S-MBBR-järjestelmän epäpuhtauksien poistoteho alhaisen C/N-suhteen jäteveden käsittelyyn: COD-, TN-, NH₄⁺-N- ja TP-analyysi

Analyysi epäpuhtauksien poiston tehokkuudesta S-MBBR-järjestelmässä alhaisen C/N-suhteen jätevedenkäsittelyssä

Johdanto

Kaupungistumisen ja teollistumisen kiihtyessä matalan C/N-suhteen (alhainen hiili-typpisuhde) jätevesien päästöt lisääntyvät, pääasiassa kotitalousjätevedestä, elintarvikejalostuksesta, maataloudesta ja kierrättävästä jäähdytysvedestä. Alhaisen C/N-suhteen jäteveden huonon kokonaistypen (TN) poistotehokkuuden korjaamiseksi lyhytaikainen nitrifikaatio-denitrifikaatio ja samanaikainen nitrifikaatio ja denitrifikaatio (SND) ovat herättäneet huomiota viime vuosina. Suhteellisesti sanottuna SND-prosessin reaktio-olosuhteita on helpompi hallita, ja sillä voidaan saavuttaa sekä hiilen- että typenpoisto samanaikaisesti. Siksi sillä on merkittävä etu alhaisen C/N-suhteen jäteveden typenpoistokäsittelyssä. Sequencing Batch Reactor (SBR) helpottaa typen ja fosforin poistoa säätelemällä liuenneen hapen pitoisuutta. Yhdistettynä liikkuvan kerroksen biofilmireaktoriin (MBBR) muodostamaan S-MBBR-järjestelmän, kantajilla oleva biokalvo tarjoaa kerrostuneet kasvuolosuhteet aerobisille nitrifioiville bakteereille ja hapettomille denitrifioiville bakteereille, luoden SND-mikroympäristön ja samalla lisäämällä järjestelmän ominaispinta-alaa ja mikrobien stabiilisuutta. Tutkimukset ovat osoittaneet, että S-MBBR on parempi kuin perinteiset prosessit typen ja fosforin poistotehokkuuden, iskunkeston ja järjestelmän vakauden suhteen.

1 Materiaalit ja menetelmät

1.1 Kokeellinen asennus.Kokeellinen kokoonpano koostui pääasiassa tulovesisäiliöstä, ilmapuhaltimesta, sekoituslaitteesta, jätevesisäiliöstä ja pääreaktorista. Reaktorin tehollinen tilavuus oli 1,8 l ja käsittelykapasiteetti sykliä kohden 1 l. Reaktori täytettiin uudentyyppisellä bioaffinitiivisella kantajalla täyttösuhteella noin 25 %. Alkuperäinen sekalipeän haihtuvien suspendoitujen kiintoaineiden (MLVSS) pitoisuus reaktorissa oli 3000 mg/l.

1.2 Kokeellinen materiaali.Affiniteettimodifioitu kantoainetäyte valmistettiin fysikaalisella sekoitus- ja ruuviekstruusiotekniikalla. Spesifinen menettely oli seuraava: 3 % nollaarvoista rautaa, HDPE:tä ja apuaineita (2 % luonnonzeoliittia, 2 % polykvaternium-10:tä ja 1 % talkkijauhetta) sekoitettiin tasaisesti. Sitten seos sulatettiin käyttämällä SJ-20 yksiruuviekstruuderia ja suulakepuristettiin rakeisiksi nauhoiksi (halkaisijaltaan noin 5 mm, pituudeltaan 5–10 mm). Lopuksi nämä kiinteät hiukkaset ekstrudoitiin käyttämällä SJ-30 yksiruuviekstruuderia lopullisen kantajan tuottamiseksi.

