Карактеризација загађивања и опоравак перформанси аерације дифузора финих{0}}пора у постројењима за пречишћавање отпадних вода
Као критични корак у процесу активног муља у постројењима за пречишћавање комуналних отпадних вода (ППОВ), аерација за снабдевање кисеоником не само да обезбеђује довољно кисеоника за одржавање основних животних активности микроорганизама, већ и задржава муљ суспендованим, олакшавајући адсорпцију и уклањање загађивача. Аерација је такође јединица{1}}која највише троши енергију у ППОВ, чинећи 45% до 75% укупне потрошње енергије постројења. Дакле, перформансе система за аерацију директно утичу на ефикасност третмана и оперативне трошкове ППОВ. Опрема за аерацију је кључна компонента система за аерацију, а аератори са финим мехурићима се најчешће користе у општинским ППОВ због њихове високе ефикасности преноса кисеоника (ОТЕ). Међутим, током-дуготрајног рада, загађивачи се неизбежно акумулирају на површини и унутар пора аератора. Да би се обезбедио квалитет отпадних вода, потребно је додатно довод ваздуха из дуваљки, што доводи до повећане потрошње енергије. Штавише, загађење погоршава зачепљење пора и мења материјал аератора. Губитак притиска (динамички влажни притисак, ДВП) компоненти аератора се повећава током продуженог рада, подижући излазни ваздушни притисак вентилатора и изазивајући даље трошење енергије.
Загађивачи који се акумулирају на површини и унутар пора аератора са финим мехурићима укључују биолошка, органска и неорганска запрљања. Органско загађивање настаје као резултат адсорпције и таложења органске материје и таложења микробних секрета. Неорганско загађивање се обично састоји од хемијских талога формираних од поливалентних катјона, као што су метални оксиди. На основу тога да ли се могу уклонити физичким чишћењем, загађивачи се могу категорисати као физички реверзибилне или физички неповратне онечишћења. Физички реверзибилне нечистоће могу се уклонити једноставним физичким методама као што је механичко рибање, пошто су ови загађивачи лабаво причвршћени за површину аератора. Физички неповратна прљавштина се не може елиминисати физичким чишћењем и захтева темељније хемијско чишћење. У оквиру физички иреверзибилног загађивања, загађивачи који се могу уклонити хемијским чишћењем називају се хемијски реверзибилним запрљавањем, док се они који се не могу уклонити чак ни хемијским чишћењем сматрају непоправљивим запрљањем.
Тренутно, аератори са финим мехурићима који се користе у земљи укључују традиционалне гумене материјале као што је етилен пропилен диен мономер (ЕПДМ) и новије материјале као што је полиетилен високе -полиетилена (ХДПЕ). Слој за дистрибуцију гаса ХДПЕ аератора се формира премазивањем унутрашње цеви за довод ваздуха растопљеним полимером, са пречником пора приближно (4,0 ± 0,5) мм. ХДПЕ нуди добра хемијска, механичка својства и отпорност на ударце и дуг радни век. Међутим, његове поре су недоследне и неравномерно распоређене, што их чини подложним таложењу загађивача. ЕПДМ материјал је веома флексибилан, са порама створеним механичким резањем. ЕПДМ аератори имају већи број пора по јединици површине, производећи мање мехуриће (минимално до 0,5 мм). Хидрофилна природа гумене мембране такође погодује формирању мехурића. Међутим, микроорганизми имају тенденцију да се вежу и расту на ЕПДМ површинама, користећи пластификаторе као супстрат. Истовремено, потрошња пластификатора доводи до стврдњавања материјала аератора, што на крају доводи до оштећења од замора и скраћеног радног века. Стога је неопходно истражити обрасце акумулације загађивача на ова два материјала и последичне промене у ефикасности преноса кисеоника и губитку притиска.
У овој студији су замењени фини мехурасти аератори након година рада са два општинска ППОВ са сличним процесним условима као субјекти истраживања. Загађивачи на аераторима су екстраховани и карактерисани слој по слој да би се идентификовале њихове главне компоненте. На основу овога, процењена је ефикасност метода чишћења у обнављању ефикасности преноса кисеоника у аераторима, са циљем да се обезбеде основни подаци и техничке референце за дугорочно-оптимизован и стабилан рад система за аерацију са финим мехурићима.
