Vylepšené mikrobiální čištění odpadních vod z česneku pomocí procesu MBBR + A/O
Přehled
Odpadní voda z česnekupochází především z procesu krájení a máchání během zpracování česneku. Vyznačuje se tímvysoké koncentrace organické hmoty, svýznamné hladiny dusíku a fosforu a obsahuje značné množství allicinu. Allicin (diallylthiosulfinát) je těkavá kapalina zodpovědná za štiplavý zápach česneku a je chemicky nestabilní a vysoce reaktivní. Allicin může inhibovat růst různých mikroorganismů. Vypouštění odpadních vod s vysokou-koncentrací česneku bez čištění má vážné dopady na životní prostředí. Někteří výzkumníci použili techniky, jako je membránová filtrace, Fentonova oxidace a mikro{5}}elektrolýza, ale tyto metody nebyly účinné pro čištění odpadních vod z česneku a použití velkých dávek chemikálií zvyšuje následné náklady na čištění. Mnoho vědců navrhlo metody biologického čištění využívající anaerobní-aerobní kombinované procesy. Vzhledem k antibakteriálním vlastnostem allicinu se však mikroorganismy obtížně kultivují a účinnost léčby není ideální. Těžištěm biologické léčby je protokultivovat a aklimatizovat mikrobiální kmeny schopné adaptovat se na odpadní vody česneku a zlepšit jejich biodegradaci.
Tato studie zahrnovala kultivaci a screeningbakteriální kmeny účinné při degradaci odpadních vod česneku, které byly poté zavedeny do aBiofilmový reaktor s pohyblivým ložem (MBBR). Pomocí inokulovaného kalu a metody tvorby biofilmu zvyšující průtok- byly vytvořeny biofilmy, aby se zlepšilo odstraňování dusíku a fosforu z odpadní vody. Následovalo další A/O (Anoxic/Oxic) biochemické ošetření. Podle normy GB18918-2002 mohou úrovně CHSK a amoniakálního dusíku (NH₃-N) v odpadních vodách splňovat sekundární standard (CHSK: 100 mg/l, NH3-N: 25–30 mg/l). Tento proces účinně snižuje obsah organických látek v odpadní vodě, čímž se snižuje obtížnost následných stupňů čištění.
1. Experimentální sekce
1.1 Návrh toku procesu
Celkový procesní tok pro čištění odpadních vod česneku je znázorněn vObrázek 1, přičemž hlavní složkou jebiodegradace v systému MBBR + A/O. Tři vyšetřené a izolované kmeny účinné při degradaci odpadních vod česneku – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. a Achromobacter sp. – byly smíchány s aktivovaným kalem a vloženy do jednotky MBBR, aby se usnadnilo její rychlé spuštění-.
1,2 MBBR + proces úpravy A/O
Po průchodu hrubými a jemnými síty k odstranění suspendovaných pevných látek je česneková odpadní voda čerpána přímo do MBBR. Kvalita vlivu je zobrazena vTabulka 1. Odtok z MBBR proudí přímo do A/O systému. Vzhledem k nízkému organickému obsahu odpadních vod MBBR se do nádrže Oxic (O) vhodně přidává surová česneková odpadní voda, aby se doplnil zdroj uhlíku pro proces A/O. Pro testování odolnosti systému proti nárazu byla rychlost organického zatížení MBBR během nepřetržitého provozu postupně zvyšována a byla sledována kvalita odpadních vod.
1.3 Parametry procesu
1.3.1 Rozpuštěný kyslík (DO)
Příliš vysoký obsah DO v biofilmu může zabránit denitrifikaci, což způsobí, že MBBR ztratí svou současnou nitrifikační a denitrifikační schopnost. Příliš nízké DO může vést k množení vláknitých bakterií, což ovlivňuje kvalitu odpadních vod a inhibuje proces nitrifikace.
1.3.2 Hydraulická retenční doba (HRT)
Příliš krátká HRT způsobuje intenzivní reakční podmínky, kdy odpadní voda obsahující většinu organických látek je vypouštěna před tím, než je plně absorbována. Nepřetržitý přítok udržuje mikroorganismy v konstantním stavu biologického rozkladu, snižuje účinnost a zvyšuje spotřebu energie. Příliš dlouhá HRT vede k vyčerpání živin; bez živin mikroorganismy snižují svou aktivitu a metabolické nároky, aby pouze udržely přežití.
1.3.3 Poměr uhlíku-k-dusíku (C/N)
Nízký poměr C/N může vést ke katalýze přeměny amoniaku na jiné látky, což ovlivňuje odstraňování amoniakálního dusíku. Snadno také způsobuje vláknité objemování, nepřetržitý růst ovlivňující vločkování, což vede ke zvětšování objemu kalu a plovoucímu kalu. Vysoký poměr C/N je nepříznivý pro mikrobiální biodegradaci a růst, zvyšuje organickou zátěž mikroorganismů.
