Účinok kombinovaného procesu A2O-MBBR + vybudovaných mokradí na čistenie vidieckych domácich odpadových vôd

Účinok kombinovanej technológie A2O-MBBR + CWs na čistenie vidieckych odpadových vôd z domácností

Štát v posledných rokoch intenzívne presadzuje stratégiu rozvoja revitalizácie vidieka so zameraním na zlepšenie životného prostredia a vyššie nároky na čistenie vidieckych domových odpadových vôd. V súčasnosti medzi hlavné procesy čistenia vidieckych domových odpadových vôd patria biologické metódy, ekologické metódy a kombinované procesy, z ktorých väčšina pochádza z čistenia komunálnych odpadových vôd. Vidiecke oblasti sa však vyznačujú rozptýleným obyvateľstvom, čo vedie k mnohým problémom, ako je vysoký rozptyl odpadových vôd, ťažkosti pri zbere, malý rozsah čistenia, nízka miera využívania zdrojov a nedostatočné zariadenia na čistenie. Okrem toho existujú značné rozdiely v kvalite a množstve odpadových vôd, geografickej polohe, klíme a ekonomickej úrovni medzi regiónmi, čo sťažuje štandardizáciu technológií čistenia; jednoduché prijatie technológií čistenia komunálnych odpadových vôd nie je možné. Infraštruktúra na odvádzanie odpadových vôd, ako sú kanalizačné siete, je vo vidieckych oblastiach často nedostatočná. Zber odpadovej vody je ľahko ovplyvnený kombinovanými prepadmi kanalizácie a infiltráciou podzemnej vody, čo vedie k nízkej koncentrácii organických látok v odpadovej vode a zvýšeným ťažkostiam pri biologickom odstraňovaní dusíka. Veľké výkyvy v kvalite a kvantite odpadových vôd vo vidieckych oblastiach sťažujú udržiavanie stabilnej koncentrácie biomasy v čistiarňach. Okrem toho nízke zimné teploty obmedzujú kapacitu biologického čistenia, čo vedie k nízkej účinnosti a nestabilnej kvalite odpadovej vody, ktorá je náchylná na prekračovanie štandardov v tradičných procesoch s aktivovaným kalom. Preto existuje naliehavá potreba vyvinúť technológie na čistenie odpadových vôd vhodné pre miestne podmienky so silnou odolnosťou voči nárazovému zaťaženiu, stabilnou-dlhodobou prevádzkou, nízkou spotrebou energie a vysokou účinnosťou čistenia.

Vidiecke oblasti v Číne majú tendenciu uprednostňovať nízke{0}}nákladové,{1}}jednoducho{2}}riaditeľné technológie čistenia odpadových vôd z domácností, pričom hlavným smerom výskumu sú biologické a ekologické kombinované procesy. V súčasnosti široko používané integrované balené zariadenia na čistenie odpadových vôd vo vidieckych oblastiach využívajú najmä procesy ako anaeróbny-anoxický-oxický (A2O) a biofilmový reaktor s pohyblivým lôžkom (MBBR). Štúdie ukazujú, že proces MBBR sa viac spolieha na dizajn zariadenia ako na precíznu prevádzkovú kontrolu, pričom nevyžaduje žiadny profesionálny technický personál na reguláciu, vďaka čomu je vhodný na prevádzku a údržbu. Toto je vhodnejšie pre praktické potreby čistenia vidieckych domových odpadových vôd, kde je nedostatok technického personálu. Medzi jeho prednosti patrí vysoká koncentrácia biomasy, silná odolnosť proti nárazovému zaťaženiu, vysoká účinnosť spracovania a malé rozmery. Výskum Luo Jiawen et al. naznačuje, že pridanie média MBBR do procesu A2O môže výrazne zlepšiť jeho kapacitu čistenia odpadových vôd. Zhou Zhengbing et al. v skutočnom projekte vidieckych domácich odpadových vôd navrhli dvojstupňový -anaeróbny/anoxický-kombinovaný proces s biologickým prevzdušňovaním, čím sa dosahuje stabilná kvalita odpadovej vody spĺňajúca normu stupňa A GB 18918-2002 „Štandard na vypúšťanie komunálnych odpadových vôd pre čističky odpadových vôd“. Okrem toho sa konštruované mokrade (CW) často používajú na čistenie vidieckych domácich odpadových vôd. Napríklad Zhang Yang a kol. použili biouhlie ako plnivo na úpravu vybudovanej mokrade, pričom miera odstraňovania pre TN, TP a CHSK mohla dosiahnuť 99,41 %, 91,40 % a 85,09 %. Predchádzajúci výskum našej skupiny tiež ukázal, že plnivo z biouhlia z kalu by mohlo zvýšiť účinnosť odstraňovania dusíka a fosforu z vybudovaných mokradí, čím sa zlepšila celková účinnosť a účinnosť úpravy systému a aby bol systém odolnejší voči nárazovému zaťaženiu. Vychádzajúc z vyššie uvedeného výskumu, s cieľom preskúmať kombinovanú technológiu vhodnú na čistenie vidieckych domácich odpadových vôd a riešiť problémy, ako sú ťažkosti s udržiavaním stabilnej koncentrácie biomasy, slabá odolnosť voči nárazovému zaťaženiu a kvalita odpadových vôd náchylná na výkyvy a prekračujúce štandardy vo vidieckych čističkách odpadových vôd, autor zaradil do procesu A2O-MBBR proces vopred, naplnil ho suspendovanými nosičmi biofilmu{33}, aby sa vytvorilo prostredie integrovaného fixného kalu s aktivovaným systémom na zvýšenie kalu koncentrácia kalu a zvýšenie účinnosti čistenia. Vzhľadom na ekologické využitie dostupnej nevyužitej pôdy, ako sú rybníky a priehlbiny vo vidieckych oblastiach, a kombinovanie vybudovaných mokradí ako procesu čistenia, sa na zvýšenie prevádzkovej stability kompozitnej mokrade použili metódy, ako je použitie plniva kalového biouhlia, recirkulácia nitrifikovanej kvapaliny a výsadba ponorených rastlín. Bol teda skonštruovaný kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs.

