A fokhagymás szennyvíz fokozott mikrobiális kezelése MBBR + A/O eljárással
Áttekintés
Fokhagymás szennyvízelsősorban a fokhagyma feldolgozása során a szeletelési és öblítési folyamatokból származik. Jellemzőjemagas koncentrációjú szerves anyag, sjelentős mennyiségű nitrogént és foszfort tartalmaz, és jelentős mennyiségű allicint tartalmaz. Az allicin (diallil-tioszulfinát) egy illékony folyadék, amely a fokhagyma szúrós szagáért felelős, kémiailag instabil és nagyon reakcióképes. Az allicin gátolhatja a különböző mikroorganizmusok növekedését. A nagy-koncentrációjú fokhagymás szennyvíz kezelés nélküli elvezetése komoly környezeti hatásokat okoz. Egyes kutatók olyan technikákat alkalmaztak, mint a membránszűrés, a Fenton-oxidáció és a mikro{5}}elektrolízis, de ezek a módszerek nem voltak hatékonyak a fokhagymás szennyvíz kezelésében, és a vegyszerek nagy dózisainak használata növeli a későbbi kezelési költségeket. Sok tudós javasolt olyan biológiai kezelési módszereket, amelyek anaerob{7}}aerob kombinált eljárásokat alkalmaznak. Az allicin antibakteriális tulajdonságai miatt azonban a mikroorganizmusok nehezen tenyészthetők, és a kezelés hatékonysága sem ideális. Ezért a biológiai kezelés középpontjában az állolyan mikrobiális törzsek termesztése és akklimatizálása, amelyek képesek alkalmazkodni a fokhagymás szennyvízhez és fokozni azok biológiai lebomlását.
Ez a tanulmány tenyésztést és szűrést tartalmazotta fokhagymás szennyvizet hatékonyan lebontó baktériumtörzsek, amelyeket aztán bevezettek aMozgóágyas biofilm reaktor (MBBR). Az oltott iszap és az áramlási sebességet növelő biofilmképző módszer segítségével biofilmeket hoztak létre, amelyek elősegítik a nitrogén és a foszfor eltávolítását a szennyvízből. Ezt további A/O (Anoxikus/Oxic) biokémiai kezelés követte. A GB18918-2002 szabvány szerint a kifolyó KOI és ammónia-nitrogén (NH₃-N) szintje megfelelhet a másodlagos szabványnak (KOI: 100 mg/L, NH₃-N: 25-30 mg/L). Ez az eljárás hatékonyan csökkenti a szennyvíz szervestartalmát, csökkentve a további tisztítási szakaszok nehézségét.
1. Kísérleti szakasz
1.1 Folyamatfolyamat tervezés
A fokhagymás szennyvíz kezelésének teljes folyamatáramát a kép mutatja1. ábra, melynek fő összetevője abiológiai lebomlás az MBBR + A/O rendszerben. Három szűrt és izolált törzs, amely hatékonyan bontja le a fokhagymás szennyvizet – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. és Achromobacter sp. – eleveniszappal keverve bekerült az MBBR egységbe, hogy megkönnyítse a gyors indítást.
1,2 MBBR + A/O kezelési folyamat
A lebegő szilárd anyagok eltávolítására szolgáló durva és finom szitákon áthaladva a fokhagymás szennyvizet közvetlenül az MBBR-be szivattyúzzák. A befolyás minősége a következőben látható1. táblázat. Az MBBR-ből származó szennyvíz közvetlenül az A/O rendszerbe folyik. Az MBBR szennyvíz alacsony szervesanyag-tartalma miatt a nyers fokhagymás szennyvizet megfelelően adagolják az Oxic (O) tartályba, hogy kiegészítsék az A/O folyamat szénforrását. A rendszer ütésállóságának tesztelésére folyamatos üzem közben fokozatosan növeltük az MBBR szerves terhelési sebességét, és figyelemmel kísértük a kifolyó víz minőségét.
