Ytelse for fjerning av forurensninger til et S-MBBR-system for avløpsvannbehandling med lavt C/N-forhold: COD, TN, NH₄⁺-N og TP-analyse

Analyse av ytelsen til fjerning av forurensninger i et S-MBBR-system for avløpsbehandling med lavt C/N-forhold

Introduksjon

Med akselerasjonen av urbanisering og industrialisering øker utslippet av lavt C/N-forhold (lavt karbon-til-nitrogenforhold) avløpsvann, hovedsakelig fra husholdningskloakk, matforedling, landbruk og sirkulerende kjølevann. For å møte den dårlige effektiviteten til fjerning av total nitrogen (TN) i avløpsvann med lavt C/N-forhold, har kort-nitrifikasjon-denitrifikasjon og samtidig nitrifikasjon og denitrifikasjon (SND) vakt oppmerksomhet de siste årene. Relativt sett er reaksjonsbetingelsene til SND-prosessen lettere å kontrollere, og den kan oppnå både karbonfjerning og nitrogenfjerning samtidig. Derfor har den en betydelig fordel ved nitrogenfjerningsbehandling for avløpsvann med lavt C/N-forhold. Sequencing batch-reaktoren (SBR) letter fjerning av nitrogen og fosfor ved å kontrollere konsentrasjonen av oppløst oksygen. Når den kobles sammen med biofilmreaktoren med bevegelig seng (MBBR) for å danne et S-MBBR-system, gir biofilmen på bærerne stratifiserte vekstforhold for aerobe nitrifiserende bakterier og anoksiske denitrifiserende bakterier, og skaper et SND-mikromiljø samtidig som det øker det spesifikke overflatearealet og den mikrobielle stabiliteten til systemet. Studier har vist at S-MBBR er overlegen tradisjonelle prosesser når det gjelder nitrogen- og fosforfjerningseffektivitet, støtmotstand og systemstabilitet.

1 Materialer og metoder

1.1 Eksperimentelt oppsett.Forsøksoppsettet besto hovedsakelig av en tilløpstank, en luftblåser, en røreanordning, en avløpstank og hovedreaktoren. Det effektive volumet til reaktoren var 1,8 L, og behandlingskapasiteten per syklus var 1 L. Reaktoren ble fylt med en ny type bio-affitiv bærer med et fyllingsforhold på omtrent 25 %. Den opprinnelige konsentrasjonen av flyktige suspenderte faste stoffer (MLVSS) i reaktoren var 3000 mg/L.

1.2 Eksperimentelt materiale.Det affinitetsmodifiserte-bærerfyllstoffet ble fremstilt ved fysisk blanding og skruekstruderingsteknologi. Den spesifikke prosedyren var som følger: 3 % null-verdig jern, HDPE og hjelpematerialer (2 % naturlig zeolitt, 2 % polyquaternium-10 og 1 % talkumpulver) ble blandet jevnt. Deretter ble blandingen smeltet ved å bruke en SJ-20 enkeltskrueekstruder og ekstrudert til granulære strimler (omtrent 5 mm i diameter, 5–10 mm i lengde). Til slutt ble disse faste partiklene ekstrudert ved bruk av en SJ-30 enkeltskrueekstruder for å produsere den endelige bæreren.

1.3 Driftsforhold.To reaktorer ble satt opp: én med bærere (S-MBBR, betegnet som R1) og én uten bærere (SBR, betegnet som R2). Alle andre forhold ble holdt de samme. Det første trinnet var oppstart- av biofilmfesting, drevet i en SBR-modus med et forhold på 3:3:2. Driftssyklusen inkluderte innløps-, statisk-, luftingsreaksjon, anoksisk omrøring, sedimentering og avløpstrinn (3 timer anaerob, 3 timers lufting, 2 timers omrøring/sedimentering/tilførsel/avløp). NaHCO₃ ble brukt for å justere innstrømmende pH til rundt 8. Etter vellykket biofilmfesting ble ammoniakknitrogenkonsentrasjonen endret for å redusere C/N-forholdet og eksperimentet startet, som beskrevet i detalj iTabell 1.

