Tehostettu valkosipulijäteveden mikrobikäsittely MBBR + A/O -prosessilla
Yleiskatsaus
Valkosipulin jätevesion peräisin pääasiassa valkosipulin käsittelyn aikana tapahtuneista viipalointi- ja huuhteluprosesseista. Sille on ominaistakorkeat orgaanisen aineksen pitoisuudet, shuomattavia määriä typpeä ja fosforia ja sisältää huomattavia määriä allisiinia. Allisiini (diallyylitiosulfinaatti) on haihtuva neste, joka on vastuussa valkosipulin pistävästä hajusta ja on kemiallisesti epästabiili ja erittäin reaktiivinen. Allisiini voi estää erilaisten mikro-organismien kasvua. Korkean-pitoisuuden valkosipulijäteveden poistaminen ilman käsittelyä aiheuttaa vakavia ympäristövaikutuksia. Jotkut tutkijat ovat käyttäneet tekniikoita, kuten kalvosuodatusta, Fenton-hapetusta ja mikro-elektrolyysiä, mutta nämä menetelmät eivät ole olleet tehokkaita valkosipulijätevesien käsittelyssä, ja suurten kemikaalimäärien käyttö lisää käsittelykustannuksia. Monet tutkijat ovat ehdottaneet biologisia käsittelymenetelmiä, joissa käytetään anaerobisia{7}}aerobisia yhdistettyjä prosesseja. Allisiinin antibakteeristen ominaisuuksien vuoksi mikro-organismeja on kuitenkin vaikea viljellä, eikä käsittelyteho ole ihanteellinen. Siksi biologisen hoidon painopiste onviljellä ja sopeuttaa mikrobikantoja, jotka pystyvät sopeutumaan valkosipulin jäteveteen ja tehostamaan niiden biologista hajoamista.
Tämä tutkimus sisälsi viljelyn ja seulonnanbakteerikantoja, jotka hajottavat tehokkaasti valkosipulin jätevettä, jotka sitten otettiin käyttöön aMoving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Inokuloitua lietettä ja virtausnopeutta lisäävää biokalvonmuodostusmenetelmää käyttämällä luotiin biofilmejä, jotka tehostivat typen ja fosforin poistumista jätevedestä. Tätä seurasi A/O (Anoxic/Oxic) biokemiallinen lisäkäsittely. Standardin GB18918-2002 mukaan jäteveden COD- ja ammoniakkitypen (NH₃-N) tasot voivat täyttää toissijaiset standardit (COD: 100 mg/L, NH₃-N: 25-30 mg/L). Tämä prosessi vähentää tehokkaasti jäteveden orgaanista pitoisuutta, mikä vähentää myöhempien käsittelyvaiheiden vaikeutta.
1. Kokeellinen osa
1.1 Prosessivirran suunnittelu
Valkosipulin jäteveden käsittelyn prosessin kokonaisvirtaus näkyy kuvassaKuva 1, jonka ydinkomponentti onbiohajoaminen MBBR + A/O -järjestelmässä. Kolme seulottua ja eristettyä kantaa, jotka hajottavat tehokkaasti valkosipulin jätevettä – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. ja Achromobacter sp. – sekoitettiin aktiivilietteeseen ja laitettiin MBBR-yksikköön sen nopean käynnistyksen- helpottamiseksi.
1,2 MBBR + A/O-käsittelyprosessi
Kun valkosipulin jätevesi on kulkenut karkeiden ja hienojen seulojen läpi suspendoituneen kiintoaineen poistamiseksi, se pumpataan suoraan MBBR:ään. Vaikuttava laatu näkyy kohdassaTaulukko 1. MBBR:n jätevesi virtaa suoraan A/O-järjestelmään. MBBR-jäteveden alhaisen orgaanisen pitoisuuden vuoksi raakaa valkosipulijätevettä lisätään asianmukaisesti Oxic (O) -säiliöön täydentämään A/O-prosessin hiililähdettä. Järjestelmän iskunkestävyyden testaamiseksi MBBR:n orgaanista kuormitusta nostettiin asteittain jatkuvan käytön aikana ja jäteveden laatua seurattiin.
1.3 Prosessiparametrit
1.3.1 Liuennut happi (DO)
Liian korkea DO biofilmissä voi estää denitrifikaatiota, jolloin MBBR menettää samanaikaisen nitrifikaatio- ja denitrifikaatiokykynsä. Liian alhainen DO voi johtaa filamenttibakteerien lisääntymiseen, mikä vaikuttaa jäteveden laatuun ja estää nitrifikaatioprosessia.
