Перформансе уклањања загађивача система С-МББР за третман отпадних вода ниског Ц/Н односа: ЦОД, ТН, НХ₄⁺-Н и ТП анализа

Анализа учинка уклањања загађивача у систему С-МББР за третман отпадних вода са ниским Ц/Н односом

Увод

Са убрзањем урбанизације и индустријализације, повећава се испуштање отпадних вода са ниским односом Ц/Н (низак однос угљеника-према-азоту), које углавном потичу из кућне канализације, прераде хране, пољопривреде и циркулишуће расхладне воде. Да би се решила лоша ефикасност уклањања укупног азота (ТН) у отпадним водама са ниским Ц/Н односом, последњих година су привукле пажњу краткотрајне-нитрификације-денитрификације и истовремене нитрификације и денитрификације (СНД). Релативно говорећи, реакционе услове СНД процеса је лакше контролисати, а истовремено се може постићи и уклањање угљеника и азота. Због тога има значајну предност у третману уклањања азота за отпадне воде са ниским Ц/Н односом. Шаржни реактор за секвенцирање (СБР) олакшава уклањање азота и фосфора контролишући концентрацију раствореног кисеоника. Када је спојен са реактором са покретним слојем биофилма (МББР) да би се формирао С-МББР систем, биофилм на носачима обезбеђује стратификоване услове раста аеробних нитрификујућих бактерија и аноксичних денитрификујућих бактерија, стварајући СНД микроокружење док истовремено повећава специфичну површину и микробну стабилност система. Студије су показале да је С-МББР супериорнији од традиционалних процеса у погледу ефикасности уклањања азота и фосфора, отпорности на ударце и стабилности система.

1 Материјали и методе

1.1 Експериментална поставка.Експериментална поставка се углавном састојала од инфлуентног резервоара, вентилатора за ваздух, уређаја за мешање, резервоара за отпадне воде и главног реактора. Ефективна запремина реактора је била 1,8 Л, а капацитет третмана по циклусу је био 1 Л. Реактор је напуњен новом врстом био-афинативног носача са односом пуњења од приближно 25%. Почетна концентрација испарљивих суспендованих чврстих супстанци (МЛВСС) у реактору била је 3000 мг/Л.

1.2 Експериментални материјали.Афинитетни{0}}модификовани носач пунила је припремљен физичким мешањем и технологијом екструдирања пужовима. Специфична процедура је била следећа: 3% нулто-валентног гвожђа, ХДПЕ и помоћни материјали (2% природни зеолит, 2% поликватернијум-10 и 1% талк) су помешани једнолико. Затим је смеша растопљена помоћу екструдера са једним пужом СЈ-20 и екструдирана у грануларне траке (пречника приближно 5 мм, дужине 5–10 мм). Коначно, ове чврсте честице су екструдиране коришћењем екструдера са једним пужом СЈ-30 да би се произвео коначни носач.

1.3 Радни услови.Постављена су два реактора: један са носачима (С-МББР, означен као Р1) и један без носача (СБР, означен као Р2). Сви остали услови су остали исти. Прва фаза је била покретање-причвршћивања за биофилм, који је радио у СБР режиму са односом 3:3:2. Радни циклус је укључивао фазе утицања, статике, реакције аерације, аноксичног мешања, таложења и ефлуента (3 х анаеробне, 3 х аерације, 2 х мешања/таложења/утицаја/ефлуента). НаХЦО₃ је коришћен за подешавање пХ утицаја на око 8. Након успешног везивања биофилма, концентрација амонијачног азота је промењена да би се смањио однос Ц/Н и експеримент је започео, као што је детаљно описано уТабела 1.

