Účinnosť odstraňovania znečisťujúcich látok systému S-MBBR na čistenie odpadových vôd s nízkym pomerom C/N: analýza CHSK, TN, NH₄⁺-N a TP

Analýza účinnosti odstraňovania znečisťujúcich látok v systéme S-MBBR pre čistenie odpadových vôd s nízkym pomerom C/N

Úvod

So zrýchľovaním urbanizácie a industrializácie sa zvyšuje vypúšťanie odpadových vôd s nízkym pomerom C/N (nízky pomer uhlíka k dusíku), najmä z domových odpadových vôd, spracovania potravín, poľnohospodárstva a cirkulujúcej chladiacej vody. Na riešenie slabej účinnosti odstraňovania celkového dusíka (TN) v odpadových vodách s nízkym pomerom C/N priťahuje pozornosť v posledných rokoch skrátená nitrifikácia-denitrifikácia a simultánna nitrifikácia a denitrifikácia (SND). Relatívne povedané, reakčné podmienky procesu SND sú ľahšie kontrolovateľné a môže dosiahnuť odstránenie uhlíka aj odstránenie dusíka súčasne. Preto má významnú výhodu pri odstraňovaní dusíka z odpadových vôd s nízkym pomerom C/N. Sekvenčný vsádzkový reaktor (SBR) uľahčuje odstraňovanie dusíka a fosforu riadením koncentrácie rozpusteného kyslíka. Pri spojení s biofilmovým reaktorom s pohyblivým lôžkom (MBBR) na vytvorenie systému S-MBBR poskytuje biofilm na nosičoch stratifikované rastové podmienky pre aeróbne nitrifikačné baktérie a anoxické denitrifikačné baktérie, čím sa vytvára mikroprostredie SND a súčasne sa zvyšuje špecifický povrch a mikrobiálna stabilita systému. Štúdie ukázali, že S-MBBR je lepší ako tradičné procesy z hľadiska účinnosti odstraňovania dusíka a fosforu, odolnosti voči nárazom a stability systému.

1 Materiály a metódy

1.1 Experimentálne nastavenie.Experimentálne usporiadanie pozostávalo hlavne z prítokovej nádrže, vzduchového dúchadla, miešacieho zariadenia, odpadovej nádrže a hlavného reaktora. Efektívny objem reaktora bol 1,8 1 a kapacita spracovania na cyklus bola 1 1. Reaktor bol naplnený novým typom bioafinitného nosiča v pomere plnenia približne 25 %. Počiatočná koncentrácia prchavých suspendovaných tuhých látok (MLVSS) zmesového lúhu v reaktore bola 3000 mg/l.

1.2 Experimentálne materiály.Afinitne modifikované nosné plnivo bolo pripravené fyzikálnym miešaním a technológiou závitovkového vytláčania. Špecifický postup bol nasledujúci: 3 % nulamocného železa, HDPE a pomocné materiály (2 % prírodný zeolit, 2 % polyquaternium-10 a 1 % práškový mastenec) sa rovnomerne zmiešali. Potom sa zmes roztavila pomocou SJ-20 jednozávitovkového extrudéra a extrudovala do granulovaných pásikov (približne 5 mm v priemere, 5-10 mm na dĺžku). Nakoniec sa tieto tuhé častice extrudovali pomocou SJ-30 jednozávitovkového extrudéra, aby sa vyrobil konečný nosič.

1.3 Prevádzkové podmienky.Boli zriadené dva reaktory: jeden s nosičmi (S-MBBR, označený ako R1) a jeden bez nosičov (SBR, označený ako R2). Všetky ostatné podmienky zostali rovnaké. Prvým stupňom bolo spustenie pripojenia biofilmu, prevádzkované v režime SBR s pomerom 3:3:2. Pracovný cyklus zahŕňal prítokovú, statickú, prevzdušňovaciu reakciu, anoxické miešanie, usadzovanie a odtokové stupne (3 h anaeróbne, 3 h prevzdušňovanie, 2 h miešanie/usadzovanie/prítok/odtok). NaHCO3 sa použil na úpravu pH prítoku na približne 8. Po úspešnom prichytení biofilmu sa zmenila koncentrácia amoniakálneho dusíka, aby sa znížil pomer C/N a experiment sa začal, ako je podrobne uvedené vTabuľka 1.