1.3 Käyttöolosuhteet.Kaksi reaktoria pystytettiin: yksi kantoaineilla (S-MBBR, merkitty R1:ksi) ja yksi ilman kantoaineita (SBR, merkitty nimellä R2). Kaikki muut ehdot pidettiin samoina. Ensimmäinen vaihe oli biofilmin kiinnityksen käynnistys, joka toimi SBR-tilassa suhteessa 3:3:2. Käyttöjakso sisälsi tulo-, staatti-, ilmastusreaktion, hapettoman sekoituksen, laskeutumisen ja poistovaiheen (3 h anaerobinen, 3 h ilmastus, 2 h sekoitus/laskutus/tulo/poisto). NaHC03:a käytettiin sisäänvirtaavan pH:n säätämiseen noin 8:aan. Onnistuneen biofilmin kiinnittymisen jälkeen ammoniakkitypen pitoisuutta muutettiin C/N-suhteen pienentämiseksi ja koe aloitettiin, kuten kohdassa on kuvattu.Taulukko 1.

1.4 Kokeellinen vesi ja siirrostettu liete.Biofilmin käynnistykseen käytetyn synteettisen jäteveden COD, NH4+-N ja kokonaisfosfori (TP) saatiin C6H12O6:lla, NH4Cl:lla ja KH2PO4:lla, vastaavasti. Hivenaineet koostuivat seuraavista: EDTA-2Na (18,76 g/l), CoCl2·6H2O (0,3 g/l), CuSO4·5H2O (0,32 g/l), NiCl2·6H2O (0,24 g/l), H3BO18 (0.1) ZnS04·7H20 (0,54 g/l), MnCl2·4H20 (1,24 g/l), NaMoO4·2H20 (0,28 g/l) ja NaWO4·2H20 (0,1 g/l). Synteettisen jäteveden koostumus oli: C6H12O6 (0,47 g/l), NH4Cl (0,095 g/l), KH2PO4 (0,022 g/l), NaCl (0,1 g/l), NaHC03 (0,15 g/l), MHCO 5 (0,15 g/l) g/l), CaCl2:ta (0,05 g/l), FeS04·7H20:ta (0,02 g/l) ja hivenaineita (1 ml/l). Liete otettiin Dalianin jätevedenpuhdistamon toissijaisesta sedimentointisäiliöstä.

1.5 Analyyttiset menetelmät.Rutiini-indikaattorit mitattiin standardimenetelmien mukaisesti, jotka on määritelty julkaisussa "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater" (4. painos) ja kansallisissa standardeissa, mukaan lukien epäpuhtauksien poistokapasiteettianalyysi, kalvon likaantumisanalyysi ja kaasuntuotantoanalyysi. Erityisesti: NH4+-N mitattiin salisyylihapporeagenssispektrofotometrisellä menetelmällä; TP ammoniummolybdaattispektrofotometrisellä menetelmällä; NO3-N salisyylihappoväkevöidyn rikkihapporeagenssispektrofotometrisellä menetelmällä; NO2-N N-(1-naftyyli)etyleenidiamiinispektrofotometrisellä menetelmällä; TN oli kaikkien typen muotojen pitoisuuksien summa; COD mitattiin nopealla digestiomenetelmällä; ja lietteen pitoisuus (mukaan lukien MLSS ja MLVSS) mitattiin gravimetrisellä menetelmällä.

2 Tulokset ja analyysi

2.1 COD-poiston suorituskyky

Reaktoriin saapunut orgaaninen aines poistettiin vaiheittain, mukaan lukien anaerobinen, aerobinen (ilmastus), hapeton sekoitus, laskeutus ja jätevesi.Kuva 1näyttää reaktorien COD-poistokyvyn eri käyttövaiheissa. Vaihe I oli biofilmin kiinnitysvaihe ja vaiheet II, III ja IV olivat vaiheita, joissa C/N/P-suhde pienennettiin arvoihin 100:8:1, 64:8:1 ja 32:6:1. Keskimääräiset poistoasteet R1:lle kussakin vaiheessa olivat 95,57 %, 96,25 %, 92,70 % ja 94,18 %; R2:n keskimääräiset poistoasteet kussakin vaiheessa olivat 94,71 %, 96,19 %, 92,54 % ja 94,68 %. Voidaan havaita, että tällä prosessilla on hyvä orgaanisen aineksen poistokyky ja suhteellisen vakaissa jätevesiolosuhteissa se täytti GB 18918-2002 standardin vaatimukset (COD-pitoisuus < 50 mg/L). Koska järjestelmää käytettiin alhaisella C/N-suhteella, hiililähteestä tuli tehokasta aineenvaihduntaa ohjaava rajoittava substraatti. COD-poistossa ei ollut merkittävää eroa R1:n ja R2:n välillä, mikä osoitti, että modifioidulla kantajalla oli vähän vaikutusta COD:n poistoon.

