Účinek kombinované technologie A2O-MBBR + CWs pro čištění venkovských domovních odpadních vod
Stát v posledních letech intenzivně prosazuje strategii rozvoje revitalizace venkova se zaměřením na zlepšení životního prostředí a vyšší nároky na čištění venkovských domovních odpadních vod. V současnosti mezi hlavní procesy pro čištění venkovských domovních odpadních vod patří biologické metody, ekologické metody a kombinované procesy, z nichž většina pochází z čištění městských odpadních vod. Venkovské oblasti se však vyznačují rozptýlenou populací, což vede k četným problémům, jako je vysoký rozptyl odpadních vod, potíže se shromažďováním, malý rozsah čištění, nízká míra využití zdrojů a nedostatečná zařízení na čištění. Kromě toho existují mezi regiony značné rozdíly v kvalitě a množství odpadních vod, zeměpisné poloze, klimatu a ekonomické úrovni, což ztěžuje standardizaci technologií čištění; jednoduché přijetí technologií čištění městských odpadních vod není proveditelné. Infrastruktura pro shromažďování odpadních vod, jako jsou kanalizační sítě, je ve venkovských oblastech často nedostatečná. Shromažďování odpadních vod je snadno ovlivněno kombinovanými přepady kanalizace a infiltrací podzemní vody, což má za následek nízkou koncentraci organických látek v odpadní vodě a zvýšené obtížnosti biologického odstraňování dusíku. Velké kolísání kvality a množství odpadních vod ve venkovských oblastech ztěžuje udržení stabilní koncentrace biomasy v čistírnách odpadních vod. Nízké zimní teploty navíc omezují kapacitu biologického čištění, což vede k nízké účinnosti a nestabilní kvalitě odpadních vod náchylných k překračování standardů v tradičních procesech s aktivovaným kalem. Je proto naléhavě nutné vyvinout technologie čištění odpadních vod vhodné pro místní podmínky, se silnou odolností vůči nárazovému zatížení, stabilním-dlouhodobým provozem, nízkou spotřebou energie a vysokou účinností čištění.
Venkovské oblasti v Číně mají tendenci upřednostňovat nízké{0}}nákladové,{1}}snadno{2}}spravovatelné technologie čištění odpadních vod z domácností, přičemž hlavním výzkumným směrem jsou biologické a ekologické kombinované procesy. V současnosti široce používaná integrovaná balená zařízení na čištění odpadních vod ve venkovských oblastech využívají především procesy, jako je anaerobní-anoxický-oxický (A2O) a biofilmový reaktor s pohyblivým ložem (MBBR). Studie ukazují, že proces MBBR spoléhá více na konstrukci zařízení než na přesné provozní řízení, nevyžaduje žádný profesionální technický personál pro regulaci, takže je vhodný pro provoz a údržbu. To je vhodnější pro praktické potřeby čištění venkovských domovních odpadních vod, kde je nedostatek technického personálu. Mezi jeho přednosti patří vysoká koncentrace biomasy, vysoká odolnost proti nárazovému zatížení, vysoká účinnost zpracování a malé rozměry. Výzkum Luo Jiawen et al. naznačuje, že přidání média MBBR do procesu A2O může výrazně zlepšit jeho kapacitu čištění odpadních vod. Zhou Zhengbing et al. ve skutečném projektu venkovských domácích odpadních vod navrhli dvoustupňový-kombinovaný proces anaerobního/anoxického{17}}biologického provzdušňovaného filtru, který dosahuje stabilní kvality odpadních vod splňujících normu stupně A GB 18918-2002 „Standard komunálních odpadních vod pro znečišťující látky“. Kromě toho se Constructed Wetlands (CW) často používají pro čištění venkovských domovních odpadních vod. Například Zhang Yang a kol. použil biouhel jako plnivo k úpravě vybudovaného mokřadu, přičemž zjistil, že míra odstranění pro TN, TP a CHSK mohla dosáhnout 99,41 %, 91,40 % a 85,09 %, v tomto pořadí. Předchozí výzkum naší skupiny také ukázal, že kalové biouhelné plnivo by mohlo zvýšit účinnost odstraňování dusíku a fosforu z vybudovaných mokřadů, zlepšit celkovou účinnost a účinnost čištění a učinit systém odolnějším vůči nárazovému zatížení. V návaznosti na výše uvedený výzkum, aby prozkoumal kombinovanou technologii vhodnou pro čištění venkovských domácích odpadních vod a řešil problémy, jako jsou potíže s udržováním stabilní koncentrace biomasy, slabá odolnost vůči nárazovému zatížení a kvalita odpadních vod náchylná ke kolísání a překračování standardů ve venkovských čistírnách odpadních vod, umístil autor předem proces A2O-MBBR, naplnil jej suspendovanými nosiči biofilmu (IFAS) pro vytvoření prostředí integrovaného fixovaného kalu{IFAS3} koncentrace kalu a zvýšení účinnosti čištění. Vzhledem k ekologickému využití volné půdy, jako jsou rybníky a prohlubně ve venkovských oblastech, a kombinování vybudovaných mokřadů jako procesu čištění, byly ke zvýšení provozní stability kompozitního mokřadu použity metody, jako je použití kalového biouhelného plniva, recirkulace nitrifikované kapaliny a výsadba ponořených rostlin. Tak byl zkonstruován kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs.
