Effekt av A2O-MBBR + CWs kombinert teknologi for behandling av landlig husholdningsavløpsvann
I de siste årene har staten dypt fremmet utviklingsstrategien for revitalisering av landsbygda, med fokus på å forbedre bomiljøet og stille høyere krav til rensing av husholdningsavløpsvann på landsbygda. For tiden inkluderer hovedprosessene for rensing av avløpsvann på landsbygda biologiske metoder, økologiske metoder og kombinerte prosesser, hvorav de fleste stammer fra urbane avløpsvannbehandling. Landlige områder er imidlertid preget av spredte befolkninger, noe som fører til mange problemer som høy spredning av avløpsvann, vanskeligheter med oppsamling, små behandlingsskalaer, lav ressursutnyttelse og utilstrekkelig renseanlegg. Videre eksisterer det betydelige forskjeller i avløpsvannkvalitet og -kvantitet, geografisk plassering, klima og økonomiske nivåer på tvers av regioner, noe som gjør det vanskelig å standardisere renseteknologier; enkel bruk av teknologier for behandling av byvann er ikke mulig. Infrastrukturen for oppsamling av avløpsvann, som avløpsnett, er ofte mangelfull i landlige områder. Oppsamling av avløpsvann påvirkes lett av kombinerte kloakkoverløp og grunnvannsinfiltrasjon, noe som gir lav organisk konsentrasjon i avløpsvannet og økt vanskelighet for biologisk nitrogenfjerning. De store svingningene i avløpsvannkvalitet og -mengde i distriktene gjør det vanskelig å opprettholde stabil biomassekonsentrasjon i renseanlegg. Dessuten begrenser lave vintertemperaturer den biologiske behandlingskapasiteten, noe som fører til lav effektivitet og ustabil avløpskvalitet som er utsatt for å overskride standarder i tradisjonelle aktivert slamprosesser. Derfor er det et presserende behov for å utvikle avløpsvannbehandlingsteknologier egnet for lokale forhold, med sterk motstand mot sjokkbelastninger, stabil langtidsdrift, lavt energiforbruk og høy renseeffektivitet.
Landlige områder i Kina har en tendens til å foretrekke lav-pris, lett-å-administrere teknologi for husholdningsavløpsvannbehandling, med biologiske og økologiske kombinerte prosesser som en viktig forskningsretning. For tiden bruker mye brukt integrert, pakket avløpsvannbehandlingsutstyr i landlige områder hovedsakelig prosesser som Anaerob-Anoxic-Oxic (A2O) og Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Studier viser at MBBR-prosessen er mer avhengig av anleggsdesign enn på presis driftskontroll, og krever ikke noe profesjonelt teknisk personell for regulering, noe som gjør den praktisk for drift og vedlikehold. Dette er mer egnet for de praktiske behovene til rensing av avløpsvann på landsbygda der teknisk personell er mangelvare. Fordelene inkluderer høy biomassekonsentrasjon, sterk motstand mot sjokkbelastninger, høy behandlingseffektivitet og lite fotavtrykk. Forskning av Luo Jiawen et al. indikerer at å legge til MBBR-medier i A2O-prosessen kan forbedre avløpsvannbehandlingskapasiteten betydelig. Zhou Zhengbing et al., i et faktisk landlig husholdningsavløpsprosjekt, designet en to-trinns anaerob/anoksisk-biologisk luftet filter kombinert prosess, som oppnår stabil avløpskvalitet som oppfyller Grade A-standarden GB 18918-2002 Municipal Wawater Pollutants Plants. I tillegg brukes konstruerte våtmarker (CWs) ofte til rensing av avløpsvann på landsbygda. For eksempel, Zhang Yang et al. brukte biokull som fyllstoff for å modifisere et konstruert våtmark, og finne fjerningsrater for TN, TP og COD kunne nå henholdsvis 99,41 %, 91,40 % og 85,09 %. Tidligere forskning fra vår gruppe viste også at slam-biokullfyllstoff kunne forbedre ytelsen til nitrogen- og fosforfjerning av konstruerte våtmarker, forbedre det totale systemets behandlingseffektivitet og effektivitet, og gjøre systemet mer motstandsdyktig mot sjokkbelastninger. Med utgangspunkt i forskningen ovenfor, for å utforske en kombinert teknologi som er egnet for rensing av avløpsvann på landsbygda og møte utfordringer som vanskeligheter med å opprettholde stabil biomassekonsentrasjon, svak motstand mot sjokkbelastninger og avløpskvalitet utsatt for svingninger og overskridelse av standarder i landlige avløpsvannbehandlingsanlegg, plasserte forfatteren en A2O-MBBR-prosess på forhånd for å lage en integrert biofilm-prosess for å fylle den med en integrert biofilm. fast-filmaktivert slam (IFAS) miljø, øker systemslamkonsentrasjonen og forbedrer behandlingseffektiviteten. Tatt i betraktning den økologiske utnyttelsen av tilgjengelig ledig land som dammer og forsenkninger i landlige områder, og kombinerer konstruerte våtmarker som en poleringsbehandlingsprosess, ble metoder som bruk av slambiokullfyllstoff, resirkulering av nitrifisert væske og planting av nedsenkede planter brukt for å forbedre driftsstabiliteten til komposittvåtmarken. Dermed ble en A2O-MBBR + CWs kombinert prosess konstruert.
I denne studien, med bruk av råavløpsvann fra et landsbyrenseanlegg for avløpsvann i Hefei som behandlingsobjekt, ble det konstruert et pilotoppsett i -skala av den kombinerte A2O-MBBR + CWs. Påvirkningen av sesongmessige vanntemperaturendringer på behandlingsytelsen ble undersøkt. Forurensningsindikatorer i tilløps- og avløpsvannet ble overvåket under drift for å utforske fjerningseffektivitet og driftsstabilitet. Samtidig ble den økonomiske gjennomførbarheten av prosessen analysert. Målet er å gi datareferanse og grunnlag for bruken av A2O+-konstruert våtmarkskombinasjonsteknologi i landlige husholdningsavløpsrenseprosjekter i Kina, og å tilby referanser for å fremme husholdningsavløpsvannbehandling og bygge vakre, økologisk beboelige landsbyer i landlige områder.