1.4 Experimentálna voda a naočkovaný kal.CHSK, NH4+-N a celkový fosfor (TP) v syntetickej odpadovej vode použitej na spustenie biofilmu poskytli C6H1206, NH4CI a KH2PO4, v tomto poradí. Stopové prvky boli zložené z EDTA-2Na (18,76 g/l), CoCl2·6H2O (0,3 g/l), CuSO4·5H2O (0,32 g/l), NiCl2·6H2O (0,24 g/l), H3₃BO₄7 g/L0nS0101 (0,54 g/l), MnCl2.4H20 (1,24 g/l), NaMo04.2H20 (0,28 g/l) a NaW04.2H20 (0,1 g/l). Zloženie syntetickej odpadovej vody bolo: 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), 5 g·1MgS02, 7 MgS02. CaCl2 (0,05 g/l), FeSO4.7H20 (0,02 g/l) a stopové prvky (1 ml/l). Kal bol odoberaný zo sekundárnej sedimentačnej nádrže čistiarne odpadových vôd v Dalian.

1.5 Analytické metódy.Rutinné indikátory sa merali podľa štandardných metód špecifikovaných v "Štandardných metódach na skúmanie vody a odpadových vôd" (4. vydanie) a národných noriem, vrátane analýzy kapacity odstraňovania znečisťujúcich látok, analýzy znečistenia membrány a analýzy produkcie plynu. Konkrétne: NH4+-N sa meral spektrofotometrickou metódou s činidlom kyseliny salicylovej; TP spektrofotometrickou metódou molybdénanu amónneho; NO3-N pomocou spektrofotometrickej metódy s koncentrovanou kyselinou sírovou a salicylovou; N02-N N-(1-naftyl)etyléndiamínovou spektrofotometrickou metódou; TN bol súčet koncentrácií všetkých foriem dusíka; CHSK sa merala metódou rýchleho trávenia; a koncentrácia kalu (vrátane MLSS a MLVSS) bola meraná gravimetrickou metódou.

2 Výsledky a analýza

2.1 Výkon pri odstraňovaní COD

Organická hmota vstupujúca do reaktora bola odstraňovaná prostredníctvom stupňov zahŕňajúcich anaeróbne, aeróbne (prevzdušňovanie), anoxické miešanie, usadzovanie a odtok.Obrázok 1ukazuje výkonnosť odstraňovania CHSK v reaktoroch v rôznych prevádzkových štádiách. Štádium I bolo štádium pripojenia biofilmu a štádiá II, III a IV boli štádiami, v ktorých sa pomer C/N/P znížil na 100:8:1, 64:8:1 a 32:6:1. Priemerné rýchlosti odstraňovania pre R1 v každom stupni boli 95,57 %, 96,25 %, 92,70 % a 94,18 %, v tomto poradí; priemerné rýchlosti odstraňovania pre R2 v každom stupni boli 94,71 %, 96,19 %, 92,54 % a 94,68 %, v tomto poradí. Je možné vidieť, že tento proces má dobrú účinnosť odstraňovania organických látok a za relatívne stabilných podmienok na odpadovej vode spĺňa požiadavky normy GB 18918-2002 (koncentrácia CHSK < 50 mg/l). Pretože systém pracoval pri nízkom pomere C/N, zdroj uhlíka sa stal limitujúcim substrátom poháňajúcim efektívny metabolizmus. Neexistoval žiadny významný rozdiel v odstraňovaní CHSK medzi R1 a R2, čo dokazuje, že modifikovaný nosič mal malý vplyv na odstránenie CHSK.

2.2 Výkon odstraňovania NH₄⁺-N a TN

Proces odstraňovania TN zahŕňa dva hlavné kroky: nitrifikáciu a denitrifikáciu. Nitrifikácia ako aeróbny proces sa spolieha na dostatok aeróbnych mikroorganizmov na premenu amoniakálneho dusíka na dusičnany.Obrázky 2 a 3ukazujú výkonnosť odstraňovania NH4-N a TN v reaktoroch. NH₄⁺-N a TN boli odstránené hlavne počas aeróbneho prevzdušňovania a anoxických statických štádií. Štádium I bolo štádium pripojenia biofilmu a štádiá II, III a IV boli štádiami, v ktorých sa pomer C/N/P znížil na 100:8:1, 64:8:1 a 32:6:1. Priemerné rýchlosti odstraňovania NH4-N pre R1 boli 92,53 %, 95,83 %, 99,70 % a 98,31 %, v tomto poradí; priemerné rýchlosti odstraňovania NH4-N pre R2 boli 84,34 %, 91,82 %, 99,70 % a 97,52 %. Priemerné rýchlosti odstraňovania TN pre R1 boli 89,53 %, 87,21 %, 82,44 % a 83,20 %, v tomto poradí; priemerné rýchlosti odstraňovania TN pre R2 boli 78,3 %, 78,89 %, 73,26 % a 76,66 %. V porovnaní s R2 sa priemerné rýchlosti odstraňovania NH4+-N pre R1 zvýšili o 9,7 %, 4,36 %, 0 % a 0,82 %, v tomto poradí; priemerné rýchlosti odstraňovania TN sa zvýšili o 14,35 %, 10,55 %, 12,54 % a 8,3 %. Je vidieť, že systém R1 prekonal R2 v odstraňovaní dusíka vo všetkých fázach, najmä v počiatočných fázach prevádzky systému, pričom rozdiel sa postupne stabilizoval v neskorších fázach.