V tejto štúdii s použitím surovej odpadovej vody z dedinskej čistiarne odpadových vôd v Hefei ako objektu čistenia bolo skonštruované pilotné-experimentálne nastavenie kombinovaného procesu A2O-MBBR + CWs. Skúmal sa vplyv sezónnych zmien teploty vody na jej úpravu. Indikátory znečisťujúcich látok v prítoku a odpadovej vode boli monitorované počas prevádzky, aby sa preskúmala účinnosť odstraňovania a prevádzková stabilita. Súčasne sa analyzovala ekonomická realizovateľnosť procesu. Cieľom je poskytnúť referenčné údaje a základ pre aplikáciu kombinovanej technológie vybudovaných mokradí A2O + vo vidieckych projektoch domáceho čistenia odpadových vôd v Číne a ponúknuť referencie na podporu čistenia domácich odpadových vôd a budovanie krásnych, ekologicky obývateľných dedín vo vidieckych oblastiach.

1. Experimentálne usporiadanie a metódy výskumu

1.1 Kombinovaný procesný tok

Experiment kombinovaného procesu A2O-MBBR + CWs prijal sériovú prevádzku jednotky A2O, mokrade s podpovrchovým tokom na báze uhlíka-a ekologického rybníka. Jednotka A2O pozostávala z anaeróbnej-anoxickej kontaktnej nádrže s prepážkou a nádrže s aeróbnou membránou (MBBR). Anaeróbna nádrž s prepážkami aj prevzdušňovacia zóna aeróbnej nádrže MBBR boli naplnené suspendovaným nosičom biofilmu, aby sa zabezpečili pripevňovacie povrchy pre mikroorganizmy na vytvorenie biofilmov. Aktivovaný kal a biofilm v nádržiach koexistovali a tvorili systém IFAS, ktorý by mohol stabilne udržiavať biomasu systému. Anoxická nádrž s prepážkou zlepšila proces denitrifikácie prostredníctvom recirkulácie nitrifikovanej kvapaliny. Aeróbna nádrž MBBR mala na dne prevzdušňovací systém na zvýšenie výkonu nitrifikácie. Dávkovací port poly Aluminium Chloride (PAC) bol umiestnený vo vnútri nádrže na dodatočné chemické odstraňovanie fosforu, čo umožňuje účinné odstraňovanie fosforu. Jednotka CWs zahŕňala uhlíkovú-mokraď s podpovrchovým tokom a ponorené rastlinné ekologické jazierko. Podpovrchová mokraď vybudovaná na báze uhlíka{16}}využívala trojstupňový{17}}filtračný systém výplne. Na spodok plniacej zóny boli nainštalované prevzdušňovacie kotúče na spätné preplachovanie média na zmiernenie upchávania. Ponorené rastlinné ekologické jazierko malo na dne vrstvu vápencového substrátu a bolo vysadené ponorenými rastlinami-odolnými voči chladu Vallisneria natans a Potamogeton crispus. Zariadenie bolo umiestnené vonku. V ekologickom jazierku bol nainštalovaný teplomer na sledovanie sezónnych zmien teploty vody. Podrobný tok procesu kombinovaného procesu A2O-MBBR + CWs je uvedený vObrázok 1

1.2 Návrh nastavenia a prevádzkové parametre

Experimentálne usporiadanie bolo skonštruované s použitím polypropylénových dosiek s hrúbkou 10 mm. Anaeróbna nádrž s prepážkami bola naplnená štvorcovým nosičom biofilmu a obsahovala usmerňovacie dosky. Pomer recirkulácie zmiešaného lúhu pre anoxickú nádrž s prepážkami bol 50 % až 150 % a táto nádrž tiež obsahovala usmerňovacie dosky. Aeróbna nádrž MBBR bola rozdelená prepážkou na aeróbnu prevzdušňovaciu zónu a sedimentačnú zónu. Prevzdušňovacia zóna bola naplnená suspendovaným nosným médiom MBBR s pomerom vzduchu-k-vode 6:1~10:1. Sedimentačná zóna mala dávkovací otvor PAC a naklonené dosky na usadzovanie. Mokraď s podpovrchovým tokom na báze uhlíka: primárna výplňová zóna bola vyplnená vápencom (priemer ~5 cm), sekundárna výplňová zóna zeolitom (priemer ~3 cm) a terciárna výplňová zóna výplňou z biouhlia kalu (priemer ~0,5~1,0 cm). Výška výplne pre každú zónu bola 75 cm. Medzi primárnymi a sekundárnymi plniacimi zónami bola nastavená medzera so šírkou asi 4 cm pre funkcie, ako je pridávanie externých zdrojov uhlíka, pozorovanie a údržba/vyprázdňovanie (počas tohto experimentu nebol pridaný žiadny zdroj uhlíka). Ponorené rastlinné ekologické jazierko bolo naplnené vápencovým plnivom (priemer ~3 cm) vo výške 20 cm. Ponorené rastliny boli vysadené vo vzdialenosti medzi riadkami 10 cm a vzdialenosti medzi rastlinami 10 cm. Experiment používal ako prítok surovú odpadovú vodu z dedinskej čističky odpadových vôd v Hefei. Experimentálne obdobie bolo od 25. mája 2022 do 17. januára 2023, celkovo 239 dní. Ponorené rastliny sa zbierali raz 2. decembra s frekvenciou približne raz za 6 mesiacov. Navrhovaná kapacita čistenia odpadových vôd bola 50~210 l/d. Podrobné konštrukčné parametre nastavenia sú uvedené vTabuľka 1.