1 Материјали и методе
1.1 Увод у постројења за пречишћавање отпадних вода
Оба ППОВ се налазе у Шангају и користе анаеробни-аноксични-оксидни (ААО) процес као основни третман. ППОВ А користи вортекс комору + конвенционални ААО + високо{5}}ефикасни филтер од влакана + процес УВ дезинфекције. ППОВ Б користи комору са газираним песком + конвенционални ААО + високо{10}}ефикасни таложник + процес УВ дезинфекције. Оба постројења стабилно испуњавају стандард разреда А „Стандарда за испуштање загађујућих материја за постројења за пречишћавање комуналних отпадних вода“ (ГБ 18918-2002). Специфични дизајн и оперативни параметри су приказани уТабела 1.
1.2 Екстракција и карактеризација загађивача из аератора
Аератори са финим мехурићима коришћени у експериментима били су цевасти ХДПЕ аератор (Ецополемер, Украјина) сакупљен из фабрике А и цевасти ЕПДМ аератор (ЕДИ-ФлекАир, САД) сакупљен из фабрике Б. Фотографије оба су приказане наСлика 1. Стара ХДПЕ цев је била у функцији 10 година, димензија Д×Л=120 мм×1000 мм и пречника пора (4±0,50) мм, способна да произведе фине мехуриће од 2~5 мм. Стара ЕПДМ цев је радила 3 године, димензија Д×Л=91 мм×1003 мм, производећи фине мехуриће од 1,0~1,2 мм, са минималним пречником мехурића од 0,5 мм.
Старе ХДПЕ и ЕПДМ цеви су извучене из аеробних резервоара, постављене на прозирну фолију и испране дејонизованом водом. Механичко чишћење је обављено помоћу пламеном{1}}стерилизоване оштрице да би се састругали загађивачи причвршћени за површину аератора.
Да би се даље проучавао утицај онечишћења на перформансе преноса кисеоника, извршено је хемијско чишћење ХДПЕ цеви. После механичког рибања, ХДПЕ цев је натопљена у 5% ХЦл и 5% раствору НаЦлО током 24 сата. Старе епрувете, механички очишћене епрувете и хемијски очишћене епрувете су сушене у пећници на 60 степени (модел КСМТС-6000) 60 сати. Њихове површине су затим испитане помоћу скенирајуће електронске микроскопије (СЕМ, модел ЈСМ-7800Ф, Јапан), енергетски дисперзивне рендгенске спектроскопије (ЕДКС, Окфорд Инструментс, УК) и конфокалне ласерске скенирајуће микроскопије (ЦЛСМ, модел ТЦС СП8, Немачка). Раствор за чишћење ХЦл је филтриран кроз мембрану од 0,45 μм, а квантитативна анализа поливалентних катјона (укључујући Ца, Мг, Ал, Фе јоне итд.) је извршена применом индуктивно спрегнуте плазма оптичке емисионе спектрометрије (ИЦП, модел ИЦПС-7510, Јапан). Како ХЦл и НаЦлО могу изазвати денатурацију и старење ЕПДМ мембране, хемијско чишћење није обављено на ЕПДМ цеви. ЕПДМ цев је исечена на комаде мембране величине 5 цм × 5 цм и натопљена ХЦл за квантитативну анализу поливалентних катјона у раствору.
1.3 Апарат и метода за испитивање перформанси преноса кисеоника аератором
Перформансе преноса кисеоника аератора са финим мехурићима тестиране су према „Одређивање перформанси преноса кисеоника у чистој води аератора са финим мехурићима“ (ЦЈ/Т 475-2015). Подешавање теста је приказано уСлика 2.