1.3.2 Hydraulinen retentioaika (HRT)
Liian lyhyt hormonikorvaushoito aiheuttaa voimakkaita reaktio-olosuhteita, joissa suurimman osan orgaanista ainesta sisältävä jätevesi poistuu ennen kuin se imeytyy kokonaan. Jatkuva sisäänvirtaus pitää mikro-organismit jatkuvassa biologisessa hajoamistilassa, mikä vähentää tehokkuutta ja lisää energiankulutusta. Liian pitkä hormonikorvaushoito johtaa ravintoaineiden ehtymiseen; ilman ravinteita mikro-organismit vähentävät aktiivisuuttaan ja aineenvaihdunnan vaatimuksiaan vain ylläpitääkseen selviytymistä.
1.3.3 Hiilen-–-typpisuhde (C/N)
Alhainen C/N-suhde voi johtaa ammoniakin katalysoitumiseen muiksi aineiksi, mikä vaikuttaa ammoniakkitypen poistoon. Se aiheuttaa myös helposti rihmamaista bulkkia, jatkuvaa kasvua, joka vaikuttaa flokkulaatioon, mikä johtaa lietteen bulkkiin ja kelluvaan lietteeseen. Korkea C/N-suhde on epäedullinen mikrobien biologiselle hajoamiselle ja kasvulle, mikä lisää mikro-organismien orgaanista kuormitusta.
1,4 MBBR Biofilmin{1}}käynnistys
Biofilmin-käynnistys: käytettiin siirrostetun lietteen + virtauksen. MBR-rikastettu aktiiviliete siirrostettiin reaktoriin, jonka alkuperäinen sekoitettu liuos suspendoitunut kiintoainepitoisuus (MLSS) oli noin 5,82 g/l. Ilmastus aloitettiin ja reaktoriin lisättiin polyeteenikantajat atäyttöaste noin 60 %. TheTEHDÄreaktorissa ohjattiinyli 4,0 mg/l. Tulovirtausta lisättiin asteittain 20 l/h:n välein: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 l/h, kutakin virtausnopeutta pidettiin yllä 1 päivän ajan. Tässä vaiheessa ei mennyt hukkaan yhtään lietettä. Kantajien pinnalle muodostui vaaleankeltainen biokalvo, johon mikro-organismit kiinnittyivät ja kasvoivat. Onnistuneen biofilmin-käynnistyksen jälkeen vakaa toiminta jatkui säilyttäen aLietteen retentioaika (SRT) 30 päivää. Vakaan toiminnan aikana MBBR:n orgaaninen kuormitusnopeus säädettiin tarkkailemaan sen vaikutusta COD:hen, typen ja fosforin poistoon.
2. Tulokset ja keskustelu
2.1 MBBR-jäteveden laadun analyysi Biofilmin käynnistyksen aikana
Ilmastuksen intensiteetti MBBR:ssä säädettiin DO-konsentraation säätelemiseksi. Kun DO oli alle 4,0 mg/l, ilmastuksen intensiteetti ei ollut riittävä tukemaan kantajien tasaista, voimakasta -virtausta turbulenttia liikettä, mikä esti riittävän sekoittumisen ja vaikeutti biokalvon muodostamista kantajapinnoille. Kun DO oli välillä 4,0–6,0 mg/l, kantoaineet sekoittuivat perusteellisesti aktiivilietteen ja jäteveden kanssa. Kantajien värin muutos valkoisesta kellertävän{7}}ruskeaksi havaittiin, mikä osoittaa onnistuneen mikrobien kiinnittymisen ja kasvun tällä ilmastusintensiteetillä, kutenKuva 2.
Tulo- ja jätevesien COD:n vaihtelukäyrä käynnistysvaiheen-vaiheen aikana näkyyKuva 3(a). Alkuperäinen käsittelytehokkuuden lasku johtui erittäin pienestä kiinnittyneiden mikro-organismien määrästä kantajilla; Pelkästään aktiivilietteen mikro-organismien aiheuttama hajoaminen ei riittänyt poistamaan suurta määrää orgaanista ainesta. Käynnistyksen edetessä kiinnittyneiden mikro-organismien määrä kantajilla kasvoi ja muodosti vähitellen biofilmin. Jäteveden COD-pitoisuus vakiintui vähitellen ja COD-poistoteho stabiloitui yli 90 %:iin.