Spuštění 1,4 MBBR Biofilmu-
Biofilm Start-up: Byla použita metoda naočkovaného kalu +{2}}zvýšení průtoku. MBR-obohacený aktivovaný kal byl naočkován do reaktoru s počáteční koncentrací směsných likérů suspendovaných pevných látek (MLSS) přibližně 5,82 g/l. Bylo zahájeno provzdušňování a do reaktoru byly přidány polyethylenové nosiče pomocí apoměr plnění cca 60%. TheDĚLATv reaktoru byl řízennad 4,0 mg/l. Rychlost přítoku se postupně zvyšovala v krocích po 20 l/h: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 l/h, přičemž každý průtok byl udržován po dobu 1 dne. Během této fáze nedošlo k plýtvání žádným kalem. Na povrchu nosičů se vytvořil světle žlutý biofilm, kde se uchytily a rostly mikroorganismy. Po úspěšném spuštění biofilmu{13}}pokračoval stabilní provoz a udržoval aDoba retence kalu (SRT) 30 dní. Během stabilního provozu byla rychlost organického zatížení MBBR upravena tak, aby byl pozorován jeho dopad na odstraňování CHSK, dusíku a fosforu.
2. Výsledky a diskuse
2.1 Analýza kvality odtoku MBBR během spouštění-Biofilmu
Intenzita provzdušňování v MBBR byla upravena pro řízení koncentrace DO. Když byl DO pod 4,0 mg/l, intenzita provzdušňování nebyla dostatečná pro podporu rovnoměrného, turbulentního pohybu nosičů s vysokým{2}}průtokem, což bránilo dostatečnému promíchání a znesnadňovalo vytváření biofilmu na površích nosičů. Když bylo DO mezi 4,0–6,0 mg/l, nosiče se důkladně promíchaly s aktivovaným kalem a odpadní vodou. Na nosičích byla pozorována změna barvy z bílé na nažloutlou-hnědou, což ukazuje na úspěšné uchycení a růst mikroorganismů při této intenzitě provzdušňování, jak je znázorněno naObrázek 2
Křivka variace přítoku a odtoku CHSK během počáteční-fáze je znázorněna naObrázek 3(a). Počáteční pokles účinnosti úpravy byl způsoben velmi nízkým množstvím zachycených mikroorganismů na nosičích; degradace mikroorganismy v samotném aktivovaném kalu nestačila k odstranění velkého množství organických látek. Jak start-postupoval, množství připojených mikroorganismů na nosičích se zvyšovalo a postupně se vytvořil biofilm. Koncentrace CHSK na odpadních vodách se postupně stabilizovala a účinnost odstraňování CHSK se stabilizovala nad 90 %.
Variační křivka přítoku a odtoku MBBR NH₃-N je uvedena vObrázek 3(b). Nitrifikace aerobními bakteriemi v aktivovaném kalu účinně odstranila amoniakální dusík. Počínaje 7. dnem se koncentrace přítoku NH3-N postupně zvyšovala. Do 23. dne, i když se přítok NH3-N stále zvyšoval, rychlost odstraňování se také zvýšila. Bylo to proto, že nitrifikační bakterie rostou zpočátku pomalu; postupem času se jejich populace zvětšovala, biofilm dozrál a rychlost odstraňování NH3-N se postupně zvyšovala a stabilizovala.
Variační křivka přítoku MBBR a odtoku TN je uvedena vObrázek 3(c). Na rozdíl od odstraňování amoniakálního dusíku se účinnost odstraňování TN zpočátku snížila. Bylo to proto, že prostředí reaktoru mělo dostatek kyslíku a zdroje uhlíku, což omezovalo růst denitrifikačních bakterií. Jak se však vytvořil biofilm, účinnost odstraňování TN se začala zlepšovat. Do 20. dne, i když se koncentrace přítoku TN zvýšila, výtokový TN a rychlost odstraňování se stabilizovaly v rozmezí 50 %–60 %.
Variační křivka přítoku MBBR a odtoku TP je uvedena vObrázek 3(d). Od spuštění-do stabilního provozu zůstala míra odstraňování TP stabilní. Přestože koncentrace TP byla zpočátku vysoká a později se snížila, účinnost odstraňování nevykazovala žádnou významnou změnu, což ukazuje na schopnost systému odstraňovat fosfor. Rychlost odstraňování TP v systému byla udržována mezi 80 %–90 %.
v souhrnuudržování MBBR systému DO mezi 4–6 mg/l, zralý biofilm vzniklý po 20 dnech nepřetržitého krmení. Ve srovnání s tradičními procesy aktivovaného kalu nabízí systém MBBR silnou odolnost proti nárazu a vysokou účinnost čištění, což účinně snižuje obtížnost následných fází čištění odpadních vod z česneku.
