Begroingskarakterisering og lufteytelse Gjenvinning av fin-porediffuser i avløpsrenseanlegg
Som et kritisk trinn i den aktiverte slamprosessen til kommunale avløpsvannbehandlingsanlegg (WWTP), gir lufting for oksygentilførsel ikke bare tilstrekkelig oksygen til å opprettholde de grunnleggende livsaktivitetene til mikroorganismer, men holder også slammet suspendert, noe som letter adsorpsjonen og fjerningen av forurensninger. Lufting er også den mest-krevende enheten i renseanlegg, og står for 45 % til 75 % av anleggets totale energiforbruk. Derfor påvirker ytelsen til luftesystemet direkte renseeffektiviteten og driftskostnadene til renseanlegget. Lufteutstyr er en nøkkelkomponent i luftesystemet, med fine bobleluftere som er de mest brukte i kommunale renseanlegg på grunn av deres høye oksygenoverføringseffektivitet (OTE). Men under lang-drift samler forurensninger seg uunngåelig på overflaten og i porene til lufteapparatene. For å sikre avløpskvaliteten er det nødvendig med ekstra lufttilførsel fra vifter, noe som fører til økt energiforbruk. Videre forverrer forurensning poretilstopping og endrer luftematerialet. Trykktapet (dynamisk våttrykk, DWP) til luftekomponentene øker over lengre tid, noe som øker blåserens utløpslufttrykk og forårsaker ytterligere energisløsing.
Forurensninger som samler seg på overflaten og inne i porene til fine bobleluftere inkluderer biologisk, organisk og uorganisk begroing. Organisk begroing skyldes adsorpsjon og utfelling av organisk materiale og avsetning av mikrobielle sekreter. Uorganisk begroing består typisk av kjemiske utfellinger dannet av flerverdige kationer, slik som metalloksider. Basert på om de kan fjernes ved fysisk rengjøring, kan forurensninger kategoriseres som fysisk reversibel eller fysisk irreversibel begroing. Fysisk reversibel begroing kan fjernes ved hjelp av enkle fysiske metoder som mekanisk skrubbing, da disse forurensningene er løst festet til lufterens overflate. Fysisk irreversibel begroing kan ikke elimineres ved fysisk rengjøring og krever mer grundig kjemisk rengjøring. Innen fysisk irreversibel begroing kalles forurensninger som kan fjernes ved kjemisk rensing kjemisk reversibel begroing, mens de som ikke kan fjernes selv ved kjemisk rensing regnes som uopprettelig begroing.
For tiden inkluderer finbobleluftere som brukes innenlands, tradisjonelle gummimaterialer som etylenpropylendienmonomer (EPDM) og nyere materialer som polyetylen med høy-densitet (HDPE). Gassfordelingslaget til HDPE-luftere dannes ved å belegge det indre lufttilførselsrøret med smeltet polymer, med porediametre omtrent (4,0 ± 0,5) mm. HDPE tilbyr gode kjemiske, mekaniske og slagfaste egenskaper og lang levetid. Imidlertid er porestørrelsene inkonsekvente og ujevnt fordelt, noe som gjør dem utsatt for forurensende avsetning. EPDM-materialet er svært fleksibelt, med porer skapt ved mekanisk kutting. EPDM-luftere har et høyere antall porer per arealenhet, og produserer mindre bobler (minimum 0,5 mm). Den hydrofile naturen til gummimembranen favoriserer også bobledannelse. Imidlertid har mikroorganismer en tendens til å feste seg og vokse på EPDM-overflater, ved å bruke myknere som underlag. Samtidig fører forbruket av myknere til at luftematerialet herder, noe som til slutt fører til tretthetsskader og forkortet levetid. Derfor er det nødvendig å undersøke forurensningsakkumuleringsmønstrene på disse to materialene og de påfølgende endringene i oksygenoverføringseffektivitet og trykktap.
Denne studien tok fine bobleluftere erstattet etter mange års drift fra to kommunale renseanlegg med lignende prosessforhold som forskningsobjekter. Forurensninger på lufteovnene ble ekstrahert og karakterisert lag for lag for å identifisere hovedkomponentene deres. Basert på dette, ble effektiviteten til rengjøringsmetoder for å gjenvinne oksygenoverføringseffektiviteten til lufterne evaluert, med sikte på å gi grunnleggende data og tekniske referanser for den langsiktige optimaliserte og stabile driften av luftesystemer med fine bobler.
