Ammoniakknitrogenfjerning fra mikro-forurenset elvevann og kombinert kloakk ved bruk av MBBR-pakninger av forskjellige materialer
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) kombinerer fordelene med aktivslamprosessen og tradisjonell biofilmprosess, noe som gjør den til en innovativ og revolusjonerende teknologi innen moderne biologisk kloakkrensing. Tallrike tidligere studier har vist at MBBR-prosessen effektivt kan lindre nitrogenfjerningstrykket fra urbane kloakk. Bio-bærerpakningene i MBBR-prosessen kan transportere biofilmen til hele reaktoren, fremme kontakten mellom biofilmen, oksygen og reaksjonssubstrater, og forbedre effektiviteten av nedbrytningsreaksjoner. På grunn av deres unike stabilitet og tetthetsegenskaper, har de brede bruksmuligheter.
For tiden er de fleste MBBR bio-bærerpakninger hovedsakelig laget av materialer som polyetylen (PE), polypropylen (PP), polyuretan (PU) og porøs polyuretan (PPC). Blant dem har PE-baserte MBBR-pakninger en god fjerningseffekt på chroma, CODCr, ammoniakknitrogen, totalt nitrogen, totalt organisk karbon og flyktige fenoler i avløpsvann; PP-pakninger brukes mest i kombinerte MBBR-prosesser, slik som MBBR-AO-kombinert prosess og MBBR-MBR-kombinert prosess; PU- og PPC-pakninger har høy porøsitet, noe som kan gi et større festeområde for mikroorganismer, slik at mikroorganismer kan vokse raskt og stabilt, og dermed effektivt fjerne organiske miljøgifter og ulike næringsstoffer i avløpsvannet. PE- og PPC-pakninger er to mye brukte typer for tiden. PE-pakninger er mer utbredt påført med bedre ytelse, mens PPC-pakninger har sterkere hydrofilisitet og større spesifikt overflateareal, som er mer gunstig for festing av mikroorganismer. Begge typer pakninger har sine egne fordeler og ulemper, og begge har god mekanisk styrke og lave kostnader. Det er imidlertid få rapporter om effekten av fjerning av ammoniakknitrogen fra mikro-forurenset elvevann og kombinert overvanns{10}}kloakk i MBBR-AO-koblet prosess. Denne artikkelen utforsker virkningen av å legge til ulike typer MBBR bio-bærerpakninger (PE- og PPC-materialer) i MBBR-AO-koblet prosess på effektiviteten til fjerning av ammoniakknitrogen fra mikro-forurenset elvevann og kombinert overvanns{16}}kloakk. Samtidig analyserer den biofilmdannelseshastigheten og levetiden til forskjellige MBBR bio-bærerpakninger, med sikte på å forbedre de spesifikke utvelgelsesmetodene for ulike MBBR bio-bærerpakninger i MBBR-prosessen for kloakkbehandling.
1. Kloakkbehandlingsprosess
1. 1 Prosessflyt og bio-informasjon om transportørpakke
Kloakkbehandlingsenheten som brukes i denne studien er en egen-designet biologisk fluidisert sjiktreaktor som tar i bruk MBBR-AO-koblet prosess. Hovedprosessstrømmen er vist i figur 1(a), og det spesifikke utstyret inkluderer et gitter, en løftepumpe, MBBR bio-bærerpakninger, en integrert høy-effektiv biologisk nitrogenfjerningstank, en høy-sedimentasjonstank, et luftesystem, etc. Den innflytende strømningshastigheten på 50 m³ er ca. m³/t), den effektive hydrauliske retensjonstiden er 5 timer, og reaktorens effektive volum er ca. 10 m³.
MBBR bio-bærerpakningene i kloakkbehandlingsenheten er PE-baserte pakninger og PPC gelbærerpakninger. De PE-baserte pakningene er i form av ringformede utstrålinger med en størrelse på Φ25 mm×10 mm, 19 hull og femkantede kanaler, med et spesifikt overflateareal på omtrent 500 m²/m³ [Figur 1(b)]; PPC-gelbærerpakningene er kubiske med en størrelse på Φ10 mm×10 mm×10 mm og et spesifikt overflateareal på ca. 5000 m²/m³ [Figur 1(c)].