Апарат је од нерђајућег{0}}конструкције од нерђајућег челика димензија 1,2 м × 0,3 м × 1,4 м, са прозорима од органског стакла са обе стране. Аератор је фиксиран на средњем дну помоћу металног носача, са дубином урањања од 1,0 м. Мулти{7}}анализатор квалитета воде (Хацх ХК30Д, САД) је коришћен за праћење концентрације раствореног кисеоника (ДО) у реалном-времену. Анхидровани натријум сулфит је коришћен као средство за деоксигенацију, а кобалт хлорид као катализатор. Очитавање мерача притиска представљало је динамички влажни притисак аератора (ДВП, кПа). Резултати мерења су кориговани за температуру, салинитет и ДО. Као индекс евалуације коришћена је стандардизована ефикасност преноса кисеоника (СОТЕ, %).
Потрошња енергије вентилатора је повезана са доводним и излазним притиском ваздуха, на које утичу СОТЕ и ДВП аератора, респективно. Због тога је за процену перформанси аератора коришћен индекс потрошње енергије аерације Ј (кПа·х/г), који представља комбиновани ефекат СОТЕ и ДВП. Дефинише се као губитак притиска који аератор мора да савлада по јединици масе пренетог кисеоника. Ј се израчунава из нагиба уклапања линеарне регресије између ДВП/СОТЕ и брзине протока ваздуха (АФР), као што је приказано у следећој једначини:
где:
АФРје брзина протока ваздуха, м³/х;
ρваздухје густина ваздуха, узета као 1,29 × 10³ г/м³ на 20 степени;
yO2је садржај кисеоника у ваздуху, узет као 0,23 г О₂/г ваздуха.
2 Резултати и анализа
2.1 Перформансе преноса кисеоника нових, старих и очишћених аератора
Слика 3приказује СОТЕ и ДВП аератора при различитим брзинама протока ваздуха.
Са слика 3(а) и (б), вредности СОТЕ за нове ХДПЕ и нове ЕПДМ цеви биле су (7,36±0,53)% и (9,68±1,84)%, респективно. ЕПДМ цев производи мање мехуриће са већом специфичном површином, повећавајући површину контакта гаса{6}}течности и време задржавања, што доводи до већег СОТЕ. СОТЕ оба аератора се смањивао са повећањем АФР јер већи АФР повећава број мехурића и почетну брзину, што доводи до више судара мехурића и формирања већих мехурића, што отежава пренос кисеоника из гасне у течну фазу. СОТЕ ЕПДМ цеви показао је израженији тренд смањења са повећањем АФР у поређењу са ХДПЕ цеви. То је зато што су поре ХДПЕ аератора круте и не мењају се са АФР, док су поре ЕПДМ аератора флексибилне и шире се отварају са повећаним АФР, формирајући веће мехуриће и даље смањујући СОТЕ.
После-дуготрајног рада, СОТЕ ХДПЕ цеви је пао на (5,39±0,62)%, смањење од 26,7%, углавном због акумулације загађивача која зачепљује поре и смањује број ефикасних пора за стварање мехурића. Механичко чишћење је повећало СОТЕ ХДПЕ цеви на (5,59±0,66)%, али опоравак није био значајан, вероватно зато што загађивачи на ХДПЕ цеви нису били само причвршћени за површину, већ су и таложени унутар пора, што их отежава за уклањање механичким рибањем. Јианг ет ал. открили да НаЦлО може ефикасно уклонити загађиваче из ХДПЕ цеви и вратити њихове перформансе аерације. После чишћења НаЦлО, СОТЕ ХДПЕ цеви се повратио на (6,14±0,63)%, што је 83,4% нивоа нове цеви, и даље не може да се у потпуности опорави. То је зато што, током дужег рада, загађивачи постају чврсто везани, мењајући структуру пора, ометајући проток ваздуха, повећавајући коалесценцију мехурића, смањујући специфичну површину мехурића и време задржавања, и на тај начин ометају пренос кисеоника. Истовремено, запрљавање узрокује неравномерну дистрибуцију ваздуха, смањујући укупне перформансе.
