана от термометъра в екологичното езерце, беше записана (варираща между 0~32 градуса). Температурата на водата в екологичното езерце се променя естествено със сезонните температурни разлики. Проектираният стандарт за отпадъчни води за експерименталната инсталация следваше стандарта от степен A на DB 34/3527-2019 „Стандарт за изхвърляне на замърсители на водата за съоръжения за третиране на селски битови отпадъчни води“. Проектираните входящи концентрации и стандартите за отпадъчни води са описани подробно вТаблица 2.

1.3.3 Методи за анализ на качеството на водата

Концентрацията на TN във водни проби е определена с помощта на HJ 636-2012 „Качество на водата - Определяне на общия азот – Алкално разграждане с калиев персулфат UV спектрофотометричен метод“. НЕ₃^--Концентрацията на N е определена с помощта на HJ/T 346-2007 „Качество на водата - Определяне на нитратен азот – Ултравиолетова спектрофотометрия (Проба)“. NH₄⁺-Концентрацията на N е определена с помощта на HJ 535-2009 „Качество на водата - Определяне на амонячен азот - Реагентна спектрофотометрия на Неслер“. COD е определен с помощта на HJ 828-2017 „Качество на водата - Определяне на химическата потребност от кислород - Дихроматен метод“. Концентрацията на TP се определя с помощта на GB 11893-1989 "Качество на водата - Определяне на общ фосфор - Спектрофотометричен метод с амониев молибдат".

2. Резултати и дискусия

2.1 Влияние на капацитета за пречистване на отпадъчни води върху ефективността на комбинирания процес

Както е показано вФигура 2 (a) (b), тъй като дневният капацитет за пречистване на отпадъчни води постепенно се увеличава от 50 L/d до 210 L/d, ефективността на отстраняване на TN и NH₄⁺-N от всяка единица от комбинирания процес показва тенденция на намаляване. Степента на отстраняване на TN намалява от 91,55% (50 L/d) на 52,17% (210 L/d), а NH₄⁺-Коефициентът на отстраняване на N намаля от 97,47% (70 L/ден) на 80,68% (210 L/ден). Това е така, защото увеличаването на дневния капацитет за пречистване на отпадъчни води намалява времето за хидравлично задържане, съкращавайки времето, налично за микроорганизмите да разграждат замърсителите, което води до по-лошо представяне на пречистването. Сред тях единицата A2O допринесе най-много за TN и NH₄⁺-N премахване. Средната входяща концентрация на TN за тази единица е 38,68 mg/L, отпадъчните води са 16,87 mg/L, със степен на отстраняване 56,29%. Средният влиятелен NH₄⁺-Концентрацията на N беше 36,29 mg/L, отпадъчните води бяха 5,50 mg/L, със степен на отстраняване 84,85%. За въглерод-базираните подповърхностни влажни зони, средната входяща концентрация на TN е 16,87 mg/L, отпадните води са 11,96 mg/L, със степен на отстраняване от 29,10%. За потопеното растително екологично езерце средната входяща концентрация на TN е 11,96 mg/L, отпадъчните води са 9,47 mg/L, със степен на отстраняване 20,82%. Ефективността на отстраняване на азот от въглерод-базираната подповърхностна влажна зона е по-добра от тази на екологичното езеро, тъй като анаеробната-аноксична среда на подповърхностната влажна зона е по-подходяща за денитрификация. Въпреки това, NH₄⁺-Ефективността на премахване на азот от екологичното езеро е по-добра от тази на влажната зона на подземния поток. Средният влиятелен NH₄⁺Концентрацията на -N за базираната на въглерод-подповърхностна влажна зона е била 5,50 mg/L, отпадъчните води са били 4,04 mg/L, със степен на отстраняване от само 26,53%. За екологичното езерце средният входящ NH₄⁺-Концентрацията на N беше 4,04 mg/L, отпадъчните води бяха 2,38 mg/L, със степен на отстраняване 41,07%. Това е така, защото аеробната среда на екологичното езерце е по-подходяща за нитрификация, превръщайки повече NH₄⁺-N в НЕ₃^--N, което води до по-висок NH₄⁺-Н процент на премахване. Когато капацитетът за пречистване на отпадъчните води достигна 150 L/d, концентрацията на TN в отпадъчните води беше 15,11 mg/L, надвишавайки стандарта за клас A от GB 18918-2002. Следователно, за да се осигури стабилно съответствие с TN, максималният капацитет за пречистване на отпадъчни води беше 120 L/d. Когато капацитетът за пречистване на отпадъчните води достигне 210 L/d, отпадъчните води NH₄⁺-Концентрацията на N беше 7,07 mg/L, надвишавайки стандарта за степен A на GB 18918-2002. Следователно максималният капацитет за пречистване на отпадъчни води за NH₄⁺-N съответствието беше 180 L/d.

