Odstraňování amoniakového dusíku z mikro-znečištěné říční vody a kombinovaných odpadních vod pomocí MBBR balení z různých materiálů
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) spojuje výhody procesu aktivovaného kalu a tradičního procesu biofilmu, což z něj činí inovativní a revoluční technologii v moderním biologickém čištění odpadních vod. Četné předchozí studie ukázaly, že proces MBBR může účinně zmírnit tlak na odstraňování dusíku z městských odpadních vod. Náplně bio-nosičů v procesu MBBR mohou transportovat biofilm do celého reaktoru, podporovat kontakt mezi biofilmem, kyslíkem a reakčními substráty a zlepšovat účinnost degradačních reakcí. Díky své jedinečné stabilitě a hustotě mají široké možnosti použití.
V současnosti je většina obalů MBBR bio{0}}nosičů vyrobena hlavně z materiálů, jako je polyethylen (PE), polypropylen (PP), polyuretan (PU) a porézní polyuretan (PPC). Mezi nimi náplně MBBR na bázi PE mají dobrý účinek na odstraňování chroma, CHSKCr, amoniakálního dusíku, celkového dusíku, celkového organického uhlíku a těkavých fenolů v odpadních vodách; PP obaly se většinou používají v kombinovaných procesech MBBR, jako je kombinovaný proces MBBR-AO a kombinovaný proces MBBR-MBR; PU a PPC obaly mají vysokou poréznost, která může poskytnout větší plochu pro připojení mikroorganismů, což umožňuje mikroorganismům rychle a stabilně růst, čímž účinně odstraňují organické znečišťující látky a různé živiny v odpadních vodách. Obaly PE a PPC jsou v současnosti dva široce používané typy. PE ucpávky jsou široce používány s lepším výkonem, zatímco ucpávky PPC mají silnější hydrofilitu a větší specifický povrch, což více přispívá k uchycení mikroorganismů. Oba typy těsnění mají své výhody a nevýhody a oba mají dobrou mechanickou pevnost a nízkou cenu. Existuje však jen málo zpráv o jejich účincích na odstraňování amoniakálního dusíku z mikro-znečištěné říční vody a kombinované dešťové vody{10}}v procesu MBBR{11}}AO. Tento dokument zkoumá dopad přidání různých typů bio{13}}náplní MBBR (PE a PPC materiály) do procesu spojeného s MBBR-AO na účinnost odstraňování amoniakálního dusíku z mikro-znečištěné říční vody a kombinované dešťové{16}}odpadní vody. Současně analyzuje rychlost tvorby biofilmu a životnost různých náplní MBBR bio-nosičů s cílem zlepšit specifické metody výběru různých náplní MBBR bio{19}}nosičů v procesu MBBR pro čištění odpadních vod.
1. Proces čištění odpadních vod
Podrobnosti o balení přepravce 1. 1 Process Flow a Bio{1}}
Zařízení na čištění odpadních vod použité v této studii je vlastní -navržený biologický reaktor s fluidním ložem, který využívá proces MBBR-AO. Hlavní procesní tok je znázorněn na obrázku 1(a) a konkrétní vybavení zahrnuje mřížku, zvedací čerpadlo, náplně MBBR bio-nosič, integrovanou-nádrž na biologické odstraňování dusíku s vysokou účinností, vysoce{6}}účinnou sedimentační nádrž, provzdušňovací systém atd. Přítokový průtok reaktorem je 50³ (přibližně 2 m³ efektivní/hydraulický je 5 hodin a efektivní objem reaktoru je asi 10 m³.
Obaly MBBR bio-nosiče v zařízení na čištění odpadních vod jsou obaly na bázi PE-a obaly na gelové nosiče PPC. Těsnění na bázi PE- má tvar prstencových paprsků o velikosti Φ25 mm×10 mm, 19 otvorů a pětiúhelníkových kanálků se specifickou plochou přibližně 500 m²/m³ [obrázek 1(b)]; balení PPC gelového nosiče je krychlové o velikosti Φ10 mm × 10 mm × 10 mm a specifické povrchové ploše asi 5 000 m²/m³ [obrázek 1(c)].
