Побољшани микробни третман отпадних вода од белог лука коришћењем МББР + А/О процеса
Преглед
Отпадне воде од белог лукапрвенствено потиче од процеса резања и испирања при преради белог лука. Карактерише гависоке концентрације органске материје, sзначајан ниво азота и фосфора, и садржи значајне количине алицина. Алицин (диалил тиосулфинат) је испарљива течност одговорна за оштар мирис белог лука и хемијски је нестабилан и веома реактиван. Алицин може инхибирати раст различитих микроорганизама. Испуштање отпадних вода високе{3}}концентрације белог лука без третмана изазива озбиљне утицаје на животну средину. Неки истраживачи су користили технике као што су мембранска филтрација, Фентонова оксидација и микро-електролиза, али ове методе нису биле ефикасне за пречишћавање отпадних вода од белог лука, а употреба великих доза хемикалија повећава трошкове накнадног третмана. Многи научници су предложили методе биолошког третмана коришћењем комбинованих анаеробних-аеробних процеса. Међутим, због антибактеријских својстава алицина, микроорганизме је тешко култивисати, а ефикасност лечења није идеална. Стога је фокус биолошког третмана дакултивисати и аклиматизовати сојеве микроба који су способни да се прилагоде отпадним водама белог лука и побољшају њихову биоразградњу.
Ова студија је укључивала култивацију и скринингбактеријски сојеви ефикасни у деградацији отпадних вода белог лука, који су потом уведени у аБиофилмски реактор са покретним креветом (МББР). Коришћењем инокулисаног муља и методе формирања биофилма-које повећава брзину протока, биофилмови су успостављени да побољшају уклањање азота и фосфора из отпадне воде. Након тога је уследио даљи А/О (Анокиц/Окиц) биохемијски третман. Према стандарду ГБ18918-2002, нивои ЦОД-а и амонијачног азота (НХ3-Н) могу задовољити секундарни стандард (ЦОД: 100 мг/Л, НХ3-Н: 25-30 мг/Л). Овај процес ефикасно смањује органски садржај у ефлуенту, смањујући потешкоће у наредним фазама третмана.
1. Експериментална секција
1.1 Дизајн тока процеса
Укупан ток процеса за третман отпадних вода од белог лука је приказан уСлика 1, при чему је основна компонентабиоразградња у систему МББР + А/О. Три прегледана и изолована соја ефикасна у разградњи отпадних вода белог лука – Алцалигенес сп., Ацинетобацтер сп. и Ацхромобацтер сп. – помешани су са активним муљем и уведени у МББР јединицу да би се олакшало њено брзо покретање-.
1.2 МББР + А/О процес третмана
Након проласка кроз груба и фина сита за уклањање суспендованих чврстих материја, отпадна вода белог лука се пумпа директно у МББР. Квалитет утицаја је приказан уТабела 1. Ефлуент из МББР тече директно у А/О систем. Због ниског органског садржаја МББР ефлуента, сирова отпадна вода од белог лука се на одговарајући начин додаје у резервоар за кисеоник (О) да допуни извор угљеника за А/О процес. Да би се тестирала отпорност система на удар, стопа органског оптерећења МББР-а је постепено повећавана током континуираног рада, а квалитет ефлуента је праћен.
1.3 Параметри процеса
1.3.1 Растворени кисеоник (ДО)
Претерано висок ДО у биофилму може спречити денитрификацију, узрокујући да МББР изгуби своју истовремену способност нитрификације и денитрификације. Претерано низак ДО може довести до пролиферације филаментозних бактерија, утичући на квалитет ефлуента и инхибирајући процес нитрификације.
1.3.2 Хидраулично време задржавања (ХРТ)
Претерано кратак ХРТ изазива интензивне реакционе услове, где се отпадна вода која садржи већину органских материја испушта пре него што се потпуно апсорбује. Континуирани прилив одржава микроорганизме у константном стању биоразградње, смањујући ефикасност и повећавајући потрошњу енергије. Претерано дуга ХНЛ доводи до исцрпљивања хранљивих материја; без хранљивих материја, микроорганизми смањују своју активност и метаболичке захтеве само да би одржали преживљавање.