Както е показано вФигура 2 (c)средната входяща COD е под 100 mg/L, което показва ниско органично съдържание. Увеличаването на капацитета за пречистване на отпадъчни води не повлия значително отстраняването на ХПК, като нивата на отстраняване на ХПК са между 75%~90%. Тъй като капацитетът за пречистване на отпадъчните води се увеличи от 50 L/d на 210 L/d, средният COD на отпадъчните води беше 19,16 mg/L, с максимален COD на отпадните води от 26,07 mg/L, все още далеч под стандарта от 50 mg/L на GB 18918-2002 степен A. Модулът A2O допринесе най-много за отстраняването на COD, тъй като устройството за аериране в аеробният MBBR резервоар създаде аеробна среда, повишавайки биохимичния капацитет на аеробните микроорганизми и засилвайки отстраняването на COD. В допълнение, рециркулацията на нитрифицирана течност в блока A2O позволи на пречупения аноксичен резервоар да използва допълнително органичната материя в отпадъчните води като източник на въглерод, премахвайки част от COD, като същевременно подобрява денитрификацията. Базираната на въглерод -подповърхностна влажна зона допринесе на второ място за отстраняването на COD. Неговата анаеробно-аноксична среда е благоприятна за използване на органична материя в отпадъчните води като източник на въглерод, разграждайки част от органичните вещества, като същевременно подобрява денитрификацията, което също е причината да има по-добро отстраняване на TN. Освен това, субстратният слой на влажната зона на подповърхностния поток може да адсорбира някои органични вещества. Екологичното езерце имаше ограничен ефект върху разграждането на COD. Средната вливаща ХПК за екологичното езеро е 22,21 mg/L и повечето лесно биоразградими органични вещества вече са били разградени, оставяйки органични вещества, които са по-трудни за разграждане.

Както е показано вФигура 2 (d), тъй като капацитетът за пречистване на отпадъчните води се увеличи, концентрацията на TP в отпадъчните води остана стабилна. Увеличаването на капацитета за пречистване на отпадъчни води не повлия значително отстраняването на TP. Средната входяща концентрация на TP е 3,7 mg/L, а средната концентрация на отпадъчни води е 0,18 mg/L, със среден процент на отстраняване от 95,14%, което показва добро отстраняване на TP. TP беше премахнат основно в блока A2O. Входящата концентрация на TP за A2O единицата беше 3,7 mg/L, а отпадъчните води бяха само 0,29 mg/L, по-добре от 0,5 mg/L стандарта на GB 18918-2002 степен A. Това е така, защото A2O единицата не само имаше биологично отстраняване на фосфор от фосфор-акумулиращи организми (PAOs), но също така беше допълнена с химически отстраняване на фосфор чрез дозиране на 3,7 g/ден PAC. Комбинацията от биологично и химическо отстраняване на фосфор доведе до премахване на над 90% от фосфора в блока A2O. Влажната зона на подповърхностния поток и екологичното езерце разчитат главно на механизми като адсорбция на субстрата, утаяване, поглъщане от растения и микробно разграждане за отстраняване на фосфора. Нещо повече, концентрацията на TP, навлизаща във влажната зона, вече беше толкова ниска, колкото 0,29 mg/L, което затруднява по-нататъшното отстраняване. Тези комбинирани причини доведоха до общото представяне на отстраняването на TP от влажната зона и екологичното езерце.