1.3 Folyamatparaméterek
1.3.1 Oldott oxigén (DO)
A túl magas DO a biofilmen belül megakadályozhatja a denitrifikációt, ami miatt az MBBR elveszíti egyidejű nitrifikációs és denitrifikációs képességét. A túl alacsony DO a fonalas baktériumok elszaporodásához vezethet, ami befolyásolja a szennyvíz minőségét és gátolja a nitrifikációs folyamatot.
1.3.2 Hidraulikus retenciós idő (HRT)
A túlságosan rövid HRT intenzív reakciókörülményeket okoz, ahol a legtöbb szerves anyagot tartalmazó szennyvíz távozik, mielőtt teljesen felszívódna. A folyamatos beáramlás a mikroorganizmusokat állandó biológiai lebomlási állapotban tartja, csökkenti a hatékonyságot és növeli az energiafogyasztást. A túl hosszú HRT a tápanyagok kimerüléséhez vezet; tápanyagok nélkül a mikroorganizmusok csökkentik aktivitásukat és anyagcsere-szükségleteiket, hogy csupán fenntartsák a túlélést.
1.3.3 Szén--–-nitrogén arány (C/N)
Az alacsony C/N arány az ammónia más anyagokká való átalakulásának katalíziséhez vezethet, ami befolyásolja az ammónia-nitrogén eltávolítását. Könnyen okoz fonalas ömlesztést, folyamatos növekedést, amely befolyásolja a pelyhesedést, ami az iszap tömegesedéséhez és lebegő iszaphoz vezet. A magas C/N arány nem kedvez a mikrobiális biológiai lebomlásnak és növekedésnek, növeli a mikroorganizmusok szerves terhelését.
1,4 MBBR Biofilm indítás-
Biofilm indítás-: Az oltott iszap + áramlás{2}}sebességnövelő módszert alkalmaztuk. MBR-dúsított eleveniszapot oltottak be a reaktorba, amelynek kezdeti kevert liquor szuszpendált szilárd anyag (MLSS) koncentrációja körülbelül 5,82 g/l volt. Megkezdtük a levegőztetést, és a reaktorba polietilén hordozóanyagot adtunk atöltési arány kb 60%. ADOa reaktorban vezérelték4,0 mg/l felett. A befolyó áramlási sebességet fokozatosan, 20 l/órás lépésekben növeltük: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 l/h, minden áramlási sebességet 1 napig fenntartva. Ebben a fázisban nem pazarolt iszap. A hordozók felületén világossárga biofilm alakult ki, ahol a mikroorganizmusok tapadtak és növekedtek. A biofilm sikeres indítása után{13}}a stabil működés folytatódott, fenntartva aIszaptartási idő (SRT) 30 nap. A stabil működés során az MBBR szerves terhelési sebességét úgy állítottuk be, hogy megfigyeljük annak hatását a KOI, nitrogén és foszfor eltávolítására.
2. Eredmények és megbeszélés
2.1 Az MBBR szennyvíz minőségének elemzése a biofilm indítása során
A levegőztetés intenzitását az MBBR-ben a DO-koncentráció szabályozására állítottuk be. Amikor a DO 4,0 mg/l alatt volt, a levegőztetés intenzitása nem volt elegendő ahhoz, hogy támogassa a hordozók egyenletes, nagy-áramlású turbulens mozgását, ami megakadályozta a megfelelő keveredést és megnehezítette a biofilm kialakulását a hordozófelületeken. Amikor a DO 4,0-6,0 mg/L között volt, a hordozóanyagok alaposan összekeveredtek az eleveniszappal és a szennyvízzel. A hordozókon fehérről sárgás{7}}barnára színváltoztatást figyeltek meg, ami azt jelzi, hogy a mikrobák sikeresen megtapadtak és szaporodtak ilyen levegőztetési intenzitás mellett, amint azt a2. ábra.
A befolyó és kifolyó KOI változási görbéje az indítási-kezdési fázisban a következő képen látható:3(a) ábra. A kezelés hatékonyságának kezdeti csökkenése a hordozókon lévő mikroorganizmusok nagyon alacsony mennyiségének volt köszönhető; az eleveniszap mikroorganizmusok általi lebomlása önmagában nem volt elegendő a nagy mennyiségű szerves anyag eltávolításához. Az indítás- előrehaladtával a hordozókon megnövekedett a hozzátapadt mikroorganizmusok mennyisége, fokozatosan biofilmet képezve. A szennyvíz KOI koncentrációja fokozatosan stabilizálódott, a KOI eltávolítás hatékonysága 90% felett stabilizálódott.