1 Materialer og metoder
1.1 Introduksjon til avløpsrenseanleggene
Begge renseanleggene er lokalisert i Shanghai og bruker prosessen Anaerob-Anoxic-Oxic (AAO) som kjernebehandling. WWTP A bruker et virvelkornkammer + konvensjonell AAO + høy-fiberfilter + UV-desinfeksjonsprosess. WWTP B bruker et luftet gruskammer + konvensjonell AAO + høy{10}}effektiv sedimentasjonstank + UV-desinfeksjonsprosess. Begge anleggene oppfyller stabilt klasse A-standarden for "utslippsstandarden for forurensninger for kommunale avløpsrenseanlegg" (GB 18918-2002). Spesifikke design- og driftsparametre er vist iTabell 1.
1.2 Utvinning og karakterisering av lufteforurensninger
De fine boblelufterne som ble brukt i eksperimentene var en rørformet HDPE-lufter (Ecopolemer, Ukraina) samlet fra anlegg A og en rørformet EPDM-lufter (EDI-FlexAir, USA) samlet fra anlegg B. Bilder av begge er vist iFigur 1. Det gamle HDPE-røret hadde vært i drift i 10 år, med dimensjoner D×L=120 mm×1000 mm og porediameter på (4±0,50) mm, i stand til å produsere fine bobler på 2~5 mm. Det gamle EPDM-røret hadde vært i drift i 3 år, med dimensjonene D×L=91 mm×1003 mm, og ga fine bobler på 1,0~1,2 mm, med en minimum boblediameter på 0,5 mm.
De gamle HDPE- og EPDM-rørene ble hentet fra de aerobe tankene, plassert på matfilm og skylt med avionisert vann. Mekanisk skrubbing ble utført ved å bruke et flamme-sterilisert blad for å skrape av forurensninger festet til lufteoverflaten.
For ytterligere å studere virkningen av begroing på oksygenoverføringsytelsen, ble det utført kjemisk rensing på HDPE-røret. Etter mekanisk skrubbing ble HDPE-røret bløtlagt i henholdsvis 5 % HCl og 5 % NaClO-løsninger i 24 timer. De gamle rørene, mekanisk skrubbete rørene og kjemisk rensede rørene ble tørket i en 60 graders ovn (modell XMTS-6000) i 60 timer. Overflatene deres ble deretter undersøkt ved bruk av skanningselektronmikroskopi (SEM, modell JSM-7800F, Japan), energidispersiv røntgenspektroskopi (EDX, Oxford Instruments, Storbritannia) og konfokal laserskanningsmikroskopi (CLSM, modell TCS SP8, Tyskland). HCl-renseløsningen ble filtrert gjennom en 0,45 μm membran, og kvantitativ analyse av polyvalente kationer (inkludert Ca, Mg, Al, Fe ioner, etc.) ble utført ved bruk av induktivt koblet plasma optisk emisjonsspektrometri (ICP, modell ICPS-7510, Japan). Siden HCl og NaClO kan forårsake denaturering og aldring av EPDM-membranen, ble det ikke utført kjemisk rensing på EPDM-røret. EPDM-røret ble kuttet i 5 cm × 5 cm membranstykker og bløtlagt i HCl for kvantitativ analyse av polyvalente kationer i løsningen.
1.3 Testing av utstyr og metode for lufteapparatets oksygenoverføringsytelse
Oksygenoverføringsytelsen til finboblelufterne ble testet i henhold til "Bestemmelse av rent vann oksygenoverføringsytelse for finbobleluftere" (CJ/T 475-2015). Testoppsettet vises iFigur 2.
