Уклањање амонијачног азота из микро{0}}загађене речне воде и комбиноване канализације коришћењем МББР амбалаже од различитих материјала
Биофилмски реактор са покретним слојем (МББР) комбинује предности процеса активног муља и традиционалног процеса биофилма, чинећи га иновативном и револуционарном технологијом у савременом биолошком третману отпадних вода. Бројне претходне студије су показале да МББР процес може ефикасно да ублажи притисак уклањања азота из градске канализације. Паковање био-носача у МББР процесу може транспортовати биофилм до целог реактора, промовисати контакт између биофилма, кисеоника и реакционих супстрата и побољшати ефикасност реакција деградације. Због своје јединствене стабилности и карактеристика густине, имају широку перспективу примене.
Тренутно је већина паковања за МББР био- углавном направљена од материјала као што су полиетилен (ПЕ), полипропилен (ПП), полиуретан (ПУ) и порозни полиуретан (ППЦ). Међу њима, МББР амбалаже на бази ПЕ- имају добар ефекат уклањања хрома, ЦОДЦр, амонијачног азота, укупног азота, укупног органског угљеника и испарљивих фенола у отпадној води; ПП паковања се углавном користе у комбинованим МББР процесима, као што су МББР-АО комбиновани процес и МББР-МБР комбиновани процес; ПУ и ППЦ паковања имају високу порозност, што може обезбедити већу површину причвршћивања за микроорганизме, омогућавајући микроорганизмима да расту брзо и стабилно, чиме ефикасно уклањају органске загађиваче и различите хранљиве материје у отпадној води. ПЕ и ППЦ паковања су тренутно два широко коришћена типа. ПЕ паковања се шире примењују са бољим перформансама, док ППЦ паковања имају јачу хидрофилност и већу специфичну површину, што погодује везивању микроорганизама. Обе врсте паковања имају своје предности и мане, а обе имају добру механичку чврстоћу и ниску цену. Међутим, постоји неколико извештаја о њиховим ефектима уклањања амонијачног азота из микро-загађене речне воде и комбиноване атмосферске воде-канализације у МББР-АО спојеном процесу. Овај рад истражује утицај додавања различитих типова МББР био-носећих паковања (ПЕ и ППЦ материјала) у МББР-АО спојеном процесу на ефикасност уклањања амонијачног азота из микро-загађене речне воде и комбиноване атмосферске{16}}канализације. Истовремено, анализира брзину формирања биофилма и радни век различитих МББР био-паковањима за носаче, са циљем да се побољшају специфичне методе селекције различитих МББР био-носећих паковања у МББР процесу за третман отпадних вода.
1. Процес третмана отпадних вода
1. 1 Ток процеса и детаљи паковања био-носача
Уређај за третман отпадних вода који се користи у овој студији је само-дизајниран биолошки реактор са флуидизованим слојем, који усваја МББР-АО спојени процес. Главни ток процеса је приказан на слици 1(а), а специфична опрема укључује решетку, пумпу за подизање, МББР био-паковање за носаче, интегрисани високо{5}}биолошки резервоар за уклањање азота, високо{6}}ефикасни таложник, систем за аерацију, итд. 2 м³/х), ефективно хидраулично време задржавања је 5 сати, а ефективна запремина реактора је око 10 м³.
МББР био{0}}носећа паковања у уређају за пречишћавање отпадних вода су паковања на бази ПЕ-а и ППЦ гел носећа амбалажа. Паковање на бази ПЕ- је у облику прстенастог зрачења величине Φ25 мм×10 мм, 19 рупа и петоугаоних канала, са специфичном површином од приближно 500 м²/м³ [Слика 1(б)]; паковања ППЦ гел носача су кубична са величином Φ10 мм×10 мм×10 мм и специфичном површином од око 5.000 м²/м³ [Слика 1(ц)].