Следователно, за да се осигури стабилно съответствие на всички показатели за отпадъчни води със стандарта GB 18918-2002 степен A, оптималният капацитет за пречистване на отпадъчни води за този процес беше определен на 120 L/d.

2.2 Ефективност на отстраняване на замърсители на комбинирания процес

2.2.1 Ефективност на премахване на COD

Както е показано вФигура 3, по време на цялостния период на изпитване на ефективността на пречистване (1 юли 2022 г. до 17 януари 2023 г., капацитет за пречистване на отпадъчни води 120 L/ден), температурата на водата показва променлива низходяща тенденция, намалявайки от 32 градуса до 0 градуса . Степента на отстраняване на COD варираше и намаляването на температурата на водата нямаше очевидно въздействие върху отстраняването на COD. В комбинация сФигура 4, степента на отстраняване на COD варира между 66,16% ~ 82,51%, главно повлияна от концентрацията на COD. Проучванията показват, че при анаеробни/аноксични условия отстраняването на COD зависи главно от микробно действие. Процесът A2O-MBBR+CWs редува анаеробни-аноксични-кислородни-аноксични-кислородни условия, подобрявайки отстраняването на COD. По време на работа, тъй като температурата на водата се понижава, въпреки че входящият COD варира от 80~136 mg/L, COD в отпадъчните води остава стабилен под 50 mg/L, отговаряйки на стандарта за клас A от DB 34/3527-2019, което показва добро органично разграждане. Разделът A2O допринесе най-много за премахването на COD. Обърканият анаеробен-аноксичен контактен резервоар има среден процент на отстраняване на ХПК от 43,38%, което представлява 65,43% от общото отстраняване на ХПК. Аеробният MBBR резервоар има среден процент на отстраняване от 14,69%, което представлява 19,87% от общото количество. Секцията A2O допринесе с над 85% за отстраняването на COD, като се възползва от голямата специфична повърхност на средата в анаеробния резервоар и аеробния MBBR резервоар, високата концентрация на утайки и образуването на хранителна верига от бактерии → протозои → метазои, ефективно разграждащи органичната материя във водата. Високото биоразнообразие на системата IFAS гарантира добро органично отстраняване дори при температурни промени. Освен това, част от разтворимата органична материя в отпадъчните води в резервоара за анаеробно-аноксичен контакт ще се използва като източник на въглерод от денитрифициращи бактерии. Междувременно рециркулираната смесена течност увеличи NO₃^--Концентрация на азот в аноксичния резервоар, насърчаващ използването на въглеродни източници чрез денитрифициращи бактерии за преобразуване на NO₃^--Няма/НЕ₂^--N в азотен газ. Високата степен на отстраняване на COD в анаеробния -аноксичен контактен резервоар допълнително потвърждава, че този процес може ефективно да използва органичната материя в отпадъчните води като източник на въглерод за денитрификация. Базираната на въглерод -подповърхностна влажна зона има среден процент на отстраняване на ХПК от 7,18%, което представлява 9,18% от общото отстраняване на ХПК. Анаеробната/аноксична среда на влажната зона на подповърхностния поток е благоприятна за микроорганизми, използващи органична материя като източник на въглерод, постигайки отстраняване на ХПК, като същевременно подобрява денитрификацията. Свързаните изследвания също показват, че пълнителят с биовъглен може да адсорбира органична материя чрез електростатично привличане и междумолекулно водородно свързване. Следователно, пълнителят с биовъглен от утайки във влажната зона на подповърхностния поток също ще адсорбира някои органични вещества. Потопеното растително екологично езерце има средна степен на отстраняване на ХПК от само 3,68%, тъй като ХПК, навлизащ в езерото, вече е нисък от средно 30,59 mg/L и се състои предимно от трудноустойчиви органични вещества, отстранени главно чрез адсорбция и поглъщане от растенията, с ограничен ефект.