Apparatet er en struktur i rustfritt-stål som måler 1,2 m × 0,3 m × 1,4 m, med organiske glassvinduer på begge sider. Lufteren ble festet i senterbunnen ved hjelp av en metallstøtte, med en nedsenkningsdybde på 1,0 m. En vannkvalitetsanalysator med flere-parametere (Hach HQ30D, USA) ble brukt til å overvåke konsentrasjonen av oppløst oksygen (DO) i sanntid. Vannfri natriumsulfitt ble brukt som deoksygeneringsmiddel, og koboltklorid som katalysator. Trykkmålerens avlesning representerte lufterens dynamiske våttrykk (DWP, kPa). Måleresultater ble korrigert for temperatur, saltholdighet og DO. Den standardiserte oksygenoverføringseffektiviteten (SOTE, %) ble brukt som evalueringsindeks.
Blåserens energiforbruk er relatert til både lufttilførselsmengde og utløpslufttrykk, som påvirkes av lufterens henholdsvis SOTE og DWP. Derfor ble en energiforbruksindeks for lufting J (kPa·h/g), som representerer den kombinerte effekten av SOTE og DWP, brukt for å vurdere lufterens ytelse. Det er definert som trykktapet lufteren må overvinne per masseenhet oksygen som overføres. J beregnes fra helningen til den lineære regresjonstilpasningen mellom DWP/SOTE og luftstrømningshastigheten (AFR), som vist i følgende ligning:
Hvor:
AFRer luftstrømhastigheten, m³/h;
ρlufter lufttettheten, tatt som 1,29 × 10³ g/m³ ved 20 grader;
yO2er oksygeninnholdet i luft, tatt som 0,23 g O2/g luft.
2 Resultater og analyse
2.1 Ytelse for oksygenoverføring for nye, gamle og rensede luftere
Figur 3viser SOTE og DWP for lufterne ved forskjellige luftstrømningshastigheter.
Fra figur 3(a) og (b) var SOTE-verdiene for de nye HDPE- og nye EPDM-rørene henholdsvis (7,36±0,53) % og (9,68±1,84) %. EPDM-røret produserer mindre bobler med et større spesifikt overflateareal, noe som øker gass-væskekontaktområdet og oppholdstiden, noe som resulterer i høyere SOTE. SOTE av begge lufteapparatene avtok med økende AFR fordi en høyere AFR øker bobleantall og starthastighet, noe som førte til flere boblekollisjoner og dannelse av større bobler, noe som hindrer oksygenoverføring fra gass til væskefase. SOTE av EPDM-røret viste en mer uttalt synkende trend med økende AFR sammenlignet med HDPE-røret. Dette er fordi porene til HDPE-lufteren er stive og ikke endres med AFR, mens porene til EPDM-lufteren er fleksible og åpner bredere med økt AFR, og danner større bobler og reduserer SOTE ytterligere.
Etter lang-drift falt SOTE til HDPE-røret til (5,39±0,62) %, en reduksjon på 26,7 %, hovedsakelig på grunn av at forurensende akkumulering tetter til porene og reduserte antallet effektive porer for boblegenerering. Mekanisk skrubbing økte SOTE av HDPE-røret til (5,59±0,66) %, men utvinningen var ikke signifikant, muligens fordi forurensninger på HDPE-røret ikke bare ble festet til overflaten, men også avsatt inne i porene, noe som gjorde dem vanskelige å fjerne ved mekanisk skrubbing. Jiang et al. funnet at NaClO effektivt kan fjerne forurensninger fra HDPE-rør og gjenopprette deres lufteytelse. Etter NaClO-rengjøring kom SOTE av HDPE-røret til (6,14±0,63) %, som er 83,4 % av nivået til det nye røret, og fortsatt ikke i stand til å gjenopprette seg helt. Dette er fordi, over langvarig drift, blir forurensende stoffer tett festet, endrer porestrukturen, hindrer luftstrømmen, øker boblesammensmelting, reduserer boblespesifikke overflateareal og oppholdstid, og hindrer dermed oksygenoverføring. Samtidig forårsaker begroing ujevn luftfordeling, noe som forringer den generelle ytelsen.
SOTE til det gamle EPDM-røret falt til (9,06±1,75) %, en reduksjon på 6,4 %. I tillegg til tilstopping av porer fra akkumulering av forurensende stoffer, bruker biologisk begroing myknere i materialet, herder lufteren og deformerer porene. De deformerte porene kan ikke gå tilbake til sin opprinnelige tilstand, og produserer større bobler og senker SOTE. Mekanisk skrubbing økte SOTE av EPDM-røret til (9,47±1,87) %, og nesten gjenopprettet det til nivået til det nye røret, noe som indikerer at forurensninger på EPDM-røret var løst festet til overflaten og kunne for det meste fjernes ved mekanisk skrubbing.