Az MBBR befolyó és kilépő NH₃-N variációs görbéje a következő képen látható:3(b) ábra. Az eleveniszapos aerob baktériumok általi nitrifikációja hatékonyan távolította el az ammónia-nitrogént. A 7. naptól kezdve a befolyó NH₃-N-koncentráció fokozatosan emelkedett. A 23. napon, bár a beáramló NH₃-N még nőtt, az eltávolítási arány is nőtt. Ennek az az oka, hogy a nitrifikáló baktériumok kezdetben lassan növekednek; idővel populációjuk növekedett, a biofilm érett, az NH₃-N eltávolítási sebessége pedig fokozatosan nőtt és stabilizálódott.
Az MBBR befolyó és kilépő TN variációs görbéje a következőben látható3(c) ábra. Az ammónia-nitrogén eltávolítással ellentétben a TN eltávolítási hatékonysága kezdetben csökkent. Ennek oka az volt, hogy a reaktor környezetében bőséges oxigén- és szénforrás volt, ami korlátozta a denitrifikáló baktériumok növekedését. A biofilm kialakulásával azonban a TN eltávolítási hatékonysága javulni kezdett. A 20. napra, bár a befolyó TN koncentrációja nőtt, a kifolyó TN és az eltávolítási sebesség stabilizálódott, 50% és 60% között mozog.
Az MBBR befolyó és kilépő TP variációs görbéje az alábbi ábrán látható3(d) ábra. Az indítástól-a stabil működésig a TP eltávolítási arány változatlan maradt. Bár a befolyó TP koncentráció kezdetben magas volt, majd később csökkent, az eltávolítás hatékonysága nem mutatott jelentős változást, ami a rendszer foszforeltávolító képességét jelzi. A TP eltávolítási arány a rendszerben 80% és 90% között maradt.
Összefoglalva,az MBBR rendszer DO 4-6 mg/l között tartásával, 20 napos folyamatos etetés után érett biofilm alakul ki. A hagyományos eleveniszapos eljárásokkal összehasonlítva az MBBR rendszer erős ütésállóságot és nagy kezelési hatékonyságot kínál, hatékonyan csökkentve a fokhagymafeldolgozás szennyvíz további kezelési szakaszainak nehézségét.
2.2 Szennyvízminőség-elemzés stabil működés közben
A biofilm beindulási-fázisát követően a biofilm megérett. Az MBBR rendszer ütésállóságának tesztelésére a szerves terhelési sebességet folyamatosan növeltük a stabil működés során.
Az MBBR befolyó és kilépő KOI változási görbéje stabil működés közben a4(a) ábra. Az 1-5. naptól állandó beáramlás mellett a KOI eltávolítás hatékonysága 95% felett maradt, a szennyvíz KOI koncentrációja elérte a 100 mg/L körüli értéket. Az 5-20. naptól a beáramlási sebességet növeltük, fokozatosan emelve a szervesanyag-terhelést 20 kgKOI/m³·d-ről 30 kgKOI/m³·d-ra. Az eltávolítás hatékonyságában nem figyeltek meg szignifikáns változást, és a kifolyó KOI 80-100 mg/L között maradt, ami erős ütésállóságot mutat. A 20. nap után a beáramlási sebességet tovább növeltük, folyamatosan növelve a reaktor szervesanyag-terhelését 30 kgKOI/m³·d-ről 37 kgKOI/m³·d-re, 5 napig fenntartva. Az MBBR KOI-eltávolító képessége 95% felett maradt.