1. Eksperimentelt oppsett og forskningsmetoder
1.1 Kombinert prosessflyt
A2O-MBBR + CWs kombinerte prosesseksperiment tok i bruk en serieoperasjon av en A2O-enhet, et karbon-basert underjordisk strømningsvåtmark og en økologisk dam. A2O-enheten besto av en forvirret anaerob-anoksisk kontakttank og en aerob membrantank (MBBR). Både den forvirrede anaerobe tanken og luftingssonen til den aerobe MBBR-tanken ble fylt med suspendert biofilmbærermedium for å gi festeoverflater for mikroorganismer for å danne biofilmer. Det aktiverte slammet og biofilmen i tankene eksisterte samtidig, og dannet et IFAS-system, som stabilt kunne opprettholde systembiomassen. Den forvirrede anoksiske tanken forbedret denitrifikasjonsprosessen gjennom resirkulering av nitrifisert væske. Den aerobe MBBR-tanken hadde et luftesystem i bunnen for å forbedre nitrifikasjonsytelsen. En polyaluminiumklorid (PAC) doseringsport ble satt inne i tanken for ekstra kjemisk fosforfjerning, noe som muliggjør effektiv fosforfjerning. CWs-enheten inkluderte et karbon-basert våtmark under overflaten og en økologisk plantedam. Det karbon-baserte undergrunnsstrømningskonstruerte våtmarken tok i bruk et tre{17}}trinns fyllstofffiltreringssystem. Det ble installert lufteskiver i bunnen av påfyllingssonen for tilbakespyling av mediet for å redusere tilstopping. Den neddykkede planteøkologiske dammen hadde et kalksteinssubstratlag i bunnen og var beplantet med kalde-tolerante nedsenkede planter Vallisneria natans og Potamogeton crispus. Oppsettet ble plassert utendørs. Et termometer ble installert i den økologiske dammen for å overvåke sesongmessige vanntemperaturendringer. Den detaljerte prosessflyten til A2O-MBBR + CWs kombinerte prosess er vist iFigur 1.
1.2 Oppsettdesign og driftsparametre
Forsøksoppsettet ble konstruert ved bruk av 10 mm tykke polypropylenplater. Den forbløffede anaerobe tanken ble fylt med firkantet biofilmbærermedium og inneholdt ledeplater. Resirkuleringsforholdet for blandet lut for den anoksiske tanken med ledeplater var 50%~150%, og den inneholdt også ledeplater. Den aerobe MBBR-tanken ble delt av en baffel i en aerob luftingssone og en sedimentasjonssone. Luftingssonen ble fylt med MBBR suspendert bæremedium med et luft-til-vannforhold på 6:1~10:1. Sedimentasjonssonen hadde en PAC-doseringsport og skråstilte plater for sedimenteringshjelp. Det karbon-baserte undergrunnsstrømningsvåtmarken: den primære fyllsonen ble fylt med kalkstein (~5 cm diameter), den sekundære fyllsonen med zeolitt (~3 cm diameter), og den tertiære fyllsonen med slambiokullfyllstoff (~0,5~1,0 cm diameter). Fyllhøyden for hver sone var 75 cm. En spaltesone ca. 4 cm bred ble satt mellom den primære og sekundære fyllingssonen for funksjoner som å legge til eksterne karbonkilder, observasjon og vedlikehold/tømming (ingen karbonkilde ble tilsatt under dette eksperimentet). Den neddykkede planteøkologiske dammen ble fylt med kalksteinsfyllstoff (~3 cm diameter) i en høyde på 20 cm. Neddykkede planter ble plantet med en radavstand på 10 cm og planteavstand på 10 cm. Eksperimentet brukte rått avløpsvann fra et landsbyrenseanlegg for avløpsvann i Hefei som innflytende. Forsøksperioden var fra 25. mai 2022 til 17. januar 2023, totalt 239 dager. Neddykkede planter ble høstet én gang den 2. desember, med en frekvens på omtrent én gang hver sjette måned. Den konstruerte rensekapasiteten for avløpsvann var 50~210 L/d. Detaljerte designparametre for oppsettet er vist iTabell 1.
1.3 Eksperimentelle metoder
1.3.1 Eksperimentell design
1.3.1.1 Optimal kapasitetstest for avløpsvannbehandling
Etter vellykket prøvedrift av det eksperimentelle oppsettet (stabil avløpskvalitet), ble den optimale kapasitetstesten for avløpsvannbehandling utført fra 25. mai 2022 til 30. juni 2022. Under betingelser for å opprettholde et aerobt forhold mellom luft- og-vann i tanken på 6:1, nitrifisert væskeinnhold 0Al%2O 8 %) og P0Al%2O 8%) på ca. 3,7 g/d ble avløpsvannbehandlingskapasiteten til oppsettet gradvis økt (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). Endringer i avløpskvaliteten ble overvåket for å utforske den optimale avløpsvannbehandlingskapasiteten til oppsettet. I løpet av denne perioden varierte vanntemperaturen mellom 24,5 ~ 27,1 grader. For å sikre stabil overholdelse av avløpsvann om vinteren, var avløpsstandarden som ble vedtatt, klasse A-standarden GB 18918-2002 "Utslippsstandard for forurensninger for kommunale avløpsrenseanlegg".