2.2 NH₄⁺-N- ja TN-poistoteho

TN-poistoprosessi sisältää kaksi päävaihetta: nitrifikaatio ja denitrifikaatio. Nitrifikaatio aerobisena prosessina perustuu riittävään aerobiseen mikro-organismiin muuttamaan ammoniakkitypen nitraatiksi.Kuvat 2 ja 3esittävät reaktorien NH4+-N- ja TN-poistotehot, vastaavasti. NH₄⁺-N ja TN poistettiin pääasiassa aerobisen ilmastuksen ja anoksisen staattisen vaiheen aikana. Vaihe I oli biofilmin kiinnitysvaihe ja vaiheet II, III ja IV olivat vaiheita, joissa C/N/P-suhde pienennettiin arvoihin 100:8:1, 64:8:1 ja 32:6:1. Keskimääräiset NH4+-N-poistonopeudet R1:lle olivat 92,53 %, 95,83 %, 99,70 % ja 98,31 %; keskimääräiset NH4+-N-poistonopeudet R2:lle olivat 84,34 %, 91,82 %, 99,70 % ja 97,52 %. Keskimääräiset TN-poistoasteet R1:lle olivat 89,53 %, 87,21 %, 82,44 % ja 83,20 %; keskimääräiset TN-poistoasteet R2:lle olivat 78,3 %, 78,89 %, 73,26 % ja 76,66 %. Verrattuna R2:een keskimääräiset NH4+-N-poistonopeudet R1:lle kasvoivat 9,7 %, 4,36 %, 0 % ja 0,82 %; keskimääräiset TN-poistoasteet kasvoivat 14,35 %, 10,55 %, 12,54 % ja 8,3 %. Voidaan nähdä, että R1-järjestelmä ylitti R2:n typenpoistossa kaikissa vaiheissa, erityisesti järjestelmän toiminnan alkuvaiheissa, eron tasaantuessa vähitellen myöhemmissä vaiheissa.