4(b) és (c) ábramutassa meg az NH₃-N és TN variációs görbéit stabil működés közben. Az 1–5. naptól, állandó beáramlás mellett, az MBBR biofilm egyidejű nitrifikációt és denitrifikációt mutatott. A biofilm külső rétegéhez tapadt aerob nitrifikáló baktériumok, a levegőztetett szennyvízzel teljesen keveredve, jelentős nitrogénforrásokat fogyasztottak a nitrifikáció révén. A belső anoxikus rétegben lévő denitrifikáló baktériumok hatékonyan távolították el a nitrát nitrogént a denitrifikáció révén. Az 5–20. naptól a beáramlási sebesség növekedésével az NH₃-N és a TN eltávolítási hatékonysága kezdetben jelentősen csökkent. Körülbelül 7 nap folyamatos működés után a rendszer fokozatosan alkalmazkodott. Bár az NH₃-N és a TN eltávolítási hatékonysága ezután nőtt, alacsonyabb maradt, mint az alacsony áramlási időszakban. Állandó beáramlás mellett az NH₃-N eltávolítása elérte a 90%-ot, a kifolyó NH₃-N 10-15 mg/L között, a TN eltávolítása pedig alapvetően 80% felett maradt, a kifolyó TN 30 mg/L körüli értéket. Miután megnöveltük a beáramlást, és a rendszer folyamatos hatás hatására új egyensúlyt ért el, az NH₃-N eltávolítása 80% körül stabilizálódott, a kifolyó NH₃-N 50-70 mg/L között, a TN eltávolítása pedig 60% körüli, a kifolyó TN 50 mg/L alatti értékkel.
A TP változási görbéje stabil működés közben a következő ábrán látható4(d) ábra. A kifolyó TP koncentrációját alapvetően 10 mg/l körül tartottuk. Kezdetben állandó alacsony áramlás és alacsony befolyó TP-koncentráció mellett a kezelés hatása korlátozott volt. A beáramlási sebesség és a befolyó TP-koncentráció növekedésével magas kezelési hatékonyságot értek el az ütközési fázis és az azt követő nagy-terhelésű művelet során, a TP eltávolítási sebesség 90% körül ingadozott.
Összefoglalva,nagy szerves terhelés hatására a rendszer KOI eltávolítási hatékonysága nagyjából változatlan maradt, de az NH₃-N és TN eltávolítása jelentősebben csökkent. Amikor a szerves terhelés elérte a maximális 37 kg KOI/m³·d értéket, a rendszer NH₃-N és TN eltávolítási hatékonysága észrevehetően csökkent.
2.3 Az MBBR + A/O rendszer szennyvízminőség-elemzése
A biofilm beindítási-fázisát és egy hónapos stabil működését követően egy A/O-folyamatot adtunk hozzá az MBBR-elfolyó fokozott kezeléséhez. A beáramlási sebesség gradiens növelését alkalmaztuk a teljes szervesanyag-terhelés növelésére azzal a céllal, hogy meghatározzuk az optimális beáramlási sebességet, amely megfelel az optimális HRT-nek.
A KOI variációs görbe a következőben látható:5(a) ábra. A beáramlási sebesség szekvenciálisan nőtt: 100, 120, 130, 150, 170 l/h. A kezdetektől a maximális áramlási sebességig az MBBR rendszer szerves terhelése 20 kgKOI/m³·d-ről 37 kgKOI/m³·d-ra nőtt. A kombinált rendszerből kifolyó végső folyadék stabil maradt, a KOI koncentrációja 100 mg/l alatt volt. Tartósan nagy szerves terhelésű sokk hatására az MBBR rendszer jól teljesített, bár a kifolyó KOI enyhe növekedést mutatott, amikor az áramlási sebesség elérte a 150 l/h-t. A 170 l/h áramlási sebesség több napig tartó fenntartása után az MBBR elfolyó KOI-ban észrevehető emelkedő tendenciát figyeltek meg. Az ezt követő A/O eljárással azonban a végső kombinált rendszer kifolyó mennyisége továbbra is 100 mg/l alatt maradt. Ez azt jelzi, hogy a 37 kg KOI/m³·d nagy szerves terhelési sokk mellett is a kombinált eljárás még mindig erős eltávolító hatást fejt ki a fokhagymafeldolgozási szennyvízre.
