Egy S-MBBR rendszer szennyezőanyag-eltávolítási teljesítménye alacsony C/N arányú szennyvízkezeléshez: KOI, TN, NH₄⁺-N és TP elemzés

Szennyezőanyag-eltávolítási teljesítmény elemzése egy S{0}}MBBR rendszerben alacsony C/N arányú szennyvízkezeléshez

Bevezetés

Az urbanizáció és az iparosodás felgyorsulásával az alacsony C/N arányú (alacsony szén-dioxid--/-nitrogén arányú) szennyvíz kibocsátása növekszik, elsősorban a háztartási szennyvízből, az élelmiszer-feldolgozásból, a mezőgazdaságból és a keringtetett hűtővízből. Az alacsony C/N arányú szennyvízben a rossz össznitrogén (TN) eltávolítási hatékonyság megoldása érdekében az elmúlt években a rövid -nitrifikációs-denitrifikáció és az egyidejű nitrifikáció és denitrifikáció (SND) felkeltette a figyelmet. Viszonylagosan elmondható, hogy az SND folyamat reakciókörülményei könnyebben szabályozhatók, és egyszerre képes szén- és nitrogéneltávolítást elérni. Ezért jelentős előnye van az alacsony C/N arányú szennyvíz nitrogéneltávolító kezelésében. A szekvenáló szakaszos reaktor (SBR) az oldott oxigén koncentrációjának szabályozásával megkönnyíti a nitrogén és foszfor eltávolítását. A mozgóágyas biofilm reaktorral (MBBR) összekapcsolva egy S-MBBR rendszert, a hordozókon lévő biofilm rétegzett növekedési feltételeket biztosít az aerob nitrifikáló baktériumok és az anoxikus denitrifikáló baktériumok számára, SND mikrokörnyezetet hozva létre, miközben növeli a rendszer fajlagos felületét és mikrobiális stabilitását. Tanulmányok kimutatták, hogy az S-MBBR a nitrogén- és foszforeltávolítási hatékonyság, az ütésállóság és a rendszerstabilitás tekintetében felülmúlja a hagyományos eljárásokat.

1 Anyagok és módszerek

1.1 Kísérleti beállítás.A kísérleti elrendezés főként egy befúvó tartályból, egy légfúvóból, egy keverőberendezésből, egy szennyvíztartályból és a főreaktorból állt. A reaktor effektív térfogata 1,8 l, a kezelési kapacitás ciklusonként 1 l. A reaktort új típusú bio-affinitív hordozóanyaggal töltöttük fel körülbelül 25%-os töltési arány mellett. A kevert liquor illékony szuszpendált szilárd anyagok (MLVSS) kezdeti koncentrációja a reaktorban 3000 mg/l volt.

1.2 Kísérleti anyagok.Az affinitás{0}}módosított hordozótöltőanyagot fizikai keveréssel és csavaros extrudálási technológiával készítették. A konkrét eljárás a következő volt: 3% zéró-értékű vasat, HDPE-t és segédanyagokat (2% természetes zeolit, 2% polikvaternium-10 és 1% talkumpor) egyenletesen összekevertünk. Ezután a keveréket egy SJ-20 egycsigás extruderrel megolvasztották, és szemcsés csíkokra extrudálták (körülbelül 5 mm átmérőjű, 5–10 mm hosszúságúak). Végül ezeket a szilárd részecskéket SJ-30 egycsigás extruderrel extrudáltuk a végső hordozó előállításához.

1.3 Működési feltételek.Két reaktort állítottak fel: egyet vivőkkel (S-MBBR, R1-nek jelölve) és egyet hordozók nélkül (SBR, R2-vel). Minden egyéb feltétel változatlan maradt. Az első szakasz a biofilm rögzítésének indítása volt, SBR módban, 3:3:2 arányban. A működési ciklus befolyó, statikus, levegőztetési reakciót, anoxikus keverést, ülepítést és elfolyó szakaszt tartalmazott (3 óra anaerob, 3 óra levegőztetés, 2 óra keverés/ülepítés/beáramlás/elfolyás). A befolyó pH-t NaHC03-val 8 körüli értékre állítottuk be. A sikeres biofilm rögzítést követően az ammónia-nitrogén koncentrációját megváltoztattuk a C/N arány csökkentése érdekében, és megkezdődött a kísérlet, amint azt részletezi:1. táblázat.