1.3 Experimentálne metódy

1.3.1 Experimentálny dizajn

1.3.1.1 Test optimálnej kapacity čistenia odpadových vôd

Po úspešnej skúšobnej prevádzke experimentálneho zariadenia (stabilná kvalita odpadovej vody) sa od 25. mája 2022 do 30. júna 2022 uskutočnil test optimálnej kapacity čistenia odpadových vôd. Za podmienok udržiavania pomeru vzduchu -k-vode v aeróbnej nádrži 6:1, pomer recirkulácie nitrifikovanej kvapaliny 100% Al23,8 %) obsah využitia asi 100% Al23,87 PAC g/d sa postupne zvyšovala kapacita čistenia odpadových vôd zariadenia (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 l/d). Zmeny v kvalite odpadových vôd boli monitorované, aby sa preskúmala optimálna kapacita čistenia odpadových vôd v zariadení. Počas tohto obdobia sa teplota vody pohybovala medzi 24,5 ~ 27,1 stupňami. Na zabezpečenie stabilnej zhody odpadovej vody v zime bola prijatá norma pre odpadovú vodu stupeň A normy GB 18918-2002 „Standard vypúšťania znečisťujúcich látok z komunálnych čistiarní odpadových vôd“.

1.3.1.2 Celkový test účinnosti spracovania kombinovaného procesu

Skúšobné obdobie bolo od 1. júla 2022 do 17. januára 2023. Optimálna kapacita čistenia odpadových vôd bola stanovená na 120 l/d. Pomer vzduchu v aeróbnej nádrži-k-vode bol 6:1~10:1 a pomer recirkulácie zmiešaného lúhu bol 50%~150%. Ukazovatele kvality prítokovej a odpadovej vody (TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N a COD) z každej procesnej jednotky boli monitorované. Zaznamenali sa zmeny teploty vody počas testovacieho obdobia (ovplyvnené sezónnou klímou). Analyzovala sa účinnosť čistenia kombinovaného procesu A2O-MBBR + CWs pre vidiecke domáce odpadové vody a skúmal sa vplyv sezónnych zmien teploty vody na výkonnosť kombinovaného procesu.

1.3.2 Odber vzoriek

Počas testovacieho obdobia sa vzorky odoberali nepravidelne (približne 1 až 2-krát týždenne) na testovanie kvality vody. Vzorky sa odoberali z prítoku z nastavenia, odtoku z anaeróbnych anaeróbnych -anoxických nádrží, aeróbnych odpadových vôd z nádrží MBBR, odtokov z podpovrchových mokradí na báze uhlíka{4}} a odpadových vôd z ekologických rybníkov. Vzorky prítoku sa odoberali zo vstupného potrubia zariadenia a vzorky odtoku z výstupu každej jednotky. Testovanie indikátorov kvality vody bolo ukončené v ten istý deň odberu vzoriek. Testované ukazovatele zahŕňali TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N a COD. Zakaždým, keď sa odobrali vzorky, bola zaznamenaná teplota vody odčítaná z teplomera v ekologickom jazierku (v rozmedzí od 0 do 32 stupňov). Teplota vody v ekologickom jazierku sa prirodzene menila so sezónnymi teplotnými rozdielmi. Navrhnutý štandard odpadovej vody pre experimentálne nastavenie sa riadil štandardom triedy A DB 34/3527-2019 „Štandard vypúšťania látok znečisťujúcich vodu pre vidiecke domáce čističky odpadových vôd“. Navrhnuté koncentrácie prítoku a štandardy výtoku sú podrobne uvedené vTabuľka 2.

1.3.3 Metódy analýzy kvality vody

Koncentrácia TN vo vzorkách vody bola stanovená pomocou HJ 636-2012 "Kvalita vody - Stanovenie celkového dusíka - UV spektrofotometrická metóda rozkladu alkalickým persíranom draselným". NIE₃^--Koncentrácia dusíka bola stanovená pomocou HJ/T 346-2007 „Kvalita vody - Stanovenie dusičnanového dusíka – ultrafialová spektrofotometria (skúška)“. NH₄⁺-Koncentrácia dusíka bola stanovená pomocou HJ 535-2009 „Kvalita vody - Stanovenie amoniakálneho dusíka - Nesslerova reagenčná spektrofotometria“. CHSK bola stanovená pomocou HJ 828-2017 „Kvalita vody - Stanovenie chemickej spotreby kyslíka - Dichrómová metóda“. Koncentrácia TP bola stanovená pomocou GB 11893-1989 "Kvalita vody - Stanovenie celkového fosforu - spektrofotometrická metóda molybdénanu amónneho".

2. Výsledky a diskusia

2.1 Vplyv kapacity čistenia odpadových vôd na výkonnosť kombinovaného procesu

Ako je uvedené vObrázok 2 (a) (b), keďže denná kapacita čistenia odpadových vôd sa postupne zvyšovala z 50 l/d na 210 l/d, účinnosť odstraňovania TN a NH₄⁺-N pre každú jednotku kombinovaného procesu vykazovalo klesajúci trend. Rýchlosť odstraňovania TN sa znížila z 91,55 % (50 l/d) na 52,17 % (210 l/d) a NH₄⁺-Rýchlosť odstraňovania dusíka sa znížila z 97,47 % (70 l/d) na 80,68 % (210 l/d). Je to preto, že zvýšenie dennej kapacity čistenia odpadových vôd znižuje hydraulický retenčný čas, čím sa skracuje čas, ktorý majú mikroorganizmy k dispozícii na degradáciu znečisťujúcich látok, čo vedie k horšiemu výkonu čistenia. Spomedzi nich do TN a NH najviac prispela jednotka A2O₄⁺-Odstránenie N. Priemerná prítoková koncentrácia TN pre túto jednotku bola 38,68 mg/l, výtok bol 16,87 mg/l, s rýchlosťou odstraňovania 56,29 %. Priemerný príliv NH₄⁺-Koncentrácia dusíka bola 36,29 mg/l, výtok bol 5,50 mg/l, s rýchlosťou odstraňovania 84,85 %. Pre mokrade s podpovrchovým tokom na báze uhlíka{5}} bola priemerná koncentrácia TN v prítoku 16,87 mg/l, v odtoku 11,96 mg/l, s rýchlosťou odstraňovania 29,10 %. Pre ponorené rastlinné ekologické jazierko bola priemerná prítoková koncentrácia TN 11,96 mg/l, výtok 9,47 mg/l, s mierou odstraňovania 20,82 %. Účinnosť odstraňovania dusíka v mokrade s podpovrchovým tokom na báze uhlíka{14} bola lepšia ako v prípade ekologického rybníka, pretože anaeróbne-anoxické prostredie mokrade s podpovrchovým tokom je vhodnejšie na denitrifikáciu. Avšak, NH₄⁺-Účinnosť odstraňovania dusíka v ekologickom rybníku bola lepšia ako v prípade mokrade s podpovrchovým tokom. Priemerný príliv NH₄⁺-Koncentrácia dusíka pre mokrade s podpovrchovým tokom- na báze uhlíka bola 5,50 mg/l, odpadová voda bola 4,04 mg/l, s rýchlosťou odstraňovania iba 26,53 %. Pre ekologický rybník je priemerný prítok NH₄⁺-Koncentrácia N bola 4,04 mg/l, odpadová voda 2,38 mg/l, s rýchlosťou odstraňovania 41,07 %. Aeróbne prostredie ekologického jazierka je totiž vhodnejšie na nitrifikáciu, premieňajúcu viac NH₄⁺-N na NO₃^--N, výsledkom čoho je vyššia hodnota NH₄⁺-Miera odstránenia N. Keď kapacita čistenia odpadových vôd dosiahla 150 l/d, koncentrácia TN v odpade bola 15,11 mg/l, čo prekračuje normu stupňa A GB 18918-2002. Preto, aby sa zabezpečil stabilný súlad s TN, maximálna kapacita čistenia odpadových vôd bola 120 l/d. Keď kapacita čistenia odpadových vôd dosiahla 210 l/d, odpadový NH₄⁺-Koncentrácia dusíka bola 7,07 mg/l, čím prekročila štandard stupňa A podľa GB 18918-2002. Preto maximálna kapacita čistenia odpadových vôd pre NH₄⁺-Zhoda N bola 180 l/d.