2.2.2 Ефективност на отстраняване на азот

Както е показано вФигура 3, тъй като температурата на водата постепенно намалява от 32 градуса на 12 градуса, TN и NH₄⁺-Н процента на премахване варираха. Средната степен на отстраняване на TN достигна 75,61%, а средната NH₄⁺-Степента на премахване на N достигна 95,70%. Когато температурата на водата падне под 12 градуса, TN и NH₄⁺-Н процентите на премахване показват бърза тенденция на намаляване, но средните проценти на премахване все още достигат съответно 58,56% и 80,40%. Това е така, защото сезонното понижаване на температурата на водата потиска микробната активност, отслабвайки ефективността на денитрификацията. Съгласно статистическите резултати от концентрациите на замърсители във входящите и отпадъчните води през периода на комбинирана експлоатация на процеса (1 юли 2022 г. до 17 януари 2023 г.), показани вТаблица 3, средните влиятелни TN и NH₄⁺-Концентрациите на N бяха съответно 36,56 mg/L и 32,47 mg/L. NH₄⁺-N представлява 88,81% от TN. Влиятелно НЕ₃^--N (0,01 mg/L) беше почти незначителен. Средни отпадъчни води TN и NH₄⁺-Концентрациите на N бяха съответно 11,69 mg/L и 3,5 mg/L, като и двете отговарят на стандарта за степен A на DB 34/3527-2019. Средният изтичащ NO₃^--Концентрацията на N е 6,03 mg/L, което показва добър капацитет на нитрификация на този процес, превръщайки NH₄⁺-N към НЕ₃^--Н. Въпреки това, натрупването на NO₃^--N в отпадъчните води предполага, че все още има място за по-нататъшна денитрификация. Както е показано вФигура 5 (а), отстраняването на TN е най-високо в секцията A2O. Обърканият анаеробен-аноксичен контактен резервоар има среден процент на отстраняване на TN от 44,25%, а аеробният MBBR резервоар има среден процент на отстраняване на TN от 9,55%. Това е резултат от комбинираното действие на нитрифициращи бактерии в аеробната зона и денитрифициращи бактерии в аноксичната зона. Влажната зона, изградена на базата на въглерод-, има среден процент на отстраняване на TN от 11,07%, тъй като способността му да освобождава източници на въглерод и неговата анаеробна/аноксична среда са благоприятни за денитрификация, поддържайки определен капацитет за отстраняване на азот. Потопеното растително екологично езерце има среден процент на отстраняване на TN от само 3,54%, с обща ефективност на отстраняване, тъй като неговата аеробна среда не е благоприятна за денитрификация. Както е показано вФигура 5 (b), NH₄⁺-Премахването на N бе завършено основно в секцията A2O. Обърканият анаеробен-аноксичен контактен резервоар имаше NH₄⁺-Степен на отстраняване на N от 59,46%, а аеробният MBBR резервоар имаше NH₄⁺-Степен на премахване на N от 24,24%. Секцията A2O представлява 93,57% от общия NH₄⁺-N премахване. Високият NH₄⁺-Отстраняването на N в секцията A2O се дължи на непрекъсната аерация в аеробния MBBR резервоар, което позволява на нитрифициращите бактерии да използват напълно DO за преобразуване на NH₄⁺-N към НЕ₃^--Н. След това се рециркулира в аноксичен резервоар, където денитрифициращите бактерии преобразуват NO₃^--N до N2 за премахване. По време на тестовия период средната степен на отстраняване на TN беше 68,40%, а средната NH₄⁺-Степента на отстраняване на азот е 89,45%, което показва добра ефективност на отстраняване на азот.