1.2 Kvalita odpadních vod
V této studii bylo zařízení na čištění odpadních vod použito k čištění dvou typů vodních útvarů: mikro-znečištěné říční vody a kombinované dešťové vody-odpadních vod. Mikro-znečištěná říční voda pocházela z městské řeky v oblasti Zhejiang s nízkou úrovní znečištění a její koncentrace amoniakálního dusíku byla relativně nízká, s průměrnou hmotnostní koncentrací 5 mg/l. Spojené splaškové-odpadní vody byly přítokovým zdrojem dvou čerpacích stanic odpadních vod (Čerpací stanice 1 a Čerpací stanice 2) čistírny odpadních vod v Zhejiang s relativně vysokou koncentrací amoniakálního dusíku v rozmezí od 3 do 20 mg/l. Je to proto, že některé oxidy dusíku ve vzduchu reagují s dešťovou vodou za vzniku kyseliny dusičné nebo dusičnanů během období dešťů, což více přispívá k množení bakterií oxidujících čpavek, což má za následek relativně vysoký obsah čpavkového dusíku v odpadních vodách. Mezitím byla hodnota pH obou vodních útvarů udržována mezi 7 a 9.
1.3 Provozní parametry čističky odpadních vod
1.2.1 Počáteční proces tvorby biofilmu
Systém čištění odpadních vod byl zahájen přidáváním náplní v dávkách pro tvorbu biofilmu. Podle skutečného fluidizačního účinku náplní v reaktoru byl konečný objemový podíl přidaných náplní stanoven na 20 %. Během procesu spouštění-nebyl suspendovaný kal v systému vrácen a poměr návratu kalu během čištění odpadních vod byl 1:8.
1.2.2 Řízení provozních parametrů zařízení
Zařízení na čištění odpadních vod pracovalo při pokojové teplotě (20 stupňů). Provzdušňovací zařízení ve spodní části zařízení bylo použito pro řízení rychlosti provzdušňování během čištění odpadních vod. Mezitím byl přítokový průtok zařízením regulován na 2 m³/h a ostatní parametry během čištění odpadních vod zůstaly v zásadě konzistentní. Jako vzorky přítokové vody byly vybrány kombinované-odpadní vody z přečerpávací stanice 1 a přečerpávací stanice 2 a také mikro-znečištěná říční voda.
2. Výsledky a diskuse
2.1 Rychlost tvorby biofilmu u náplní MBBR s různými materiály
Během fáze spouštění-zařízení na čištění odpadních vod byla kvalita přitékající vody stabilní. Po přidání obalů v dávkách obaly prošly normální tvorbou a zráním biofilmu.
Za stejných provozních podmínek se rychlost tvorby biofilmu u obalů bio{0}}nosičů s různými materiály výrazně lišila kvůli jejich přirozeným vlastnostem. Rychlost tvorby biofilmu u obalů na bázi PE- byla relativně pomalá, což vyžadovalo přidání chemikálií, jako je glukóza, pro uzavřenou provzdušňovací kulturu. Pozorováním provozu PE a PPC ucpávek v MBBR-AO sdruženém procesu bylo zjištěno, že asi 5 dní po přidání PE ucpávek se na povrchu nosičů objevil tenký žlutavě-hnědý biofilm. Po nepřetržitém provozu po dobu asi 1 týdne se na povrchu nosiče objevilo velké množství paramecií, epistylis, vířníků a malé množství vorticella, což naznačuje, že biofilm je v podstatě zralý a spuštění systému- bylo v tuto chvíli dokončeno. Naproti tomu rychlost tvorby biofilmu u PPC náplní byla rychlejší a biofilm byl v podstatě zralý asi za 3 dny, zatímco kal mohl být adsorbován do vnitřku náplní. Tvorba biofilmu pomáhá zlepšit aktivitu bakterií oxidujících čpavek{13}}. Ve srovnání s PE ucpávkami je velká specifická plocha PPC ucpávek příznivější pro tvorbu biofilmu a mikrobiální imobilizaci. U PE obalů ze stejného materiálu, které upravují různé typy odpadních vod, vykázal efekt tvorby biofilmu u obalů také významné rozdíly. Z obrázku 2(a) je vidět, že na povrchu PE obalů v mikro-znečištěné říční vodě byl tenký světle hnědý biofilm. Obrázek 2(b) však ukazuje, že vrstva biofilmu na povrchu PE ucpávek v kombinovaných dešťových odpadních vodách byla fragmentovaná, což naznačuje, že efekt tvorby biofilmu PE ucpávek v mikro-znečištěné říční vodě byl výrazně lepší než u kombinovaných dešťových splaškových vod.{23} Z obrázku 2(c) a obrázku 2(d) je vidět, že rozdíl v efektu tvorby biofilmu u PPC obalů v mikro-znečištěné říční vodě a kombinovaných dešťových vodách-odpadních vod nebyl významný.