1.3.1.2 Kombinert prosess Overordnet behandlingsytelsestest
Testperioden var fra 1. juli 2022 til 17. januar 2023. Den optimale rensekapasiteten for avløpsvann ble satt til 120 L/d. Det aerobe tankens luft-til-forhold var 6:1~10:1, og resirkuleringsforholdet for blandet lut var 50%~150%. Kvalitetsindikatorer for innflytende og avløpsvann (TN, TP, NO3--N, NH4+-N og COD) fra hver prosessenhet ble overvåket. Vanntemperaturendringer i løpet av testperioden (påvirket av sesongmessig klima) ble registrert. Behandlingsytelsen til A2O-MBBR + CWs kombinerte prosess for landlig husholdningsavløpsvann ble analysert, og påvirkningen av sesongmessige vanntemperaturendringer på den kombinerte prosessens ytelse ble undersøkt.
1.3.2 Prøvetaking
I løpet av testperioden ble det tatt prøver uregelmessig (ca. 1~2 ganger per uke) for vannkvalitetstesting. Prøver ble samlet inn fra oppsettet innflytende, forvirret anaerob -anoksisk tankavløp, aerob MBBR-tankavløp, karbon-basert underjordisk våtmarksavløp og nedsenket anleggs økologiske damavløp. Innløpsprøver ble tatt fra oppsettets innløpsrør, og avløpsprøver fra hver enhets utløp. Testing av vannkvalitetsindikator ble fullført samme dag som prøvetakingen. Testede indikatorer inkluderte TN, TP, NO3--N, NH4+-N og COD. Hver gang prøver ble tatt, ble vanntemperaturavlesningen fra termometeret i den økologiske dammen registrert (varierende mellom 0~32 grader). Vanntemperaturen i den økologiske dammen endret seg naturlig med sesongmessige temperaturforskjeller. Den utformede avløpsstandarden for det eksperimentelle oppsettet fulgte Grade A-standarden til DB 34/3527-2019 "Utløpsstandard for vannforurensninger for landlige husholdningsavløpsbehandlingsanlegg". De utformede innflytelseskonsentrasjonene og avløpsstandardene er detaljert iTabell 2.
1.3.3 Metoder for analyse av vannkvalitet
TN-konsentrasjon i vannprøver ble bestemt ved bruk av HJ 636-2012 "Vannkvalitet - Bestemmelse av total nitrogen - Alkaline kaliumpersulfat nedbrytning UV spektrofotometrisk metode". INGEN3--N-konsentrasjonen ble bestemt ved bruk av HJ/T 346-2007 "Vannkvalitet - Bestemmelse av nitratnitrogen - Ultrafiolett spektrofotometri (forsøk)". NH4+-N-konsentrasjonen ble bestemt ved bruk av HJ 535-2009 "Vannkvalitet - Bestemmelse av ammoniakknitrogen - Nesslers reagensspektrofotometri". COD ble bestemt ved hjelp av HJ 828-2017 "Vannkvalitet - Bestemmelse av kjemisk oksygenbehov - Dichromate-metoden". TP-konsentrasjonen ble bestemt ved bruk av GB 11893-1989 "Vannkvalitet - Bestemmelse av total fosfor - Ammoniummolybdat spektrofotometrisk metode".
2. Resultater og diskusjon
2.1 Påvirkning av avløpsvannbehandlingskapasitet på kombinert prosessytelse
Som vist iFigur 2 (a)(b), ettersom den daglige rensekapasiteten for avløpsvann gradvis økte fra 50 l/d til 210 l/d, fjerningseffektiviteten til TN og NH4+-N av hver enhet i den kombinerte prosessen viste en synkende trend. TN-fjerningshastigheten sank fra 91,55 % (50 L/d) til 52,17 % (210 L/d), og NH4+-N-fjerningshastigheten sank fra 97,47 % (70 L/d) til 80,68 % (210 L/d). Dette er fordi økningen i den daglige rensekapasiteten for avløpsvann reduserer den hydrauliske oppbevaringstiden, noe som forkorter tiden tilgjengelig for mikroorganismer å bryte ned forurensninger, noe som resulterer i dårligere behandlingsytelse. Blant dem bidro A2O-enheten mest til TN og NH4+-N fjerning. Den gjennomsnittlige innflytende TN-konsentrasjonen for denne enheten var 38,68 mg/L, avløpet var 16,87 mg/L, med en fjerningsrate på 56,29 %. Den gjennomsnittlige innflytelsesrike NH4+-N-konsentrasjonen var 36,29 mg/L, effluenten var 5,50 mg/L, med en fjerningshastighet på 84,85 %. For det karbon-baserte undergrunnsstrømningsvåtmarken var den gjennomsnittlige innflytende TN-konsentrasjonen 16,87 mg/L, avløpet var 11,96 mg/L, med en fjerningsgrad på 29,10 %. For den neddykkede planteøkologiske dammen var den gjennomsnittlige innflytende TN-konsentrasjonen 11,96 mg/L, avløpet var 9,47 mg/L, med en fjerningsgrad på 20,82 %. Ytelsen til nitrogenfjerning av det karbon-baserte undergrunnsstrømningsvåtmarken var bedre enn det økologiske dammen fordi det anaerobe-anoksiske miljøet i det underjordiske strømningsvåtmarken er mer egnet for denitrifisering. Imidlertid har NH4+-N-fjerningsytelsen til den økologiske dammen var bedre enn den for våtmarken med undergrunnen. Den gjennomsnittlige innflytelsesrike NH4+-N-konsentrasjonen for det karbon-baserte undergrunnsstrømningsvåtmarken var 5,50 mg/L, avløpet var 4,04 mg/L, med en fjerningsgrad på bare 26,53 %. For den økologiske dammen, gjennomsnittlig innflytende NH4+-N-konsentrasjonen var 4,04 mg/L, effluenten var 2,38 mg/L, med en fjerningshastighet på 41,07 %. Dette er fordi det aerobe miljøet i den økologiske dammen er mer egnet for nitrifikasjon, og konverterer mer NH4+-N til NO3--N, noe som resulterer i en høyere NH4+-N fjerningsfrekvens. Når avløpsvannbehandlingskapasiteten nådde 150 L/d, var TN-konsentrasjonen i avløpet 15,11 mg/L, noe som oversteg Grade A-standarden i GB 18918-2002. Derfor, for å sikre stabil TN-overholdelse, var den maksimale avløpsvannbehandlingskapasiteten 120 L/d. Når avløpsrensekapasiteten nådde 210 L/d ble avløpet NH4+-N-konsentrasjonen var 7,07 mg/L, og oversteg Grade A-standarden i GB 18918-2002. Derfor er maksimal avløpsrensekapasitet for NH4+-N-overholdelse var 180 l/d.