Както е показано вФигура 3, тъй като температурата на водата намалява от 32 градуса на 0 градуса, степента на отстраняване на TN намалява от максимум 79,19% на 51,38%. В комбинация сФигура 5 (а), when water temperature was >20 градуса, средната скорост на отстраняване на TN надвишава 75%, със средна концентрация на отпадъчни води от 8,41 mg/L, тъй като микробната активност е по-висока в диапазона 20~32 градуса, което води до по-добра денитрификация, в съответствие с изследването на Zhang Na et al. Когато температурата на водата се понижи от 20 градуса на 5 градуса, средната скорост на отстраняване на TN намаля до 65,44%, а средната концентрация на отпадъчни води се увеличи до 12,70 mg/L. Когато температурата на водата беше 0~5 градуса, средната скорост на отстраняване на TN намаля до 52,75%, а средната концентрация на отпадъчни води се увеличи до 17,62 mg/L, което показва известно въздействие върху отстраняването на TN. Проучванията показват, че с понижаването на температурата на водата микробната активност се инхибира. Когато температурата на водата<5.6°C, microorganisms are basically dormant, and population numbers sharply decrease, limiting pollutant degradation. When water temperature <4°C, microorganisms begin to die. However, in this process, even when water temperature dropped to 0°C, the TN removal rate still reached 51.52%, and effluent always met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. This is because the IFAS system in the A2O section maintained high biomass concentration. During the test period, MLSS concentration in the baffled anaerobic-anoxic contact tank and aerobic MBBR tank reached 6,000~8,000 mg/L. Additionally, recirculation of nitrified liquid further enhanced denitrification. Furthermore, wastewater passed sequentially through the limestone, zeolite, and sludge biochar filler zones of the subsurface flow wetland, where anaerobic and aerobic reactions occurred simultaneously. Various organics adsorbed on filler surfaces and the slow-release of carbon sources from biochar filler promoted denitrification, further enhancing nitrogen removal. Research indicates that biochar can increase the abundance and diversity of denitrifying microorganisms in wetlands. Also, due to its structure, subsurface flow wetlands have some thermal insulation effect, helping maintain internal microbial activity. Under the influence of multiple factors, the combined process exhibited strong resistance to low-temperature shock, maintaining over 50% TN removal even at 0°C. In summary, when water temperature is >5 градуса, ефективността на отстраняване на TN е добра, със стабилни отпадъчни води под 15 mg/L. В този момент, като се има предвид отстраняването на други замърсители, капацитетът за пречистване на отпадъчни води може да бъде подходящо увеличен.

Както е показано вФигура 3, тъй като температурата на водата постепенно намалява, NH₄⁺-Степента на отстраняване на N намалява от максимум 99,52% до минимум 74,77%, а отпадъчният NH₄⁺-Концентрацията на N се увеличи от минимум 0,17 mg/L до 8,40 mg/L. Намаляването на температурата на водата инхибира активността на нитрифициращите и нитрифициращите бактерии, намалявайки NH₄⁺-N removal. However, when water temperature >12 градуса, средната отпадна вода NH₄⁺-Концентрацията на N е 1,58 mg/L. Когато температурата на водата е по-малка или равна на 12 градуса, средната отпадна вода NH₄⁺-Концентрацията на N се повишава до 6,58 mg/L, но изтичащият NH₄⁺-N винаги е отговарял на стандарта за степен A на DB 34/3527-2019. Когато температурата на водата е 20~32 градуса, средният NH₄⁺-Процентът на отстраняване на N надвишава 96%. В комбинация сФигура 5 (b), отпадъчните води NH₄⁺-Концентрацията на N е под 2 mg/L в този диапазон, което показва висока активност на нитрифициращи бактерии и отличен общ NH₄⁺-N премахване. Когато температурата на водата постепенно намаля от 20 градуса до 12 градуса, средният NH₄⁺-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 градуса е подходящ за растеж на нитрифициращи бактерии, насърчаване на нитрификацията. Следователно, NH₄⁺-N поддържа високи нива на отстраняване в диапазона 12~20 градуса. Когато температурата на водата постепенно намаля от 12 градуса до 0 градуса, средният NH₄⁺-Процентът на премахване на N все още достига 80%. Съществуващите изследвания показват, че нитрифициращите бактерии почти губят капацитета си за нитрификация при 0 градуса. Резултатите от това проучване обаче показват, че дори при 0 градуса NH₄⁺-Степента на отстраняване на N надвишава 75%, което показва добра ефективност на нитрификация на този процес при ниски температури. Това е така, защото системата IFAS в раздела A2O-MBBR на това проучване има дълга възраст на биофилмовата утайка до около 1 месец, което прави скоростта на нитрификация в биохимичния резервоар далеч по-малко засегната от температурата в сравнение с традиционните процеси на активирана утайка, което значително подобрява ефективността на нитрификация при ниски зимни температури. Изследване на Wei Xiaohan et al. също така показва, че основната причина за не-съответстващата NH₄⁺-Отпадъчните води при условия на ниска температура на водата са с недостатъчна възраст на активната утайка, като влиянието на температурата върху активността на нитрификатора е второстепенно. Следователно, въпреки че намаляването на температурата на водата повлия до известна степен на активността на нитрификатора, достатъчната възраст на утайката в този процес гарантира NH₄⁺-Отстраняване на N при ниски температури. По време на тестовия период, средният ефлуент NH₄⁺-Концентрацията на N беше 3,50 mg/L и комбинираният процес показа добро и стабилно представяне на нитрификация.