1.4 Kísérleti víz és beoltott iszap.A biofilm indításához használt szintetikus szennyvíz KOI, NH₄⁺-N és összfoszfor (TP) mennyiségét C6H12O6, NH4Cl és KH2PO4 biztosították. A nyomelemek EDTA-2Na (18,76 g/l), CoCl2·6H2O (0,3 g/l), CuSO4·5H2O (0,32 g/L), NiCl2·6H2O (0,24 g/l), H3BO18 (0.0.) ZnS04·7H2O (0,54 g/l), MnCl2·4H2O (1,24 g/l), NaMoO4·2H2O (0,28 g/l) és NaWO4·2H2O (0,1 g/l). A szintetikus szennyvíz összetétele a következő volt: 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), 7,15 g/l. g/l), CaCl2-t (0,05 g/l), FeS04·7H20-t (0,02 g/l) és nyomelemeket (1 ml/l). Az iszapot egy daliani szennyvíztisztító telep másodlagos ülepítő tartályából vették ki.

1.5 Analitikai módszerek.A rutinmutatók mérése a "Víz és szennyvíz vizsgálatának szabványos módszerei" (4. kiadás) és a nemzeti szabványok szabványos módszerei szerint történt, beleértve a szennyezőanyag-eltávolítási kapacitás elemzését, a membrán elszennyeződés elemzését és a gáztermelés elemzését. Pontosabban: az NH₄⁺-N-t szalicilsavas reagens spektrofotometriás módszerrel mértük; TP ammónium-molibdát spektrofotometriás módszerrel; NO₃⁻-N szalicilsav-tömény kénsav reagens spektrofotometriás módszerrel; NO2⁻-N N-(1-naftil)etilén-diamin spektrofotometriás módszerrel; A TN az összes nitrogénforma koncentrációjának összege; A KOI mérése gyorsemésztési módszerrel történt; és az iszapkoncentrációt (beleértve az MLSS-t és az MLVSS-t) gravimetriás módszerrel mérték.

2 Eredmények és elemzés

2.1 COD eltávolítási teljesítmény

A reaktorba belépő szerves anyagokat anaerob, aerob (levegőztetés), anoxikus keverés, ülepítés és elfolyó szakaszokon keresztül távolították el.1. ábramutatja a reaktorok KOI-eltávolítási teljesítményét a különböző működési szakaszokban. Az I. szakasz a biofilm rögzítési szakasza, a II., III. és IV. szakasz pedig azok a szakaszok, ahol a C/N/P arány 100:8:1, 64:8:1, illetve 32:6:1 értékre csökkent. Az R1 átlagos eltávolítási aránya mindegyik szakaszban 95,57%, 96,25%, 92,70% és 94,18% volt; az R2 átlagos eltávolítási aránya mindegyik szakaszban 94,71%, 96,19%, 92,54% és 94,68% volt. Látható, hogy ez az eljárás jó szervesanyag-eltávolító teljesítménnyel rendelkezik, és viszonylag stabil kifolyási körülmények között megfelelt a GB 18918-2002 szabvány követelményeinek (KOI koncentráció < 50 mg/L). Mivel a rendszer alacsony C/N aránnyal működött, a szénforrás vált a hatékony anyagcserét korlátozó szubsztrátummá. Nem volt szignifikáns különbség a KOI eltávolításában R1 és R2 között, ami azt mutatja, hogy a módosított hordozónak csekély hatása volt a KOI eltávolítására.

2.2 NH₄⁺-N és TN eltávolítási teljesítmény

A TN eltávolítási folyamat két fő lépésből áll: nitrifikáció és denitrifikáció. A nitrifikáció, mint aerob folyamat, elegendő aerob mikroorganizmusra támaszkodik az ammónia-nitrogén nitráttá alakításához.2. és 3. ábramutassa meg a reaktorok NH₄⁺-N és TN eltávolítási teljesítményét. Az NH₄⁺-N és a TN főként az aerob levegőztetés és az anoxikus statikus szakaszok során távozott. Az I. szakasz a biofilm rögzítési szakasza, a II., III. és IV. szakasz pedig azok a szakaszok, ahol a C/N/P arány 100:8:1, 64:8:1, illetve 32:6:1 értékre csökkent. Az R1 átlagos NH₄⁺-N eltávolítási aránya 92,53%, 95,83%, 99,70% és 98,31% volt; az R2 átlagos NH₄⁺-N eltávolítási aránya 84,34%, 91,82%, 99,70% és 97,52% volt. Az átlagos TN eltávolítási arány R1 esetében 89,53%, 87,21%, 82,44% és 83,20% volt; az átlagos TN eltávolítási arány az R2 esetében 78,3%, 78,89%, 73,26% és 76,66% volt. Az R2-hez képest az átlagos NH₄⁺-N eltávolítási arány R1 esetében 9,7%-kal, 4,36%-kal, 0%-kal, 0,82%-kal nőtt; az átlagos TN eltávolítási arányok 14,35%-kal, 10,55%-kal, 12,54%-kal, illetve 8,3%-kal nőttek. Látható, hogy az R1 rendszer a nitrogéneltávolításban minden szakaszban felülmúlta az R2-t, különösen a rendszer működésének korai szakaszában, a különbség a későbbi szakaszokban fokozatosan stabilizálódott.