1.2 Kloakkkvalitet
I denne studien ble kloakkbehandlingsenheten brukt til å behandle to typer vannforekomster: mikro-forurenset elvevann og kombinert overvanns-kloakk. Det mikro-forurensede elvevannet kom fra en urban elv i en region i Zhejiang med lave forurensningsnivåer, og ammoniakknitrogenkonsentrasjonen var relativt lav, med en gjennomsnittlig massekonsentrasjon på 5 mg/L. Det kombinerte overvanns-kloakken var innflytelseskilden til to kloakkpumpestasjoner (Pumpestasjon 1 og Pumpestasjon 2) til et kloakkrenseanlegg i Zhejiang, med en relativt høy ammoniakknitrogenkonsentrasjon fra 3 til 20 mg/L. Dette er fordi noen nitrogenoksider i luften reagerer med regnvann for å danne salpetersyre eller nitrater i nedbørsperioden, noe som er mer gunstig for reproduksjon av ammoniakkoksiderende bakterier, noe som resulterer i et relativt høyt ammoniakknitrogeninnhold i kloakken. I mellomtiden ble pH-verdien til begge vannforekomstene holdt mellom 7 og 9.
1.3 Driftsparametre for kloakkbehandlingsenheten
1.2.1 Innledende biofilmdannelsesprosess
Kloakkbehandlingssystemet ble startet ved å legge til pakninger i partier for biofilmdannelse. I henhold til den faktiske fluidiseringseffekten av pakningene i reaktoren ble den endelige volumfraksjonen av den tilsatte pakningen bestemt til å være 20%. Under oppstartsprosessen ble det suspenderte slammet i systemet ikke returnert, og slamreturforholdet under kloakkbehandling var 1:8.
1.2.2 Kontroll av enhetens driftsparametre
Kloakkbehandlingsapparatet drev ved romtemperatur (20 grader). Lufteutstyret i bunnen av enheten ble brukt til å kontrollere luftehastigheten under kloakkbehandling. I mellomtiden ble innstrømningshastigheten til enheten kontrollert til 2 m³/t, og andre parametere under kloakkbehandling forble i utgangspunktet konsistente. Det kombinerte overvanns-kloakken fra Pumpestasjon 1 og Pumpestasjon 2, samt det mikro-forurensede elvevannet, ble valgt som innflytende vannprøver.
2. Resultater og diskusjon
2.1 Biofilmdannelseshastighet for MBBR-pakninger med forskjellige materialer
Under oppstartsfasen- av kloakkrenseanlegget var kvaliteten på innflytende vann stabil. Etter tilsetning av pakningene i partier gjennomgikk pakningen normal biofilmdannelse og modning.
Under de samme driftsforholdene varierte biofilmdannelseshastigheten til bio-bærerpakninger med forskjellige materialer betydelig på grunn av deres iboende egenskaper. Biofilmdannelseshastigheten til PE-baserte pakninger var relativt langsom, og krevde tilsetning av kjemikalier som glukose for lukket luftekultur. Ved å observere driften av PE- og PPC-pakninger i den MBBR-AO-koblede prosessen, ble det funnet at ca. 5 dager etter tilsetningen av PE-pakninger, dukket det opp en tynn gulaktig-brun biofilm på overflaten av bærerne. Etter kontinuerlig drift i ca. 1 uke dukket det opp et stort antall paramecia, epistylis, hjuldyr og en liten mengde virvler på bæreroverflaten, noe som indikerer at biofilmen i utgangspunktet var moden og at systemoppstarten- var fullført på dette tidspunktet. Derimot var biofilmdannelseshastigheten til PPC-pakninger raskere, og biofilmen var i utgangspunktet moden på ca. 3 dager, mens slam kunne adsorberes inn i det indre av pakningene. Dannelsen av biofilm bidrar til å forbedre aktiviteten til ammoniakk{13}}oksiderende bakterier. Sammenlignet med PE-pakninger, er det store spesifikke overflatearealet til PPC-pakninger mer gunstig for biofilmdannelse og mikrobiell immobilisering. For PE-pakninger av samme materiale som behandler ulike typer kloakk, viste biofilmdannelseseffekten til pakningene også betydelige forskjeller. Det kan sees fra figur 2(a) at det var en tynn lysebrun biofilm på overflaten av PE-pakninger i det mikro-forurensede elvevannet. Figur 2(b) viser imidlertid at biofilmlaget på overflaten av PE-pakninger i det kombinerte overvanns-kloakken var fragmentert, noe som indikerer at biofilmdannelseseffekten av PE-pakninger i det mikro-forurensede elvevannet var betydelig bedre enn i det kombinerte overvanns-kloakken. Det kan sees fra figur 2(c) og figur 2(d) at forskjellen i biofilmdannelseseffekten av PPC-pakninger i det mikro-forurensede elvevannet og det kombinerte overvanns-kloakken ikke var signifikant.