V této studii s využitím surové odpadní vody z vesnické čistírny odpadních vod v Hefei jako objektu čištění bylo zkonstruováno pilotní -experimentální nastavení kombinovaného procesu A2O-MBBR + CWs. Byl zkoumán vliv sezónních změn teploty vody na její úpravu. Během provozu byly sledovány indikátory znečišťujících látek na přítoku a odtoku, aby se zjistila účinnost odstraňování a provozní stabilita. Současně byla analyzována ekonomická proveditelnost procesu. Cílem je poskytnout referenční údaje a základ pro aplikaci kombinované technologie A2O + vybudovaných mokřadů v projektech čištění venkovských domácích odpadních vod v Číně a nabídnout reference pro podporu čištění odpadních vod z domácností a budování krásných, ekologicky obývatelných vesnic ve venkovských oblastech.
1. Experimentální uspořádání a metody výzkumu
1.1 Kombinovaný procesní tok
Experiment kombinovaného procesu A2O-MBBR + CWs přijal sériový provoz jednotky A2O, mokřadu s podpovrchovým tokem na bázi uhlíku-a ekologického rybníka. Jednotka A2O se skládala z přepážkové anaerobní-anoxické kontaktní nádrže a aerobní membránové nádrže (MBBR). Jak anaerobní nádrž s přepážkami, tak provzdušňovací zóna aerobní nádrže MBBR byly naplněny suspendovaným nosičem biofilmu, aby poskytly připojovací povrchy pro mikroorganismy za účelem vytvoření biofilmů. Aktivovaný kal a biofilm v nádržích koexistovaly a tvořily systém IFAS, který mohl stabilně udržovat biomasu systému. Anoxická nádrž s přepážkami zlepšila proces denitrifikace prostřednictvím recirkulace nitrifikované kapaliny. Aerobní nádrž MBBR měla ve spodní části provzdušňovací systém pro zvýšení výkonu nitrifikace. Dávkovací port poly Aluminium Chloride (PAC) byl umístěn uvnitř nádrže pro dodatečné chemické odstraňování fosforu, což umožňuje účinné odstraňování fosforu. Jednotka CWs zahrnovala mokřad na bázi uhlíku{14}}podpovrchového toku a ponořené rostlinné ekologické jezírko. Mokřad vybudovaný podpovrchovým prouděním na bázi uhlíku-využil tří{17}}stupňový filtrační systém. Ve spodní části plnicí zóny byly instalovány provzdušňovací kotouče pro zpětné proplachování média, aby se zmírnilo zanášení. Ponořené rostlinné ekologické jezírko mělo na dně vrstvu vápencového substrátu a bylo osázeno mrazu{20}}odolnými ponořenými rostlinami Vallisneria natans a Potamogeton crispus. Zařízení bylo umístěno venku. V ekologickém jezírku byl instalován teploměr pro sledování sezónních změn teploty vody. Podrobný průběh procesu kombinovaného procesu A2O-MBBR + CWs je uveden vObrázek 1
1.2 Nastavení návrhu a provozních parametrů
Experimentální uspořádání bylo zkonstruováno s použitím polypropylenových desek o tloušťce 10 mm. Anaerobní nádrž s přepážkami byla naplněna čtvercovým nosičem biofilmu a obsahovala přepážkové desky. Poměr recirkulace směsného louhu pro anoxickou nádrž s přepážkami byl 50 % až 150 % a tato nádrž také obsahovala přepážkové desky. Aerobní nádrž MBBR byla rozdělena přepážkou na aerobní aerační zónu a sedimentační zónu. Provzdušňovací zóna byla naplněna suspendovaným nosným médiem MBBR s poměrem vzduchu-k-vodě 6:1~10:1. Sedimentační zóna měla dávkovací port PAC a šikmé desky pro sedimentaci. Mokřad s podpovrchovým tokem na bázi uhlíku: primární výplňová zóna byla vyplněna vápencem (průměr ~5 cm), sekundární výplňová zóna zeolitem (průměr ~3 cm) a terciární výplňová zóna výplňovým výplňovým biouhlem z kalu (průměr ~0,5~1,0 cm). Výška výplně pro každou zónu byla 75 cm. Mezi primární a sekundární výplňovou zónou byla nastavena mezera o šířce asi 4 cm pro funkce, jako je přidávání externích zdrojů uhlíku, pozorování a údržba/vyprazdňování (během tohoto experimentu nebyl přidán žádný zdroj uhlíku). Ponořené rostlinné ekologické jezírko bylo ve výšce 20 cm vyplněno vápencovým plnivem (průměr ~3 cm). Ponořené rostliny byly vysazeny ve vzdálenosti řádků 10 cm a vzdálenosti rostlin 10 cm. Experiment používal jako přítok surovou odpadní vodu z vesnické čistírny odpadních vod v Hefei. Experimentální období bylo od 25. května 2022 do 17. ledna 2023, celkem 239 dní. Ponořené rostliny byly sklizeny jednou 2. prosince s frekvencí přibližně jednou za 6 měsíců. Navrhovaná kapacita čištění odpadních vod byla 50~210 l/d. Podrobné parametry návrhu nastavení jsou uvedeny vTabulka 1.
1.3 Experimentální metody
1.3.1 Experimentální design
1.3.1.1 Test optimální kapacity čištění odpadních vod
Po úspěšném zkušebním provozu experimentálního zařízení (stabilní kvalita odpadních vod) byl od 25. května 2022 do 30. června 2022 proveden test optimální kapacity čištění odpadních vod. Za podmínek udržování poměru vzduchu-k{5}}vodě v aerobní nádrži 6:1, poměr recirkulace nitrifikované kapaliny asi 100% Al23,8% využití obsahu Al23,8% PAC g/d se postupně zvyšovala kapacita čištění odpadních vod zařízení (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 l/d). Změny v kvalitě odpadních vod byly sledovány za účelem prozkoumání optimální kapacity čištění odpadních vod v zařízení. Během tohoto období se teplota vody pohybovala mezi 24,5 ~ 27,1 stupně. Aby byla zajištěna stabilní shoda odpadních vod v zimním období, byla přijata norma pro odpadní vody třídy A normy GB 18918-2002 „Standard vypouštění znečišťujících látek pro komunální čistírny odpadních vod“.