1.2 Квалитет канализације
У овој студији, уређај за пречишћавање отпадних вода је коришћен за пречишћавање две врсте водних тела: микро-загађена речна вода и комбинована атмосферска вода-канализација. Микро-загађена речна вода била је из урбане реке у региону Џеђианга са ниским нивоом загађења, а концентрација амонијачног азота је била релативно ниска, са просечном концентрацијом масе од 5 мг/Л. Комбинована атмосферска{6}}канализација је била извор утицаја две канализационе пумпне станице (Пумна станица 1 и Пумпна станица 2) постројења за пречишћавање отпадних вода у Џеђиангу, са релативно високом концентрацијом амонијачног азота у распону од 3 до 20 мг/Л. То је зато што неки оксиди азота у ваздуху реагују са кишницом и формирају азотну киселину или нитрате током периода падавина, што је погодније за репродукцију бактерија које оксидирају амонијак{12}}, што резултира релативно високим садржајем амонијачног азота у канализацији. У међувремену, пХ вредност оба водна тела одржавана је између 7 и 9.
1.3 Радни параметри уређаја за третман отпадних вода
1.2.1 Почетни процес формирања биофилма
Систем за пречишћавање отпадних вода покренут је додавањем паковања у серијама за формирање биофилма. Према стварном ефекту флуидизације паковања у реактору, коначни запремински удео додатих паковања је одређен на 20%. Приликом покретања-процеса, суспендовани муљ у систему није враћен, а однос поврата муља током третмана канализације био је 1:8.
1.2.2 Контрола радних параметара уређаја
Уређај за третман отпадних вода радио је на собној температури (20 степени). Опрема за аерацију на дну уређаја је коришћена за контролу брзине аерације током третмана канализације. У међувремену, доводни проток уређаја је контролисан на 2 м³/х, а остали параметри током третмана канализације су остали у основи конзистентни. Комбинована атмосферска{5}}канализација са пумпне станице 1 и пумпне станице 2, као и микро-загађена речна вода, одабрани су као узорци доводне воде.
2. Резултати и дискусија
2.1 Брзина формирања биофилма МББР паковања са различитим материјалима
Током фазе покретања{0}}уређаја за пречишћавање отпадних вода, квалитет улазне воде је био стабилан. Након додавања паковања у серијама, паковање је подвргнуто нормалном формирању и сазревању биофилма.
Под истим радним условима, стопа формирања биофилма у паковању био{0}}носача са различитим материјалима значајно је варирала због њихових инхерентних карактеристика. Брзина формирања биофилма у паковању на бази ПЕ- била је релативно спора, што је захтевало додавање хемикалија као што је глукоза за затворену аерацију културе. Посматрањем рада ПЕ и ППЦ паковања у МББР-АО спрегнутом процесу, установљено је да се око 5 дана након додавања ПЕ паковања, на површини носача појави танак жућкасто-браон биофилм. После непрекидног рада око недељу дана, велики број парамеција, епистила, ротифера и мала количина вортичеле појавио се на површини носача, што указује да је биофилм у основи зрео и да је покретање система-у овом тренутку завршено. Насупрот томе, стопа формирања биофилма код ППЦ паковања је била бржа, а биофилм је у основи сазрео за око 3 дана, док се муљ могао адсорбовати у унутрашњост паковања. Формирање биофилма помаже да се побољша активност бактерија које-оксидирају амонијак. У поређењу са ПЕ паковањима, велика специфична површина ППЦ паковања је погоднија за формирање биофилма и имобилизацију микроба. За ПЕ амбалажу од истог материјала која третира различите врсте канализације, ефекат формирања биофилма амбалаже је такође показао значајне разлике. На слици 2(а) се може видети да се на површини ПЕ амбалаже налази танак светлосмеђи биофилм у микро-загађеној речној води. Међутим, Слика 2(б) показује да је слој биофилма на површини ПЕ амбалаже у комбинованој атмосферској-канализацији био фрагментиран, што указује да је ефекат формирања биофилма ПЕ амбалаже у микро-загађеној речној води био знатно бољи од оног у комбинованој атмосферској-канализацији. На слици 2(ц) и слици 2(д) се може видети да разлика у ефекту формирања биофилма ППЦ амбалаже у микро-загађеној речној води и комбинованој атмосферској канализацији{28}} није била значајна.