2. 2 Ammoniakknitrogenfjerningskapasitet for bio-bærerpakninger med forskjellige materialer
Ammoniakknitrogeninnhold er en sentral indikator for å evaluere den faktiske renseeffekten av kloakk fra pumpestasjoner. Derfor har kapasiteten til fjerning av ammoniakknitrogen viktig praktisk veiledende betydning for valget av bio-bærerpakningstyper i den MBBR-AO-koblede prosessen.
2. 3 Ammoniakknitrogenfjerningseffekt av PE- og PPC-pakninger på mikro-forurenset elvevann under kort-drift av prosessen
Som vist i figur 3 var den gjennomsnittlige innflytende ammoniakknitrogenmassekonsentrasjonen i MBBR-AO-koblet prosess med PE- og PPC-pakninger henholdsvis 3,69 mg/L og 3,39 mg/L. I mellomtiden svingte den faktiske innflytende ammoniakknitrogenkonsentrasjonen betydelig, noe som var forårsaket av nedbør. I prosessen med PE-pakninger var den gjennomsnittlige fjerningsmengden for ammoniakknitrogen og den gjennomsnittlige fjerningshastigheten for det mikro-forurensede elvevannet henholdsvis 3,12 mg/L og 84,55 %, som var høyere enn i prosessen med PPC-pakninger (2,56 mg/L og 75,52 %). Dette indikerer at å legge til PE-pakninger i den MBBR-AO-koblede prosessen er mer gunstig for fjerning av ammoniakknitrogen fra mikro{13}}forurenset elvevann på kort sikt (innen 12 dager).
2.4 Ammoniakknitrogenfjerningseffekt av PE- og PPC-pakninger på kombinert regnvann-kloakk under kort-drift av prosessen
Som vist i figur 4, i løpet av kort-(18-dagers) drift av MBBR-AO-koblet prosess med PE-pakninger, var de gjennomsnittlige innflytende ammoniakknitrogenmassekonsentrasjonene i det kombinerte overvanns-kloakkvannet fra pumpestasjon 1 [Figur 4(a)] og [2.4bfigure] og [2.4b. henholdsvis mg/L og 9,35 mg/L. Når PE-pakninger ble lagt til på kort-sikt (18-dagers) behandling av kombinert overvann-kloakk fra pumpestasjon 1 og pumpestasjon 2 ved bruk av MBBR-AO-koblet prosess, sank ammoniakknitrogenkonsentrasjonen i avløpet betydelig. Gjennomsnittlig fjerning av ammoniakknitrogen var 6,93 mg/L og 7,9 mg/L, med gjennomsnittlig fjerningsgrad på henholdsvis 95,71 % og 84,49 %. I løpet av kort-behandling (18-dagers) av kombinert overvann-kloakk fra pumpestasjon 1, holdt ammoniakknitrogenfjerningsgraden seg over 90 %, og nådde nesten 100 % den 9. dagen. Den behandlede kloakken kan være mer gunstig for veksten av tilknyttede mikroorganismer, og fremmer dermed fjerningen av ammoniakknitrogen. I mellomtiden, under den kortsiktige (18-dagers) behandlingen av kombinert overvann-kloakk fra pumpestasjon 2, holdt ammoniakknitrogenfjerningsgraden seg stort sett rundt 90 %, noe som indikerer at tilsetning av PE-pakninger i den MBBR-AO-koblede prosessen har en sterk fjerningseffekt på ammoniakknitrogen i kombinert 8-dagers ammoniakknitrogen i stormvannet.