1.3.1.2 Test celkové účinnosti ošetření kombinovaného procesu
Testovací období bylo od 1. července 2022 do 17. ledna 2023. Optimální kapacita čištění odpadních vod byla stanovena na 120 l/d. Poměr vzduchu v aerobní nádrži-k-vodě byl 6:1~10:1 a poměr recirkulace směsného louhu byl 50%~150%. Ukazatele kvality přítokové a odtokové vody (TN, TP, NO3--N, NH4+-N a COD) z každé procesní jednotky byly monitorovány. Byly zaznamenány změny teploty vody během testovacího období (ovlivněné sezónním klimatem). Byla analyzována účinnost čištění kombinovaného procesu A2O-MBBR + CWs pro venkovské domovní odpadní vody a byl zkoumán vliv sezónních změn teploty vody na výkonnost kombinovaného procesu.
1.3.2 Odběr vzorků
Během testovacího období byly nepravidelně (přibližně 1~2krát týdně) odebírány vzorky pro testování kvality vody. Vzorky byly odebírány z přítoku z nastavení, odpadních vod z anaerobních anaerobních -anoxických nádrží, aerobních odpadních vod z nádrží MBBR, odpadních vod z podpovrchových mokřadů na bázi uhlíku{4}} a odpadních vod z ekologických rybníků. Vzorky přítoku byly odebrány ze vstupního potrubí zařízení a vzorky odtoku z výstupu každé jednotky. Testování indikátorů kvality vody bylo dokončeno ve stejný den odběru vzorků. Testované indikátory zahrnovaly TN, TP, NO3--N, NH4+-N a COD. Při každém odběru vzorků byl zaznamenán údaj o teplotě vody z teploměru v ekologickém jezírku (kolísající mezi 0~32 stupni). Teplota vody v ekologickém jezírku se přirozeně měnila se sezónními teplotními rozdíly. Navržený standard odpadních vod pro experimentální uspořádání se řídil standardem třídy A DB 34/3527-2019 „Standard vypouštění látek znečišťujících vodu pro zařízení na čištění odpadních vod z venkova“. Navržené koncentrace přítoku a standardy odtoku jsou podrobně uvedeny vTabulka 2.
1.3.3 Metody analýzy kvality vody
Koncentrace TN ve vzorcích vody byla stanovena pomocí HJ 636-2012 "Kvalita vody - Stanovení celkového dusíku - UV spektrofotometrická metoda digesce alkalickým persíranem draselným". ŽÁDNÝ3--Koncentrace N byla stanovena pomocí HJ/T 346-2007 „Kvalita vody - Stanovení dusičnanového dusíku – ultrafialová spektrofotometrie (zkouška)“. NH4+-Koncentrace N byla stanovena pomocí HJ 535-2009 "Kvalita vody - Stanovení amoniakálního dusíku - Nesslerova reagenční spektrofotometrie". CHSK byla stanovena pomocí HJ 828-2017 „Kvalita vody - Stanovení chemické spotřeby kyslíku - Dichromátová metoda“. Koncentrace TP byla stanovena pomocí GB 11893-1989 "Kvalita vody - Stanovení celkového fosforu - spektrofotometrická metoda s molybdenanem amonným".
2. Výsledky a diskuse
2.1 Vliv kapacity čištění odpadních vod na výkonnost kombinovaného procesu
Jak je uvedeno vObrázek 2 (a) (b), protože denní kapacita čištění odpadních vod se postupně zvyšovala z 50 l/d na 210 l/d, účinnost odstraňování TN a NH4+-N na každou jednotku kombinovaného procesu vykazoval klesající trend. Rychlost odstraňování TN se snížila z 91,55 % (50 l/den) na 52,17 % (210 l/den) a NH4+-Míra odstraňování dusíku se snížila z 97,47 % (70 l/den) na 80,68 % (210 l/den). Je tomu tak proto, že zvýšení denní kapacity čištění odpadních vod zkracuje hydraulickou retenční dobu, čímž se zkracuje doba, kterou mají mikroorganismy k dispozici pro degradaci znečišťujících látek, což má za následek horší účinnost čištění. Mezi nimi se na TN a NH nejvíce podílela jednotka A2O4+-N odstranění. Průměrná přítoková koncentrace TN pro tuto jednotku byla 38,68 mg/l, výtok byl 16,87 mg/l, s rychlostí odstraňování 56,29 %. Průměrný příliv NH4+-Koncentrace N byla 36,29 mg/l, odpadní voda 5,50 mg/l, s rychlostí odstraňování 84,85 %. Pro mokřad s podpovrchovým tokem na bázi uhlíku byla průměrná koncentrace TN 16,87 mg/l, odtok 11,96 mg/l, s rychlostí odstraňování 29,10 %. Pro zapuštěné rostlinné ekologické jezírko byla průměrná přítoková koncentrace TN 11,96 mg/l, výtok 9,47 mg/l, s mírou odstraňování 20,82 %. Účinnost odstraňování dusíku v mokřadu s podpovrchovým tokem na bázi uhlíku{14} byla lepší než u ekologického rybníka, protože anaerobní-anoxické prostředí mokřadu s podpovrchovým tokem je pro denitrifikaci vhodnější. Nicméně, NH4+-Účinnost odstraňování dusíku u ekologického rybníka byla lepší než u mokřadu s podpovrchovým tokem. Průměrný příliv NH4+-Koncentrace dusíku pro mokřad s podpovrchovým tokem na bázi uhlíku- byla 5,50 mg/l, odpadní voda byla 4,04 mg/l, s rychlostí odstraňování pouze 26,53 %. U ekologického rybníka průměrný přítok NH4+-Koncentrace N byla 4,04 mg/l, odpadní voda 2,38 mg/l, s rychlostí odstraňování 41,07 %. Aerobní prostředí ekologického jezírka je totiž vhodnější pro nitrifikaci, přeměňující více NH4+-N na NE3--N, výsledkem je vyšší NH4+-Míra odstranění N. Když kapacita čištění odpadních vod dosáhla 150 l/d, koncentrace TN v odpadních vodách byla 15,11 mg/l, což překračuje normu Grade A GB 18918-2002. Proto, aby byla zajištěna stabilní shoda TN, byla maximální kapacita čištění odpadních vod 120 l/d. Když kapacita čištění odpadních vod dosáhla 210 l/d, vytékající NH4+-Koncentrace N byla 7,07 mg/l, což překračuje normu Grade A GB 18918-2002. Proto maximální kapacita čištění odpadních vod pro NH4+-Shoda N byla 180 l/d.