2.2 Analýza kvality odpadních vod během stabilního provozu
Po fázi spuštění biofilmu- biofilm dozrál. Pro testování odolnosti systému MBBR proti nárazu se během stabilního provozu plynule zvyšovala rychlost organického zatížení.
Variační křivka přítoku a odtoku CHSK MBBR během stabilního provozu je uvedena vObrázek 4(a). Od 1. do 5. dne při konstantním přítoku zůstala účinnost odstraňování CHSK nad 95 % a koncentrace CHSK v odpadních vodách dosahovala kolem 100 mg/l. Od 5. do 20. dne byla rychlost přítoku zvýšena a postupně se zvýšila organická zátěž z 20 kg CHSK/m³·d na 30 kg CHSK/m³·d. Nebyla pozorována žádná významná změna v účinnosti odstraňování a CHSK v odpadních vodách zůstala mezi 80–100 mg/l, což prokazuje silnou odolnost proti nárazu. Po 20. dni byla rychlost přítoku dále zvýšena, přičemž se plynule zvyšovalo organické zatížení v reaktoru z 30 kg COD/m3·d na 37 kg COD/m3·d, udržované po dobu 5 dnů. Kapacita odstraňování COD MBBR zůstala nad 95 %.
Obrázky 4(b) a (c)znázorněte variační křivky pro NH3{0}}N a TN během stabilního provozu. Od 1. do 5. dne s konstantním přítokem biofilm MBBR vykazoval současnou nitrifikaci a denitrifikaci. Aerobní nitrifikační bakterie připojené k vnější vrstvě biofilmu, plně smíchané s odpadní vodou za provzdušňování, spotřebovávaly významné zdroje dusíku prostřednictvím nitrifikace. Denitrifikační bakterie ve vnitřní anoxické vrstvě účinně odstraňují dusičnanový dusík denitrifikací. Od 5. do 20. dne, jak se rychlost přítoku zvyšovala, účinnost odstraňování NH₃-N a TN zpočátku výrazně klesala. Po cca 7 dnech nepřetržitého provozu se systém postupně přizpůsobil. Ačkoli se účinnost odstraňování NH₃-N a TN poté zvýšila, zůstala nižší než během období nízkého-průtoku. Při konstantním přítoku dosahovalo odstraňování NH3-N přes 90 %, s vytékajícím NH3-N mezi 10–15 mg/l a odstraňování TN bylo v zásadě udržováno nad 80 %, s vytékajícím TN kolem 30 mg/l. Poté, co se zvýšil přítok a systém dosáhl nové rovnováhy za neustálého působení, se odstraňování NH3-N stabilizovalo kolem 80 %, s vytékajícím NH3-N mezi 50–70 mg/l a odstraňováním TN kolem 60 %, s vytékajícím TN pod 50 mg/l.
Variační křivka pro TP během stabilního provozu je uvedena vObrázek 4(d). Koncentrace TP ve výtoku byla v zásadě udržována kolem 10 mg/l. Zpočátku, při konstantním nízkém průtoku a nízké koncentraci přítoku TP, byl účinek léčby omezený. Jak se zvyšovala rychlost přítoku a přitékající koncentrace TP, bylo dosaženo vysoké účinnosti čištění během fáze nárazu a následného-provozu s vysokým zatížením, přičemž rychlost odstraňování TP kolísala kolem 90 %.
v souhrnupři vysokém organickém zatížení se účinnost systému odstraňování CHSK téměř nezměnila, ale odstraňování NH₃-N a TN se snížilo výrazněji. Když organické zatížení dosáhlo svého maxima 37 kg CHSK/m³·d, účinnost systému odstraňování NH3-N a TN se znatelně snížila.
2.3 Analýza kvality odpadních vod systému MBBR + A/O
Po startovací fázi biofilmu-a jednom měsíci stabilního provozu byl za účelem pokročilého čištění odpadních vod MBBR přidán proces A/O. Gradientní zvýšení rychlosti přítoku bylo aplikováno ke zvýšení celkové organické zátěže s cílem určit optimální rychlost přítoku, odpovídající optimální HRT.