2.2.3 Ефективност на отстраняване на фосфор

Както е показано вФигура 3, степента на отстраняване на TP варира малко с промените в температурата на водата, оставайки стабилна над 94%. В комбинация сФигура 6, входящата концентрация на TP варираше от 3,03~4,14 mg/L, а концентрацията на TP в отпадъчните води варираше от 0,14~0,28 mg/L, отговаряйки на стандарта за степен A на DB 34/3527-2019. Този процес разчита на комбинираното действие на биологично отстраняване на фосфор (чрез PAO) и химическо отстраняване на фосфор (чрез PAC). Когато температурата на водата се понижи, активността на PAO се инхибира, което засяга биологичното отстраняване на фосфора. Въпреки това, този процес допълва с химическо отстраняване на фосфор чрез дозиране на 3,7 g/ден PAC, поддържайки стабилна скорост на отстраняване на TP и намалявайки влиянието на температурните промени на водата върху отстраняването на фосфор в комбинирания процес. Устройството A2O имаше най-добра производителност при отстраняване на TP. Средната концентрация на TP в анаеробния -аноксичен ефлуент е 2,48 mg/L, със степен на отстраняване 32,61%. Средната концентрация на TP в отпадъчния поток на аеробната единица е 0,29 mg/L, със скорост на отстраняване 59,51%. Общият процент на отстраняване на TP за A2O единицата е 92,12%. Обърканият дизайн на секцията A2O-MBBR може до голяма степен да отстрани нитратния азот, пренасян в рециркулираната смесена течност, позволявайки на анаеробните PAO да освобождават по-задълбочено фосфор в анаеробната секция и да абсорбират фосфора по-пълно в аеробната секция, подобрявайки биологичното отстраняване на фосфора. В допълнение, химическото отстраняване на фосфор чрез дозиране от едната страна на аеробния MBBR резервоар поддържаше стабилна скорост на отстраняване на ТР, като качеството на отпадъчните води беше стабилно по-добро от стандарта за клас А на DB 34/3527-2019. Биологичното отстраняване на фосфор в секцията A2O-MBBR се случва главно, когато PAO в анаеробния резервоар с прегради използват въглеродни източници, за да превърнат част от органичната материя и летливите мастни киселини в полихидроксиалканоати (PHA). Когато отпадъчните води текат от преградния анаеробен резервоар към аеробния MBBR резервоар, PAO след това използват PHA като донори на електрони, за да завършат усвояването на фосфора. Ефективността на биологичното отстраняване на фосфор обаче лесно се влияе от активността на PAO, а ниската температура на водата ограничава активността на PAO. Следователно, за да се постигне стабилно отстраняване на фосфор, химическото отстраняване на фосфор е включено в дизайна на процеса. В допълнение, адсорбцията от субстратния слой във влажната зона на подповърхностния поток на основата на въглерод и растежът на потопени растения в екологичното езерце също абсорбира известно количество фосфор.