2. 2 Kapacita biologických obalů nosičů-pro odstraňování amoniaku a dusíku s různými materiály
Obsah amoniakálního dusíku je klíčovým ukazatelem pro hodnocení skutečného efektu čištění odpadních vod z čerpacích stanic. Proto má kapacita odstraňování amoniakálního dusíku důležitý praktický hlavní význam pro výběr typů balení bio-nosičů v procesu MBBR-AO.
2. 3 Účinek PE a PPC obalů na odstraňování amoniaku a dusíku na mikro-znečištěnou říční vodu během krátkodobého-provozu procesu
Jak ukazuje obrázek 3, průměrné hmotnostní koncentrace amoniakálního dusíku v procesu MBBR-AO spojeném s PE a PPC náplní byly 3,69 mg/l a 3,39 mg/l. Mezitím skutečná koncentrace amoniakálního dusíku výrazně kolísala, což bylo způsobeno dešťovými srážkami. V procesu s PE náplněmi bylo průměrné množství odstraněného amoniakálního dusíku a průměrná rychlost odstraňování mikro-znečištěné říční vody 3,12 mg/l a 84,55 %, v tomto pořadí, což byly vyšší hodnoty než u procesu s PPC náplněmi (2,56 mg/l a 75,52 %). To naznačuje, že přidání PE ucpávek do procesu MBBR-AO vázaného napomáhá krátkodobě (do 12 dnů) k odstranění čpavkového dusíku z mikro{13}}znečištěné říční vody.
2.4 Účinek odstraňování amoniaku a dusíku PE a PPC obalů na kombinované dešťové-odpadní vody během krátkodobého-provozu procesu
Jak je znázorněno na obrázku 4, během krátkodobého- (18{3}}denního) provozu procesu MBBR-AO spojeného s PE ucpávkami byly průměrné hmotnostní koncentrace dusíku na přítoku v kombinované dešťové vodě-odpadní vody z čerpací stanice 1 [obrázek 4(a)] a čerpací stanice 4 mg/L a 7 [Obr.2] 9,35 mg/l, resp. Když byly během krátkodobého-(18{17}}denního) čištění kombinované dešťové vody-z čerpací stanice 1 a čerpací stanice 2 přidány PE ucpávky pomocí procesu MBBR-AO, koncentrace amoniakálního dusíku v odpadní vodě se výrazně snížila. Průměrné množství odstraňování amoniakálního dusíku bylo 6,93 mg/l a 7,9 mg/l, s průměrnými rychlostmi odstraňování 95,71 %, respektive 84,49 %. Během krátkodobého-(18{35}}denního) čištění kombinované dešťové vody-z čerpací stanice 1 zůstala míra odstraňování amoniakálního dusíku nad 90 % a 9. den dosáhla téměř 100 %. Upravená odpadní voda může více napomáhat růstu přichycených mikroorganismů, a tím podporovat odstraňování amoniakálního dusíku. Mezitím během krátkodobého-(18denního) čištění kombinované dešťové vody a odpadních vod z přečerpávací stanice 2 míra odstraňování čpavkového dusíku většinou zůstávala kolem 90 %, což naznačuje, že přidání PE náplní v procesu MBBR-AO má silný účinek na odstraňování čpavkového dusíku v kombinované dešťové vodě a odpadní vodě v krátkodobém horizontu (18 dní).