1.4 Eksperimentelt vann og inokulert slam.COD, NH₄⁺-N og totalt fosfor (TP) i det syntetiske avløpsvannet som ble brukt til biofilmstart-, ble levert av henholdsvis C₆H₁₂O6, NH₄Cl og KH₂PO₄. Sporelementer var sammensatt av EDTA-2Na (18,76 g/L), CoCl2·6H2O (0,3 g/L), CuS04·5H2O (0,32 g/L), NiCl2·6H2O (0,24 g/L), H3B04g/L), H3B04g/L), H3B04g/L, 7,04 g/l, H3B04g/0. (0,54 g/L), MnCl2·4H20 (1,24 g/L), NaMoO4·2H20 (0,28 g/L), og NaWO4·2H20 (0,1 g/L). Sammensetningen av det syntetiske avløpsvannet var: 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), (MH2S01), (MH2S01), (MH2P04) g/L), CaCl2 (0,05 g/L), FeS04·7H20 (0,02 g/L) og sporelementer (1 mL/L). Slammet ble hentet fra den sekundære sedimentasjonstanken til et renseanlegg for avløpsvann i Dalian.

1.5 Analysemetoder.Rutineindikatorer ble målt i henhold til standardmetodene spesifisert i "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater" (4. utgave) og nasjonale standarder, inkludert analyse av forurensningskapasitetsanalyse, membranbegroingsanalyse og gassproduksjonsanalyse. Spesifikt: NH4⁺-N ble målt ved den spektrofotometriske salisylsyrereagensmetoden; TP ved ammoniummolybdat spektrofotometrisk metode; NO₃⁻-N ved den spektrofotometriske metoden for salisylsyre-konsentrert svovelsyrereagens; NO2--N ved den spektrofotometriske metoden N-(1-naftyl)etylendiamin; TN var summen av konsentrasjonene av alle nitrogenformer; COD ble målt ved hjelp av den raske fordøyelsesmetoden; og slamkonsentrasjon (inkludert MLSS og MLVSS) ble målt ved gravimetrisk metode.

2 Resultater og analyse

2.1 Ytelse for fjerning av COD

Organisk materiale som kom inn i reaktoren ble fjernet gjennom trinn inkludert anaerob, aerob (lufting), anoksisk omrøring, sedimentering og avløp.Figur 1viser COD-fjerningsytelsen til reaktorene i forskjellige driftsstadier. Trinn I var biofilm-festestadiet, og trinn II, III og IV var stadiene hvor C/N/P-forholdet ble redusert til henholdsvis 100:8:1, 64:8:1 og 32:6:1. Den gjennomsnittlige fjerningsraten for R1 i hvert trinn var henholdsvis 95,57 %, 96,25 %, 92,70 % og 94,18 %; den gjennomsnittlige fjerningsraten for R2 i hvert trinn var henholdsvis 94,71 %, 96,19 %, 92,54 % og 94,68 %. Det kan sees at denne prosessen har god ytelse for fjerning av organisk materiale, og under relativt stabile avløpsforhold oppfylte den kravene i GB 18918-2002-standarden (COD-konsentrasjon < 50 mg/L). Siden systemet ble drevet med et lavt C/N-forhold, ble karbonkilden det begrensende substratet som driver effektiv metabolisme. Det var ingen signifikant forskjell i COD-fjerning mellom R1 og R2, noe som viser at den modifiserte bæreren hadde liten effekt på COD-fjerning.

2,2 NH₄⁺-N- og TN-fjerningsytelse

TN-fjerningsprosessen inkluderer to hovedtrinn: nitrifikasjon og denitrifikasjon. Nitrifikasjon, som en aerob prosess, er avhengig av tilstrekkelig med aerobe mikroorganismer til å omdanne ammoniakknitrogen til nitrat.Figur 2 og 3vis henholdsvis NH₄⁺-N- og TN-fjerningsytelsen til reaktorene. NH₄⁺-N og TN ble hovedsakelig fjernet under aerobe lufting og anoksiske statiske stadier. Trinn I var biofilm-festestadiet, og trinn II, III og IV var stadiene hvor C/N/P-forholdet ble redusert til henholdsvis 100:8:1, 64:8:1 og 32:6:1. Den gjennomsnittlige NH₄⁺-N-fjerningsraten for R1 var henholdsvis 92,53 %, 95,83 %, 99,70 % og 98,31 %; den gjennomsnittlige NH₄⁺-N-fjerningsraten for R2 var henholdsvis 84,34 %, 91,82 %, 99,70 % og 97,52 %. Den gjennomsnittlige TN-fjerningsraten for R1 var henholdsvis 89,53 %, 87,21 %, 82,44 % og 83,20 %; den gjennomsnittlige TN-fjerningsraten for R2 var henholdsvis 78,3 %, 78,89 %, 73,26 % og 76,66 %. Sammenlignet med R2 økte den gjennomsnittlige NH₄⁺-N-fjerningsraten for R1 med henholdsvis 9,7 %, 4,36 %, 0 % og 0,82 %; den gjennomsnittlige TN-fjerningsraten økte med henholdsvis 14,35 %, 10,55 %, 12,54 % og 8,3 %. Det kan sees at R1-systemet utkonkurrerte R2 i nitrogenfjerning på alle stadier, spesielt i de tidlige stadiene av systemdrift, med forskjellen som gradvis stabiliserte seg i senere stadier.