1.3.3 Однос угљеника{1}}према{2}}азоту (Ц/Н)
Низак однос Ц/Н може довести до катализе претварања амонијака у друге супстанце, што утиче на уклањање амонијачног азота. Такође лако изазива филаментно накупљање, континуирани раст који утиче на флокулацију, што доводи до нагомилавања муља и плутајућег муља. Висок однос Ц/Н је неповољан за биоразградњу и раст микроба, повећавајући органско оптерећење микроорганизама.
1.4 МББР Биофилм Покретање{1}}
Покретање биофилма-: Коришћен је метод повећања брзине инокулисаног муља + протока{2}. МБР-обогаћен активни муљ је инокулисан у реактор, са почетном концентрацијом мешаних течних суспендованих чврстих супстанци (МЛСС) од приближно 5,82 г/Л. Започета је аерација, а полиетиленски носачи су додани у реактор са аоднос пуњења од око 60%. ТхеДОу реактору је контролисаноизнад 4,0 мг/Л. Брзина протока је постепено повећавана у корацима од 20 Л/х: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 Л/х, при чему је сваки проток одржаван 1 дан. Ниједан муљ није расипан током ове фазе. Светло жути биофилм се формирао на површини носача где су се микроорганизми везали и расли. Након успешног покретања биофилма-настављен је стабилан рад уз одржавање аВреме задржавања муља (СРТ) од 30 дана. Током стабилног рада, стопа органског пуњења МББР-а је прилагођена како би се посматрао његов утицај на уклањање ЦОД, азота и фосфора.
2. Резултати и дискусија
2.1 Анализа квалитета МББР ефлуента током покретања{1}}биофилма
Интензитет аерације у МББР је подешен да контролише концентрацију ДО. Када је ДО био испод 4,0 мг/Л, интензитет аерације је био недовољан да подржи равномерно турбулентно кретање носача високог{2}}тока, спречавајући адекватно мешање и отежавајући формирање биофилма на површинама носача. Када је ДО био између 4,0–6,0 мг/Л, носачи су се темељно мешали са активним муљем и отпадном водом. Примећена је промена боје од беле до жућкасто-смеђе на носачима, што указује на успешно везивање и раст микроба под овим интензитетом аерације, као што је приказано уСлика 2.
Крива варијације ЦОД довода и ефлуента током почетне{0}}фазе је приказана уСлика 3(а). Почетно смањење ефикасности третмана било је због веома мале количине закачених микроорганизама на носачима; само разградња микроорганизмима у активном муљу била је недовољна за уклањање велике количине органских материја. Како је покретање-напредовало, количина причвршћених микроорганизама на носачима се повећавала, постепено формирајући биофилм. Концентрација ЦОД у ефлуенту се постепено стабилизовала, а ефикасност уклањања ЦОД се стабилизовала изнад 90%.
Крива варијације МББР прилива и ефлуента НХ₃-Н приказана је уСлика 3(б). Нитрификација од стране аеробних бактерија у активном муљу ефикасно је уклонила амонијачни азот. Почевши од 7. дана, концентрација улазног НХ₃-Н постепено се повећавала. До 23. дана, иако је утицај НХ₃-Н и даље био у порасту, стопа уклањања је такође порасла. То је зато што нитрификујуће бактерије у почетку расту споро; временом се њихова популација повећавала, биофилм је сазревао, а стопа уклањања НХ₃-Н постепено се повећавала и стабилизовала.
Крива варијације улазног и ефлуентног ТН МББР приказана је уСлика 3(ц). За разлику од уклањања амонијачног азота, ефикасност уклањања ТН се у почетку смањила. То је зато што је окружење реактора имало довољно кисеоника и извора угљеника, ограничавајући раст денитрификујућих бактерија. Међутим, како се биофилм формирао, ефикасност уклањања ТН-а је почела да се побољшава. До 20. дана, иако се концентрација улазног ТН повећала, ефлуентни ТН и брзина уклањања су се стабилизовали, у распону између 50%-60%.
Крива варијације МББР довода и ефлуента ТП је приказана наСлика 3(д). Од покретања-до стабилног рада, стопа уклањања ТП-а је остала стабилна. Иако је концентрација ТП у почетку била висока, а касније се смањила, ефикасност уклањања није показала значајну промену, што указује на способност система за уклањање фосфора. Стопа уклањања ТП у систему је одржавана између 80%–90%.
Укратко,одржавајући МББР систем ДО између 4-6 мг/Л, зрели биофилм се развија након 20 дана непрекидног храњења. У поређењу са традиционалним процесима активног муља, МББР систем нуди снажну отпорност на ударце и високу ефикасност третмана, ефикасно смањујући потешкоће у наредним фазама третмана отпадних вода прераде белог лука.