Jak je znázorněno na obrázku 5, v procesu MBBR-AO spojeném s PPC náplněmi se hmotnostní koncentrace amoniakálního dusíku v kombinované srážkové vodě-z čerpací stanice 1 [obrázek 5(a)] a přečerpávací stanice 2 [obrázek 5(b)] pohybovaly v rozmezí od 3 do 20 mg/l, respektive 2 mg/l, s velkými kolísáními, resp. To může být způsobeno dešťovými srážkami, které způsobují, že se oxidy dusíku ve vzduchu dostávají do kanalizačního systému, což má za následek výrazné kolísání koncentrace amoniakálního dusíku na přítoku. Průměrné hmotnostní koncentrace amoniakálního dusíku v kombinovaných splaškových vodách{13}}z přečerpávací stanice 1 a přečerpávací stanice 2 byly 14,76 mg/l a 13,26 mg/l. Po krátkodobém-ošetření (24 dní) procesem MBBR-AO spojeným s PPC náplněmi se koncentrace amoniakálního dusíku v odpadní vodě významně snížila s průměrnými hmotnostními koncentracemi pouze 5,32 mg/l a 6,42 mg/l. Průměrné množství odstraňování amoniakálního dusíku bylo 9,44 mg/l a 6,84 mg/l a průměrné rychlosti odstraňování byly 63,96 % a 51,58 %. To naznačuje, že PPC obaly mají určitý vliv na odstraňování amoniakálního dusíku z kombinované dešťové vody{30}}. Vysoká koncentrace amoniakálního dusíku v kombinovaných splaškových vodách-může být způsobena zaváděním dalších složitých složek do odpadních vod, čímž se inhibuje degradace amoniakálního dusíku PPC náplněmi. Ve srovnání s PE obaly mají PPC obaly menší póry a vyšší poréznost. Nečistoty a suspendované částice v kombinovaných splaškových vodách-mohou blokovat póry PPC ucpávek, což vede k aglomeraci uvnitř ucpávek a tím ke snížení účinnosti odstraňování amoniakálního dusíku. Mezitím předchozí studie zjistily, že biofilmy menší než 1 mm mohou způsobit ucpání pórů uvnitř ucpávek. Přestože biofilmy mohou urychlit vnitřní ucpání ucpávek, nejsou hlavním faktorem.
Během krátkodobého-provozu MBBR-AO spojeného procesu byly průměrné míry odstraňování amoniakálního dusíku PE náplněmi pro kombinované dešťové{2}}odpadní vody (95,71 % pro čerpací stanici 1 a 84,49 % pro čerpací stanici 2) o něco vyšší než pro mikro-znečištěnou říční vodu (8 %). Naproti tomu průměrné míry odstraňování amoniakálního dusíku PPC náplněmi pro kombinované splaškové{10}odpadní vody (63,96 % pro čerpací stanici 1 a 51,58 % pro čerpací stanici 2) byly o něco nižší než u mikro-znečištěných říčních vod (75,52 %). U PE ucpávek ve srovnání s mikro{18}}znečištěnou říční vodou je nízká koncentrace rozpuštěného kyslíku v kombinovaných dešťových splaškových vodách{19}} příznivější pro současnou nitrifikaci a denitrifikaci mikroorganismů na PE ucpávkách za účelem odstranění dusíku. Během tvorby biofilmu PPC ucpávek se kal adsorbuje do vnitřku ucpávek, což vede ke zvýšení koncentrace rozpuštěného kyslíku, což neprospívá současné nitrifikaci a denitrifikaci vnitřních mikroorganismů, což má za následek snížení rychlosti odstraňování amoniakálního dusíku v kombinované dešťové{21}}odpadní i mikro{22} říční vodě.