Som vist iFigur 2 (c), var den gjennomsnittlige innflytende COD under 100 mg/L, noe som indikerer lavt organisk innhold. Økningen i avløpsvannbehandlingskapasiteten påvirket ikke COD-fjerningen signifikant, med COD-fjerningsrater mellom 75%~90%. Ettersom avløpsvannbehandlingskapasiteten økte fra 50 L/d til 210 L/d, var gjennomsnittlig COD for avløpsvann 19,16 mg/L, med en maksimal COD for avløpsvann på 26,07 mg/L, fortsatt langt under 50 mg/L-standarden i GB 18918-2002, fordi A2 Grade A-enheten bidro mest til A2 Grad A-enheten. i den aerobe MBBR-tanken skapte et aerobt miljø, forbedret den biokjemiske kapasiteten til aerobe mikroorganismer og styrket COD-fjerning. I tillegg tillot resirkuleringen av nitrifisert væske i A2O-enheten den forvirrede anoksiske tanken å utnytte organisk materiale i avløpsvannet ytterligere som en karbonkilde, og fjerne deler av COD samtidig som denitrifiseringen ble forbedret. Det karbon-baserte underjordiske våtmarken bidro nest mest til COD-fjerning. Det anaerobe-anoksiske miljøet bidrar til å bruke organisk materiale i avløpsvannet som en karbonkilde, og bryter ned en del av det organiske mens det forbedrer denitrifiseringen, og det er også grunnen til at den hadde bedre TN-fjerning. Videre kan substratlaget til våtmarken under overflaten adsorbere noe organisk materiale. Den økologiske dammen hadde begrenset effekt på COD-nedbrytning. Gjennomsnittlig innflytende COD for den økologiske dammen var 22,21 mg/L, og de mest lett biologisk nedbrytbare organiske stoffene hadde allerede blitt nedbrutt, og etterlot organiske stoffer som er vanskeligere å bryte ned.
Som vist iFigur 2 (d), ettersom avløpsvannbehandlingskapasiteten økte, holdt konsentrasjonen av avløpsvann seg stabil. Økningen i avløpsrensekapasiteten påvirket ikke fjerning av TP i vesentlig grad. Den gjennomsnittlige konsentrasjonen av innflytende TP var 3,7 mg/L, og gjennomsnittlig avløpskonsentrasjon var 0,18 mg/L, med en gjennomsnittlig fjerningshastighet på 95,14 %, noe som indikerer god TP-fjerning. TP ble hovedsakelig fjernet i A2O-enheten. Den innflytende TP-konsentrasjonen for A2O-enheten var 3,7 mg/L, og avløpsvannet var bare 0,29 mg/L, bedre enn 0,5 mg/L-standarden i GB 18918-2002 Grade A. Dette er fordi A2O-enheten ikke bare hadde biologisk fosforfjernende organisme (accuphorus), men også tilført akkufosforsupplerende organismer (PA) med kjemisk fosforfjerning ved å dosere 3,7 g/d PAC. Kombinasjonen av biologisk og kjemisk fosforfjerning resulterte i at over 90 % av fosfor ble fjernet i A2O-enheten. Våtmarken under overflaten og den økologiske dammen var hovedsakelig avhengig av mekanismer som substratadsorpsjon, sedimentasjon, planteopptak og mikrobiell nedbrytning for fjerning av fosfor. Dessuten var TP-konsentrasjonen som kom inn i våtmarken allerede så lav som 0,29 mg/L, noe som gjorde ytterligere fjerning vanskeligere. Disse kombinerte årsakene førte til den generelle ytelsen til TP-fjerning av våtmarken og den økologiske dammen.
Derfor, for å sikre stabil overholdelse av alle avløpsindikatorer med GB 18918-2002 Grade A-standarden, ble den optimale avløpsvannbehandlingskapasiteten for denne prosessen bestemt til å være 120 L/d.