Ako je uvedené vObrázok 2 (c)priemerný prítok CHSK bol pod 100 mg/l, čo naznačuje nízky organický obsah. Zvýšenie kapacity čistenia odpadových vôd významne neovplyvnilo odstraňovanie CHSK, pričom miera odstraňovania CHSK bola medzi 75 % ~ 90 %. Keď sa kapacita čistenia odpadových vôd zvýšila z 50 l/d na 210 l/d, priemerná CHSK v odpadovej vode bola 19,16 mg/l, s maximálnou CHSK v odpadovej vode 26,07 mg/l, čo je stále hlboko pod normou 50 mg/l GB 18918-2002, pretože zariadenie na odstraňovanie CO2 v roku 2002 najviac prispelo k odstraňovaniu COD triedy A. Nádrž MBBR vytvorila aeróbne prostredie, zvýšilo biochemickú kapacitu aeróbnych mikroorganizmov a posilnilo odstraňovanie CHSK. Okrem toho recirkulácia nitrifikovanej kvapaliny v jednotke A2O umožnila anoxickej nádrži s prepážkou ďalej využívať organickú hmotu v odpadovej vode ako zdroj uhlíka, čím sa odstránila časť CHSK a zároveň sa zlepšila denitrifikácia. Druhým najväčším podielom na odstraňovaní CHSK bola mokraď s podpovrchovým tokom na báze uhlíka{18}. Jeho anaeróbno-anoxické prostredie prispieva k využívaniu organickej hmoty v odpadovej vode ako zdroja uhlíka, pričom degraduje časť organických látok a zároveň zvyšuje denitrifikáciu, čo je tiež dôvod, prečo má lepšie odstraňovanie TN. Okrem toho môže substrátová vrstva mokrade s podpovrchovým tokom adsorbovať určitú organickú hmotu. Ekologický rybník mal obmedzený vplyv na degradáciu CHSK. Priemerný prítok CHSK pre ekologický rybník bol 22,21 mg/l a najľahšie biologicky odbúrateľné organické látky už boli degradované, takže organické látky sa odbúravajú ťažšie.

Ako je uvedené vObrázok 2 (d), keď sa kapacita čistenia odpadových vôd zvýšila, koncentrácia TP v odpade zostala stabilná. Zvýšenie kapacity čistenia odpadových vôd významne neovplyvnilo odstraňovanie TP. Priemerná koncentrácia TP v prítoku bola 3,7 mg/l a priemerná koncentrácia vo výtoku bola 0,18 mg/l, s priemernou rýchlosťou odstraňovania 95,14 %, čo naznačuje dobré odstraňovanie TP. TP bol odstránený hlavne v jednotke A2O. Koncentrácia TP pri vstupe do jednotky A2O bola 3,7 mg/l a odtok bol iba 0,29 mg/l, čo je lepšie ako norma 0,5 mg/l podľa GB 18918-2002 stupňa A. Je to preto, že jednotka A2O nielenže mala biologické odstraňovanie fosforu pomocou chemického doplnku fosforu a fosforu (akumulácia fosforu a fosforu) dávkovaním 3,7 g/d PAC. Kombináciou biologického a chemického odstraňovania fosforu sa v jednotke A2O odstránilo viac ako 90 % fosforu. Mokraď s podpovrchovým tokom a ekologický rybník sa pri odstraňovaní fosforu spoliehali hlavne na mechanizmy, ako je adsorpcia substrátu, sedimentácia, príjem rastlinami a mikrobiálna degradácia. Okrem toho koncentrácia TP vstupujúca do mokrade bola už len 0,29 mg/l, čo sťažovalo ďalšie odstraňovanie. Tieto kombinované dôvody viedli k všeobecnému výkonu odstraňovania TP z mokradí a ekologického jazierka.

Preto, aby sa zabezpečil stabilný súlad všetkých ukazovateľov odpadových vôd s normou GB 18918-2002 Grade A, optimálna kapacita čistenia odpadových vôd pre tento proces bola stanovená na 120 l/d.