Under trinn I var den innflytende NH₄⁺-N-konsentrasjonen lav, og karbonkilden var relativt tilstrekkelig til å i utgangspunktet oppfylle denitrifikasjonskravene, så avløps-TN-konsentrasjonen var lav. De inokulerte mikroorganismene var fortsatt i tilpasningsstadiet, og det funksjonelle mikrobielle fellesskapet i systemet var ikke fullt etablert, noe som resulterte i ustabil fjerning av NH₄⁺-N, men det stabiliserte seg gradvis senere. Ingen signifikant forskjell ble observert mellom de to reaktorene (R1 og R2) i løpet av dette stadiet. Ved å gå inn i trinn II økte plutselig den innflytende NH₄⁺-N-konsentrasjonen, men lufteforholdene ble ikke justert samtidig, noe som forårsaket betydelige svingninger i systemet, spesielt i fjerning av NH₄⁺-N og TN. Etter ca. 6 dagers drift gjenopprettet de to reaktorene gradvis stabilitet. Det spekuleres i at den høye ammoniakknitrogenbelastningen fremmet den raske spredningen av nitrifiserende bakterier, og dermed forbedret effektiviteten til nitrifikasjonsprosessen. Etter hvert som systemdriften fortsatte, ble nitrifikasjons-denitrifikasjonssystemet i reaktorene gradvis etablert og stabilisert seg, og fluktuasjonen i TN-konsentrasjonen avtok. På grunn av tilstedeværelsen av den modifiserte bæreren, oppnådde R1-systemet lavere gjenværende TN, med bæreren som forbedret TN-fjerningshastigheten til reaktoren og også forbedret systemets tilpasningsevne til sjokkbelastninger. På dag 49, for å forbedre PO₄-fjerning, ble lufteintensiteten økt, noe som fremmet en mer fullstendig nitrifikasjonsprosess. Økningen i nitrat produsert ved nitrifikasjon førte imidlertid til en høyere etterspørsel etter karbonkilder for denitrifikasjon, mens den innflytende karbonkilden var relativt utilstrekkelig på dette stadiet, noe som resulterte i en viss grad av økning i avløpsvann TN. I trinn III ble COD ytterligere redusert, noe som gjorde karbonkilden tilgjengelig for denitrifisering i reaktoren enda mer knapp, noe som begrenset TN-fjerning ytterligere, og det totale nivået av TN-konsentrasjon i avløpet økte. Ikke desto mindre opprettholdt R1-systemet fortsatt bedre TN-fjerningsytelse enn R2, noe som demonstrerer den forbedrende effekten av bæreren. I trinn IV ble ammoniakknitrogenkonsentrasjonen økt ytterligere. Basert på erfaringer fra forrige trinn, ble luftingen økt noe og luftetiden ble utvidet til 4 timer, noe som fremmet aktiviteten til nitrifiseringsbakterier, gjorde nitrifikasjonsprosessen mer komplett og forbedret effektiviteten til fjerning av NH₄⁺-N ytterligere. Men i møte med utfordringen med mangel på karbonkilder, var denitrifikasjonsprosessen begrenset, og TN-konsentrasjonen økte litt i det senere stadiet. Totalt sett var R1-reaktoren fortsatt overlegen R2, og viste sterkere TN-fjerningskapasitet, noe som indikerer at etter lang-drift ga den stabile biofilmstrukturen og synergistiske aerobe-anoksiske miljøet dannet i R1 god plass og betingelser for den samtidige nitrifikasjons- og denitrifikasjonsprosessen (SND). Zhang Kefang et al. brukte en SBR-prosess for å behandle avløpsvann med lavt C/N-forhold, for å oppnå oksidasjon av organisk materiale, nitrifikasjon og denitrifikasjon i en enkelt reaktor, med en TN-fjerningshastighet på over 80 %. Disse resultatene viser effektivt at biologisk denitrifisering i ett-trinn er fullt mulig.