Az I. szakaszban a befolyó NH₄⁺-N koncentrációja alacsony volt, és a szénforrás viszonylag elegendő volt a denitrifikációs követelmények alapvető kielégítésére, így a kifolyó TN koncentrációja alacsony volt. A beoltott mikroorganizmusok még adaptációs stádiumban voltak, és a rendszeren belüli funkcionális mikrobaközösség nem alakult ki teljesen, ami instabil NH₄⁺-N eltávolítást eredményezett, de később fokozatosan stabilizálódott. Ebben a szakaszban nem volt szignifikáns különbség a két reaktor (R1 és R2) között. A II. stádiumba lépve a befolyó NH₄⁺-N koncentráció hirtelen megnőtt, de a levegőztetési feltételeket nem igazították egyszerre, ami jelentős ingadozásokat okozott a rendszerben, különösen az NH₄⁺-N és TN eltávolításában. Körülbelül 6 napos működés után a két reaktor fokozatosan visszanyerte a stabilitását. A feltételezések szerint a magas ammónia-nitrogénterhelés elősegítette a nitrifikáló baktériumok gyors elszaporodását, ezáltal javítva a nitrifikációs folyamat hatékonyságát. A rendszer működése során a nitrifikációs -denitrifikációs rendszer fokozatosan létrejött és stabilizálódott a reaktorokban, és a TN-koncentráció ingadozása csökkent. A módosított hordozó jelenlétének köszönhetően az R1 rendszer alacsonyabb maradék TN-t ért el, a hordozó javította a reaktor TN eltávolítási sebességét és javította a rendszer alkalmazkodóképességét a sokkterheléshez. A 49. napon a PO4 eltávolításának javítása érdekében a levegőztetés intenzitását növeltük, elősegítve a teljesebb nitrifikációs folyamatot. A nitrifikáció által termelt nitrát mennyiségének növekedése azonban a denitrifikációhoz szükséges szénforrások iránti nagyobb kereslethez vezetett, míg a befolyó szénforrás ebben a szakaszban viszonylag kevés volt, ami bizonyos mértékű növekedést eredményezett a kifolyó TN-ben. A III. szakaszban a KOI tovább csökkent, ami a reaktoron belüli denitrifikációhoz még szűkösebbé tette a szénforrást, tovább korlátozva a TN eltávolítását, és nőtt a kifolyó TN-koncentráció általános szintje. Ennek ellenére az R1 rendszer továbbra is jobb TN eltávolítási teljesítményt tartott, mint az R2, ami a hordozó fokozó hatását mutatja. A IV. szakaszban az ammónia-nitrogén koncentrációja tovább nőtt. Az előző szakasz tapasztalatai alapján a levegőztetést kismértékben növelték, és a levegőztetési időt 4 órára növelték, elősegítve a nitrifikáló baktériumok aktivitását, teljesebbé téve a nitrifikációs folyamatot, és tovább javítva az NH₄⁺-N eltávolítási hatékonyságát. A szénforrás-hiány kihívásával szemben azonban a denitrifikációs folyamat korlátozott volt, és a TN-koncentráció enyhén emelkedett a későbbi szakaszban. Összességében az R1 reaktor még mindig felülmúlta az R2-t, erősebb TN-eltávolító kapacitást mutatva, ami azt jelzi, hogy a hosszú -távú működés után az R1-ben kialakult stabil biofilm szerkezet és szinergetikus aerob -anoxikus környezet jó teret és feltételeket biztosított az egyidejű nitrifikációs és denitrifikációs (SND) folyamathoz. Zhang Kefang et al. SBR eljárást alkalmazott az alacsony C/N arányú szennyvizek kezelésére, egyetlen reaktoron belül elérve a szerves anyagok oxidációját, nitrifikációját és denitrifikációját, 80%-ot meghaladó TN eltávolítási sebesség mellett. Ezek az eredmények hatékonyan bizonyítják, hogy az egylépcsős biológiai denitrifikáció teljes mértékben megvalósítható.