Som vist i figur 5, i MBBR-AO-koblet prosess med PPC-pakninger, varierte de innflytende ammoniakknitrogenmassekonsentrasjonene i det kombinerte overvanns-kloakken fra pumpestasjon 1 [figur 5(a)] og pumpestasjon 2 [figur 5(b)] fra henholdsvis 0 mg/2, 2 til 3 mg/2 og mg/l. med store svingninger. Dette kan skyldes nedbør som fører til at nitrogenoksider i luften kommer inn i avløpssystemet, noe som resulterer i betydelige svingninger i den innflytende ammoniakknitrogenkonsentrasjonen. Gjennomsnittlig innflytende ammoniakknitrogenmassekonsentrasjoner i det kombinerte overvanns{13}}kloakken fra Pumpestasjon 1 og Pumpestasjon 2 var henholdsvis 14,76 mg/L og 13,26 mg/L. Etter kort-behandling (24 dager) av MBBR-AO-kombinert prosess med PPC-pakninger, sank ammoniakknitrogenkonsentrasjonen i avløpet betydelig, med gjennomsnittlige massekonsentrasjoner på bare 5,32 mg/L og 6,42 mg/L. Gjennomsnittlig fjerning av ammoniakknitrogen var 9,44 mg/L og 6,84 mg/L, og gjennomsnittlig fjerningsgrad var henholdsvis 63,96 % og 51,58 %. Dette indikerer at PPC-pakninger har en viss effekt på å fjerne ammoniakknitrogen fra kombinert overvanns{30}}kloakk. Den høye ammoniakknitrogenkonsentrasjonen i det kombinerte overvanns-kloakken kan skyldes innføring av andre komplekse komponenter i kloakken, og dermed hemme nedbrytningen av ammoniakknitrogen av PPC-pakninger. Sammenlignet med PE-pakninger har PPC-pakninger mindre porer og høyere porøsitet. Urenheter og suspenderte partikler i det kombinerte overvanns{35}}kloakkvannet kan blokkere porene til PPC-pakninger, noe som fører til agglomerering inne i pakningene og dermed redusere effektiviteten til fjerning av ammoniakknitrogen. I mellomtiden har tidligere studier funnet at biofilmer mindre enn 1 mm kan forårsake poreblokkering inne i pakningen. Selv om biofilmer kan fremskynde intern blokkering av pakningene, er de ikke hovedfaktoren.
Under den kortsiktige-driften av den MBBR-AO-koblede prosessen, var den gjennomsnittlige ammoniakknitrogenfjerningshastigheten for PE-pakninger for kombinert overvanns-kloakk (95,71 % for pumpestasjon 1 og 84,49 % for pumpestasjon 2) litt høyere enn for mikro{{7} forurenset elvevann (8 %). I motsetning til dette var gjennomsnittlig ammoniakknitrogenfjerningsgrad for PPC-pakninger for kombinert overvanns{10}}kloakk (63,96 % for pumpestasjon 1 og 51,58 % for pumpestasjon 2) litt lavere enn for mikro-forurenset elvevann (75,52 %). For PE-pakninger, sammenlignet med mikro-forurenset elvevann, er den lave konsentrasjonen av oppløst oksygen i kombinert overvann-kloakk mer gunstig for samtidig nitrifikasjon og denitrifisering av mikroorganismer på PE-pakninger for nitrogenfjerning. Under biofilmdannelsen av PPC-pakninger, adsorberes slam inn i det indre av pakningene, noe som fører til en økning i konsentrasjonen av oppløst oksygen, noe som ikke bidrar til samtidig nitrifikasjon og denitrifisering av interne mikroorganismer, noe som resulterer i en reduksjon i fjerningshastigheten for ammoniakknitrogen i både kombinert overvann{{21}{22}flottvann{22}.