1.4 Експериментална вода и инокулисани муљ.ЦОД, НХ₄⁺-Н и укупни фосфор (ТП) у синтетичкој отпадној води која се користи за покретање биофилма- обезбеђују Ц₆Х₁₂О₆, НХ₄Цл и КХ₂ПО₄, респективно. Елементи у траговима су били састављени од ЕДТА-2На (18,76 г/Л), ЦоЦл₂·6Х₂О (0,3 г/Л), ЦуСО4·5Х2О (0,32 г/Л), НиЦл₂·6Х2О (0,24 г/Л), Х3.ЛБО18 г/0 ЗнСО4·7Х2О (0,54 г/Л), МнЦл2·4Х2О (1,24 г/Л), НаМоО4·2Х2О (0,28 г/Л) и НаВО4·2Х2О (0,1 г/Л). Састав синтетичке отпадне воде је био: Ц₆Х₁₂О₆ (0,47 г/Л), НХ₄Цл (0,095 г/Л), КХ₂ПО₄ (0,022 г/Л), НаЦл (0,1 г/Л), НаХЦО₃ (0,15 г/Л), МХЦО₄ (0,15 г/Л) г/Л), ЦаЦл₂ (0,05 г/Л), ФеСО₄·7Х2О (0,02 г/Л) и елементи у траговима (1 мЛ/Л). Муљ је узет из секундарног таложника постројења за пречишћавање отпадних вода у Далијану.

1.5 Аналитичке методе.Рутински индикатори су мерени према стандардним методама наведеним у „Стандардним методама за испитивање воде и отпадних вода“ (4. издање) и националним стандардима, укључујући анализу капацитета уклањања загађивача, анализу зарастања мембране и анализу производње гаса. Конкретно: НХ₄⁺-Н је мерен спектрофотометријском методом реагенса салицилне киселине; ТП спектрофотометријском методом амонијум-молибдата; НО₃⁻-Н спектрофотометријском методом реагенса салицилне киселине-концентроване сумпорне киселине; НО2⁻-Н Н-(1-нафтил)етилендиамин спектрофотометријском методом; ТН је збир концентрација свих облика азота; ХПК је мерен методом брзе дигестије; а концентрација муља (укључујући МЛСС и МЛВСС) мерена је гравиметријском методом.

2 Резултати и анализа

2.1 Перформансе уклањања ЦОД-а

Органска материја која улази у реактор је уклоњена кроз фазе укључујући анаеробну, аеробну (аерацију), аноксично мешање, таложење и ефлуент.Слика 1приказује перформансе уклањања ЦОД реактора у различитим оперативним фазама. Фаза И је била фаза везивања биофилма, а фазе ИИ, ИИИ и ИВ су биле фазе у којима је однос Ц/Н/П смањен на 100:8:1, 64:8:1 и 32:6:1, респективно. Просечне стопе уклањања за Р1 у свакој фази биле су 95,57%, 96,25%, 92,70% и 94,18%, респективно; просечне стопе уклањања за Р2 у свакој фази биле су 94,71%, 96,19%, 92,54% и 94,68%, респективно. Може се видети да овај процес има добре перформансе уклањања органске материје, а под релативно стабилним условима ефлуента, испуњава захтеве стандарда ГБ 18918-2002 (концентрација ЦОД < 50 мг/Л). Пошто је систем радио на ниском Ц/Н односу, извор угљеника је постао ограничавајући супстрат који покреће ефикасан метаболизам. Није било значајне разлике у уклањању ЦОД-а између Р1 и Р2, што показује да је модификовани носач имао мали утицај на уклањање ЦОД-а.