2.2 Výkon odstraňovania znečisťujúcich látok z kombinovaného procesu

2.2.1 Výkon pri odstraňovaní COD

Ako je uvedené vObrázok 3, počas celého testovacieho obdobia účinnosti čistenia (1. júla 2022 až 17. januára 2023, kapacita čistenia odpadových vôd 120 l/d) teplota vody vykazovala kolísavý klesajúci trend, ktorý klesol z 32 stupňov na 0 stupňov . Rýchlosť odstraňovania CHSK kolísala a zníženie teploty vody nemalo žiadny zjavný vplyv na odstraňovanie CHSK. V kombinácii sObrázok 4miera odstraňovania CHSK sa pohybovala medzi 66,16 % ~ 82,51 %, primárne ovplyvnená prítokovou koncentráciou CHSK. Štúdie ukazujú, že v anaeróbnych/anoxických podmienkach sa odstraňovanie CHSK spolieha hlavne na mikrobiálne pôsobenie. Proces A2O-MBBR+CWs strieda anaeróbne-anoxické-oxické-anoxické-oxické podmienky, čím sa zlepšuje odstraňovanie CHSK. Počas prevádzky, keď teplota vody klesala, hoci sa CHSK pri prítoku pohybovala v rozmedzí od 80 do 136 mg/l, CHSK v odpadových vodách zostala stabilná pod 50 mg/l, čo spĺňalo normu stupňa A podľa DB 34/3527-2019, čo naznačuje dobrú organickú degradáciu. K odstráneniu CHSK najviac prispela sekcia A2O. Anaeróbna anoxická kontaktná nádrž s prepážkou mala priemernú mieru odstránenia CHSK 43,38 %, čo predstavuje 65,43 % celkového odstránenia CHSK. Aeróbna nádrž MBBR mala priemernú rýchlosť odstraňovania 14,69 %, čo predstavuje 19,87 % z celkového množstva. Sekcia A2O prispela viac ako 85 % k odstráneniu CHSK, pričom ťažila z veľkého špecifického povrchu média v anaeróbnej nádrži s prepážkami a aeróbnej nádrži MBBR, vysokej koncentrácie kalu a tvorby potravinového reťazca z baktérií → prvoky → metazoá, ktoré účinne degradujú organickú hmotu vo vode. Vysoká biodiverzita systému IFAS zabezpečila dobré odstraňovanie organických látok aj pri zmenách teploty. Okrem toho by sa časť rozpustnej organickej hmoty v odpadovej vode v anaeróbno-anoxickej kontaktnej nádrži s prepážkami použila ako zdroj uhlíka denitrifikačnými baktériami. Medzitým recirkulovaný zmiešaný lúh zvýšil NO₃^--Koncentrácia N v anoxickej nádrži s prepážkou, ktorá podporuje využitie zdrojov uhlíka denitrifikáciou baktérií na konverziu NO₃^--Nie je k dispozícii₂^--N na plynný dusík. Vysoká rýchlosť odstraňovania CHSK v anaeróbnej -anoxickej kontaktnej nádrži s prepážkou ďalej potvrdzuje, že tento proces dokáže efektívne využívať organické látky v odpadovej vode ako zdroj denitrifikačného uhlíka. Mokraď s podpovrchovým tokom na báze uhlíka mala priemernú mieru odstraňovania CHSK 7,18 %, čo predstavuje 9,18 % celkového odstraňovania CHSK. Anaeróbne/anoxické prostredie mokrade s podpovrchovým tokom je priaznivé pre mikroorganizmy využívajúce organickú hmotu ako zdroj uhlíka, čím sa dosahuje odstránenie CHSK pri súčasnom zlepšení denitrifikácie. Súvisiaci výskum tiež naznačuje, že plnivo z biouhlia môže adsorbovať organickú hmotu prostredníctvom elektrostatickej príťažlivosti a intermolekulárnych vodíkových väzieb. Preto by výplň z biouhlia kalu v mokrade s podpovrchovým tokom tiež adsorbovala určitú organickú hmotu. Ponorené rastlinné ekologické jazierko malo priemernú mieru odstraňovania CHSK iba 3,68 %, pretože CHSK vstupujúce do jazierka už bolo nízke, v priemere 30,59 mg/l, a väčšinou pozostávalo zo žiaruvzdorných organických látok, odstránených hlavne adsorpciou a absorpciou rastlín, s obmedzeným účinkom.

2.2.2 Výkon odstraňovania dusíka

Ako je uvedené vObrázok 3, ako teplota vody postupne klesala z 32 stupňov na 12 stupňov , TN a NH₄⁺-N miera odstraňovania kolísala. Priemerná miera odstraňovania TN dosiahla 75,61 % a priemerná miera NH₄⁺-Miera odstránenia N dosiahla 95,70 %. Keď teplota vody klesla pod 12 stupňov, TN a NH₄⁺-Pomery odstraňovania N vykazovali rýchly klesajúci trend, ale priemerné miery odstraňovania stále dosahovali 58,56 % a 80,40 %. Je to preto, že sezónne zníženie teploty vody inhibovalo mikrobiálnu aktivitu a oslabilo výkon denitrifikácie. Podľa štatistických výsledkov koncentrácií znečisťujúcich látok na prítoku a na odpade počas prevádzkového obdobia kombinovaného procesu (1. júla 2022 až 17. januára 2023) uvedených vTabuľka 3, priemerný vplyv TN a NH₄⁺-Koncentrácie dusíka boli 36,56 mg/l a 32,47 mg/l. NH₄⁺-N predstavoval 88,81 % TN. Vplyv NO₃^--N (0,01 mg/l) bol takmer zanedbateľný. Priemerný odtok TN a NH₄⁺-Koncentrácie dusíka boli 11,69 mg/l a 3,5 mg/l, pričom obe spĺňali štandard stupňa A podľa DB 34/3527-2019. Priemerný výtok NO₃^--Koncentrácia dusíka bola 6,03 mg/l, čo svedčí o dobrej nitrifikačnej kapacite tohto procesu, pri premene NH₄⁺-N až NIE₃^--N. Avšak hromadenie NO₃^--N v odpadovej vode naznačuje, že stále existuje priestor na ďalšiu denitrifikáciu. Ako je uvedené vObrázok 5 (a), odstránenie TN bolo najvyššie v sekcii A2O. Anaeróbna anoxická kontaktná nádrž s prepážkou mala priemernú rýchlosť odstraňovania TN 44,25 % a aeróbna nádrž MBBR mala priemernú rýchlosť odstraňovania TN 9,55 %. Je to výsledok kombinovaného pôsobenia nitrifikačných baktérií v aeróbnej zóne a denitrifikačných baktérií v anoxickej zóne. Vybudovaná mokraď-na báze uhlíka mala priemernú mieru odstraňovania TN 11,07 %, pretože jej schopnosť uvoľňovať zdroje uhlíka a jej anaeróbne/anoxické prostredie prispievajú k denitrifikácii, pričom si zachováva určitú kapacitu odstraňovania dusíka. Ponorené rastlinné ekologické jazierko malo priemernú mieru odstraňovania TN iba 3,54 % so všeobecným odstraňovaním, pretože jeho aeróbne prostredie neprispieva k denitrifikácii. Ako je uvedené vObrázok 5 (b), NH₄⁺-Odstránenie N bolo primárne dokončené v sekcii A2O. Anaeróbna anaeróbna-anoxická kontaktná nádrž mala NH₄⁺-Miera odstraňovania dusíka bola 59,46 % a aeróbna nádrž MBBR mala NH₄⁺-Miera odstránenia N 24,24 %. Úsek A2O tvoril 93,57 % z celkového NH₄⁺-Odstránenie N. Vysoká NH₄⁺-Odstránenie dusíka v sekcii A2O je spôsobené nepretržitým prevzdušňovaním v aeróbnej nádrži MBBR, čo umožňuje nitrifikačným baktériám plne využiť DO na premenu NH₄⁺-N až NIE₃^--N. Ten sa potom recirkuluje do anoxickej nádrže, kde denitrifikačné baktérie premieňajú NO₃^--N až N2 na odstránenie. Počas testovacieho obdobia bola priemerná rýchlosť odstraňovania TN 68,40 % a priemerná miera NH₄⁺-Miera odstraňovania dusíka bola 89,45 %, čo naznačuje dobrý výkon odstraňovania dusíka.