Jak je uvedeno vObrázek 2 (c)průměrný přítok CHSK byl pod 100 mg/l, což ukazuje na nízký organický obsah. Zvýšení kapacity čištění odpadních vod významně neovlivnilo odstraňování CHSK, přičemž míra odstraňování CHSK byla mezi 75 %~90 %. Jak se kapacita čištění odpadních vod zvýšila z 50 l/d na 210 l/d, průměrná CHSK na odpadních vodách byla 19,16 mg/l, s maximální CHSK na odpadních vodách 26,07 mg/l, což je stále hluboko pod normou 50 mg/l GB 18918-2002, která nejvíce přispěla k odstranění COD jednotky A2002 a COD. Nádrž MBBR vytvořila aerobní prostředí, zvýšila biochemickou kapacitu aerobních mikroorganismů a posílila odstraňování CHSK. Navíc recirkulace nitrifikované kapaliny v A2O jednotce umožnila anoxické nádrži s přepážkami dále využívat organickou hmotu v odpadní vodě jako zdroj uhlíku, odstraňovat část CHSK a zároveň zlepšovat denitrifikace. Druhým největším dílem k odstranění CHSK přispěly mokřady s podpovrchovým tokem na bázi uhlíku{18}. Jeho anaerobně-anoxické prostředí přispívá k využití organické hmoty v odpadní vodě jako zdroje uhlíku, degraduje část organických látek a zároveň zlepšuje denitrifikaci, což je také důvod, proč má lepší odstraňování TN. Kromě toho může substrátová vrstva mokřadu s podpovrchovým tokem adsorbovat část organické hmoty. Ekologický rybník měl omezený vliv na degradaci CHSK. Průměrný přítok CHSK pro ekologický rybník byl 22,21 mg/l a nejsnáze biologicky odbouratelné organické látky již byly degradovány, takže organické látky se odbourávají obtížněji.
Jak je uvedeno vObrázek 2 (d)Jak se kapacita čištění odpadních vod zvyšovala, koncentrace TP zůstávala stabilní. Zvýšení kapacity čištění odpadních vod významně neovlivnilo odstraňování TP. Průměrná koncentrace TP v přítoku byla 3,7 mg/l a průměrná koncentrace ve výtoku byla 0,18 mg/l, s průměrnou rychlostí odstraňování 95,14 %, což ukazuje na dobré odstranění TP. TP byl odstraněn především v jednotce A2O. Koncentrace TP na vstupu pro jednotku A2O byla 3,7 mg/l a odtok byl pouze 0,29 mg/l, což je lepší než standard 0,5 mg/l GB 18918-2002 Grade A. Důvodem je, že jednotka A2O měla nejen biologické odstraňování fosforu chemickým doplňováním fosforu (organismy fosfor-PA), ale také doplňování fosforu a fosforu dávkováním 3,7 g/d PAC. Kombinace biologického a chemického odstraňování fosforu vedla k odstranění více než 90 % fosforu v jednotce A2O. Mokřad s podpovrchovým tokem a ekologický rybník se při odstraňování fosforu spoléhaly hlavně na mechanismy, jako je adsorpce substrátu, sedimentace, příjem rostlinami a mikrobiální degradace. Koncentrace TP vstupující do mokřadu byla navíc již jen 0,29 mg/l, což ztěžovalo další odstraňování. Tyto kombinované důvody vedly k obecnému odstraňování TP z mokřadu a ekologického rybníka.
Proto, aby byla zajištěna stabilní shoda všech ukazatelů odpadních vod s normou GB 18918-2002 Grade A, byla optimální kapacita čištění odpadních vod pro tento proces stanovena na 120 l/d.