Fra figur 3(c) og (d), var DWP for det nye EPDM-røret (6,47±0,66) kPa, betydelig høyere enn det for det nye HDPE-røret [(1,47±0,49) kPa]. Dette er fordi porediameteren til EPDM-røret er mindre enn HDPE-røret, noe som resulterer i større motstand når bobler presses gjennom. Etter lang-operasjon økte DWP til det gamle HDPE-røret til (4,36±0,56) kPa, 2,97 ganger det nye røret. Økningen i DWP er knyttet til både graden av poretilstopping og materialendringer. Mekanisk skrubbing reduserte DWP til HDPE-røret til 2,25 ganger det nye røret. NaClO-rensing reduserte den ytterligere til (2,04±0,45) kPa, 1,39 ganger den for det nye røret. Dette indikerer igjen at de fleste forurensninger på HDPE-røret ble avsatt inne i porene og ikke kunne fjernes effektivt ved mekanisk skrubbing, noe som krever NaClO-rengjøring for å gjenopprette ytelsen. DWP for det gamle EPDM-røret økte til (8,10 ± 0,94) kPa, 1,25 ganger det for det nye røret, og redusert til 1,10 ganger etter mekanisk skrubbing.
Figur 4viser endringen av DWP/SOTE (betegnet som DWP') med AFR for lufterne.
En lineær regresjonsligning ble brukt for å tilpasse DWP' versus AFR, og energiforbruksparameteren J ble hentet fra helningen. J-verdiene for de nye HDPE- og nye EPDM-rørene var henholdsvis 0,064 og 0,204 kPa·h/g, noe som indikerer at per masseenhet oksygen som overføres, må EPDM-røret overvinne større trykktap. På tidspunktet for utskifting økte J-verdiene for HDPE- og EPDM-rørene til henholdsvis 0,251 og 0,274 kPa·h/g. Tilsmussing av lufteren som fører til økt trykktap kan påvirke viftesikker drift. Etter mekanisk skrubbing sank J-verdiene for HDPE- og EPDM-rørene til henholdsvis 0,184 og 0,237 kPa·h/g. Endringer i J kan brukes til kvantitativ analyse av lufteforurensninger. Forskjellen i J mellom det gamle røret og det mekanisk skrubbete røret er forårsaket av fysisk reversibel begroing. Forskjellen mellom det mekanisk skrubbete røret og det nye røret er forårsaket av fysisk irreversibel begroing. Forskjellen mellom det mekanisk rensede røret og det kjemisk rensede røret er forårsaket av kjemisk reversibel begroing, mens forskjellen mellom det kjemisk rensede røret og det nye røret er forårsaket av uopprettelig begroing. Figur 5 viser endringene i energiforbruksparameteren J for lufterne.
FraFigur 5, for HDPE-røret utgjorde fysisk reversibel og fysisk irreversibel begroing henholdsvis 35,8 % og 64,2 % av den totale begroingen. Innenfor den fysisk irreversible begroingen utgjorde kjemisk reversibel og irreversibel begroing henholdsvis 42,8 % og 21,4 %. For EPDM-røret utgjorde fysisk reversibel og fysisk irreversibel begroing henholdsvis 52,9 % og 47,1 %. Uopprettelig begroing vises ikke i utgangspunktet, men akkumuleres over tid, og bestemmer til slutt lufterens levetid. Det bør derfor etableres rimelige rengjøringsplaner for å bremse overgangen fra reversibel til irreversibel begroing og minimere akkumuleringen av uopprettelig begroing.