2.2 Ytelse for fjerning av forurensninger i den kombinerte prosessen
2.2.1 Ytelse for COD-fjerning
Som vist iFigur 3, i løpet av den generelle testperioden for behandlingsytelse (1. juli 2022 til 17. januar 2023, avløpsvannbehandlingskapasitet 120 L/d), viste vanntemperaturen en svingende nedadgående trend, og sank fra 32 grader til 0 grader . COD-fjerningshastigheten varierte, og reduksjonen i vanntemperaturen hadde ingen åpenbar innvirkning på COD-fjerningen. Kombinert medFigur 4, varierte COD-fjerningsraten mellom 66,16%~82,51%, primært påvirket av innflytende COD-konsentrasjon. Studier viser at under anaerobe/anoksiske forhold er COD-fjerning hovedsakelig avhengig av mikrobiell virkning. A2O-MBBR+CWs-prosessen veksler mellom anaerobe-anoksiske-oksiske-anoksiske-oksiske forhold, noe som forbedrer COD-fjerning. Under drift, ettersom vanntemperaturen sank, selv om innflytende COD varierte fra 80~136 mg/L, holdt avløps-COD seg stabilt under 50 mg/L, og oppfyller Grade A-standarden for DB 34/3527-2019, noe som indikerer god organisk nedbrytning. A2O-delen bidro mest til COD-fjerning. Den forvirrede anaerobe-anoksiske kontakttanken hadde en gjennomsnittlig COD-fjerningsgrad på 43,38 %, som utgjorde 65,43 % av den totale COD-fjerningen. Den aerobe MBBR-tanken hadde en gjennomsnittlig fjerningsrate på 14,69 %, og utgjorde 19,87 % av totalen. A2O-seksjonen bidro med over 85 % til COD-fjerning, og dra fordel av det store spesifikke overflatearealet til mediene i den forvirrede anaerobe tanken og den aerobe MBBR-tanken, høy slamkonsentrasjon og dannelsen av en næringskjede fra bakterier → protozoer → metazoer, som effektivt bryter ned organisk materiale i vann. Det høye biologiske mangfoldet til IFAS-systemet sørget for god organisk fjerning selv ved temperaturendringer. I tillegg vil en del av det løselige organiske materialet i avløpsvannet i den forvirrede anaerob-anoksiske kontakttanken bli brukt som en karbonkilde ved å denitrifisere bakterier. I mellomtiden økte resirkulert blandet brennevin NO3--N-konsentrasjon i den forvirrede anoksiske tanken, fremmer utnyttelsen av karbonkilder ved å denitrifisere bakterier for å omdanne NO3--N/NO2--N til nitrogengass. Den høye COD-fjerningshastigheten i den forvirrede anaerobe-anoksiske kontakttanken bekrefter videre at denne prosessen effektivt kan utnytte organisk materiale i avløpsvann som en denitrifiseringskarbonkilde. Det karbon-baserte undergrunnsstrømningsvåtmarken hadde en gjennomsnittlig COD-fjerningsgrad på 7,18 %, som utgjorde 9,18 % av total COD-fjerning. Det anaerobe/anoksiske miljøet i våtmarken i undergrunnen bidrar til at mikroorganismer bruker organisk materiale som karbonkilde, og oppnår COD-fjerning samtidig som denitrifikasjonen forbedres. Relatert forskning indikerer også at biokullfyllstoff kan adsorbere organisk materiale gjennom elektrostatisk tiltrekning og intermolekylær hydrogenbinding. Derfor vil slambiokullfyllstoffet i våtmarken under overflaten også adsorbere noe organisk materiale. Den neddykkede planteøkologiske dammen hadde en gjennomsnittlig COD-fjerningsgrad på bare 3,68 % fordi COD som kom inn i dammen allerede var lav på 30,59 mg/L i gjennomsnitt, og besto for det meste av ildfaste organiske stoffer, fjernet hovedsakelig ved adsorpsjon og planteopptak, med begrenset effekt.
2.2.2 Ytelse for nitrogenfjerning
Som vist iFigur 3, ettersom vanntemperaturen gradvis sank fra 32 grader til 12 grader, TN og NH4+-N fjerningsfrekvens varierte. Gjennomsnittlig TN-fjerningsgrad nådde 75,61 %, og gjennomsnittlig NH4+-N-fjerningsfrekvensen nådde 95,70 %. Når vanntemperaturen falt under 12 grader, TN og NH4+-N fjerningsfrekvenser viste en raskt fallende trend, men gjennomsnittlig fjerningsfrekvens nådde fortsatt henholdsvis 58,56 % og 80,40 %. Dette er fordi sesongmessig vanntemperaturnedgang hemmet mikrobiell aktivitet, noe som svekker denitrifikasjonsytelsen. I følge de statistiske resultatene av forurensningskonsentrasjoner av innflytende og avløp i løpet av den kombinerte prosessdriftsperioden (1. juli 2022 til 17. januar 2023) vist iTabell 3, gjennomsnittlig innflytende TN og NH4+-N-konsentrasjoner var henholdsvis 36,56 mg/L og 32,47 mg/L. NH4+-N utgjorde 88,81 % av TN. Innflytelse NO3--N (0,01 mg/L) var nesten ubetydelig. Gjennomsnittlig avløp TN og NH4+-N-konsentrasjoner var henholdsvis 11,69 mg/L og 3,5 mg/L, begge oppfylte Grade A-standarden i DB 34/3527-2019. Gjennomsnittlig avløp NO3--N-konsentrasjonen var 6,03 mg/L, noe som indikerer god nitrifikasjonskapasitet for denne prosessen, som konverterer NH4+-N til NEI3--N. Imidlertid er akkumuleringen av NO3--N i avløpet antyder at det fortsatt er rom for ytterligere denitrifisering. Som vist iFigur 5 (a), TN-fjerning var høyest i A2O-delen. Den forvirrede anaerobe-anoksiske kontakttanken hadde en gjennomsnittlig TN-fjerningsgrad på 44,25 %, og den aerobe MBBR-tanken hadde en gjennomsnittlig TN-fjerningsrate på 9,55 %. Dette er resultatet av den kombinerte virkningen av nitrifiserende bakterier i den aerobe sonen og denitrifiserende bakterier i den anoksiske sonen. Den karbon-baserte konstruerte våtmarken hadde en gjennomsnittlig TN-fjerningshastighet på 11,07 %, fordi dens evne til å frigjøre karbonkilder og dens anaerobe/anoksiske miljø bidrar til denitrifisering, og opprettholder en viss nitrogenfjerningskapasitet. Den neddykkede planteøkologiske dammen hadde en gjennomsnittlig TN-fjerningsgrad på bare 3,54 %, med generell fjerningsytelse, fordi dens aerobe miljø ikke bidrar til denitrifikasjon. Som vist iFigur 5 (b), NH4+-N-fjerning ble primært fullført i A2O-delen. Den forvirrede anaerobe-anoksiske kontakttanken hadde en NH4+-N-fjerningsgrad på 59,46 %, og den aerobe MBBR-tanken hadde en NH4+-N fjerningsfrekvens på 24,24 %. A2O-seksjonen utgjorde 93,57 % av den totale NH4+-N fjerning. Den høye NH4+-Fjerning av N i A2O-delen skyldes kontinuerlig lufting i den aerobe MBBR-tanken, noe som gjør at nitrifiserende bakterier kan utnytte DO fullt ut for å konvertere NH4+-N til NEI3--N. Dette resirkuleres deretter til den anoksiske tanken, hvor denitrifiserende bakterier omdanner NO3--N til N2 for fjerning. I løpet av testperioden var gjennomsnittlig TN-fjerningsgrad 68,40 %, og gjennomsnittlig NH4+-N-fjerningsgraden var 89,45 %, noe som indikerer god nitrogenfjerningsytelse.