Vaiheen I aikana sisäänvirtaavan NH4+-N-pitoisuus oli alhainen ja hiililähde oli suhteellisen riittävä täyttämään periaatteessa denitrifikaatiovaatimukset, joten jäteveden TN-pitoisuus oli alhainen. Inokuloidut mikro-organismit olivat vielä sopeutumisvaiheessa, eikä toiminnallinen mikrobiyhteisö järjestelmän sisällä ollut täysin vakiintunut, mikä johti epästabiiliin NH4+-N:n poistoon, mutta se stabiloitui vähitellen myöhemmin. Kahden reaktorin (R1 ja R2) välillä ei havaittu merkittävää eroa tässä vaiheessa. Vaiheeseen II tullessa sisään virtaavan NH4+-N-pitoisuus nousi äkillisesti, mutta ilmastusolosuhteita ei säädetty samanaikaisesti, mikä aiheutti merkittäviä heilahteluja järjestelmässä, erityisesti NH4+-N:n ja TN:n poistossa. Noin 6 päivän käytön jälkeen molemmat reaktorit palautuivat vähitellen stabiiliksi. Suuren ammoniakkitypen kuormituksen arvellaan edistäneen nitrifikaatiobakteerien nopeaa lisääntymistä, mikä paransi nitrifikaatioprosessin tehokkuutta. Järjestelmän toiminnan jatkuessa nitrifikaatio-denitrifikaatiojärjestelmä reaktoreissa vähitellen vakiintui ja vakiintui, ja TN-pitoisuuden vaihtelu väheni. Modifioidun kantoaineen läsnäolon ansiosta R1-järjestelmä saavutti alhaisemman jäännös-TN:n, jolloin kantoaine paransi reaktorin TN-poistonopeutta ja paransi myös järjestelmän mukautumiskykyä iskukuormitukseen. Päivänä 49 PO4:n poiston parantamiseksi ilmastuksen intensiteettiä lisättiin, mikä edisti täydellisempää nitrifikaatioprosessia. Nitrifikaation tuottaman nitraatin lisääntyminen johti kuitenkin suurempaan kysyntään denitrifikaatiossa käytettäville hiilen lähteille, kun taas sisäänvirtaava hiililähde oli suhteellisen riittämätön tässä vaiheessa, mikä johti jäteveden TN:n tiettyyn kasvuun. Vaiheessa III COD väheni entisestään, mikä teki denitrifikaatioon käytettävissä olevasta hiilenlähteestä reaktorissa entistä niukemman, mikä rajoitti entisestään TN:n poistoa ja jäteveden TN-pitoisuuden kokonaistaso nousi. Siitä huolimatta R1-järjestelmä säilytti edelleen paremman TN-poistokyvyn kuin R2, mikä osoittaa kantoaineen tehostavan vaikutuksen. Vaiheessa IV ammoniakkityppipitoisuutta nostettiin edelleen. Edellisen vaiheen kokemuksen perusteella ilmastusta lisättiin hieman ja ilmastusaikaa pidennettiin 4 tuntiin, mikä edistää nitrifikaatiobakteerien toimintaa, teki nitrifikaatioprosessista täydellisemmän ja paransi entisestään NH4⁺-N-poistotehokkuutta. Hiilen lähteen puutteen haasteessa denitrifikaatioprosessi oli kuitenkin rajallinen ja TN-pitoisuus nousi hieman myöhemmässä vaiheessa. Kaiken kaikkiaan R1-reaktori oli edelleen parempi kuin R2, osoittaen vahvempaa TN-poistokapasiteettia, mikä osoittaa, että pitkäaikaisen käytön jälkeen R1:ssä muodostunut vakaa biokalvorakenne ja synergistinen aerobinen-anoksinen ympäristö tarjosivat hyvät tilat ja olosuhteet samanaikaiselle nitrifikaatio- ja denitrifikaatioprosessille (SND). Zhang Kefang et ai. käytti SBR-prosessia alhaisen C/N-suhteen jäteveden käsittelyyn, jolloin saavutettiin orgaanisen aineen hapettumista, nitrifikaatiota ja denitrifikaatiota yhdessä reaktorissa, jolloin TN:n poistonopeus ylitti 80 %. Nämä tulokset osoittavat tehokkaasti, että yksivaiheinen biologinen denitrifikaatio on täysin mahdollista.

2.3 TP-poiston suorituskyky

Jätevedenpuhdistuksessa fosforinpoisto perustuu pääasiassa tiettyihin mikro-organismeihin, kuten fosforia kerääviin organismeihin (PAO), jotka absorboivat liukoista fosforia aerobisissa olosuhteissa ja vapauttavat fosforia anaerobisissa olosuhteissa.Kuva 4näyttää reaktorien TP-poistotehokkuuden. TP poistettiin aerobisen ilmastusvaiheen aikana. Vaiheissa I, II ja III TP-pitoisuus pysyi ennallaan, ja keskimääräinen sisäänvirtauspitoisuus oli 5,01 mg/l. Vaiheessa IV keskimääräinen sisäänvirtauksen TP-pitoisuus oli 10,30 mg/l. Keskimääräiset poistovesipitoisuudet R1:lle kussakin vaiheessa olivat 0,27 mg/L, 0,16 mg/L, 0,13 mg/L ja 1,92 mg/L, vastaavasti, ja keskimääräiset poistonopeudet olivat vastaavasti 94,73 %, 96,78 %, 97,54 % ja 81,35 %. Keskimääräiset poistovesipitoisuudet R2:lle olivat 0,39 mg/L, 0,35 mg/L, 0,33 mg/L ja 0,33 mg/L, vastaavasti, ja keskimääräiset poistonopeudet olivat vastaavasti 92,19 %, 93,01 %, 93,61 % ja 68,79 %. Verrattuna R2:een, R1:n keskimääräiset TP-poistonopeudet kasvoivat 2,75 %, 4,05 %, 4,20 % ja 18,26 % kummassakin vaiheessa.