В обобщение, инсталацията работи стабилно по време на тестовия период, с добро цялостно отстраняване на замърсители. Комбинираният процес A2O-MBBR + CWs постигна среден процент на отстраняване от 68,40%, 89,45%, 73,94% и 94,04% за TN, NH₄⁺-N, COD и TP, съответно. Средните концентрации на отпадъчни води бяха съответно 11,69 mg/L, 3,50 mg/L, 26,9 mg/L и 0,22 mg/L, като всички отговаряха на стандарта за клас А от DB 34/3527-2019. Изследване на Wu Qiong и др. показва, че A2O-MBBR е съставен процес от активна утайка и биофилм, характеризиращ се с голямо количество микроби, дълга възраст на утайката, високо обемно натоварване, малък обем и отпечатък, силна устойчивост на ударни натоварвания, добро качество на отпадъчните води и стабилна работа. Освен това ефективността на денитрификация на процесите с биофилм през зимата е по-добра от тази на процесите с активна утайка, което го прави по-подходящ за пречистване на отпадъчни води с ниска{15}}температура през зимата. Това е и основната причина за доброто отстраняване на замърсителите на секцията A2O-MBBR в това проучване. Комбинираният процес A2O-MBBR + CWs в това проучване добавя зона за полиране на CWs на базата на процеса A2O-MBBR, като допълнително подобрява цялостната производителност на пречистване и оперативната стабилност на процеса. Отстраняването на TN и NH₄⁺-N беше по-слабо повлиян от сезонните промени в температурата на водата, докато отстраняването на COD и TP беше почти незасегнато от сезонната температура на водата. По време на тестовия период той показа силна устойчивост на ударни натоварвания, което го прави подходящ за използване в селски райони с големи колебания в качеството и количеството на битовите отпадъчни води.

2.3 Икономически анализ на комбинирания процес

Разходите за този комбиниран процес включват главно строителни разходи и оперативни разходи за пречистване на отпадъчни води. Разходите за изграждане бяха за настройка на експерименталната инсталация, включително закупуване на корпуси на резервоари, спомагателно електрическо оборудване, медии, потопени инсталации и тръбни фитинги, общо приблизително 3000 CNY. Въз основа на максималния капацитет за пречистване на отпадъчни води по време на експеримента от 0,18 m³/ден, строителните разходи за m³ пречистени отпадъчни води са приблизително 16 700 CNY. Оперативните разходи възникват главно от операцията по настройка, включително консумация на енергия на оборудването, разходи за химикали, разходи за изхвърляне на утайки и разходи за труд. Електрическото оборудване включва: захранваща помпа (мощност 2 W, Q=2.8 m³/d), рециркулационна помпа (мощност 2 W, Q=2.8 m³/d), аератор (мощност 5 W, скорост на аериране=5 L/min) и перисталтична дозираща помпа (мощност 2 W). Изчислено въз основа на действителната максимална използвана мощност: захранваща помпа 0,13 W, рециркулационна помпа 0,19 W, аератор 1,25 W, дозираща помпа 2 W. Общата действителна използвана мощност е 0,00357 kW, дневна консумация на енергия 0,086 kWh. Консумацията на електроенергия на m³ пречистена отпадъчна вода е 0,48 kWh. Като се използва цена на индустриалната електроенергия от 0,7 CNY/kWh, цената на електроенергията е 0,33 CNY/m³. PAC химичните разходи са около 2,4 CNY/kg, употреба 3,7 g/ден. Необходимият PAC за m³ отпадъчна вода е 20,56 g, цена 0,05 CNY/m³. Разходи за обезвреждане на утайките=количество утайки × единица обем разходи за обезвреждане на утайки. Производството на суха утайка на тон вода е 0,09 кг. Въз основа на единична цена за транспортиране и изхвърляне на утайките от общинските ПСОВ от 60 CNY/тон, разходите за изхвърляне на утайки на тон вода=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Тъй като пилотната инсталация изискваше само периодична инспекция след работа, разходите за труд бяха оценени въз основа на действителния инженерен опит. Инсталация от 10 000 тона на ден се управлява от 1~2 души. Ако приемем, че заплатата на един човек е 3 000 CNY/месец, за 2 души показателят за разходите за труд е около 0,02 CNY/тон вода. Подробностите за разходите са показани вТаблица 4. В обобщение, разходите за оперативно лечение са приблизително 0,46 CNY/m³. Въпреки това, тъй като капацитетът за пречистване на отпадъчни води се увеличава, строителните и експлоатационните разходи на тон вода ще намалеят. Разходите за изграждане и експлоатация по време на пилотния тест са само за справка.