Som vist iFigur 3, ettersom vanntemperaturen sank fra 32 grader til 0 grader, sank TN-fjerningsgraden fra maksimalt 79,19 % til 51,38 %. Kombinert medFigur 5 (a), when water temperature was >20 grader overskred den gjennomsnittlige TN-fjerningshastigheten 75 %, med en gjennomsnittlig avløpskonsentrasjon på 8,41 mg/L, fordi mikrobiell aktivitet er høyere i området 20 ~ 32 grader, noe som fører til bedre denitrifisering, i samsvar med forskning av Zhang Na et al. Når vanntemperaturen sank fra 20 grader til 5 grader, sank den gjennomsnittlige TN-fjerningshastigheten til 65,44 %, og den gjennomsnittlige avløpskonsentrasjonen økte til 12,70 mg/L. Når vanntemperaturen var 0 ~ 5 grader, sank den gjennomsnittlige TN-fjerningshastigheten til 52,75 %, og den gjennomsnittlige avløpskonsentrasjonen økte til 17,62 mg/L, noe som indikerer en viss innvirkning på TN-fjerning. Studier viser at når vanntemperaturen synker, hemmes mikrobiell aktivitet. Når vanntemperatur<5.6°C, microorganisms are basically dormant, and population numbers sharply decrease, limiting pollutant degradation. When water temperature <4°C, microorganisms begin to die. However, in this process, even when water temperature dropped to 0°C, the TN removal rate still reached 51.52%, and effluent always met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. This is because the IFAS system in the A2O section maintained high biomass concentration. During the test period, MLSS concentration in the baffled anaerobic-anoxic contact tank and aerobic MBBR tank reached 6,000~8,000 mg/L. Additionally, recirculation of nitrified liquid further enhanced denitrification. Furthermore, wastewater passed sequentially through the limestone, zeolite, and sludge biochar filler zones of the subsurface flow wetland, where anaerobic and aerobic reactions occurred simultaneously. Various organics adsorbed on filler surfaces and the slow-release of carbon sources from biochar filler promoted denitrification, further enhancing nitrogen removal. Research indicates that biochar can increase the abundance and diversity of denitrifying microorganisms in wetlands. Also, due to its structure, subsurface flow wetlands have some thermal insulation effect, helping maintain internal microbial activity. Under the influence of multiple factors, the combined process exhibited strong resistance to low-temperature shock, maintaining over 50% TN removal even at 0°C. In summary, when water temperature is >5 grader, TN-fjerningsytelsen er god, med avløp stabilt under 15 mg/L. På dette tidspunktet, med tanke på fjerning av annen forurensning, kan avløpsvannbehandlingskapasiteten økes på passende måte.
Som vist iFigur 3, ettersom vanntemperaturen gradvis avtok, ble NH4+-N-fjerningsgraden sank fra et maksimum på 99,52 % til et minimum på 74,77 %, og avløp NH4+-N-konsentrasjonen økte fra et minimum på 0,17 mg/L til 8,40 mg/L. Redusert vanntemperatur hemmer aktiviteten til nitrifiserende og nitritifiserende bakterier, og reduserer NH4+-N removal. However, when water temperature >12 grader, gjennomsnittlig avløp NH4+-N-konsentrasjonen var 1,58 mg/L. Når vanntemperaturen er mindre enn eller lik 12 grader, gjennomsnittlig avløp NH4+-N-konsentrasjonen økte til 6,58 mg/L, men avløpet NH4+-N oppfylte alltid Grade A-standarden i DB 34/3527-2019. Når vanntemperaturen var 20~32 grader, var gjennomsnittlig NH4+-N-fjerningsfrekvensen oversteg 96 %. Kombinert medFigur 5 (b), avløpet NH4+-N-konsentrasjonen var under 2 mg/L i dette området, noe som indikerer høy nitrifiserende bakterieaktivitet og utmerket total NH4+-N fjerning. Når vanntemperaturen gradvis sank fra 20 grader til 12 grader, er gjennomsnittlig NH4+-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 grader er egnet for nitrifisering av bakterievekst, fremme nitrifikasjon. Derfor har NH4+-N opprettholdt høye fjerningshastigheter i området 12~20 grader. Når vanntemperaturen gradvis sank fra 12 grader til 0 grader, ble gjennomsnittlig NH4+-N-fjerningsfrekvensen nådde fortsatt 80 %. Eksisterende forskning viser at nitrifiserende bakterier nesten mister nitrifikasjonskapasitet ved 0 grader. Imidlertid viser resultatene av denne studien at selv ved 0 grader , NH4+-N-fjerningshastigheten oversteg 75 %, noe som indikerer god nitrifikasjonsytelse for denne prosessen ved lave temperaturer. Dette er fordi IFAS-systemet i A2O-MBBR-delen av denne studien har en lang biofilmslamalder på opptil ca. 1 måned, noe som gjør nitrifikasjonshastigheten i den biokjemiske tanken langt mindre påvirket av temperatur enn tradisjonelle aktivert slamprosesser, noe som forbedrer nitrifikasjonsytelsen ved lave vintertemperaturer. Forskning av Wei Xiaohan et al. indikerer også at hovedårsaken til ikke-kompatibel NH4+-N-avløp under forhold med lave vanntemperaturer er utilstrekkelig aktivert slamalder, og temperaturens innvirkning på nitrifieraktiviteten er sekundær. Derfor, selv om synkende vanntemperatur påvirket nitrifiseringsaktiviteten til en viss grad, sikret den tilstrekkelige slamalderen i denne prosessen NH4+-N-fjerning ved lave temperaturer. I løpet av testperioden er gjennomsnittlig avløp NH4+-N-konsentrasjonen var 3,50 mg/L, og den kombinerte prosessen viste god og stabil nitrifikasjonsytelse.