Stručně řečeno, přidání PE ucpávek v krátkodobém horizontu více napomáhá degradaci amoniakálního dusíku v kombinovaných dešťových -odpadních vodách procesem MBBR-AO.
Účinek odstraňování amoniaku a dusíku PE a PPC obalů na kombinované dešťové-odpadní vody během dlouhodobého-provozu procesu
Jak je znázorněno na obrázku 6, během dlouhodobého-(96{3}}denního) provozu procesu MBBR-AO spojeného s PE ucpávkami se hmotnostní koncentrace amoniakového dusíku v kombinované dešťové vodě-z čerpací stanice 1 [obrázek 6(a)] a čerpací stanice 25db/2 [obrázek] pohybuje v rozmezí 3 až 35 mg/l s velkými výkyvy. Průměrné hmotnostní koncentrace amoniakálního dusíku na přítoku byly 10,20 mg/l a 8,93 mg/l. Po úpravě procesem spojeným s MBBR-AO se průměrné hmotnostní koncentrace amoniakálního dusíku v odpadní vodě snížily na 2,93 mg/l a 2,67 mg/l, s průměrnými odstraněnými množstvími 7,27 mg/l a 6,26 mg/l a průměrnými rychlostmi odstraňování 71,27 % a 70,10 %, v tomto pořadí Během dlouhodobého (96-denního) provozu MBBR-AO spojeného procesu nebyl zaznamenán žádný významný rozdíl v degradaci čpavkového dusíku v kombinované dešťové splaškové-odpadní vodě z čerpací stanice 1 a čerpací stanice 2 na úrovni přibližně 74 %. To naznačuje, že přidání PE ucpávek v procesu MBBR-AO má dobrý účinek na odstranění amoniakového dusíku v kombinovaném-odpadu z dešťové vody při dlouhodobém-dlouhodobém (96-denním) provozu. Když proces spojený s MBBR-AO s PE náplněmi fungoval v pozdější fázi (84–96 dní), bez ohledu na to, zda byl přítok kombinovaný s dešťovou vodou a splašky z čerpací stanice 1 nebo čerpací stanice 2, koncentrace amoniakálního dusíku v odpadních vodách výrazně vzrostla a míra odstraňování amoniakálního dusíku byla výrazně nižší než téměř 90% míra odstraňování v rané fázi procesu. Po dlouhodobém používání totiž dochází k poškození a stárnutí samotných PE ucpávek a ke změně povrchové drsnosti ucpávek, což vede ke snížení provozní pevnosti a schopnosti odstraňování amoniakálního dusíku.
Obrázek 7 ukazuje změny v koncentraci amoniakálního dusíku na přítoku, koncentraci amoniakového dusíku na odpadních vodách, množství odstraněného amoniakového dusíku a rychlosti odstraňování amoniakálního dusíku během dlouhodobého-provozu procesu MBBR-AO spojeného s PPC výplněmi. Hmotnostní koncentrace amoniakálního dusíku v kombinovaných splaškových vodách-z přečerpávací stanice 1 [obrázek 7(a)] a přečerpávací stanice 2 [obrázek 7(b)] se pohybovaly v rozmezí od 3 do 35 mg/l, s průměrnými hmotnostními koncentracemi dusíku na přítoku 10,96 mg/l a 8. Po zpracování procesem spojeným s MBBR-AO se průměrné hmotnostní koncentrace amoniakálního dusíku v odpadní vodě snížily na 3,96 mg/l a 3,39 mg/l s průměrným množstvím odstranění 7,00 mg/l a 4,71 mg/l a průměrnými rychlostmi odstraňování 63,87 %, resp. 58,15 %. Během dlouhodobého-provozu MBBR-AO spojeného procesu mělo přidání PPC náplní o něco lepší degradační účinek na čpavkový dusík v kombinovaných dešťových vodách-odpadních vod z čerpací stanice 1 než z čerpací stanice 2, ale rozdíl nebyl významný. To naznačuje, že přidání PPC ucpávek v procesu MBBR-AO spojeném s určitým