2.2 Výkon odstraňování znečišťujících látek v kombinovaném procesu
2.2.1 Výkon při odstraňování COD
Jak je uvedeno vObrázek 3, během období testu celkového výkonu čištění (1. července 2022 až 17. ledna 2023, kapacita čištění odpadních vod 120 l/den) vykazovala teplota vody kolísavý klesající trend, který se snížil z 32 stupňů na 0 stupňů . Rychlost odstraňování CHSK kolísala a pokles teploty vody neměl žádný zjevný dopad na odstraňování CHSK. V kombinaci sObrázek 4míra odstraňování CHSK se pohybovala mezi 66,16 %~82,51 %, primárně ovlivněná přílivovou koncentrací CHSK. Studie ukazují, že za anaerobních/anoxických podmínek závisí odstranění CHSK hlavně na mikrobiálním působení. Proces A2O-MBBR+CWs střídá anaerobní-anoxické-oxické-anoxické-oxické podmínky, což zlepšuje odstraňování CHSK. Během provozu, když teplota vody klesala, ačkoli se CHSK na přítoku pohybovala v rozmezí 80–136 mg/l, CHSK na odpadních vodách zůstala stabilní pod 50 mg/l, což odpovídá standardu třídy A podle DB 34/3527-2019, což ukazuje na dobrou organickou degradaci. Na odstranění COD se nejvíce podílela sekce A2O. Anaerobní anoxická kontaktní nádrž s přepážkami měla průměrnou míru odstranění CHSK 43,38 %, což představuje 65,43 % celkového odstranění CHSK. Aerobní nádrž MBBR měla průměrnou rychlost odstraňování 14,69 %, což představuje 19,87 % z celkového počtu. Sekce A2O přispěla k odstranění CHSK z více než 85 %, přičemž těžila z velkého specifického povrchu média v anaerobní nádrži s přepážkami a aerobní nádrži MBBR, vysoké koncentrace kalu a tvorby potravního řetězce z bakterií → prvoků → metazoí, které účinně degradují organickou hmotu ve vodě. Vysoká biodiverzita systému IFAS zajistila dobré odstranění organických látek i při změnách teploty. Kromě toho by část rozpustné organické hmoty v odpadní vodě v anaerobně-anoxické kontaktní nádrži s přepážkami byla použita jako zdroj uhlíku denitrifikačními bakteriemi. Mezitím recirkulovaný směsný louh zvýšil NO3--Koncentrace N v anoxické nádrži s přepážkami, která podporuje využití zdrojů uhlíku denitrifikací bakterií ke konverzi NO3--N/NE2--N na plynný dusík. Vysoká rychlost odstraňování CHSK v anaerobní -anoxické kontaktní nádrži s přepážkami dále potvrzuje, že tento proces může účinně využívat organickou hmotu v odpadní vodě jako zdroj denitrifikačního uhlíku. Mokřad s podpovrchovým tokem založený na uhlíku měl průměrnou míru odstraňování CHSK 7,18 %, což představuje 9,18 % celkového odstranění CHSK. Anaerobní/anoxické prostředí mokřadu s podpovrchovým tokem je příznivé pro mikroorganismy využívající organickou hmotu jako zdroj uhlíku, čímž se dosahuje odstranění CHSK a zároveň se zlepšuje denitrifikace. Související výzkumy také ukazují, že biouhelné plnivo může adsorbovat organickou hmotu prostřednictvím elektrostatické přitažlivosti a intermolekulárních vodíkových vazeb. Proto by kalové biouhelné plnivo v mokřadech s podpovrchovým tokem také adsorbovalo část organické hmoty. Ponořené rostlinné ekologické jezírko mělo průměrnou míru odstraňování CHSK pouze 3,68 %, protože CHSK vstupující do rybníka bylo již nízké, v průměru 30,59 mg/l, a většinou sestávalo z žáruvzdorných organických látek, odstraněných hlavně adsorpcí a absorpcí rostlin, s omezeným účinkem.
2.2.2 Výkon odstraňování dusíku
Jak je uvedeno vObrázek 3, jak teplota vody postupně klesala z 32 stupňů na 12 stupňů, TN a NH4+-Množství odstranění N kolísalo. Průměrná rychlost odstraňování TN dosáhla 75,61 % a průměrná rychlost NH4+-Míra odstranění N dosáhla 95,70 %. Když teplota vody klesla pod 12 stupňů, TN a NH4+-Míra odstranění N vykazovala rychlý klesající trend, ale průměrná míra odstraňování stále dosahovala 58,56 % a 80,40 %. Je to proto, že sezónní pokles teploty vody inhiboval mikrobiální aktivitu a oslabil výkon denitrifikace. Podle statistických výsledků koncentrací znečišťujících látek na přítoku a odtoku během období provozu kombinovaného procesu (1. července 2022 až 17. ledna 2023) uvedených vTabulka 3, průměrný příliv TN a NH4+-Koncentrace dusíku byly 36,56 mg/l a 32,47 mg/l. NH4+-N představoval 88,81 % TN. Vliv NO3--N (0,01 mg/l) byl téměř zanedbatelný. Průměrný odtok TN a NH4+-Koncentrace dusíku byly 11,69 mg/l a 3,5 mg/l, obě splňují normu stupně A podle DB 34/3527-2019. Průměrný odtok NO3--Koncentrace N byla 6,03 mg/l, což ukazuje na dobrou nitrifikační kapacitu tohoto procesu, přeměňující NH4+-N až NE3--N. Nicméně akumulace NO3--N v odpadní vodě naznačuje, že stále existuje prostor pro další denitrifikaci. Jak je uvedeno vObrázek 5 (a), odstranění TN bylo nejvyšší v sekci A2O. Anaerobní anoxická kontaktní nádrž s přepážkami měla průměrnou rychlost odstraňování TN 44,25 % a aerobní nádrž MBBR měla průměrnou rychlost odstraňování TN 9,55 %. Je to výsledek kombinovaného působení nitrifikačních bakterií v aerobní zóně a denitrifikačních bakterií v anoxické zóně. Vybudovaný mokřad na bázi uhlíku měl průměrnou míru odstraňování TN 11,07 %, protože jeho schopnost uvolňovat zdroje uhlíku a jeho anaerobní/anoxické prostředí napomáhají denitrifikaci a udržují určitou kapacitu odstraňování dusíku. Ponořené rostlinné ekologické jezírko mělo průměrnou míru odstraňování TN pouze 3,54 %, s obecným výkonem odstraňování, protože jeho aerobní prostředí není příznivé pro denitrifikaci. Jak je uvedeno vObrázek 5 (b), NH4+-Odstranění N bylo primárně dokončeno v sekci A2O. Anaerobní anaerobní -anoxická kontaktní nádrž měla NH4+-Míra odstraňování N 59,46 % a aerobní nádrž MBBR měla NH4+-Míra odstranění N 24,24 %. Úsek A2O se na celkovém NH podílel 93,57 %.4+-N odstranění. Vysoké NH4+-Odstranění dusíku v sekci A2O je způsobeno nepřetržitým provzdušňováním v aerobní nádrži MBBR, což umožňuje nitrifikačním bakteriím plně využít DO k přeměně NH4+-N až NE3--N. Ten je poté recirkulován do anoxické nádrže, kde denitrifikační bakterie přeměňují NO3--N až N2 k odstranění. Během testovacího období byla průměrná rychlost odstraňování TN 68,40 % a průměrná rychlost NH4+-Míra odstraňování dusíku byla 89,45 %, což ukazuje na dobrý výkon při odstraňování dusíku.