Ako je uvedené vObrázok 3keď teplota vody klesla z 32 stupňov na 0 stupňov, rýchlosť odstraňovania TN sa znížila z maxima 79,19 % na 51,38 %. V kombinácii sObrázok 5 (a), when water temperature was >20 stupňov, priemerná rýchlosť odstraňovania TN presiahla 75%, s priemernou koncentráciou odpadových vôd 8,41 mg/l, pretože mikrobiálna aktivita je vyššia v rozsahu 20~32 stupňov, čo vedie k lepšej denitrifikácii, čo je v súlade s výskumom Zhang Na et al. Keď teplota vody klesla z 20 stupňov na 5 stupňov, priemerná rýchlosť odstraňovania TN sa znížila na 65,44 % a priemerná koncentrácia odpadovej vody sa zvýšila na 12,70 mg/l. Keď bola teplota vody 0 ~ 5 stupňov, priemerná rýchlosť odstraňovania TN sa znížila na 52,75% a priemerná koncentrácia odpadovej vody sa zvýšila na 17,62 mg/l, čo naznačuje určitý vplyv na odstraňovanie TN. Štúdie ukazujú, že keď teplota vody klesá, mikrobiálna aktivita je inhibovaná. Pri teplote vody<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 stupňov, výkon odstraňovania TN je dobrý, pričom odpadová voda je stabilná pod 15 mg/l. V tomto bode, vzhľadom na odstraňovanie iných znečisťujúcich látok, je možné primerane zvýšiť kapacitu čistenia odpadových vôd.

Ako je uvedené vObrázok 3, ako teplota vody postupne klesala, NH₄⁺-Miera odstraňovania dusíka sa znížila z maxima 99,52 % na minimum 74,77 % a vytekajúci NH₄⁺-Koncentrácia dusíka sa zvýšila z minima 0,17 mg/l na 8,40 mg/l. Zníženie teploty vody inhibuje aktivitu nitrifikačných a nitrifikačných baktérií, čím sa znižuje NH₄⁺-N removal. However, when water temperature >12 stupňov, priemerný odtok NH₄⁺-Koncentrácia N bola 1,58 mg/l. Keď je teplota vody menšia alebo rovná 12 stupňom, priemerný odtok NH₄⁺-Koncentrácia N sa zvýšila na 6,58 mg/l, ale vyteká NH₄⁺-N vždy spĺňal štandard triedy A podľa DB 34/3527-2019. Keď bola teplota vody 20 ~ 32 stupňov, priemerný NH₄⁺-Miera odstránenia N presiahla 96 %. V kombinácii sObrázok 5 (b), odpadová voda NH₄⁺-Koncentrácia N bola v tomto rozsahu nižšia ako 2 mg/l, čo naznačuje vysokú aktivitu nitrifikačných baktérií a vynikajúce celkové NH₄⁺-Odstránenie N. Keď teplota vody postupne klesala z 20 stupňov na 12 stupňov, priemerný NH₄⁺-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 stupňov je vhodný na rast nitrifikačných baktérií, podporuje nitrifikáciu. Preto NH₄⁺-N udržiaval vysoké rýchlosti odstraňovania v rozsahu 12 až 20 stupňov. Keď teplota vody postupne klesala z 12 stupňov na 0 stupňov, priemerný NH₄⁺-Miera odstránenia N stále dosiahla 80 %. Existujúci výskum ukazuje, že nitrifikačné baktérie takmer strácajú nitrifikačnú kapacitu pri 0 stupňoch. Výsledky tejto štúdie však ukazujú, že aj pri 0 stupňoch NH₄⁺-Rýchlosť odstraňovania dusíka presiahla 75 %, čo naznačuje dobrý výkon nitrifikácie tohto procesu pri nízkych teplotách. Dôvodom je skutočnosť, že systém IFAS v časti A2O-MBBR tejto štúdie má dlhý vek biofilmu kalu až približne 1 mesiac, vďaka čomu je rýchlosť nitrifikácie v biochemickej nádrži oveľa menej ovplyvnená teplotou ako tradičné procesy s aktivovaným kalom, čo výrazne zlepšuje výkon nitrifikácie pri nízkych zimných teplotách. Výskum Wei Xiaohan a kol. tiež naznačuje, že hlavným dôvodom-nevyhovujúceho NH₄⁺-Odtok v podmienkach nízkej teploty vody je nedostatočný vek aktivovaného kalu, pričom vplyv teploty na aktivitu nitrifikátora je sekundárny. Preto, hoci klesajúca teplota vody do určitej miery ovplyvnila aktivitu nitrifikátora, dostatočný vek kalu v tomto procese zabezpečil NH₄⁺-Odstránenie dusíka pri nízkych teplotách. Počas testovacieho obdobia bol priemerný výtok NH₄⁺-Koncentrácia N bola 3,50 mg/l a kombinovaný proces vykazoval dobrý a stabilný výkon nitrifikácie.