MBBR:n tulo- ja jätevesien NH₃-N vaihtelukäyrä on esitettyKuva 3(b). Aktiivilietteen aerobisten bakteerien aiheuttama nitrifikaatio poisti tehokkaasti ammoniakkitypen. Päivästä 7 alkaen sisäänvirtauksen NH₃-N-pitoisuus nousi vähitellen. Päivään 23 mennessä, vaikka sisäänvirtaava NH₃-N oli edelleen nousussa, poistumisnopeus myös kasvoi. Tämä johtui siitä, että nitrifioivat bakteerit kasvavat aluksi hitaasti; ajan myötä niiden populaatio kasvoi, biofilmi kypsyi ja NH₃-N:n poistonopeus kasvoi ja vakiintui vähitellen.
MBBR:n tulo- ja poistovirtauksen TN:n vaihtelukäyrä on esitetty kohdassaKuva 3(c). Toisin kuin ammoniakkitypen poisto, TN-poistotehokkuus laski aluksi. Tämä johtui siitä, että reaktoriympäristössä oli runsaasti happea ja hiiltä, mikä rajoitti denitrifioivien bakteerien kasvua. Biokalvon muodostuessa TN:n poistotehokkuus alkoi kuitenkin parantua. Vuoteen 20 mennessä, vaikka sisäänvirtaavan TN:n pitoisuus nousi, jäteveden TN ja poistonopeus vakiintuivat 50–60 %:n välillä.
MBBR:n tulo- ja poistovirtauksen TP vaihtelukäyrä on esitetty kohdassaKuva 3(d). TP:n poistonopeus pysyi vakaana käynnistyksestä- vakaaseen toimintaan. Vaikka sisäänvirtaavan TP:n pitoisuus oli aluksi korkea ja laski myöhemmin, poistotehokkuus ei osoittanut merkittävää muutosta, mikä viittaa järjestelmän kykyyn poistaa fosforia. TP:n poistoaste järjestelmässä pidettiin välillä 80–90 %.
Yhteenvetona,pitäen MBBR-järjestelmän DO välillä 4–6 mg/l, kypsä biofilmi, joka kehittyy 20 päivän jatkuvan ruokinnan jälkeen. Perinteisiin aktiivilieteprosesseihin verrattuna MBBR-järjestelmä tarjoaa vahvan iskunkestävyyden ja korkean käsittelytehokkuuden, mikä vähentää tehokkaasti valkosipulin käsittelyjäteveden myöhempien käsittelyvaiheiden vaikeutta.
2.2 Jäteveden laadun analyysi vakaan toiminnan aikana
Biofilmin{0}}aloitusvaiheen jälkeen biofilmi kypsyi. MBBR-järjestelmän iskunkestävyyden testaamiseksi orgaanista kuormitusta nostettiin jatkuvasti vakaan toiminnan aikana.
MBBR:n tulo- ja jätevesien COD:n vaihtelukäyrä vakaan toiminnan aikana on esitettyKuva 4(a). Päivistä 1–5 jatkuvalla sisäänvirtauksella COD-poistotehokkuus pysyi yli 95 % ja jäteveden COD-pitoisuus oli noin 100 mg/L. Päivistä 5–20 sisäänvirtausnopeutta nostettiin vähitellen nostaen orgaanista kuormitusta 20 kgCOD/m³·d arvoon 30 kgCOD/m³·d. Poistotehossa ei havaittu merkittävää muutosta, ja jäteveden COD pysyi välillä 80–100 mg/L, mikä osoittaa vahvaa iskunkestävyyttä. Päivän 20 jälkeen sisäänvirtausnopeutta nostettiin edelleen nostaen jatkuvasti reaktorin orgaanista kuormitusta arvosta 30 kgCOD/m3.d arvoon 37 kgCOD/m3.d, ylläpidettynä 5 päivää. MBBR:n COD-poistokapasiteetti pysyi yli 95 %:ssa.