2.2 Перформансе уклањања НХ₄⁺-Н и ТН

Процес уклањања ТН укључује два главна корака: нитрификацију и денитрификацију. Нитрификација, као аеробни процес, ослања се на довољно аеробних микроорганизама да претворе амонијачни азот у нитрат.Слике 2 и 3показују учинак уклањања НХ₄⁺-Н и ТН реактора, респективно. НХ₄⁺-Н и ТН су углавном уклоњени током аеробне аерације и аноксичних статичких фаза. Фаза И је била фаза везивања биофилма, а фазе ИИ, ИИИ и ИВ су биле фазе у којима је однос Ц/Н/П смањен на 100:8:1, 64:8:1 и 32:6:1, респективно. Просечне стопе уклањања НХ₄⁺-Н за Р1 биле су 92,53%, 95,83%, 99,70% и 98,31%, респективно; просечне стопе уклањања НХ₄⁺-Н за Р2 биле су 84,34%, 91,82%, 99,70% и 97,52%, респективно. Просечне стопе уклањања ТН за Р1 биле су 89,53%, 87,21%, 82,44% и 83,20%, респективно; просечне стопе уклањања ТН за Р2 биле су 78,3%, 78,89%, 73,26% и 76,66%, респективно. У поређењу са Р2, просечне стопе уклањања НХ₄⁺-Н за Р1 су порасле за 9,7%, 4,36%, 0% и 0,82%, респективно; просечне стопе уклањања ТН порасле су за 14,35%, 10,55%, 12,54% и 8,3%, респективно. Може се видети да је систем Р1 надмашио Р2 у уклањању азота у свим фазама, посебно у раним фазама рада система, с тим да се разлика постепено стабилизује у каснијим фазама.

Током прве фазе, концентрација улазног НХ₄⁺-Н била је ниска, а извор угљеника је био релативно довољан да у основи испуни захтеве за денитрификацију, тако да је концентрација ТН у ​​ефлуенту била ниска. Инокулисани микроорганизми су још увек били у фази адаптације, а функционална микробна заједница унутар система није у потпуности успостављена, што је резултирало нестабилним уклањањем НХ₄⁺-Н, али се касније постепено стабилизовало. Није примећена значајна разлика између два реактора (Р1 и Р2) током ове фазе. Уласком у фазу ИИ, концентрација НХ₄⁺-Н нагло се повећала, али услови аерације нису били истовремено прилагођени, што је изазвало значајне флуктуације у систему, посебно у уклањању НХ₄⁺-Н и ТН. После око 6 дана рада, два реактора су постепено повратила стабилност. Спекулише се да је високо оптерећење амонијачним азотом подстакло брзо размножавање нитрификујућих бактерија, чиме је побољшана ефикасност процеса нитрификације. Како је систем настављен, нитрификациони-систем денитрификације у реакторима се постепено успостављао и стабилизовао, а флуктуација концентрације ТН се смањивала. Због присуства модификованог носача, систем Р1 је постигао нижи преостали ТН, при чему је носач побољшао брзину уклањања ТН из реактора и такође побољшао прилагодљивост система ударним оптерећењима. 49. дана, да би се побољшало уклањање ПО₄, интензитет аерације је повећан, промовишући потпунији процес нитрификације. Међутим, повећање нитрата произведеног нитрификацијом довело је до веће потражње за изворима угљеника за денитрификацију, док је улазни извор угљеника био релативно недовољан у овој фази, што је резултирало одређеним степеном повећања ефлуентног ТН. У фази ИИИ, ЦОД је додатно смањен, чинећи извор угљеника доступним за денитрификацију унутар реактора још оскуднијим, додатно ограничавајући уклањање ТН, а укупни ниво концентрације ТН у ​​ефлуенту је повећан. Без обзира на то, систем Р1 је и даље задржао боље перформансе уклањања ТН-а од Р2, показујући појачавајући ефекат носача. У фази ИВ, концентрација амонијачног азота је додатно повећана. На основу искуства из претходне фазе, аерација је мало повећана и време аерације је продужено на 4 сата, промовишући активност нитрификујућих бактерија, чинећи процес нитрификације потпунијим и даље побољшавајући ефикасност уклањања НХ₄⁺-Н. Међутим, суочавајући се са изазовом недостатка извора угљеника, процес денитрификације је био ограничен, а концентрација ТН се благо повећала у каснијој фази. Све у свему, реактор Р1 је и даље био супериорнији у односу на Р2, показујући јачи капацитет уклањања ТН-а, што указује на то да су након{31}}дуготрајног рада стабилна структура биофилма и синергијско аеробно-аноксично окружење формирано у Р1 обезбедили добар простор и услове за истовремени процес нитрификације и денитрификације (СНД). Зханг Кефанг и др. користио је СБР процес за третман отпадних вода са ниским Ц/Н односом, постижући оксидацију органске материје, нитрификацију и денитрификацију унутар једног реактора, са стопом уклањања ТН која прелази 80%. Ови резултати ефективно показују да је једностепена биолошка денитрификација{38}}у потпуности изводљива.