2.2.3 Fosforfjerningsytelse
Som vist iFigur 3TP-fjerningshastigheten varierte lite med vanntemperaturendringer, og holdt seg stabil over 94 %. Kombinert medFigur 6, innflytende TP-konsentrasjon varierte fra 3,03~4,14 mg/L, og avløps-TP-konsentrasjon varierte fra 0,14~0,28 mg/L, og oppfyller Grade A-standarden til DB 34/3527-2019. Denne prosessen er avhengig av den kombinerte virkningen av biologisk fosforfjerning (ved PAO) og kjemisk fosforfjerning (ved PAC). Når vanntemperaturen synker, hemmes PAO-aktiviteten, noe som påvirker biologisk fosforfjerning. Denne prosessen supplerer imidlertid med kjemisk fosforfjerning ved å dosere 3,7 g/d PAC, opprettholde en stabil TP-fjerningshastighet og redusere virkningen av vanntemperaturendringer på fosforfjerning i den kombinerte prosessen. A2O-enheten hadde den beste TP-fjerningsytelsen. Den anaerobe-anoksiske enhetens gjennomsnittlige TP-konsentrasjon var 2,48 mg/L, med en fjerningsrate på 32,61 %. Den gjennomsnittlige TP-konsentrasjonen for aerobe enhetsavløp var 0,29 mg/L, med en fjerningsrate på 59,51 %. Den totale TP-fjerningsraten for A2O-enheten var 92,12 %. Den forvirrede utformingen av A2O-MBBR-seksjonen kan i stor grad fjerne nitratnitrogen som fraktes i den resirkulerte blandingsvæsken, slik at anaerobe PAO-er frigjør fosfor mer grundig i den anaerobe seksjonen og absorberer fosfor mer fullstendig i den aerobe seksjonen, noe som forbedrer biologisk fjerning av fosfor. I tillegg opprettholdt kjemisk fosforfjerning ved å dosere på den ene siden av den aerobe MBBR-tanken en stabil TP-fjerningshastighet, med avløpskvalitet stabilt bedre enn Grade A-standarden til DB 34/3527-2019. Biologisk fosforfjerning i A2O-MBBR-seksjonen skjer hovedsakelig når PAOer i den forvirrede anaerobe tanken bruker karbonkilder for å omdanne deler av det organiske materialet og flyktige fettsyrer til polyhydroksyalkanoater (PHA). Når avløpsvann strømmer fra den forvirrede anaerobe tanken til den aerobe MBBR-tanken, bruker PAO-er PHA-er som elektrondonorer for å fullføre fosforopptaket. Imidlertid påvirkes biologisk fosforfjerning lett av PAO-aktivitet, og lav vanntemperatur begrenser PAO-aktivitet. For å oppnå stabil fosforfjerning ble derfor kjemisk fosforfjerning inkorporert i prosessdesignet. I tillegg absorberer adsorpsjonen av substratlaget i det karbonbaserte våtmarken under overflaten og veksten av nedsenkede planter i den økologiske dammen også noe fosfor.
Oppsummert fungerte oppsettet stabilt under testperioden, med god total forurensningsfjerning. A2O-MBBR + CWs kombinerte prosess oppnådde gjennomsnittlige fjerningsrater på 68,40 %, 89,45 %, 73,94 % og 94,04 % for TN, NH4+-Hhv. N, COD og TP. De gjennomsnittlige avløpskonsentrasjonene var henholdsvis 11,69 mg/L, 3,50 mg/L, 26,9 mg/L og 0,22 mg/L, alle oppfyller Grade A-standarden til DB 34/3527-2019. Forskning av Wu Qiong et al. indikerer at A2O-MBBR er en sammensatt prosess av aktivert slam og biofilm, med stor mikrobiell mengde, lang slamalder, høy volumetrisk belastning, lite volum og fotavtrykk, sterk motstand mot sjokkbelastninger, god avløpskvalitet og stabil drift. Dessuten er denitrifiseringsytelsen til biofilmprosesser om vinteren bedre enn for aktiverte slamprosesser, noe som gjør den mer egnet for behandling av lavtemperatur{15}}avløpsvann om vinteren. Dette er også hovedårsaken til den gode ytelsen til fjerning av forurensninger til A2O-MBBR-delen i denne studien. A2O-MBBR + CWs kombinerte prosess i denne studien legger til en CWs poleringsbehandlingssone på grunnlag av A2O-MBBR-prosessen, noe som ytterligere forbedrer den generelle renseytelsen og driftsstabiliteten til prosessen. Fjerningen av TN og NH4+-N ble mindre påvirket av sesongmessige vanntemperaturendringer, mens fjerningen av COD og TP var nesten upåvirket av sesongmessige vanntemperaturer. I løpet av testperioden viste den sterk motstand mot sjokkbelastninger, noe som gjør den egnet for bruk i landlige områder med store svingninger i husholdningsavløpsvannkvalitet og mengde.