СОТЕ старе ЕПДМ цеви је пао на (9,06±1,75)%, смањење од 6,4%. Поред зачепљења пора услед акумулације загађивача, биолошко загађивање троши пластификаторе у материјалу, стврдњавајући аератор и деформишући поре. Деформисане поре не могу да се врате у првобитно стање, производећи веће мехуриће и снижавајући СОТЕ. Механичко рибање је повећало СОТЕ ЕПДМ цеви на (9,47±1,87)%, скоро га враћајући на ниво нове цеви, што указује да су загађивачи на ЕПДМ цеви лабаво причвршћени за површину и да се углавном могу уклонити механичким рибањем.
Са слика 3(ц) и (д), ДВП нове ЕПДМ цеви био је (6,47±0,66) кПа, значајно већи од оног код нове ХДПЕ цеви [(1,47±0,49) кПа]. То је зато што је пречник пора ЕПДМ цеви мањи од пречника ХДПЕ цеви, што резултира већим отпором када се мехурићи истискују. После дуготрајног рада, ДВП старе ХДПЕ цеви се повећао на (4,36±0,56) кПа, 2,97 пута више од нове цеви. Повећање ДВП је повезано и са степеном зачепљења пора и са променама материјала. Механичко чишћење смањило је ДВП ХДПЕ цеви на 2,25 пута већу од нове цеви. Чишћење НаЦлО додатно га је смањило на (2,04±0,45) кПа, 1,39 пута више од нове цеви. Ово поново указује на то да је већина загађивача на ХДПЕ цеви депонована унутар пора и да се не може ефикасно уклонити механичким рибањем, што захтева чишћење НаЦлО да би се повратио учинак. ДВП старе ЕПДМ цеви повећао се на (8,10 ± 0,94) кПа, 1,25 пута више од нове цеви, и смањио се на 1,10 пута након механичког чишћења.
Слика 4приказује промену ДВП/СОТЕ (означено као ДВП') са АФР за аераторе.
Једначина линеарне регресије је коришћена за уклапање ДВП' у односу на АФР, а параметар потрошње енергије Ј је добијен из нагиба. Вредности Ј за нове ХДПЕ и нове ЕПДМ цеви биле су 0,064 и 0,204 кПа·х/г, респективно, што указује да по јединици масе пренетог кисеоника, ЕПДМ цев мора да превазиђе већи губитак притиска. У време замене, вредности Ј за ХДПЕ и ЕПДМ цеви су порасле на 0,251 и 0,274 кПа·х/г, респективно. Запрљање аератора које доводи до повећаног губитка притиска може утицати на сигуран рад дуваљке. После механичког чишћења, вредности Ј за ХДПЕ и ЕПДМ цеви су се смањиле на 0,184 и 0,237 кПа·х/г, респективно. Промене Ј се могу користити за квантитативну анализу загађивача аератора. Разлика у Ј између старе цеви и механички очишћене цеви је узрокована физички реверзибилним запрљањем. Разлика између механички очишћене цеви и нове цеви је узрокована физички неповратним запрљањем. Разлика између механички очишћене цеви и хемијски очишћене цеви је узрокована хемијски реверзибилним прљањем, док је разлика између хемијски очишћене цеви и нове цеви узрокована непоправљивим запрљањем. На слици 5 приказане су промене у параметру потрошње енергије Ј за аераторе.
ОдСлика 5, за ХДПЕ цев, физички реверзибилно и физички иреверзибилно прљање чинило је 35,8% и 64,2% укупног запрљања, респективно. У оквиру физички иреверзибилног обраштаја, хемијски реверзибилно и непоправљиво обраштање чинило је 42,8%, односно 21,4%. За ЕПДМ цев, физички реверзибилно и физички неповратно запрљање чинило је 52,9% и 47,1%, респективно. Непоправљива прљавштина се не појављује у почетку, већ се акумулира током времена, што на крају одређује животни век аератора. Због тога треба успоставити разумне распореде чишћења како би се успорио прелазак са реверзибилног на неповратно загађивање и минимизирало накупљање непоправљивог прљања.