2.2 SEM-observasjon av nye, gamle og rensede luftere
Figur 6viser SEM-bilder av overflatene til nye, gamle og mekanisk skrubbete luftere. Den porøse strukturen til det nye HDPE-røret er godt synlig, mens overflaten på det nye EPDM-røret er glatt med rene-kuttede porer. Etter flere års drift endret overflatemorfologien til begge lufterne seg betydelig. Ujevne stavlignende- og blokkholdige forurensninger dekket overflaten fullstendig, med forurensende aggregater rundt og inne i porene, noe som hindrer oksygenoverføring og øker trykktapet. Etter mekanisk skrubbing ble de fleste forurensningene på EPDM-røroverflaten fjernet, men porene forble tilstoppet. For HDPE-røret ble tykkelsen av forurensningslaget redusert, men porene var fortsatt dekket.
2.3 Uorganisk begroingsanalyse av nye, gamle og rensede luftere
EDX ble brukt til å videre analysere hovedelementsammensetningen til lufteflatene, med resultater vist iTabell 2. Karbon, oksygen, jern, silisium og kalsium ble påvist på både HDPE- og EPDM-overflater. HDPE-røret inneholdt også magnesium, mens EPDM-røret inneholdt aluminium. Det utledes at uorganiske forurensninger på HDPE-røret var silisiumdioksid, kalsiumkarbonat, magnesiumkarbonat og jernfosfat, mens de på EPDM-røret var silisiumdioksid og aluminiumoksid. Disse uorganiske utfellingene ble dannet når konsentrasjonene av uorganiske ioner fra kommunalt avløpsvann og aktivert slam nådde metning på lufterens overflate. Etter mekanisk skrubbing viste de uorganiske elementene på lufteflatene liten forskjell sammenlignet med de gamle rørene, noe som indikerer at mekanisk skrubbing ikke effektivt kan fjerne uorganiske forurensninger. Kim et al. fant ut at etter lang-drift blir uorganiske forurensninger dekket av organiske forurensninger, som fester seg tett til overflaten og inne i porene, noe som gjør dem vanskelige å fjerne ved mekanisk skrubbing.
Etter HCl-rensing ble metallioner på lufteflatene fullstendig fjernet. HCl korroderte en del av det organiske laget som dekket overflaten, penetrerte den og reagerte med metallioner, og fjernet uorganiske utfellinger gjennom nøytralisering og dekomponering. HCl-renseløsningen som ble brukt til å bløtlegge lufteovnene ble analysert av ICP for å beregne innholdet av uorganiske forurensninger. Ca-, Mg- og Fe-innholdet for HDPE-røret var henholdsvis 18,00, 1,62 og 13,90 mg/cm², mens Ca-, Al- og Fe-innholdet for EPDM-røret var henholdsvis 9,55, 1,61 og 3,38 mg/cm².
2.4 Organisk begroingsanalyse av nye, gamle og rensede luftere
For å kvantitativt undersøke fordelingen av organiske forurensninger, ble Image J-programvare brukt til å beregne biovolum og substratdekningsforhold for totale celler, polysakkarider og proteiner fra CLSM-mikrografer, med gjennomsnitt tatt som endelige resultater (Figur 7).
Fra figur 7(a) var proteiner og totale celler hovedkomponentene i organiske forurensninger på henholdsvis HDPE- og EPDM-rørene, med maksimale totale volumer som nådde 7,66×10⁵ og 7,02×10⁵ μm³. Det totale cellevolumet på EPDM-røret var 2,5 ganger det på HDPE-røret, i samsvar med funn av Garrido-Baserba et al., som rapporterte høyere total DNA-konsentrasjon på gamle EPDM-luftere sammenlignet med andre materialer. Wanger et al. fant at når mikroorganismer fester seg til EPDM-rør, hvis det omkringliggende miljøet mangler tilstrekkelig organisk substrat, vendte de seg til å bruke EPDM-membranmyknere. Mikroorganismer kan bruke myknere som en karbonkilde, akselerere vekst og reproduksjon, og dermed intensivere biologisk begroing på EPDM-overflaten. Polysakkarid- og proteininnholdet på EPDM-røret var mye lavere enn på HDPE-røret, muligens på grunn av høyere slamalder i plante B sammenlignet med plante A, noe som førte til lavere konsentrasjon av ekstracellulær polymer substans (EPS). Som hovedkomponenter i EPS ble proteiner og polysakkarider utskilt av mikroorganismer betydelige kilder til organiske forurensninger på HDPE-røroverflaten i plante A.