2.3 Økonomisk analyse av den kombinerte prosessen
Kostnadene ved denne kombinerte prosessen inkluderer hovedsakelig byggekostnader og driftskostnader for avløpsrensing. Byggekostnadene var for å sette opp det eksperimentelle oppsettet, inkludert innkjøp av tankkropper, tilhørende elektrisk utstyr, media, nedsenkede anlegg og rørdeler, totalt ca. 3000 CNY. Basert på maksimal rensekapasitet under forsøket på 0,18 m³/d, er byggekostnaden per m³ renset avløpsvann ca. 16 700 CNY. Driftskostnader kommer hovedsakelig fra oppsettsdrift, inkludert utstyrs energiforbruk, kjemiske kostnader, slamdeponeringskostnader og arbeidskostnader. Elektrisk utstyr inkluderer: matepumpe (effekt 2 W, Q=2.8 m³/d), resirkulasjonspumpe (effekt 2 W, Q=2.8 m³/d), lufter (effekt 5 W, luftehastighet =5 L/min) og peristaltisk doseringspumpe (effekt 2 W). Beregnet basert på faktisk maksimal brukseffekt: matepumpe 0,13 W, resirkulasjonspumpe 0,19 W, lufter 1,25 W, doseringspumpe 2 W. Total faktisk brukseffekt er 0,00357 kW, daglig strømforbruk 0,086 kWh. Strømforbruk per m³ renset avløpsvann er 0,48 kWh. Ved bruk av industriell strømpris på 0,7 CNY/kWh er strømkostnaden 0,33 CNY/m³. PAC kjemikaliekostnad er omtrent 2,4 CNY/kg, bruk 3,7 g/d. PAC nødvendig per m³ avløpsvann er 20,56 g, kostnad 0,05 CNY/m³. Slamdeponeringskostnad=slammengde × enhetsvolum slamavhendingskostnad. Tørrslamproduksjonen per tonn vann er 0,09 kg. Basert på kommunal WWTP-slamtransport og enhetspris på 60 CNY/tonn, slamavhendingskostnad per tonn vann=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Siden pilotoppsettet bare krevde periodisk inspeksjon etter operasjon, ble arbeidskostnadene estimert basert på faktisk ingeniørerfaring. Et anlegg på 10 000 tonn per dag drives av 1~2 personer. Forutsatt at en enkelt persons lønn er 3000 CNY/måned, for 2 personer, er arbeidskostnadsindikatoren omtrent 0,02 CNY/tonn vann. Kostnadsdetaljer vises iTabell 4. Oppsummert er kostnaden for operasjonsbehandling ca. 0,46 CNY/m³. Ettersom avløpsrensekapasiteten øker, vil imidlertid anleggs- og driftskostnadene per tonn vann reduseres. Konstruksjons- og driftskostnadene under pilottesten er kun til referanse.
3. Konklusjoner
A2O-MBBR + CWs kombinerte prosess viste god ytelse for landlig husholdningsavløpsrensing. Fjerningen av TP og COD var stort sett upåvirket av vanntemperaturendringer. Den gjennomsnittlige fjerningsraten for TN, NH4+-N, TP, and COD reached 68.4%, 89.45%, 94.02%, and 73.94%, respectively. When water temperature ≤5°C, effluent quality stably met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. When water temperature >5 grader, kan avløpskvalitet oppfylle Grade A-standarden i GB 18918-2002 "Utslippsstandard for forurensninger for kommunale avløpsrenseanlegg". Denne prosessen kan effektivt utnytte organisk materiale i systemet som en karbonkilde for å forbedre denitrifiseringen, og opprettholde over 50 % TN-fjerning selv ved vanntemperaturer så lave som 0 grader.
Den optimale behandlingskapasiteten for avløpsvann for A2O-MBBR + CWs kombinerte prosess om vinteren var 120 L/d, og 180 L/d i ikke-vinter. Sesongmessige vanntemperaturendringer (gradvis avtagende fra 32 grader til 0 grader) hadde bare en viss innvirkning på nitrogenfjerning ved den kombinerte prosessen. TN-fjerningsgraden sank fra 79,19 % til 51,38 %, og NH4+-N-fjerningsfrekvensen gikk ned fra 99,52 % til 74,77 %. Selv ved 0 grader oppfylte avløpskvaliteten stabilt Grade A-standarden til DB 34/3527-2019, og NH4+-N-fjerningsraten nådde fortsatt 74,77 %. Dette drar nytte av IFAS-systemet, der en slamalder på opptil 1 måned sørget for nitrifikasjon ved lave temperaturer. Prosessen opererte stabilt under testperioden, og viste sterk motstand mot vanntemperaturendringer.
Den forhåndsbaserte A2O-MBBR-prosessen brukte to typer suspenderte biofilmbærere for mikrobiell festing, og dannet et IFAS-system. Den karbon-baserte våtmarken med strømning under overflaten brukte flere mediefyllstoffer, inkludert slambiokull, kalkstein og zeolitt, og forbedret filtreringsytelsen samtidig som den ga rikelig festeoverflate for mikroorganismer, og forbedret dens biologiske behandlingskapasitet. Den forhåndsbaserte A2O-MBBR-prosessen med IFAS har høy biomassekonsentrasjon. Den bakre CWs sammensatte våtmarken fungerer som et poleringsbehandlingstrinn, og behandler avløpsvannet ytterligere, noe som gjør det totale systemet mer motstandsdyktig mot støtbelastninger.
Den kombinerte A2O-MBBR + CWs-prosessen er egnet for behandling av husholdningsavløpsvann i landlige områder med store svingninger i kvalitet og mengde. Den fungerer stabilt og effektivt, med en behandlingskostnad på omtrent 0,46 CNY/m³. Dessuten kan A2O-MBBR+CWs prosessseksjoner justeres fleksibelt i henhold til forskjellige avløpsstandarder, scenarier og formål. Denne kombinerte prosessen kan gi datareferanse og grunnlag for landlige innenlandske avløpsvannbehandlingsprosjekter i Kina, tilby en ressursutnyttelsesvei for ledige ødemarker på landsbygda, og har et bredt markedsanvendelsespotensial under den nasjonale trenden (med stor vekt på forbedring av landlig miljøkvalitet.