2.2 Анализа квалитета отпадних вода током стабилног рада
Након фазе покретања{0}}биофилма, биофилм је сазрео. Да би се тестирала отпорност на удар МББР система, стопа органског оптерећења је континуирано повећавана током стабилног рада.
Крива варијације ЦОД довода МББР и ефлуента током стабилног рада приказана је уСлика 4(а). Од дана 1-5, уз константан доток, ефикасност уклањања ХПК је остала изнад 95%, а концентрација ХПК у ефлуенту достигла је око 100 мг/Л. Од 5. до 20. дана, брзина дотока је повећана, постепено повећавајући органско оптерећење са 20 кгЦОД/м³·д на 30 кгЦОД/м³·д. Није примећена значајна промена у ефикасности уклањања, а ЦОД ефлуента је остао између 80-100 мг/Л, показујући јаку отпорност на удар. После 20. дана, брзина дотока је додатно повећана, континуирано повећавајући органско оптерећење у реактору са 30 кгЦОД/м³·д на 37 кгЦОД/м³·д, одржавано 5 дана. Капацитет уклањања ЦОД-а МББР-а остао је изнад 95%.
Слике 4(б) и (ц)приказују криве варијације за НХ₃-Н и ТН, респективно, током стабилног рада. Од дана 1-5, уз константан прилив, биофилм МББР је показао истовремену нитрификацију и денитрификацију. Аеробне нитрификујуће бактерије причвршћене за спољашњи слој биофилма, потпуно помешане са отпадном водом под аерацијом, трошиле су значајне изворе азота кроз нитрификацију. Денитрификујућа бактерија у унутрашњем аноксичном слоју ефикасно је уклонила нитратни азот кроз денитрификацију. Од 5. до 20. дана, како се брзина прилива повећавала, ефикасност уклањања НХ₃-Н и ТН се у почетку значајно смањила. После око 7 дана непрекидног рада, систем се постепено прилагођавао. Иако се ефикасност уклањања за НХ₃-Н и ТН тада повећала, остала је нижа него током периода ниског-протока. Под сталним дотоком, уклањање НХ₃-Н достигло је преко 90%, са ефлуентом НХ3-Н између 10-15 мг/Л, а уклањање ТН се у основи одржавало изнад 80%, са ефлуентним ТН око 30 мг/Л. Након повећања дотока и систем је достигао нову равнотежу под сталним утицајем, уклањање НХ₃-Н стабилизовало се око 80%, са ефлуентом НХ₃-Н између 50–70 мг/Л и уклањањем ТН око 60%, са ефлуентним ТН испод 50 мг/Л.
Крива варијације за ТП током стабилног рада је приказана наСлика 4(д). Концентрација ТП у ефлуенту је у основи одржавана око 10 мг/Л. У почетку, са константним малим протоком и ниском концентрацијом ТП утицаја, ефекат третмана је био ограничен. Како су се повећавала брзина дотока и концентрација ТП који је утицао, постигнута је висока ефикасност третмана током фазе удара и наредне операције великог-оптерећења, са стопом уклањања ТП-а која је флуктуирала око 90%.
Укратко,под високим органским оптерећењем, ефикасност уклањања ЦОД система остала је углавном непромењена, али се уклањање НХ₃-Н и ТН значајно смањило. Када је органско оптерећење достигло свој максимум од 37 кгЦОД/м³·д, ефикасност уклањања НХ₃-Н и ТН система приметно се смањила.
2.3 Анализа квалитета ефлуента МББР + А/О система
Након фазе покретања{0}}биофилма и једног месеца стабилног рада, А/О процес је додат низводно за напредни третман МББР ефлуента. Градијентно повећање брзине дотока примењено је за повећање укупног органског оптерећења, са циљем да се одреди оптимална брзина дотока, која одговара оптималној ХСТ.