Jak je uvedeno vObrázek 3jak teplota vody klesla z 32 stupňů na 0 stupňů, rychlost odstraňování TN se snížila z maxima 79,19 % na 51,38 %. V kombinaci sObrázek 5 (a), when water temperature was >20 stupňů, průměrná rychlost odstraňování TN přesáhla 75 %, s průměrnou koncentrací odpadních vod 8,41 mg/l, protože mikrobiální aktivita je vyšší v rozsahu 20~32 stupňů, což vede k lepší denitrifikaci, což je v souladu s výzkumem Zhang Na et al. Když teplota vody klesla z 20 stupňů na 5 stupňů, průměrná rychlost odstraňování TN se snížila na 65,44 % a průměrná koncentrace odpadních vod se zvýšila na 12,70 mg/l. Když byla teplota vody 0~5 stupňů, průměrná rychlost odstraňování TN se snížila na 52,75 % a průměrná koncentrace odpadních vod se zvýšila na 17,62 mg/l, což ukazuje na určitý dopad na odstraňování TN. Studie ukazují, že když teplota vody klesá, mikrobiální aktivita je inhibována. Při teplotě 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 stupňů, výkon odstraňování TN je dobrý, s odtokem stabilním pod 15 mg/l. V tomto bodě, s ohledem na odstraňování dalších znečišťujících látek, lze kapacitu čištění odpadních vod vhodně zvýšit.
Jak je uvedeno vObrázek 3jak teplota vody postupně klesala, NH4+-Míra odstraňování N se snížila z maxima 99,52 % na minimum 74,77 % a vytékající NH4+-Koncentrace N se zvýšila z minima 0,17 mg/l na 8,40 mg/l. Snížení teploty vody inhibuje aktivitu nitrifikačních a nitrifikačních bakterií, snižuje NH4+-N removal. However, when water temperature >12 stupňů, průměrný odtok NH4+-Koncentrace N byla 1,58 mg/l. Když je teplota vody menší nebo rovna 12 stupňům, průměrný odtok NH4+-Koncentrace N se zvýšila na 6,58 mg/l, ale vytékal NH4+-N vždy splňovalo standard A třídy DB 34/3527-2019. Když teplota vody byla 20~32 stupňů, průměrný NH4+-Míra odstranění N přesáhla 96 %. V kombinaci sObrázek 5 (b), odpadní voda NH4+-Koncentrace N byla v tomto rozmezí pod 2 mg/l, což ukazuje na vysokou aktivitu nitrifikačních bakterií a vynikající celkový NH4+-N odstranění. Když teplota vody postupně klesala z 20 stupňů na 12 stupňů, průměrný NH4+-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 stupňů je vhodný pro růst nitrifikačních bakterií, podporuje nitrifikaci. Proto NH4+-N udržoval vysokou rychlost odstraňování v rozsahu 12~20 stupňů. Když teplota vody postupně klesala z 12 stupňů na 0 stupňů, průměrný NH4+-Míra odstranění N stále dosáhla 80 %. Stávající výzkum ukazuje, že nitrifikační bakterie téměř ztrácejí nitrifikační kapacitu při 0 stupních. Výsledky této studie však ukazují, že i při 0 stupních je NH4+-Rychlost odstraňování dusíku přesáhla 75 %, což ukazuje na dobrý výkon nitrifikace tohoto procesu při nízkých teplotách. Je to proto, že systém IFAS v části A2O-MBBR této studie má dlouhé stáří biofilmu kalu až asi 1 měsíc, díky čemuž je rychlost nitrifikace v biochemické nádrži mnohem méně ovlivněna teplotou než tradiční procesy s aktivovaným kalem, což výrazně zlepšuje výkon nitrifikace při nízkých zimních teplotách. Výzkum Wei Xiaohan et al. také naznačuje, že hlavním důvodem-nevyhovující NH4+-Odtokem za podmínek nízké teploty vody je nedostatečné stáří aktivovaného kalu, přičemž vliv teploty na aktivitu nitrifikátoru je sekundární. Přestože tedy klesající teplota vody do určité míry ovlivnila aktivitu nitrifikátoru, dostatečné stáří kalu v tomto procesu zajistilo NH4+-Odstranění N při nízkých teplotách. Během zkušebního období byl průměrný výtok NH4+-Koncentrace N byla 3,50 mg/l a kombinovaný proces vykazoval dobrý a stabilní výkon nitrifikace.