Kuvat 4(b) ja (c)näytä vaihtelukäyrät NH₃-N:lle ja TN:lle vastaavasti vakaan toiminnan aikana. Päivistä 1–5, jatkuvalla sisäänvirtauksella, MBBR-biofilmi osoitti samanaikaista nitrifikaatiota ja denitrifikaatiota. Biofilmin ulkokerrokseen kiinnittyneet aerobiset nitrifioivat bakteerit, jotka ovat täysin sekoittuneet ilmastettavan jäteveden kanssa, kuluttivat merkittäviä typen lähteitä nitrifikaation kautta. Denitrifioivat bakteerit sisäisessä hapettomassa kerroksessa poistivat tehokkaasti nitraattityppeä denitrifikaation avulla. Päivistä 5–20, kun sisäänvirtaus lisääntyi, NH₃-N:n ja TN:n poistotehokkuus laski aluksi merkittävästi. Noin 7 päivän jatkuvan käytön jälkeen järjestelmä mukautui vähitellen. Vaikka NH₃-N:n ja TN:n poistotehokkuus nousi sitten, se pysyi alhaisempana kuin matalan -virtauksen aikana. Jatkuvassa sisäänvirtauksessa NH₃-N:n poisto saavutti yli 90 %, jäteveden NH₃-N ollessa 10–15 mg/L, ja TN:n poisto pysyi periaatteessa yli 80 %, jäteveden TN:n ollessa noin 30 mg/L. Kun tulovirtaa lisättiin ja järjestelmä saavutti uuden tasapainon jatkuvassa iskussa, NH₃-N:n poisto vakiintui noin 80 %:iin, jäteveden NH₃-N ollessa 50–70 mg/L ja TN:n poisto noin 60 %, jäteveden TN:n ollessa alle 50 mg/L.
TP:n vaihtelukäyrä vakaan toiminnan aikana on esitetty kohdassaKuva 4(d). Poistoveden TP-pitoisuus pidettiin periaatteessa noin 10 mg/l. Aluksi jatkuvalla alhaisella virtauksella ja alhaisella sisäänvirtaavan TP-pitoisuudella hoitovaikutus oli rajoitettu. Kun sisäänvirtausnopeus ja sisäänvirtaavan TP:n pitoisuus kasvoivat, korkea käsittelyteho saavutettiin koko iskuvaiheen ja sitä seuranneen suuren-kuormituksen aikana, ja TP:n poistonopeus vaihteli noin 90 %.
Yhteenvetona,suuren orgaanisen kuormituksen vaikutuksesta järjestelmän COD-poistotehokkuus pysyi pääosin ennallaan, mutta NH₃-N- ja TN-poisto väheni merkittävästi. Kun orgaaninen kuormitus saavutti maksimiarvon 37 kgCOD/m³·d, järjestelmän poistotehokkuus NH₃-N:n ja TN:n suhteen laski huomattavasti.
2.3 MBBR + A/O -järjestelmän jätevesien laadun analyysi
Biofilmin käynnistysvaiheen-ja yhden kuukauden vakaan toiminnan jälkeen A/O-prosessi lisättiin alavirtaan MBBR-jätteen käsittelyä varten. Sisäänvirtausnopeuden gradienttilisäyksiä sovellettiin orgaanisen kokonaiskuormituksen lisäämiseksi tavoitteena määrittää optimaalinen sisäänvirtausnopeus, joka vastaa optimaalista HRT:tä.
COD-vaihtelukäyrä on esitetty kohdassaKuva 5(a). Tulovirta kasvoi peräkkäin: 100, 120, 130, 150, 170 l/h. Alusta alkaen maksimivirtausnopeuteen asti MBBR-järjestelmän orgaaninen kuormitus nousi arvosta 20 kgCOD/m³·d arvoon 37 kgCOD/m³·d. Yhdistetyn järjestelmän lopullinen jätevesi pysyi stabiilina COD-konsentraation ollessa alle 100 mg/l. Jatkuvan korkean orgaanisen kuormituksen iskussa MBBR-järjestelmä toimi hyvin, vaikka sen jäteveden COD osoitti hieman nousua, kun virtausnopeus saavutti 150 l/h. Kun virtausnopeutta pidettiin 170 l/h useiden päivien ajan, havaittiin huomattava nouseva trendi MBBR-jäteveden COD:ssä. Kuitenkin myöhemmässä A/O-prosessissa lopullinen yhdistetyn järjestelmän poistovirta pidettiin edelleen alle 100 mg/l. Tämä osoittaa, että jopa korkean orgaanisen kuormituksen shokin, 37 kgCOD/m³·d, alaisena yhdistetyllä prosessilla on edelleen vahva poistovaikutus valkosipulin käsittelyjäteveteen.