2.3 TP eltávolítási teljesítmény

A szennyvíztisztítás során a foszfor eltávolítása főként specifikus mikroorganizmusokon, például foszfor{0}akkumuláló szervezeteken (PAO) múlik, amelyek aerob körülmények között felszívják az oldható foszfort, anaerob körülmények között pedig foszfort szabadítanak fel.4. ábraa reaktorok TP eltávolítási teljesítményét mutatja. A TP-t eltávolítottuk az aerob levegőztetési szakaszban. A TP koncentrációja az I., II. és III. stádiumban változatlan maradt, az átlagos befolyó koncentráció 5,01 mg/l volt. A IV. szakaszban az átlagos befolyó TP koncentráció 10,30 mg/l volt. Az R1 átlagos szennyvízkoncentrációja minden szakaszban 0,27 mg/L, 0,16 mg/L, 0,13 mg/L és 1,92 mg/L volt, az átlagos eltávolítási arány 94,73%, 96,78%, 97,54% és 81,35%. Az átlagos szennyvízkoncentráció R2 esetében 0,39 mg/L, 0,35 mg/L, 0,33 mg/L és 0,33 mg/L volt, az átlagos eltávolítási arány 92,19%, 93,01%, 93,61% és 68,79%. Az R2-hez képest az átlagos TP eltávolítási arány R1 esetében 2,75%-kal, 4,05%-kal, 4,20%-kal, illetve 18,26%-kal nőtt mindegyik szakaszban.

Az R1 rendszerben a hordozó felületet biztosít a mikrobiális kötődéshez, elősegíti a PAO-k növekedését és metabolizmusát, segíti a stabil biofilm kialakulását, fokozza a mikrobaközösség aktivitását, ezáltal javítja a reaktor foszforeltávolító képességét, és hatékonyabbá teszi a biológiai foszfor eltávolítási folyamatot. A II. szakaszban az NH₄⁺-N koncentráció módosításával a nitrifikáció elősegítése érdekében a rendszer oxigénfogyasztása megnőtt. Ezért a 49. napon a levegőztetést megnöveltük a foszfor eltávolításának felgyorsítása érdekében. A III. stádiumban a KOI csökkenése szénforrás-hiányhoz vezetett, ami nemcsak a denitrifikációs folyamatot akadályozta, hanem a PAO-k metabolikus aktivitását is befolyásolta. A IV. szakaszban a rendszer összeomlott, mert a reaktorban a C/N arány 8-ról 5,3-ra csökkent. A szénforrásokért folytatott fokozott verseny csökkentette a PAO-k elérhető szénforrását az anaerob szakaszban, ami a PHA szintézis csökkenéséhez vezetett, ami viszont befolyásolta a polifoszfát hidrolízist és a PHA oxidációját aerob körülmények között, végső soron gátolva a PAO növekedését és foszforfelvevő képességét, és csökkentette a foszfor eltávolítási hatékonyságot. Az R1-ben lévő maradék foszfor azonban még mindig alacsonyabb volt, mint az R2-ben, ami azt jelzi, hogy a hordozó elősegítő hatása továbbra is fennáll.

3 Következtetés

Összehasonlító kísérletet végeztek a megépített S-MBBR rendszer és az SBR rendszer között, hogy szisztematikusan értékeljék azok nitrogén- és foszforeltávolítási teljesítményét alacsony C/N arányú szennyvíz körülmények között. Az eredmények azt mutatták, hogy az S-MBBR rendszer felülmúlta a hagyományos SBR rendszert a KOI, NH₄⁺-N, TN és TP eltávolításában. Különösen szénforrás-hiányos körülmények között a TN és az NH₄⁺-N eltávolítási sebességének maximális növekedése elérte a 14,35%-ot, illetve a 8,19%-ot. Ezen túlmenően az S-MBBR rendszer erősen ellenállt a terhelési ütéseknek és a kifolyóvíz stabilitásának a különböző működési szakaszokban. A szuszpendált hordozók bevezetése hatékonyan optimalizálta a rendszer mikrokörnyezeti szerkezetét, elősegítette az egyidejű nitrifikáció és denitrifikáció (SND) előfordulását, fokozta a mikrobiális diverzitást és a metabolikus aktivitást, valamint javította a rendszer általános kezelési kapacitását. A kutatási eredmények azt mutatják, hogy az S-MBBR technológia jó alkalmazási kilátásokkal rendelkezik az alacsony C/N arányú szennyvízkezelésben, és technikai támogatást nyújthat a meglévő szennyvízkezelési folyamatok optimalizálásához és korszerűsítéséhez.