2.2.3 Účinnost odstraňování fosforu
Jak je uvedeno vObrázek 3rychlost odstraňování TP se se změnami teploty vody měnila jen málo a zůstala stabilní nad 94 %. V kombinaci sObrázek 6, koncentrace TP v přítoku se pohybovala v rozmezí 3,03~4,14 mg/l a koncentrace TP ve výtoku se pohybovala v rozmezí od 0,14~0,28 mg/l, což splňuje standard Grade A DB 34/3527-2019. Tento proces spoléhá na kombinované působení biologického odstraňování fosforu (pomocí PAO) a chemického odstraňování fosforu (pomocí PAC). Když teplota vody klesá, aktivita PAO je inhibována, což ovlivňuje biologické odstraňování fosforu. Tento proces však doplňuje chemické odstraňování fosforu dávkováním 3,7 g/d PAC, čímž se udržuje stabilní rychlost odstraňování TP a snižuje se dopad změn teploty vody na odstraňování fosforu v kombinovaném procesu. Jednotka A2O měla nejlepší výkon při odstraňování TP. Průměrná koncentrace TP v anaerobních-anoxických jednotkách byla 2,48 mg/l, s rychlostí odstraňování 32,61 %. Průměrná koncentrace TP v aerobní jednotce byla 0,29 mg/l s rychlostí odstraňování 59,51 %. Celková rychlost odstraňování TP pro jednotku A20 byla 92,12 %. Přepážkový design sekce A2O-MBBR dokáže z velké části odstranit dusičnanový dusík nesený v recirkulovaném směsném louhu, což umožňuje anaerobním PAO důkladněji uvolňovat fosfor v anaerobní části a plněji absorbovat fosfor v aerobní části, čímž se zlepšuje biologické odstraňování fosforu. Chemické odstraňování fosforu dávkováním na jednu stranu aerobní nádrže MBBR navíc udrželo stabilní rychlost odstraňování TP s kvalitou odtoku stabilně lepší než standard třídy A podle DB 34/3527-2019. K biologickému odstraňování fosforu v sekci A2O-MBBR dochází hlavně tehdy, když PAO v anaerobní nádrži s přepážkami využívají zdroje uhlíku k přeměně části organické hmoty a těkavých mastných kyselin na polyhydroxyalkanoáty (PHA). Když odpadní voda proudí z anaerobní nádrže s přepážkami do aerobní nádrže MBBR, PAO pak používají PHA jako donory elektronů k úplnému vychytávání fosforu. Účinnost biologického odstraňování fosforu je však snadno ovlivněna aktivitou PAO a nízká teplota vody omezuje aktivitu PAO. Proto, aby bylo dosaženo stabilního odstraňování fosforu, bylo do návrhu procesu začleněno chemické odstraňování fosforu. Kromě toho adsorpce vrstvou substrátu v mokřadech s podpovrchovým tokem na bázi uhlíku a růst ponořených rostlin v ekologickém jezírku také absorbuje určitý fosfor.
Stručně řečeno, zařízení fungovalo během zkušebního období stabilně s dobrým celkovým výkonem odstraňování znečišťujících látek. Kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs dosáhl průměrné rychlosti odstraňování 68,40 %, 89,45 %, 73,94 % a 94,04 % pro TN, NH4+-N, COD a TP. Průměrné koncentrace v odpadních vodách byly 11,69 mg/l, 3,50 mg/l, 26,9 mg/l a 0,22 mg/l, přičemž všechny splňovaly normu stupně A podle DB 34/3527-2019. Výzkum Wu Qiong et al. označuje, že A2O-MBBR je kompozitní proces aktivovaného kalu a biofilmu, který se vyznačuje velkým mikrobiálním množstvím, dlouhým stářím kalu, vysokým objemovým zatížením, malým objemem a půdorysem, silnou odolností vůči rázovému zatížení, dobrou kvalitou odpadních vod a stabilním provozem. Navíc denitrifikace procesů s biofilmem v zimě je lepší než u procesů s aktivovaným kalem, takže je vhodnější pro čištění nízkoteplotních odpadních vod v zimě. To je také hlavní důvod pro dobré odstraňování znečišťujících látek v sekci A2O-MBBR v této studii. Kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs v této studii přidává zónu leštění CWs na základě procesu A2O-MBBR, což dále zvyšuje celkový čisticí výkon a provozní stabilitu procesu. Odstranění TN a NH4+-N byl méně ovlivněn sezónními změnami teploty vody, zatímco odstranění CHSK a TP nebylo sezónní teplotou vody téměř ovlivněno. Během zkušebního období vykazoval silnou odolnost vůči rázovému zatížení, díky čemuž je vhodný pro použití ve venkovských oblastech s velkými výkyvy v kvalitě a množství domácí odpadní vody.