Крива варијације ЦОД-а је приказана уСлика 5(а). Брзина прилива се повећавала узастопно: 100, 120, 130, 150, 170 Л/х. Од почетка до максималног протока, органско оптерећење на МББР систему се повећало са 20 кгЦОД/м³·д на 37 кгЦОД/м³·д. Коначни ефлуент из комбинованог система остао је стабилан, са концентрацијом ЦОД испод 100 мг/Л. Под дуготрајним ударом високог органског оптерећења, МББР систем је добро деловао, иако је ЦОД његовог ефлуента показао благи пораст када је проток достигао 150 Л/х. Након одржавања протока од 170 Л/х током неколико дана, примећен је приметан тренд раста ЦОД ефлуента МББР. Међутим, са накнадним А/О процесом, коначни комбиновани ефлуент система је и даље одржаван испод 100 мг/Л. Ово указује да чак и под високим органским оптерећењем од 37 кгЦОД/м³·д, комбиновани процес и даље има снажан ефекат уклањања отпадних вода прераде белог лука.
Криве варијације за НХ₃-Н и ТН су приказане уСлике 5(б) и (ц), односно. Отпадне воде прераде белог лука имају високе концентрације амонијачног азота и укупног азота, које се временом могу додатно повећати услед оксидације. Обично се концентрација амонијачног азота креће од 300-500 мг/Л, а укупног азота од 450-600 мг/Л. Под истовременом нитрификацијом и денитрификацијом у МББР-у, уклањање амонијачног азота било је ефикасније, вероватно зато што нитрификационе бактерије ефикасније користе отпадну воду под аерацијом. Денитрификујуће бактерије захтевају аноксичне услове и често зависе од утрошеног органског угљеника за денитрификацију. Приликом повећања стопе дотока, ефикасност уклањања НХ₃-Н и ТН је била примарна пажња. Од дана 1–4, због ниског протока и умереног НХ₃-Н, стопа уклањања НХ₃-Н остала је изнад 90%, а ефикасност уклањања ТН се постепено повећавала. Након тога, стопа прилива је значајно повећана. Јасно је примећено да како се брзина дотока повећавала, ефлуентне концентрације НХ₃-Н и ТН у различитим фазама су узастопно расле, при чему су веће стопе дотока довеле до виших концентрација ефлуента. Како се брзина протока повећавала, биомаса на носачима биофилма се повећавала, појачавајући нитрификацију, где се амонијачни азот оксидује нитрификујућим бактеријама у нитрат и нитрит под кисеоником.
Крива варијације концентрације ТП је приказана наСлика 5(д). С обзиром на високе утицајне концентрације ЦОД и ТН, теоретска оптимална концентрација ТП за раст микроба је изнад 100 мг/Л. Међутим, утицајна концентрација ТП била је далеко испод овог теоријског захтева. Због тога је концентрација ТП ефлуента МББР остала око 10 мг/Л, а коначна концентрација ТП у ефлуенту у комбинованом систему одржавана је између 2–3 мг/Л.
Измерене су карактеристике муља МББР система и накнадног А/О система пре и после рада, као што је приказано уТабела 2.
Укратко,када је брзина протока повећана на 150 Л/х, брзине уклањања ЦОД, НХ₃-Н, ТН и ТП биле су веће од оних при другим брзинама протока. ХРТ при овој брзини протока био је 27 сати. Штавише, концентрација муља у МББР и А/О системима се значајно повећала након рада.
3. Закључак
Након формирања биофилма у МББР-у, ефикасност уклањања ЦОД, НХ₃-Н, ТН и ТП је била стабилна. Током једног месеца непрекидног рада у стабилним условима, уклањање ЦОД-а је достигло преко 95%, уклањање НХ₃-Н и ТН стабилизовало се око 80%, а уклањање ТП стабилизовало око 90%.
МББР ефлуент је даље третиран у А/О систему. Комбиновани процес је могао да издржи органско оптерећење до 37 кгЦОД/м³·д. Оптимална операција за цео процес била је под ХСТ од 27 сати. Коначни ефлуент ЦОД се стабилизовао испод 100 мг/Л, НХ₃-Н између 10–20 мг/Л, ТН испод 30 мг/Л, а ТП испод 10 мг/Л. Концентрација муља у МББР систему након рада била је 8,5 г/Л, ау А/О систему је била 4,1 г/Л, оба значајно већа него пре рада, што указује на значајно повећање микробне биомасе. Нивои ЦОД-а и амонијачног азота након биолошког третмана испуњавали су стандард за секундарно пражњење ГБ18918-2002. За даљи третман, Фентонова напредна технологија оксидације могла би да се користи за дубински третман биолошки третираног ефлуента да би се постигао стандард првог нивоа пражњења.