NH₃-N:n ja TN:n vaihtelukäyrät on esitetty kohdassaKuvat 5(b) ja (c), vastaavasti. Valkosipulin käsittelyn jätevesissä on korkeita pitoisuuksia ammoniakkityppeä ja kokonaistyppeä, jotka voivat lisääntyä edelleen ajan myötä hapettumisen vuoksi. Tyypillisesti ammoniakkitypen pitoisuus vaihtelee välillä 300–500 mg/l ja kokonaistyppipitoisuus 450–600 mg/l. Samanaikaisessa nitrifikaatiossa ja denitrifikaatiossa MBBR:ssä ammoniakkitypen poisto oli tehokkaampaa, todennäköisesti koska nitrifioivat bakteerit hyödyntävät jätevettä tehokkaammin ilmastuksen alla. Denitrifioivat bakteerit vaativat hapettomia olosuhteita ja ovat usein riippuvaisia kulutetusta orgaanisesta hiilestä denitrifikaatioon. Lisättäessä sisäänvirtausnopeutta NH₃-N:n ja TN:n poistotehokkuus oli ensisijainen näkökohta. Päivistä 1–4 alhaisen virtausnopeuden ja kohtalaisen NH₃-N:n vuoksi NH₃-N:n poistonopeus pysyi yli 90 %:ssa ja TN:n poistoteho kasvoi vähitellen. Myöhemmin sisäänvirtaus nousi merkittävästi. Havaittiin selvästi, että kun sisäänvirtaus nousi, jätevesien NH₃-N- ja TN-pitoisuudet eri vaiheissa nousivat peräkkäin, ja suuremmat sisäänvirtausnopeudet johtivat korkeampiin jätevesipitoisuuksiin. Virtausnopeuden kasvaessa biokalvon kantajien biomassa lisääntyi, mikä tehosti nitrifikaatiota, jossa nitrifioivat bakteerit hapettavat ammoniakkityppeä nitraateiksi ja nitriiteiksi hapen alla.
TP-pitoisuuden vaihtelukäyrä on esitetty kohdassaKuva 5(d). Kun otetaan huomioon suuret COD- ja TN-pitoisuudet, teoreettinen optimaalinen TP-pitoisuus mikrobien kasvulle on yli 100 mg/l. Sisään tulevan TP:n pitoisuus oli kuitenkin paljon tämän teoreettisen vaatimuksen alapuolella. Tästä syystä MBBR-jätteen TP-pitoisuus pysyi noin 10 mg/L ja lopullinen yhdistetyn järjestelmän jäteveden TP-pitoisuus välillä 2–3 mg/l.
MBBR-järjestelmän ja sitä seuranneen A/O-järjestelmän lietteen ominaisuudet ennen käyttöä ja sen jälkeen mitattiin kuvan osoittamalla tavalla.Taulukko 2.
Yhteenvetona,kun virtausnopeus nostettiin 150 l/h, COD:n, NH₃-N:n, TN:n ja TP:n poistonopeudet olivat parempia kuin muilla virtausnopeuksilla.. HRT tällä virtausnopeudella oli 27 tuntia. Lisäksi lietepitoisuus sekä MBBR- että A/O-järjestelmissä nousi huomattavasti käytön jälkeen.
3. Johtopäätös
Biofilmin muodostumisen jälkeen MBBR:ssä COD:n, NH₃-N:n, TN:n ja TP:n poistotehokkuus oli vakaa. Kuukauden jatkuvan käytön aikana vakaissa olosuhteissa COD-poisto saavutti yli 95 %, NH₃-N- ja TN-poisto stabiloitui noin 80 %:iin ja TP:n poisto stabiloitui noin 90 %:iin.
MBBR-poistovesi käsiteltiin edelleen A/O-järjestelmässä. Yhdistetty prosessi kesti orgaanisen kuormituksen jopa 37 kg COD/m³·d. Koko prosessin optimaalinen toiminta oli 27 tunnin hormonikorvaushoidon alla. Lopullisen jäteveden COD stabiloitui alle 100 mg/L, NH₃-N välillä 10–20 mg/L, TN alle 30 mg/L ja TP alle 10 mg/L. Lietteen pitoisuus MBBR-järjestelmässä käytön jälkeen oli 8,5 g/l ja A/O-järjestelmässä 4,1 g/L, molemmat merkittävästi korkeammat kuin ennen käyttöä, mikä viittaa mikrobibiomassan oleelliseen kasvuun. COD- ja ammoniakkityppitasot biologisen käsittelyn jälkeen täyttivät sekundaaripäästöstandardin GB18918-2002. Jatkokäsittelyssä Fentonin edistynyttä hapetusteknologiaa voitaisiin käyttää biologisesti käsitellyn jäteveden syväkäsittelyyn ensimmäisen tason poistostandardin saavuttamiseksi.