2.2 СЕМ посматрање нових, старих и очишћених аератора
Слика 6приказује СЕМ слике површина нових, старих и механички очишћених аератора. Порозна структура нове ХДПЕ цеви је јасно видљива, док је површина нове ЕПДМ цеви глатка са чистим-изрезаним порама. После неколико година рада, морфологија површине оба аератора значајно се променила. Загађивачи у облику штапића{4}}и неуједначени су у потпуности прекрили површину, са агрегатима загађивача око и унутар пора, ометајући пренос кисеоника и повећавајући губитак притиска. Након механичког рибања, већина загађивача са површине ЕПДМ цеви је уклоњена, али су поре остале зачепљене. За ХДПЕ цев, дебљина слоја загађивача се смањила, али су поре и даље биле покривене.
2.3 Анализа неорганског прљања нових, старих и очишћених аератора
ЕДКС је коришћен за даљу анализу главног елементарног састава површина аератора, са резултатима приказаним уТабела 2. Угљеник, кисеоник, гвожђе, силицијум и калцијум откривени су на ХДПЕ и ЕПДМ површинама. ХДПЕ цев је такође садржала магнезијум, док је ЕПДМ цев садржала алуминијум. Закључује се да су неоргански загађивачи на ХДПЕ цеви били силицијум диоксид, калцијум карбонат, магнезијум карбонат и гвожђе фосфат, док су они на ЕПДМ цеви били силицијум диоксид и алуминијум оксид. Ови неоргански преципитати су настали када су концентрације неорганских јона из комуналних отпадних вода и активног муља достигле засићење на површини аератора. Након механичког рибања, неоргански елементи на површинама аератора показали су малу разлику у поређењу са старим цевима, што указује да механичко рибање не може ефикасно уклонити неорганске загађиваче. Ким и др. открили су да након-дуготрајног рада неоргански загађивачи постају прекривени органским загађивачима, чврсто пријањајући на површину и унутар пора, што их отежава за уклањање механичким рибањем.
Након чишћења ХЦл, јони метала са површина аератора су потпуно уклоњени. ХЦл је кородирао део органског слоја који је покривао површину, продирао у њега и реаговао са металним јонима, уклањајући неорганске талоге неутрализацијом и разградњом. Раствор за чишћење ХЦл који се користи за намакање аератора је анализиран ИЦП-ом да би се израчунао садржај неорганских загађивача. Садржај Ца, Мг и Фе за ХДПЕ цев је био 18,00, 1,62 и 13,90 мг/цм², респективно, док је за ЕПДМ цев садржај Ца, Ал и Фе износио 9,55, 1,61 и 3,38 мг/цм², респективно.
2.4 Анализа органског прљања нових, старих и очишћених аератора
Да би се квантитативно испитала дистрибуција органских загађивача, коришћен је софтвер Имаге Ј за израчунавање биоволумена и односа покривености супстрата укупних ћелија, полисахарида и протеина са ЦЛСМ микрографа, са просецима који су узети као коначни резултати (Слика 7).
Са слике 7(а), протеини и укупне ћелије су биле главне компоненте органских загађивача на ХДПЕ и ЕПДМ цевима, респективно, са максималним укупним запреминама које су достигле 7,66×10⁵ и 7,02×10⁵ μм³. Укупна запремина ћелија на ЕПДМ епрувети била је 2,5 пута већа од ХДПЕ цеви, у складу са налазима Гарридо-Басербе ет ал., који су пријавили већу укупну концентрацију ДНК на старим ЕПДМ аераторима у поређењу са другим материјалима. Вангер и др. открили су да када се микроорганизми вежу за ЕПДМ цеви, ако околини нема довољно органског супстрата, они су се окренули употреби пластификатора ЕПДМ мембране. Микроорганизми могу да користе пластификаторе као извор угљеника, убрзавајући раст и репродукцију, чиме интензивирају биолошко онечишћење на ЕПДМ површини. Садржај полисахарида и протеина у ЕПДМ епрувети био је много нижи од оних у ХДПЕ цеви, вероватно због веће старости муља у постројењу Б у поређењу са постројењем А, што је довело до ниже концентрације екстрацелуларне полимерне супстанце (ЕПС). Као главне компоненте ЕПС-а, протеини и полисахариди које луче микроорганизми постали су значајни извори органских загађивача на површини ХДПЕ цеви у постројењу А.