2.3 Ytelse for TP-fjerning

Ved behandling av avløpsvann er fosforfjerning hovedsakelig avhengig av spesifikke mikroorganismer, for eksempel fosfor-akkumulerende organismer (PAO), som absorberer løselig fosfor under aerobe forhold og frigjør fosfor under anaerobe forhold.Figur 4viser TP-fjerningsytelsen til reaktorene. TP ble fjernet under det aerobe luftingsstadiet. TP-konsentrasjonen i trinn I, II og III forble uendret, med en gjennomsnittlig innflytende konsentrasjon på 5,01 mg/L. I trinn IV var den gjennomsnittlige innflytende TP-konsentrasjonen 10,30 mg/L. Gjennomsnittlig avløpskonsentrasjon for R1 i hvert trinn var henholdsvis 0,27 mg/L, 0,16 mg/L, 0,13 mg/L og 1,92 mg/L, med gjennomsnittlig fjerningshastighet på henholdsvis 94,73 %, 96,78 %, 97,54 % og 81,35 %. Gjennomsnittlige avløpskonsentrasjoner for R2 var henholdsvis 0,39 mg/L, 0,35 mg/L, 0,33 mg/L og 0,33 mg/L, med gjennomsnittlig fjerningsgrad på henholdsvis 92,19 %, 93,01 %, 93,61 % og 68,79 %. Sammenlignet med R2 økte den gjennomsnittlige TP-fjerningsraten for R1 med henholdsvis 2,75 %, 4,05 %, 4,20 % og 18,26 % i hvert trinn.

I R1-systemet gir bæreren en overflate for mikrobiell binding, fremmer vekst og metabolisme av PAOer, bidrar til å danne en stabil biofilm, øker aktiviteten til det mikrobielle samfunnet, og forbedrer dermed fosforfjerningskapasiteten til reaktoren og gjør den biologiske fosforfjerningsprosessen mer effektiv. I trinn II, ved å endre NH₄⁺-N-konsentrasjonen for å fremme nitrifikasjon, økte systemets oksygenforbruk. Derfor, på dag 49, ble luftingen økt for å akselerere fosforfjerning. I trinn III førte reduksjonen i COD til karbonkildemangel, som ikke bare hindret denitrifikasjonsprosessen, men også påvirket den metabolske aktiviteten til PAO. I trinn IV kollapset systemet fordi C/N-forholdet i reaktoren falt fra 8 til 5,3. Den intensiverte konkurransen om karbonkilder reduserte den tilgjengelige karbonkilden for PAO i det anaerobe stadiet, noe som førte til en reduksjon i PHA-syntese, som igjen påvirket polyfosfathydrolyse og PHA-oksidasjon under aerobe forhold, og til slutt hindret PAO-vekst og fosforopptakskapasitet, og resulterte i redusert fosforfjerningseffektivitet. Imidlertid var restfosfor i R1 fortsatt lavere enn i R2, noe som indikerer at bærerens fremmende effekt fortsatt eksisterte.

3 Konklusjon

Et sammenlignende eksperiment ble utført mellom det konstruerte S-MBBR-systemet og SBR-systemet for systematisk å evaluere deres nitrogen- og fosforfjerningsytelse under forhold med lavt C/N-forhold. Resultatene viste at S-MBBR-systemet overgikk det konvensjonelle SBR-systemet i fjerning av COD, NH₄⁺-N, TN og TP. Spesielt under karbonkilder-mangelfulle forhold nådde den maksimale økningen i fjerningshastigheter for TN og NH₄⁺-N henholdsvis 14,35 % og 8,19 %. I tillegg viste S-MBBR-systemet sterk motstand mot belastningsstøt og avløpsstabilitet på forskjellige driftsstadier. Innføringen av suspenderte bærere optimaliserte effektivt systemets mikromiljøstruktur, fremmet forekomsten av samtidig nitrifikasjon og denitrifikasjon (SND), forbedret mikrobiell mangfold og metabolsk aktivitet, og forbedret den totale behandlingskapasiteten til systemet. Forskningsresultatene indikerer at S-MBBR-teknologi har gode bruksmuligheter for behandling av avløpsvann med lavt C/N-forhold og kan gi teknisk støtte for optimalisering og oppgradering av eksisterende avløpsvannbehandlingsprosesser.