Oppsummert, tilsetning av PE-pakninger er mer gunstig for nedbrytningen av ammoniakknitrogen i kombinert overvanns-kloakk ved MBBR-AO-koblet prosess på kort sikt.
Ammoniakknitrogenfjerningseffekten av PE- og PPC-pakninger på kombinert regnvann-kloakk under lang-drift av prosessen
Som vist i figur 6, under den langsiktige (96-dagers) driften av MBBR-AO-koblet prosess med PE-pakninger, varierer de innflytende ammoniakknitrogenmassekonsentrasjonene i det kombinerte overvanns-kloakkvannet fra pumpestasjon 1 [figur 6(a)] og [2b) fra pumpestasjon 6 og [2b]. henholdsvis 25 mg/L og 3 til 35 mg/L, med store svingninger. Gjennomsnittlig innflytende ammoniakknitrogenmassekonsentrasjon var henholdsvis 10,20 mg/L og 8,93 mg/L. Etter behandling med MBBR-AO-koblet prosess, sank den gjennomsnittlige ammoniakknitrogenmassekonsentrasjonen i avløpet til 2,93 mg/L og 2,67 mg/L, med gjennomsnittlige fjerningsmengder på 7,27 mg/L og 6,26 mg/L, og gjennomsnittlig fjerningshastighet på henholdsvis 71,01 % og 71,27 %. Det var ingen signifikant forskjell i nedbrytningen av ammoniakknitrogen i den kombinerte overvanns-kloakken fra pumpestasjon 1 og pumpestasjon 2 ved å legge til PE-pakninger under den langsiktige (96-dagers) driften av MBBR-AO-koblet prosess, og opprettholdt ammoniakkfjerningen på rundt 7 %. Dette indikerer at tilsetning av PE-pakninger i den MBBR-AO-koblede prosessen har en god fjerningseffekt på ammoniakknitrogen i kombinert overvanns-kloakk under lang-(96-dagers) drift. Når MBBR-AO-kombinerte prosesser med PE-pakninger ble operert i det senere stadiet (84-96 dager), uavhengig av om tilførselen var kombinert overvann-kloakk fra pumpestasjon 1 eller pumpestasjon 2, økte konsentrasjonen av ammoniakknitrogen i avløpet betydelig, og ammoniakknitrogenfjerningshastigheten var betydelig lavere enn det tidlige trinnet i fjerningsprosessen. Dette er fordi etter langvarig bruk blir selve PE-pakningene skadet og eldet, og overflateruheten til pakningene endres, noe som fører til en reduksjon i bruksstyrke og ammoniakknitrogenfjerningskapasitet.
Figur 7 viser endringene i innflytende ammoniakknitrogenkonsentrasjon, avløpsammoniakknitrogenkonsentrasjon, mengde ammoniakknitrogenfjerning og ammoniakknitrogenfjerningshastighet under den langsiktige-driften av MBBR-AO-koblet prosess med PPC-pakninger. Konsentrasjonene av innflytende ammoniakknitrogenmasse i det kombinerte overvanns-kloakken fra pumpestasjon 1 [Figur 7(a)] og pumpestasjon 2 [Figur 7(b)] varierte fra 3 til 35 mg/L, med gjennomsnittlige innflytende ammoniakknitrogenmassekonsentrasjoner på henholdsvis 10,96 mg/L og 10,96 mg/l/l. Etter behandling med MBBR-AO-koblet prosess, sank den gjennomsnittlige ammoniakknitrogenmassekonsentrasjonen i avløpet til 3,96 mg/L og 3,39 mg/L, med gjennomsnittlige fjerningsmengder på 7,00 mg/L og 4,71 mg/L, og gjennomsnittlig fjerningshastighet på henholdsvis 63,81 % og 63,81 %. Under den langsiktige-driften av den MBBR-AO-koblede prosessen, hadde tilsetning av PPC-pakninger en litt bedre nedbrytningseffekt på ammoniakknitrogen i det kombinerte overvanns-kloakken fra pumpestasjon 1 enn fra pumpestasjon 2, men forskjellen var ikke signifikant. Dette indikerer at tilsetning av PPC-pakninger i MBBR-AO-koblet prosess