Az NH₃-N és a TN variációs görbéi az alábbiakban láthatók5(b) és (c) ábra, ill. A fokhagymafeldolgozás szennyvizében magas az ammónia-nitrogén és az összes nitrogén koncentrációja, amely az oxidáció miatt idővel tovább növekedhet. Az ammónia-nitrogén koncentrációja általában 300-500 mg/l, az összes nitrogén pedig 450-600 mg/l között van. Az egyidejű nitrifikáció és denitrifikáció során az MBBR-ben az ammónia-nitrogén eltávolítása hatékonyabb volt, valószínűleg azért, mert a nitrifikáló baktériumok hatékonyabban hasznosítják a szennyvizet levegőztetés alatt. A denitrifikáló baktériumok anoxikus körülményeket igényelnek, és gyakran az elfogyasztott szerves széntől függenek a denitrifikációhoz. A beáramlási sebesség növelésekor az NH₃-N és a TN eltávolítási hatékonysága volt az elsődleges szempont. Az 1–4. naptól az alacsony áramlási sebesség és a mérsékelt NH₃-N miatt az NH₃-N eltávolítási sebessége 90% felett maradt, és a TN eltávolítási hatékonysága fokozatosan nőtt. Ezt követően a beáramlás jelentősen megnőtt. Egyértelműen megfigyelhető volt, hogy a beáramlási sebesség növekedésével az NH₃-N és a TN kifolyó koncentrációi a különböző szakaszokban egymás után emelkedtek, és a magasabb beáramlási sebességek magasabb szennyvízkoncentrációkat eredményeztek. Az áramlási sebesség növekedésével a biofilm hordozókon lévő biomassza nőtt, fokozva a nitrifikációt, ahol az ammónia-nitrogént a nitrifikáló baktériumok oxigén alatt nitráttá és nitritté oxidálják.
A TP-koncentráció változási görbéje a következő képen látható5(d) ábra. Tekintettel a magas befolyó KOI és TN koncentrációkra, az elméletileg optimális TP-koncentráció a mikrobiális növekedéshez 100 mg/l felett van. A befolyó TP koncentrációja azonban messze elmaradt ettől az elméleti követelménytől. Ezért az MBBR effluens TP koncentrációja 10 mg/L körül maradt, a végső kombinált rendszer kifolyó TP koncentrációja pedig 2-3 mg/L között maradt.
Az MBBR rendszer és az azt követő A/O rendszer iszapkarakterisztikáját működés előtt és után mértük, amint az a2. táblázat.
Összefoglalva,amikor az áramlási sebességet 150 l/h-ra növelték, a KOI, NH₃-N, TN és TP eltávolítási sebessége jobb volt, mint más áramlási sebességeknél. A HRT ennél az áramlási sebességnél 27 óra volt. Ezenkívül az iszapkoncentráció mind az MBBR, mind az A/O rendszerben jelentősen megnőtt a működés után.
3. Következtetés
Az MBBR-ben történő biofilmképződés után a KOI, NH₃-N, TN és TP eltávolítási hatékonysága stabil volt. Egy hónapos folyamatos, stabil üzemelés alatt a KOI-eltávolítás elérte a 95%-ot, az NH₃-N és a TN eltávolítás 80% körül stabilizálódott, a TP eltávolítás pedig 90% körül stabilizálódott.
Az MBBR szennyvizet tovább kezeltük az A/O rendszerben. A kombinált eljárás akár 37 kg KOI/m³·d szerves terhelésnek is ellenállt. A teljes folyamat optimális működése 27 órás HRT mellett volt. A végső elfolyó KOI 100 mg/L, NH₃-N 10-20 mg/L, TN 30 mg/L alatt, TP 10 mg/L alatt stabilizálódott. Az iszapkoncentráció az MBBR rendszerben működés után 8,5 g/L, az A/O rendszerben 4,1 g/L volt, mindkettő szignifikánsan magasabb, mint az üzemelés előtt, ami a mikrobiális biomassza jelentős növekedését jelzi. A KOI és az ammónia nitrogén szintje a biológiai kezelés után megfelelt a GB18918-2002-es másodlagos kibocsátási szabványnak. A további kezeléshez a Fenton fejlett oxidációs technológiája alkalmazható a biológiailag kezelt szennyvíz mélykezelésére az első szintű kibocsátási szabvány elérése érdekében.