Počas I. etapy bola pritekajúca koncentrácia NH4⁺-N nízka a zdroj uhlíka bol relatívne dostatočný na to, aby v podstate spĺňal požiadavky denitrifikácie, takže koncentrácia TN bola nízka. Naočkované mikroorganizmy boli stále v adaptačnom štádiu a funkčná mikrobiálna komunita v systéme nebola úplne vytvorená, čo viedlo k nestabilnému odstraňovaniu NH₄⁺-N, ale neskôr sa postupne stabilizovalo. Počas tohto štádia nebol pozorovaný žiadny významný rozdiel medzi dvoma reaktormi (R1 a R2). Pri vstupe do II. štádia sa náhle zvýšila koncentrácia pritekajúceho NH4⁺-N, ale súčasne sa neupravili podmienky prevzdušňovania, čo spôsobilo značné výkyvy v systéme, najmä pri odstraňovaní NH4⁺-N a TN. Po približne 6 dňoch prevádzky sa dva reaktory postupne obnovili. Špekuluje sa, že vysoké zaťaženie amoniakovým dusíkom podporilo rýchle množenie nitrifikačných baktérií, čím sa zlepšila účinnosť nitrifikačného procesu. Ako pokračovala prevádzka systému, nitrifikačno-denitrifikačný systém v reaktoroch sa postupne ustálil a stabilizoval a kolísanie koncentrácie TN sa znižovalo. Vďaka prítomnosti modifikovaného nosiča systém R1 dosiahol nižšie zvyškové TN, pričom nosič zlepšil rýchlosť odstraňovania TN z reaktora a tiež zlepšil adaptabilitu systému na rázové zaťaženie. V deň 49, aby sa zlepšilo odstraňovanie PO4, sa zvýšila intenzita prevzdušňovania, čím sa podporil úplnejší proces nitrifikácie. Nárast dusičnanov produkovaných nitrifikáciou však viedol k vyššiemu dopytu po zdrojoch uhlíka na denitrifikáciu, zatiaľ čo prítokový zdroj uhlíka bol v tejto fáze relatívne nedostatočný, čo malo za následok určitý stupeň nárastu odpadovej TN. V III. štádiu sa CHSK ďalej znížilo, čím sa zdroj uhlíka dostupný na denitrifikáciu v reaktore stal ešte vzácnejším, čím sa ďalej obmedzilo odstraňovanie TN a zvýšila sa celková úroveň koncentrácie TN v odpade. Napriek tomu si systém R1 stále udržal lepší výkon odstraňovania TN ako R2, čo demonštruje zosilňujúci účinok nosiča. V štádiu IV sa koncentrácia amoniakálneho dusíka ďalej zvýšila. Na základe skúseností z predchádzajúcej etapy sa prevzdušňovanie mierne zvýšilo a čas prevzdušňovania sa predĺžil na 4 hodiny, čím sa podporila aktivita nitrifikačných baktérií, proces nitrifikácie bol kompletnejší a ďalej sa zlepšila účinnosť odstraňovania NH₄⁺-N. Avšak vzhľadom na problém nedostatku zdroja uhlíka bol proces denitrifikácie obmedzený a koncentrácia TN sa v neskoršom štádiu mierne zvýšila. Celkovo bol reaktor R1 stále lepší ako reaktor R2 a vykazoval silnejšiu kapacitu odstraňovania TN, čo naznačuje, že po dlhodobej prevádzke stabilná štruktúra biofilmu a synergické aeróbno-anoxické prostredie vytvorené v R1 poskytovali dobrý priestor a podmienky pre súčasný proces nitrifikácie a denitrifikácie (SND). Zhang Kefang a kol. použili proces SBR na úpravu odpadovej vody s nízkym pomerom C/N, čím sa dosiahla oxidácia organických látok, nitrifikácia a denitrifikácia v rámci jedného reaktora s rýchlosťou odstraňovania TN presahujúcou 80 %. Tieto výsledky účinne demonštrujú, že jednostupňová biologická denitrifikácia je úplne uskutočniteľná.