har en viss fjerningseffekt på ammoniakknitrogen i kombinert overvanns-kloakk under lang-drift. Ammoniakknitrogenfjerningshastigheten for MBBR-AO-koblet prosess med PPC-pakninger under lang-drift var høyere enn under kort-drift. Dette er fordi under lang-drift samler det seg slam inne i PPC-pakningene, og danner et lokalt anaerobt eller anoksisk miljø, som gir et passende livsmiljø for livsaktivitetene til nitrifiserende bakterier. De nitrifiserende bakteriene formerer seg raskt, og den lokale reaksjonshastigheten akselererer
Oppsummert er å legge til PE-pakninger mer gunstig for nedbrytningen av ammoniakknitrogen i kombinert overvanns-kloakk ved MBBR-AO-koblet prosess under lang-drift. I mellomtiden bør PE-pakningene skiftes ut eller rengjøres i tide etter lang-bruk for å sikre at ammoniakknitrogenet i kloakken fortsatt kan fjernes effektivt under den langsiktige-driften av den MBBR-AO-koblede prosessen.
Levetid for bio-bærerpakninger med forskjellige materialer
Sammenlignet med PPC-pakninger har PE-pakninger lengre levetid under lang-behandling av mikro-forurenset elvevann og kombinert overvanns-kloakk ved MBBR-AO-koblet prosess. Som vist i figur 8(a), opplever PPC-pakningene slaggdannelse og skade under kloakkbehandlingsprosessen ved den MBBR-AO-koblede prosessen. I mellomtiden oppstår aldring og agglomerering inne i pakningene etter lang-drift [Figur 8(b) og 8(c)]. PPC-pakningene har dårlig slampermeabilitet. Selv om svampen-som PPC-pakninger har et stort spesifikt overflateareal, absorberes deres indre porer lett av slam og vanskelig å flyte ut. Langsiktig-oppsamling av slam inne i pakningene har en tendens til å danne et anaerobt eller anoksisk miljø, noe som fører til at fargen på pakningene gradvis endres fra brun til svart. Dette fører til problemer som slaggdannelse, brudd, aldring og agglomerering av PPC-pakningene under lang{17}}drift, og forkorter dermed levetiden. Dette er også hovedfaktoren for den dårlige effekten av PPC-pakninger for å fjerne ammoniakknitrogen fra kombinert overvanns{19}}kloakk [Figur 5(a) og 5(b)]. I motsetning til dette hadde PE-pakningene i utgangspunktet ikke de ovennevnte problemene under den langsiktige-kloakkbehandlingen med MBBR-AO-koblet prosess, med bedre holdbarhet og lengre levetid. En rimelig bærerkonfigurasjon kan effektivt buffere virkningen av vannstrømmen på biofilmen, slik at biofilmen kan vokse stabilt uten å bli skadet.
Konklusjoner
I denne studien ble PE bio-bærerpakninger og PPC-pakninger lagt til under kloakkbehandlingsprosessen til MBBR-AO-koblet prosess. Effektene av emballasjematerialer på nedbrytningen av ammoniakknitrogen i mikro-forurenset elvevann og kombinert overvanns-kloakk, samt mikrobiell biofilmdannelseshastighet og levetid for pakninger med forskjellige materialer, ble undersøkt. Sammenlignet med PPC-pakninger har PE-pakninger en langsommere biofilmdannelseshastighet, men lengre levetid. I mellomtiden, enten det brukes i lang- eller kortsiktig-behandling av mikro-forurenset elvevann og kombinert overvann-kloakk ved MBBR-AO-koblet prosess, viser PE-pakninger bedre nedbrytningseffekter på ammoniakknitrogen. Forskningsresultatene gir teknisk støtte til valg av emballasjematerialer i kloakkbehandlingsprosesser.