3. Изводи

Комбинираният процес A2O-MBBR + CWs показа добри резултати за пречистване на битови отпадъчни води в селските райони. Отстраняването на TP и COD до голяма степен не се повлиява от температурните промени на водата. Средните нива на отстраняване за TN, NH₄⁺-N, TP, and COD reached 68.4%, 89.45%, 94.02%, and 73.94%, respectively. When water temperature ≤5°C, effluent quality stably met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. When water temperature >5 степен, качеството на отпадъчните води може да отговаря на стандарта от клас А на GB 18918-2002 „Стандарт за изхвърляне на замърсители за общински пречиствателни станции за отпадъчни води“. Този процес може ефективно да използва органичната материя в системата като източник на въглерод за подобряване на денитрификацията, поддържайки над 50% отстраняване на TN дори при температури на водата до 0 градуса.

Оптималният капацитет за пречистване на отпадъчни води за комбинирания процес A2O-MBBR + CWs през зимата беше 120 L/d и 180 L/d през не-зимните сезони. Сезонните промени в температурата на водата (постепенно намаляващи от 32 градуса до 0 градуса) имат само известно въздействие върху отстраняването на азот чрез комбинирания процес. Степента на отстраняване на TN намалява от 79,19% на 51,38%, а NH₄⁺-Процентът на премахване на N намалява от 99,52% на 74,77%. Дори при 0 градуса, качеството на отпадъчните води стабилно отговаря на стандарта за клас А на DB 34/3527-2019 и NH₄⁺-Процентът на премахване на N все още достига 74,77%. Това се възползва от системата IFAS, където възрастта на утайката до 1 месец гарантира нитрификация при ниски температури. Процесът работи стабилно по време на тестовия период, като показва силна устойчивост на промени в температурата на водата.

Първоначалният процес A2O-MBBR използва два вида суспендирани носители на биофилм за прикрепване на микроби, образувайки система IFAS. Базираната на въглерод -подповърхностна влажна зона използва множество пълнители за среда, включително биовъглен от утайки, варовик и зеолит, подобрявайки ефективността на филтриране, като същевременно осигурява достатъчно повърхност за закрепване за микроорганизми, подобрявайки капацитета си за биологично третиране. Първоначалният процес A2O-MBBR с IFAS има висока концентрация на биомаса. Задната CWs композитна влажна зона служи като етап на полираща обработка, като допълнително пречиства отпадъчните води, което прави цялостната система по-устойчива на ударни натоварвания.

Комбинираният процес A2O-MBBR + CWs е подходящ за пречистване на битови отпадъчни води в селските райони с големи колебания в качеството и количеството. Той работи стабилно и ефективно, с цена на обработка от приблизително 0,46 CNY/m³. Освен това, процесните секции A2O-MBBR+CWs могат да бъдат гъвкаво регулирани според различни стандарти, сценарии и цели за отпадъчни води. Този комбиниран процес може да предостави референтни данни и основа за проекти за пречистване на битови отпадъчни води в селските райони в Китай, да предложи път за използване на ресурсите за празни пустеещи земи в селските райони и има широк потенциал за пазарно приложение при националната тенденция на (силно подчертаване на подобряването на качеството на околната среда в селските райони.