odstraněním amoniakového dusíku v kombinovaném-odpadu z dešťové vody během dlouhodobého{-provozu. Rychlost odstraňování amoniakálního dusíku v procesu MBBR-AO spojeném s PPC ucpávkami během dlouhodobého-provozu byla vyšší než během krátkodobého-provozu. Při dlouhodobém provozu se totiž uvnitř PPC výplní hromadí kal a vytváří místní anaerobní nebo anoxické prostředí, které poskytuje vhodné životní prostředí pro životní aktivity nitrifikačních bakterií. Nitrifikační bakterie se rychle množí a rychlost lokální reakce se zrychluje
Stručně řečeno, přidávání PE ucpávek více přispívá k degradaci amoniakálního dusíku v kombinovaném{0}}odpadu z dešťové vody procesem MBBR-AO během dlouhodobého-provozu. Mezitím by měly být PE obaly po dlouhodobém-používání včas vyměněny nebo vyčištěny, aby bylo zajištěno, že amoniakový dusík v odpadních vodách bude stále možné účinně odstranit během dlouhodobého-provozu MBBR-AO spojeného procesu.
Životnost obalů Bio-nosičů s různými materiály
Ve srovnání s PPC ucpávkami mají PE ucpávky delší životnost při dlouhodobém{0}}čištění mikro-znečištěné říční vody a kombinované dešťové vody-odpadních vod pomocí MBBR-AO spojeného procesu. Jak je znázorněno na obrázku 8(a), PPC obaly se během procesu čištění odpadních vod procesem spojeným s MBBR-AO struskají a poškozují. Mezitím dochází ke stárnutí a aglomeraci uvnitř náplní po dlouhodobém-provozu [obrázky 8(b) a 8(c)]. PPC ucpávky mají špatnou propustnost kalu. Přestože houbovité{13}}náplně podobné PPC mají velký specifický povrch, jejich vnitřní póry jsou snadno adsorbovány kalem a obtížně vytékají. Dlouhodobé-hromadění kalu uvnitř ucpávek má tendenci vytvářet anaerobní nebo anoxické prostředí, což způsobuje postupnou změnu barvy ucpávek z hnědé na černou. To vede k problémům, jako je struska, rozbití, stárnutí a aglomerace PPC obalů během dlouhodobého provozu, čímž se zkracuje jejich životnost. To je také hlavní faktor slabého účinku PPC obalů při odstraňování amoniakálního dusíku z kombinovaných dešťových splašků-[obrázky 5(a) a 5(b)]. Naproti tomu PE ucpávky v podstatě neměly výše uvedené problémy během dlouhodobého -čištění odpadních vod pomocí MBBR-AO spojeného procesu, s lepší odolností a delší životností. Rozumná konfigurace nosiče může účinně tlumit dopad toku vody na biofilm, což umožňuje biofilmu růst stabilně bez poškození.
Závěry
V této studii byly PE bio-obaly nosiče a PPC obaly přidány během procesu čištění odpadních vod v rámci procesu MBBR-AO. Byly zkoumány účinky obalových materiálů na degradaci čpavkového dusíku v mikro-znečištěné říční vodě a kombinované dešťové vodě-odpadních vod, stejně jako rychlost tvorby mikrobiálního biofilmu a životnost obalů z různých materiálů. Ve srovnání s PPC ucpávkami mají PE ucpávky pomalejší tvorbu biofilmu, ale delší životnost. Mezitím, ať už se používají při dlouhodobém-nebo krátkodobém{8}}čištění mikro-znečištěné říční vody a kombinované dešťové vody{10}}sdruženým procesem MBBR-AO, PE obaly vykazují lepší degradační účinky na amoniakální dusík. Výsledky výzkumu poskytují technickou podporu pro výběr obalových materiálů v procesech čištění odpadních vod.