2.2.3 Účinnosť odstraňovania fosforu

Ako je uvedené vObrázok 3Rýchlosť odstraňovania TP sa so zmenami teploty vody menila len málo a zostala stabilná nad 94 %. V kombinácii sObrázok 6, koncentrácia TP v prítoku sa pohybovala v rozmedzí 3,03 až 4,14 mg/l a koncentrácia TP v prítoku sa pohybovala v rozmedzí od 0,14 do 0,28 mg/l, čo spĺňa normu stupňa A podľa DB 34/3527-2019. Tento proces je založený na kombinovanom pôsobení biologického odstraňovania fosforu (pomocou PAO) a chemického odstraňovania fosforu (pomocou PAC). Keď teplota vody klesne, aktivita PAO je inhibovaná, čo ovplyvňuje biologické odstraňovanie fosforu. Tento proces však dopĺňa chemické odstraňovanie fosforu dávkovaním 3,7 g/d PAC, pričom sa udržiava stabilná rýchlosť odstraňovania TP a znižuje sa vplyv zmien teploty vody na odstraňovanie fosforu v kombinovanom procese. Jednotka A2O mala najlepší výkon pri odstraňovaní TP. Priemerná koncentrácia TP v anaeróbnych-jednotkových anoxických jednotkách bola 2,48 mg/l s mierou odstraňovania 32,61 %. Priemerná koncentrácia TP v aeróbnej jednotke v odpade bola 0,29 mg/l, s rýchlosťou odstraňovania 59,51 %. Celková miera odstraňovania TP pre jednotku A20 bola 92,12 %. Konštrukcia A2O-MBBR sekcie môže do značnej miery odstrániť dusičnanový dusík prenášaný v recirkulovanom zmiešanom lúhu, čo umožňuje anaeróbnym PAO dôkladnejšie uvoľňovať fosfor v anaeróbnej časti a úplnejšie absorbovať fosfor v aeróbnej časti, čím sa zlepšuje biologické odstraňovanie fosforu. Okrem toho chemické odstraňovanie fosforu dávkovaním na jednu stranu aeróbnej nádrže MBBR udržalo stabilnú rýchlosť odstraňovania TP, pričom kvalita odpadovej vody bola stabilne lepšia ako štandard triedy A podľa DB 34/3527-2019. K biologickému odstraňovaniu fosforu v sekcii A2O-MBBR dochádza najmä vtedy, keď PAO v anaeróbnej nádrži s prepážkou využívajú zdroje uhlíka na premenu časti organickej hmoty a prchavých mastných kyselín na polyhydroxyalkanoáty (PHA). Keď odpadová voda prúdi z anaeróbnej nádrže s prepážkou do aeróbnej nádrže MBBR, PAO potom používajú PHA ako donory elektrónov na dokončenie absorpcie fosforu. Účinnosť odstraňovania biologického fosforu je však ľahko ovplyvnená aktivitou PAO a nízka teplota vody obmedzuje aktivitu PAO. Preto, aby sa dosiahlo stabilné odstraňovanie fosforu, bolo do návrhu procesu začlenené chemické odstraňovanie fosforu. Okrem toho adsorpcia substrátovou vrstvou v mokrade s podpovrchovým tokom na báze uhlíka a rast ponorených rastlín v ekologickom rybníku tiež absorbuje určitý fosfor.

Stručne povedané, nastavenie fungovalo počas testovacieho obdobia stabilne s dobrým celkovým výkonom odstraňovania znečisťujúcich látok. Kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs dosiahol priemerné rýchlosti odstraňovania 68,40 %, 89,45 %, 73,94 % a 94,04 % pre TN, NH₄⁺-N, COD a TP. Priemerné koncentrácie v odpadovej vode boli 11,69 mg/l, 3,50 mg/l, 26,9 mg/l a 0,22 mg/l, pričom všetky spĺňali normu stupňa A podľa DB 34/3527-2019. Výskum Wu Qiong a kol. označuje, že A2O-MBBR je kompozitný proces aktivovaného kalu a biofilmu, ktorý sa vyznačuje veľkým mikrobiálnym množstvom, dlhým vekom kalu, vysokým objemovým zaťažením, malým objemom a pôdorysom, silnou odolnosťou voči nárazovým zaťaženiam, dobrou kvalitou odpadových vôd a stabilnou prevádzkou. Okrem toho je denitrifikačný výkon procesov s biofilmom v zime lepší ako pri procesoch s aktivovaným kalom, vďaka čomu je vhodnejší na čistenie nízkoteplotných odpadových vôd v zime. To je tiež hlavný dôvod dobrého odstraňovania znečisťujúcich látok v sekcii A2O-MBBR v tejto štúdii. Kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs v tejto štúdii pridáva zónu leštenia CWs na základe procesu A2O-MBBR, čím sa ďalej zvyšuje celkový výkon čistenia a prevádzková stabilita procesu. Odstránenie TN a NH₄⁺-N menej ovplyvnili sezónne zmeny teploty vody, zatiaľ čo odstraňovanie CHSK a TP takmer neovplyvnila sezónna teplota vody. Počas testovacieho obdobia vykazoval silnú odolnosť voči nárazovému zaťaženiu, vďaka čomu je vhodný na použitie vo vidieckych oblastiach s veľkými výkyvmi v kvalite a množstve odpadových vôd z domácností.