Variační křivka CHSK je znázorněna vObrázek 5(a). Rychlost přítoku se postupně zvyšovala: 100, 120, 130, 150, 170 l/h. Od začátku do maximálního průtoku se organické zatížení na systému MBBR zvýšilo z 20 kg COD/m³·d na 37 kg COD/m³·d. Konečný výtok z kombinovaného systému zůstal stabilní s koncentrací CHSK pod 100 mg/l. Při trvalém šoku z vysokého organického zatížení fungoval systém MBBR dobře, i když jeho CHSK na odpadních vodách vykazovala mírné zvýšení, když průtok dosáhl 150 l/h. Po udržování průtoku 170 l/h po dobu několika dnů byl pozorován znatelný vzestupný trend CHSK odtékající z MBBR. Avšak s následným A/O procesem byl konečný výtok kombinovaného systému stále udržován pod 100 mg/l. To ukazuje, že i při vysokém organickém zatížení 37 kg CHSK/m³·d má kombinovaný proces stále silný efekt odstraňování odpadních vod ze zpracování česneku.
Variační křivky pro NH₃-N a TN jsou uvedeny vObrázky 5(b) a (c), resp. Odpadní voda ze zpracování česneku má vysoké koncentrace amoniakálního dusíku a celkového dusíku, které se mohou časem dále zvyšovat v důsledku oxidace. Typicky se koncentrace amoniakálního dusíku pohybuje v rozmezí 300–500 mg/l a celkový dusík od 450–600 mg/l. Při současné nitrifikaci a denitrifikaci v MBBR bylo odstraňování amoniakálního dusíku účinnější, pravděpodobně proto, že nitrifikační bakterie efektivněji využívají odpadní vodu při provzdušňování. Denitrifikační bakterie vyžadují anoxické podmínky a často závisí na spotřebovaném organickém uhlíku pro denitrifikaci. Při zvyšování rychlosti přítoku byla primárním hlediskem účinnost odstraňování NH3-N a TN. Od 1. do 4. dne kvůli nízkému průtoku a mírnému NH3-N zůstala rychlost odstraňování NH3-N nad 90 % a účinnost odstraňování TN se postupně zvyšovala. Následně došlo k výraznému zvýšení přítoku. Bylo jasně pozorováno, že jak se rychlost přítoku zvyšovala, koncentrace NH3-N a TN v různých fázích postupně stoupaly, přičemž vyšší rychlosti přítoku vedly k vyšším koncentracím odpadních vod. Jak se průtok zvyšoval, zvyšovala se biomasa na nosičích biofilmu, čímž se posilovala nitrifikace, kdy je amoniakální dusík oxidován nitrifikačními bakteriemi na dusičnany a dusitany pod kyslíkem.
Variační křivka koncentrace TP je uvedena vObrázek 5(d). Vzhledem k vysokým koncentracím CHSK a TN je teoretická optimální koncentrace TP pro mikrobiální růst vyšší než 100 mg/l. Koncentrace TP v přítoku však byla hluboko pod tímto teoretickým požadavkem. Koncentrace TP ve výtoku MBBR proto zůstala kolem 10 mg/l a konečná koncentrace TP ve výtoku z kombinovaného systému byla udržována mezi 2–3 mg/l.
Byly měřeny kalové charakteristiky systému MBBR a následného A/O systému před a po provozu, jak je znázorněno naTabulka 2.
v souhrnukdyž se průtok zvýšil na 150 l/h, byly rychlosti odstraňování pro CHSK, NH3-N, TN a TP lepší než u jiných průtoků. HRT při této průtokové rychlosti byla 27 hodin. Kromě toho se koncentrace kalu v MBBR i A/O systémech po provozu podstatně zvýšila.
3. Závěr
Po vytvoření biofilmu v MBBR byla účinnost odstraňování pro CHSK, NH3-N, TN a TP stabilní. Během jednoho měsíce nepřetržitého provozu za stabilních podmínek dosáhlo odstranění CHSK přes 95 %, odstranění NH3-N a TN se stabilizovalo kolem 80 % a odstranění TP se stabilizovalo kolem 90 %.
Odtok MBBR byl dále zpracován v A/O systému. Kombinovaný proces by mohl odolat organickému zatížení až 37 kg CHSK/m³·d. Optimální operace pro celý proces byla pod HRT 27 hodin. Konečný výtok CHSK se stabilizoval pod 100 mg/l, NH3-N mezi 10–20 mg/l, TN pod 30 mg/l a TP pod 10 mg/l. Koncentrace kalu v systému MBBR po provozu byla 8,5 g/l a v systému A/O byla 4,1 g/l, oba významně vyšší než před provozem, což ukazuje na podstatný nárůst mikrobiální biomasy. Hladiny CHSK a amoniakálního dusíku po biologickém čištění splňovaly normu sekundárního vypouštění podle GB18918-2002. Pro další čištění by mohla být použita pokročilá oxidační technologie Fenton pro hloubkové čištění biologicky vyčištěných odpadních vod, aby bylo dosaženo standardu vypouštění první úrovně.