2.3 Ekonomická analýza kombinovaného procesu
Náklady tohoto kombinovaného procesu zahrnují především stavební náklady a náklady na provoz čištění odpadních vod. Stavební náklady byly na nastavení experimentálního zařízení, včetně nákupu těles nádrží, pomocného elektrického vybavení, médií, ponorných zařízení a potrubních armatur, celkem přibližně 3 000 CNY. Na základě maximální kapacity čištění odpadních vod během experimentu 0,18 m³/d jsou stavební náklady na m³ vyčištěné odpadní vody přibližně 16 700 CNY. Provozní náklady vznikají hlavně z provozu nastavení, včetně spotřeby energie zařízení, nákladů na chemikálie, nákladů na likvidaci kalu a mzdových nákladů. Elektrické vybavení zahrnuje: napájecí čerpadlo (výkon 2 W, Q=2.8 m³/d), recirkulační čerpadlo (výkon 2 W, Q=2.8 m³/d), provzdušňovač (výkon 5 W, rychlost provzdušňování =5 l/min) a peristaltické dávkovací čerpadlo (výkon 2 W). Vypočteno na základě skutečného maximálního výkonu: napájecí čerpadlo 0,13 W, recirkulační čerpadlo 0,19 W, perlátor 1,25 W, dávkovací čerpadlo 2 W. Celkový skutečný výkon použití je 0,00357 kW, denní spotřeba energie 0,086 kWh. Spotřeba elektrické energie na m³ vyčištěné odpadní vody je 0,48 kWh. Při použití ceny průmyslové elektřiny 0,7 CNY/kWh jsou náklady na elektřinu 0,33 CNY/m³. Chemická cena PAC je asi 2,4 CNY/kg, spotřeba 3,7 g/d. PAC požadované na m³ odpadní vody je 20,56 g, cena 0,05 CNY/m³. Náklady na likvidaci kalu=množství kalu × jednotkové objemové náklady na likvidaci kalu. Produkce suchého kalu na tunu vody je 0,09 kg. Na základě jednotkové ceny dopravy a likvidace kalu z komunální ČOV 60 CNY/tuna, náklady na likvidaci kalu za tunu vody=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Protože pilotní nastavení vyžadovalo pouze pravidelnou kontrolu po provozu, byly náklady na práci odhadnuty na základě skutečných technických zkušeností. Závod s kapacitou 10 000 tun za den obsluhuje 1 až 2 osoby. Za předpokladu, že plat jedné osoby je 3 000 CNY/měsíc, pro 2 osoby je ukazatel nákladů práce asi 0,02 CNY/tunu vody. Podrobnosti o nákladech jsou uvedeny vTabulka 4. V souhrnu jsou náklady na provozní ošetření přibližně 0,46 CNY/m³. S rostoucí kapacitou čištění odpadních vod by se však snižovaly stavební a provozní náklady na tunu vody. Náklady na výstavbu a provoz během pilotního testu jsou pouze orientační.
3. Závěry
Kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs ukázal dobrý výkon pro čištění odpadních vod z venkovských domácností. Odstranění TP a CHSK nebylo do značné míry ovlivněno změnami teploty vody. Průměrné rychlosti odstraňování pro 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 stupňů, kvalita odpadních vod by mohla splňovat normu třídy A GB 18918-2002 "Standard vypouštění znečišťujících látek pro komunální čistírny odpadních vod". Tento proces může účinně využívat organickou hmotu v systému jako zdroj uhlíku pro zvýšení denitrifikace, přičemž udržuje více než 50% odstranění TN i při teplotách vody tak nízkých, jako je 0 stupňů.
Optimální kapacita čištění odpadních vod pro kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs v zimě byla 120 l/den a 180 l/den mimo-zimní období. Sezónní změny teploty vody (postupně klesající z 32 stupňů na 0 stupňů) měly pouze určitý dopad na odstranění dusíku kombinovaným procesem. Rychlost odstraňování TN se snížila ze 79,19 % na 51,38 % a NH4+-Míra odstranění N se snížila z 99,52 % na 74,77 %. I při 0 stupních kvalita odpadních vod stabilně splňovala standard třídy A podle DB 34/3527-2019 a NH4+-Míra odstranění N stále dosáhla 74,77 %. To těží ze systému IFAS, kde stáří kalu až 1 měsíc zajistilo nitrifikaci při nízkých teplotách. Proces fungoval během testovacího období stabilně a vykazoval silnou odolnost vůči změnám teploty vody.
Předběžný proces A2O-MBBR používal dva typy zavěšených nosičů biofilmu pro mikrobiální uchycení, čímž vznikl systém IFAS. Mokřad s podpovrchovým prouděním na bázi uhlíku- používal více médií včetně biouhlu, vápence a zeolitu, což zlepšilo jeho filtrační výkon a zároveň poskytlo dostatek připojovacího povrchu pro mikroorganismy a zlepšilo jeho kapacitu biologického čištění. Předběžný proces A2O-MBBR s IFAS má vysokou koncentraci biomasy. Zadní kompozitní mokřad CWs slouží jako stupeň leštění, dále čistí odpadní vodu, čímž je celý systém odolnější vůči rázovému zatížení.
Kombinovaný proces A2O-MBBR + CWs je vhodný pro čištění odpadních vod z domácností ve venkovských oblastech s velkými výkyvy v kvalitě a množství. Funguje stabilně a efektivně, s náklady na ošetření přibližně 0,46 CNY/m³. Sekce procesu A2O-MBBR+CWs lze navíc flexibilně upravit podle různých norem, scénářů a účelů odpadních vod. Tento kombinovaný proces může poskytnout referenční údaje a základ pro venkovské projekty domácího čištění odpadních vod v Číně, nabídnout cestu využití zdrojů pro nevyužívané pustiny ve venkovských oblastech a má široký potenciál uplatnění na trhu v rámci národního trendu (s velkým důrazem na zlepšení kvality životního prostředí na venkově.