Etter mekanisk skrubbing reduserte mengden av totale celler, polysakkarider og proteiner på HDPE-røret med henholdsvis 1,49×10⁵, 0,13×10⁵ og 1,33×10⁵ μm³. På EPDM-røret var de tilsvarende reduksjonene henholdsvis 2,20×10⁵, 1,88×10⁵ og 2,38×10⁵ μm³. Dette indikerer at mekanisk skrubbing kan redusere organisk begroing til en viss grad.
For HDPE-røret økte imidlertid substratdekningsområdet for polysakkarider og proteiner etter mekanisk skrubbing -fra 2,75 % og 6,28 % til henholdsvis 4,67 % og 7,09 % [Figur 7(b)]. Dette skjedde fordi de ekstracellulære polymere stoffene (EPS) har høy viskositet. Følgelig hadde mekanisk skrubbing den kontraproduktive effekten av å spre proteiner, polysakkarider og uorganiske forurensninger mer utover HDPE-rørets overflate, noe som førte til større områdedekning. Dette forklarer sannsynligvis hvorfor mekanisk skrubbing ikke klarte å gjenopprette lufteeffektiviteten til HDPE-røret betydelig.
Etter NaClO-rensing sank det totale antallet celler, polysakkarider og proteiner på HDPE-røret med henholdsvis 2,34×10⁵, 3,42×10⁵ og 4,53×10⁵ μm³, noe som viser betydelig høyere fjerningseffektivitet enn mekanisk skrubbing. NaClO oksiderer funksjonelle grupper av organiske forurensninger til ketoner, aldehyder og karboksylsyrer, øker hydrofilisiteten til moderforbindelsene og reduserer forurensningsadhesjonen til lufteren. Videre kan slamflokker og kolloider spaltes av oksidanter til fine partikler og oppløst organisk materiale.
3 Konklusjoner
①SOTE-verdiene for de nye HDPE- og nye EPDM-rørene var henholdsvis (7,36±0,53) % og (9,68±1,84) %. SOTE av EPDM-røret viste en mer uttalt synkende trend med økende AFR sammenlignet med HDPE-røret. Dette er fordi porene til HDPE-lufteren er stive og ikke endres med AFR, mens porene til EPDM-lufteren er fleksible og åpner bredere med økt AFR, og danner større bobler og reduserer SOTE ytterligere.
②På grunn av akkumulering av forurensende stoffer på overflaten og inne i porene, reduserte oksygenoverføringseffektiviteten til HDPE-røret med 26,7 %, og trykktapet økte til 2,97 ganger det nye røret. Siden de fleste forurensningene på HDPE-røret ble avsatt inne i porene, var mekanisk skrubbing ikke effektiv. Etter kjemisk rensing kom SOTE av HDPE-røret tilbake til 83,4 % av det nye rørets nivå, og DWP sank til 1,39 ganger det nye røret, noe som viste betydelig ytelsesforbedring. På grunn av forurensningsavsetning kunne den imidlertid ikke komme seg helt tilbake til sin opprinnelige tilstand. For HDPE-røret utgjorde fysisk reversibel, kjemisk reversibel og uopprettelig begroing henholdsvis 35,8 %, 42,8 % og 21,4 %.
③Etter lang-drift sank oksygenoverføringseffektiviteten til EPDM-røret med 6,4 %, og trykktapet økte til 1,25 ganger det nye røret. Etter mekanisk skrubbing ble lufteytelsen til EPDM-røret nesten gjenopprettet til nivået til det nye røret, noe som indikerer at forurensninger på EPDM-røret var løst festet til overflaten og i stor grad kunne fjernes ved mekanisk skrubbing. For EPDM-røret utgjorde fysisk reversibel og fysisk irreversibel begroing henholdsvis 52,9 % og 47,1 %.
④Proteiner var hovedkomponenten i organiske forurensninger på HDPE-røret, mens totale celler var hovedkomponenten på EPDM-røret. Dette er fordi mikroorganismer bruker myknere i EPDM-materialet som en karbonkilde, og akselererer deres vekst og reproduksjon, og forsterker derved biologisk begroing på EPDM-materialeluftere.