2.3 Ekonomická analýza kombinovaného procesu

Náklady na tento kombinovaný proces zahŕňajú najmä stavebné náklady a prevádzkové náklady na čistenie odpadových vôd. Stavebné náklady boli na zriadenie experimentálneho zariadenia vrátane nákupu telies nádrží, pomocných elektrických zariadení, médií, ponorných zariadení a potrubných armatúr v celkovej výške približne 3 000 CNY. Na základe maximálnej kapacity čistenia odpadových vôd počas experimentu 0,18 m³/d sú stavebné náklady na m³ vyčistenej odpadovej vody približne 16 700 CNY. Prevádzkové náklady vznikajú hlavne z prevádzky nastavenia, vrátane spotreby energie zariadenia, nákladov na chemikálie, nákladov na likvidáciu kalu a nákladov na prácu. Elektrické vybavenie zahŕňa: napájacie čerpadlo (výkon 2 W, Q=2.8 m³/d), recirkulačné čerpadlo (výkon 2 W, Q=2.8 m³/d), prevzdušňovač (výkon 5 W, rýchlosť prevzdušňovania =5 l/min) a peristaltické dávkovacie čerpadlo (výkon 2 W). Vypočítané na základe skutočného maximálneho výkonu: napájacie čerpadlo 0,13 W, recirkulačné čerpadlo 0,19 W, prevzdušňovač 1,25 W, dávkovacie čerpadlo 2 W. Celkový skutočný výkon je 0,00357 kW, denná spotreba energie 0,086 kWh. Spotreba elektriny na m³ vyčistenej odpadovej vody je 0,48 kWh. Pri použití priemyselnej ceny elektriny 0,7 CNY/kWh sú náklady na elektrinu 0,33 CNY/m³. Náklady na chemikálie PAC sú približne 2,4 CNY/kg, spotreba 3,7 g/d. PAC požadované na m³ odpadovej vody je 20,56 g, cena 0,05 CNY/m³. Náklady na likvidáciu kalu=množstvo kalu × jednotkové objemové náklady na likvidáciu kalu. Produkcia suchého kalu na tonu vody je 0,09 kg. Na základe jednotkovej ceny za prepravu a likvidáciu kalu z komunálnej ČOV 60 CNY/tona, náklady na likvidáciu kalu za tonu vody=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Keďže pilotné nastavenie vyžadovalo iba pravidelnú kontrolu po prevádzke, náklady na prácu boli odhadnuté na základe skutočných inžinierskych skúseností. Zariadenie s kapacitou 10 000 ton denne obsluhuje 1 až 2 osoby. Za predpokladu, že plat jednej osoby je 3 000 CNY/mesiac, pre 2 osoby je ukazovateľ nákladov práce približne 0,02 CNY/tonu vody. Podrobnosti o nákladoch sú uvedené vTabuľka 4. V súhrne sú prevádzkové náklady na ošetrenie približne 0,46 CNY/m³. So zvyšujúcou sa kapacitou čistenia odpadových vôd by sa však znížili stavebné a prevádzkové náklady na tonu vody. Náklady na výstavbu a prevádzku počas pilotného testu sú len orientačné.

3. Závery

Kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs ukázal dobrý výkon pri čistení odpadových vôd z domácností. Odstránenie TP a CHSK do značnej miery neovplyvnili zmeny teploty vody. Priemerné rýchlosti odstraňovania pre 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 stupňov, kvalita odpadovej vody by mohla spĺňať normu stupňa A GB 18918-2002 „Štandard vypúšťania znečisťujúcich látok pre komunálne čistiarne odpadových vôd“. Tento proces môže efektívne využívať organickú hmotu v systéme ako zdroj uhlíka na zlepšenie denitrifikácie, pričom sa udržuje viac ako 50% odstránenie TN aj pri teplotách vody až 0 stupňov.

Optimálna kapacita čistenia odpadových vôd pre kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs v zime bola 120 l/d a 180 l/d mimo-zimných období. Sezónne zmeny teploty vody (postupne klesajúce z 32 stupňov na 0 stupňov) mali len určitý vplyv na odstraňovanie dusíka kombinovaným procesom. Rýchlosť odstraňovania TN sa znížila zo 79,19 % na 51,38 % a NH₄⁺-Miera odstraňovania N sa znížila z 99,52 % na 74,77 %. Dokonca aj pri 0 stupňoch kvalita odpadovej vody stabilne spĺňala štandard triedy A DB 34/3527-2019 a NH₄⁺-Miera odstránenia N stále dosiahla 74,77 %. To ťaží zo systému IFAS, kde vek kalu až 1 mesiac zabezpečil nitrifikáciu pri nízkych teplotách. Proces fungoval stabilne počas testovacieho obdobia a vykazoval silnú odolnosť voči zmenám teploty vody.

Počiatočný proces A2O-MBBR používal dva typy zavesených nosičov biofilmu na mikrobiálne pripojenie, čím sa vytvoril systém IFAS. Mokraď s podpovrchovým tokom na báze uhlíka- používala viaceré výplne médií vrátane kalového biouhlia, vápenca a zeolitu, čím sa zlepšil jej filtračný výkon a zároveň poskytoval dostatočný povrch na prichytenie mikroorganizmov, čím sa zlepšila jeho kapacita biologického čistenia. Počiatočný proces A2O-MBBR s IFAS má vysokú koncentráciu biomasy. Zadná kompozitná mokraď CWs slúži ako stupeň čistenia, ktorý ďalej upravuje odpadovú vodu, vďaka čomu je celý systém odolnejší voči nárazovému zaťaženiu.

Kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs je vhodný na čistenie odpadových vôd z domácností vo vidieckych oblastiach s veľkými výkyvmi v kvalite a kvantite. Funguje stabilne a efektívne, s nákladmi na ošetrenie približne 0,46 CNY/m³. Sekcie procesu A2O-MBBR+CWs možno navyše flexibilne upraviť podľa rôznych štandardov, scenárov a účelov odpadových vôd. Tento kombinovaný proces môže poskytnúť referenčné údaje a základ pre vidiecke projekty na čistenie odpadových vôd z domácností v Číne, ponúka cestu využitia zdrojov pre nevyužívanú pustatinu vo vidieckych oblastiach a má široký potenciál uplatnenia na trhu v rámci národného trendu (s veľkým dôrazom na zlepšenie kvality životného prostredia na vidieku.