Након механичког чишћења, количине укупних ћелија, полисахарида и протеина на ХДПЕ епрувети су се смањиле за 1,49×10⁵, 0,13×10⁵ и 1,33×10⁵ μм³, респективно. На ЕПДМ цеви, одговарајућа смањења су била 2,20×10⁵, 1,88×10⁵ и 2,38×10⁵ μм³, респективно. Ово указује да механичко рибање може донекле смањити органско прљање.
Међутим, за ХДПЕ цев, површина покривености супстрата полисахаридима и протеинима се повећала након механичког чишћења-са 2,75% и 6,28% на 4,67% и 7,09%, респективно [Слика 7(б)]. Ово се десило зато што екстрацелуларне полимерне супстанце (ЕПС) поседују висок вискозитет. Сходно томе, механичко рибање је имало контрапродуктиван ефекат ширења протеина, полисахарида и неорганских загађивача по површини ХДПЕ цеви, што је довело до веће покривености површине. Ово вероватно објашњава зашто механичко рибање није успело да значајно поврати ефикасност аерације ХДПЕ цеви.
Након чишћења НаЦлО, укупне ћелије, полисахариди и протеини на ХДПЕ епрувети су се смањили за 2,34×10⁵, 3,42×10⁵ и 4,53×10⁵ μм³, респективно, показујући значајно већу ефикасност уклањања од механичког рибања. НаЦлО оксидира функционалне групе органских загађивача у кетоне, алдехиде и карбоксилне киселине, повећавајући хидрофилност матичних једињења и смањујући адхезију загађивача на аератор. Штавише, флокуле муља и колоиди могу бити разложени оксидансима на фине честице и растворену органску материју.
3 Закључци
①Вредности СОТЕ за нове ХДПЕ и нове ЕПДМ цеви биле су (7,36±0,53)% и (9,68±1,84)%, респективно. СОТЕ ЕПДМ цеви показао је израженији тренд смањења са повећањем АФР у поређењу са ХДПЕ цеви. То је зато што су поре ХДПЕ аератора круте и не мењају се са АФР, док су поре ЕПДМ аератора флексибилне и шире се отварају са повећаним АФР, формирајући веће мехуриће и даље смањујући СОТЕ.
②Због акумулације загађивача на површини и унутрашњим порама, ефикасност преноса кисеоника ХДПЕ цеви смањена је за 26,7%, а њен губитак притиска је порастао на 2,97 пута већи него код нове цеви. Како се већина загађивача на ХДПЕ цеви таложила унутар пора, механичко рибање није било ефикасно. Након хемијског чишћења, СОТЕ ХДПЕ цеви се опоравио на 83,4% нивоа нове цеви, а ДВП се смањио на 1,39 пута више од нове цеви, показујући значајно побољшање перформанси. Међутим, због таложења загађивача, није могао у потпуности да се врати у првобитно стање. За ХДПЕ цев, физички реверзибилно, хемијски реверзибилно и непоправљиво запрљање чинило је 35,8%, 42,8% и 21,4%, респективно.
③После-дуготрајног рада, ефикасност преноса кисеоника ЕПДМ цеви смањена је за 6,4%, а њен губитак притиска је порастао на 1,25 пута већи него у новој цеви. После механичког рибања, перформансе аерације ЕПДМ цеви су скоро враћене на ниво нове цеви, што указује да су загађивачи на ЕПДМ цеви лабаво причвршћени за површину и да се могу у великој мери уклонити механичким рибањем. За ЕПДМ цев, физички реверзибилно и физички неповратно запрљање чинило је 52,9% и 47,1%, респективно.
④Протеини су били главна компонента органских загађивача на ХДПЕ цеви, док су укупне ћелије биле главна компонента на ЕПДМ цеви. То је зато што микроорганизми користе пластификаторе у ЕПДМ материјалу као извор угљеника, убрзавајући њихов раст и репродукцију, чиме интензивирају биолошко онечишћење на аераторима ЕПДМ материјала.