2.3 Перформансе уклањања ТП-а

У третману отпадних вода, уклањање фосфора се углавном ослања на специфичне микроорганизме, као што су организми који акумулирају фосфор{0}}(ПАО), који апсорбују растворљиви фосфор у аеробним условима и ослобађају фосфор у анаеробним условима.Слика 4приказује перформансе уклањања ТП реактора. ТП је уклоњен током фазе аеробне аерације. Концентрација ТП у фазама И, ИИ и ИИИ остала је непромењена, са просечном концентрацијом утицаја од 5,01 мг/Л. У ИВ стадијуму, просечна концентрација ТП утицаја била је 10,30 мг/Л. Просечне концентрације ефлуента за Р1 у свакој фази биле су 0,27 мг/Л, 0,16 мг/Л, 0,13 мг/Л и 1,92 мг/Л, респективно, са просечним стопама уклањања од 94,73%, 96,78%, 97,54% и 81,35%, респективно. Просечне концентрације ефлуента за Р2 биле су 0,39 мг/Л, 0,35 мг/Л, 0,33 мг/Л и 0,33 мг/Л, респективно, са просечним стопама уклањања од 92,19%, 93,01%, 93,61% и 68,79%, респективно. У поређењу са Р2, просечне стопе уклањања ТП за Р1 су порасле за 2,75%, 4,05%, 4,20% и 18,26% у свакој фази, респективно.

У систему Р1, носач обезбеђује површину за везивање микроба, промовишући раст и метаболизам ПАО, помажући да се формира стабилан биофилм, појачавајући активност микробне заједнице, чиме се побољшава капацитет уклањања фосфора из реактора и чини процес биолошког уклањања фосфора ефикаснијим. У фази ИИ, променом концентрације НХ₄⁺-Н ради промовисања нитрификације, потрошња кисеоника у систему се повећала. Због тога је 49. дана повећана аерација да би се убрзало уклањање фосфора. У ИИИ фази, смањење ЦОД-а довело је до недостатка извора угљеника, који не само да је ометао процес денитрификације већ је утицао и на метаболичку активност ПАО. У фази ИВ, систем је пропао јер је однос Ц/Н у реактору пао са 8 на 5,3. Појачана конкуренција за изворе угљеника смањила је расположиви извор угљеника за ПАО у анаеробној фази, што је довело до смањења синтезе ПХА, што је заузврат утицало на хидролизу полифосфата и оксидацију ПХА у аеробним условима, на крају ометајући раст ПАО и капацитет узимања фосфора, и резултирајући смањеном ефикасношћу уклањања фосфора. Међутим, преостали фосфор у Р1 је и даље био нижи од оног у Р2, што указује да је промотивни ефекат носача и даље постојао.

3 Закључак

Упоредни експеримент је спроведен између конструисаног С-МББР система и СБР система да би се систематски проценио њихов учинак уклањања азота и фосфора у условима ниског односа Ц/Н отпадних вода. Резултати су показали да је С-МББР систем надмашио конвенционални СБР систем у уклањању ЦОД, НХ₄⁺-Н, ТН и ТП. Нарочито у условима недостатка извора угљеника-, максимално повећање у стопама уклањања за ТН и НХ₄⁺-Н достигло је 14,35% односно 8,19%. Поред тога, С-МББР систем је показао јаку отпорност на ударе оптерећења и стабилност ефлуента у различитим оперативним фазама. Увођење суспендованих носача ефикасно је оптимизовало структуру микроокружења система, промовисало појаву истовремене нитрификације и денитрификације (СНД), побољшало микробну разноликост и метаболичку активност и побољшало укупни капацитет третмана система. Резултати истраживања показују да С-МББР технологија има добре изгледе за примену за третман отпадних вода са ниским Ц/Н односом и може пружити техничку подршку за оптимизацију и унапређење постојећих процеса пречишћавања отпадних вода.