R1-järjestelmässä kantaja tarjoaa pinnan mikrobien kiinnittymiselle, edistää PAO:iden kasvua ja aineenvaihduntaa, auttaa muodostamaan stabiilia biokalvoa, tehostaa mikrobiyhteisön aktiivisuutta, mikä parantaa reaktorin fosforinpoistokykyä ja tehostaa biologista fosforinpoistoprosessia. Vaiheessa II muuttamalla NH₄⁺-N-pitoisuutta nitrifikaation edistämiseksi järjestelmän hapenkulutus kasvoi. Siksi päivänä 49 ilmastusta lisättiin fosforinpoiston nopeuttamiseksi. Vaiheessa III COD:n väheneminen johti hiilen lähteen puutteeseen, mikä ei vain estänyt denitrifikaatioprosessia, vaan vaikutti myös PAO:iden metaboliseen aktiivisuuteen. Vaiheessa IV järjestelmä romahti, koska C/N-suhde reaktorissa putosi 8:sta 5,3:een. Lisääntynyt kilpailu hiilenlähteistä vähensi PAO:iden käytettävissä olevaa hiilen lähdettä anaerobisessa vaiheessa, mikä johti PHA-synteesin vähenemiseen, mikä puolestaan ​​vaikutti polyfosfaattihydrolyysiin ja PHA:n hapettumiseen aerobisissa olosuhteissa, mikä viime kädessä esti PAO:n kasvua ja fosforinottokykyä ja heikensi fosforinpoistotehokkuutta. Jäännösfosfori R1:ssä oli kuitenkin edelleen pienempi kuin R2:ssa, mikä osoittaa, että kantajan edistävä vaikutus oli edelleen olemassa.

3 Johtopäätös

Vertaileva koe suoritettiin rakennetun S-MBBR-järjestelmän ja SBR-järjestelmän välillä niiden typen- ja fosforinpoistotehokkuuden arvioimiseksi systemaattisesti alhaisen C/N-suhteen jätevesiolosuhteissa. Tulokset osoittivat, että S-MBBR-järjestelmä ylitti tavanomaisen SBR-järjestelmän COD:n, NH₄⁺-N:n, TN:n ja TP:n poistamisessa. Erityisesti hiililähteen puutteellisissa olosuhteissa TN:n ja NH4+-N:n poistumisnopeuksien enimmäislisäykset saavuttivat vastaavasti 14,35 % ja 8,19 %. Lisäksi S-MBBR-järjestelmä osoitti vahvaa kuormitusiskujen kestävyyttä ja jäteveden vakautta eri käyttövaiheissa. Suspendoituneiden kantajien käyttöönotto optimoi tehokkaasti järjestelmän mikroympäristön rakenteen, edisti samanaikaisen nitrifikaation ja denitrifikaation (SND) esiintymistä, lisäsi mikrobien monimuotoisuutta ja metabolista aktiivisuutta sekä paransi järjestelmän yleistä hoitokapasiteettia. Tutkimustulokset osoittavat, että S-MBBR-teknologialla on hyvät sovellusmahdollisuudet alhaisen C/N-suhteen jätevesien käsittelyyn ja se voi tarjota teknistä tukea olemassa olevien jätevedenkäsittelyprosessien optimointiin ja parantamiseen.