2.3 Výkon pri odstraňovaní TP

Pri čistení odpadových vôd sa odstraňovanie fosforu spolieha hlavne na špecifické mikroorganizmy, ako sú organizmy akumulujúce fosfor (PAO), ktoré absorbujú rozpustný fosfor za aeróbnych podmienok a uvoľňujú fosfor za anaeróbnych podmienok.Obrázok 4ukazuje výkonnosť odstraňovania TP v reaktoroch. TP sa odstránil počas fázy aeróbneho prevzdušňovania. Koncentrácia TP v štádiách I, II a III zostala nezmenená, s priemernou koncentráciou prítoku 5,01 mg/l. V štádiu IV bola priemerná koncentrácia TP v prítoku 10,30 mg/l. Priemerné koncentrácie odpadových vôd pre R1 v každom štádiu boli 0,27 mg/l, 0,16 mg/l, 0,13 mg/l a 1,92 mg/l, s priemernými rýchlosťami odstraňovania 94,73 %, 96,78 %, 97,54 % a 81,35 %. Priemerné koncentrácie odpadových vôd pre R2 boli 0,39 mg/l, 0,35 mg/l, 0,33 mg/l a 0,33 mg/l, s priemernými rýchlosťami odstraňovania 92,19 %, 93,01 %, 93,61 % a 68,79 %. V porovnaní s R2 sa priemerné rýchlosti odstraňovania TP pre R1 zvýšili o 2,75 %, 4,05 %, 4,20 % a 18,26 % v každom stupni.

V systéme R1 nosič poskytuje povrch pre mikrobiálne pripojenie, podporuje rast a metabolizmus PAO, pomáha vytvárať stabilný biofilm, zvyšuje aktivitu mikrobiálnej komunity, čím zlepšuje kapacitu reaktora na odstraňovanie fosforu a zefektívňuje proces biologického odstraňovania fosforu. V etape II sa zmenou koncentrácie NH4⁺-N na podporu nitrifikácie zvýšila spotreba kyslíka v systéme. Preto sa na 49. deň zvýšilo prevzdušňovanie, aby sa urýchlilo odstraňovanie fosforu. V štádiu III viedlo zníženie CHSK k nedostatku zdroja uhlíka, čo nielen bránilo procesu denitrifikácie, ale ovplyvnilo aj metabolickú aktivitu PAO. V štádiu IV systém skolaboval, pretože pomer C/N v reaktore klesol z 8 na 5,3. Intenzívnejšia súťaž o zdroje uhlíka znížila dostupný zdroj uhlíka pre PAO v anaeróbnom štádiu, čo viedlo k zníženiu syntézy PHA, čo následne ovplyvnilo hydrolýzu polyfosfátov a oxidáciu PHA v aeróbnych podmienkach, čo v konečnom dôsledku bráni rastu PAO a kapacite absorpcie fosforu, čo viedlo k zníženiu účinnosti odstraňovania fosforu. Zvyškový fosfor v R1 bol však stále nižší ako v R2, čo naznačuje, že podporný účinok nosiča stále existuje.

3 Záver

Uskutočnil sa porovnávací experiment medzi skonštruovaným systémom S-MBBR a systémom SBR na systematické vyhodnotenie ich účinnosti odstraňovania dusíka a fosforu v podmienkach odpadovej vody s nízkym pomerom C/N. Výsledky ukázali, že systém S-MBBR prekonal konvenčný systém SBR v odstraňovaní CHSK, NH₄⁺-N, TN a TP. Najmä za podmienok s nedostatkom zdroja uhlíka maximálne zvýšenie rýchlosti odstraňovania pre TN a NH4+-N dosiahlo 14,35 % a 8,19 %. Okrem toho systém S-MBBR vykazoval silnú odolnosť voči nárazom pri zaťažení a stabilitu výtoku v rôznych prevádzkových štádiách. Zavedením suspendovaných nosičov sa účinne optimalizovala mikroenvironmentálna štruktúra systému, podporil sa výskyt simultánnej nitrifikácie a denitrifikácie (SND), zvýšila sa mikrobiálna diverzita a metabolická aktivita a zlepšila sa celková kapacita liečby systému. Výsledky výskumu naznačujú, že technológia S-MBBR má dobré aplikačné vyhliadky na čistenie odpadových vôd s nízkym pomerom C/N a môže poskytnúť technickú podporu pre optimalizáciu a modernizáciu existujúcich procesov čistenia odpadových vôd.