2. 2 Капацитет уклањања амонијачног азота из паковања био-носача са различитим материјалима
Садржај амонијачног азота је кључни индикатор за процену стварног ефекта третмана отпадних вода са пумпних станица. Стога, капацитет уклањања амонијачног азота има важан практични значај за избор био-типова паковања носача у МББР-АО спојеном процесу.
2. 3. Ефекат уклањања амонијачног азота ПЕ и ППЦ амбалаже на микро-загађену речну воду током-краткорочног рада процеса
Као што је приказано на слици 3, просечне масене концентрације амонијачног азота у МББР-АО спојеном процесу са ПЕ и ППЦ паковањима биле су 3,69 мг/Л и 3,39 мг/Л, респективно. У међувремену, стварна концентрација амонијачног азота је значајно осцилирала, што је узроковано падавинама. У процесу са ПЕ амбалажом, просечна количина уклањања амонијачног азота и просечна брзина уклањања микро-загађене речне воде износиле су 3,12 мг/Л и 84,55%, респективно, што је више од оних у процесу са ППЦ паковањима (2,56 мг/Л и 75,52%). Ово указује на то да додавање ПЕ паковања у МББР-АО спојени процес погодније уклањању амонијачног азота из микро-загађене речне воде у кратком року (у року од 12 дана).
2.4 Ефекат уклањања амонијачног азота ПЕ и ППЦ амбалаже на комбиновану атмосферску -канализацију током краткорочног- рада процеса
Као што је приказано на слици 4, током краткорочног-(18-дан) рада процеса МББР-АО спојеног са ПЕ амбалажом, просечне масене концентрације амонијачног азота комбиноване атмосферске воде-канализације из пумпне станице 1 [Слика 4(а)] [Слика 4(а)] [Слика 4(а)] [Слика 4(а)] [Слика 4(а)] [Слика 4мп. мг/Л и 9,35 мг/Л, респективно. Када су ПЕ амбалажа додата у краткорочни-(18-дан) третман комбиноване атмосферске воде-канализације из пумпне станице 1 и пумпне станице 2 коришћењем МББР-АО спојеног процеса, концентрација амонијачног азота у ефлуенту се значајно смањила. Просечне количине уклањања амонијачног азота биле су 6,93 мг/Л и 7,9 мг/Л, са просечним стопама уклањања од 95,71% и 84,49%, респективно. Током краткотрајног-(18-дневног) третмана комбиноване атмосферске-канализације из пумпне станице 1, стопа уклањања амонијачног азота је остала изнад 90%, а достигла је скоро 100% 9. дана. Третирана канализација може бити погоднија за раст везаних микроорганизама, чиме се промовише уклањање амонијачног азота. У међувремену, током краткотрајног-(18-дневног) третмана комбиноване атмосферске воде и канализације из пумпне станице 2, стопа уклањања амонијачног азота углавном је остала око 90%, што указује да додавање ПЕ паковања у МББР-АО спрегнутом процесу има снажан ефекат уклањања амонијачног азота у комбинацији са 18-дневним азотом.
Као што је приказано на слици 5, у процесу МББР-АО спојеном са ППЦ паковањима, масене концентрације амонијачног азота комбиноване атмосферске воде-канализације из пумпне станице 1 [слика 5(а)] и пумпне станице 2 [слика 5(б)] кретале су се од 0 мг/2 до 3 мг/2 до 3 мг/Л2 у односу на са великим колебањима. Ово може бити због падавина које узрокују да азотни оксиди из ваздуха уђу у канализациони систем, што доводи до значајних флуктуација у концентрацији амонијачног азота. Просечне масене концентрације амонијачног азота комбиноване атмосферске{13}}канализације из пумпне станице 1 и пумпне станице 2 биле су 14,76 мг/Л и 13,26 мг/Л, респективно. После краткотрајног третмана (24 дана) МББР-АО спојеним процесом са ППЦ паковањима, концентрација амонијачног азота у ефлуенту се значајно смањила, са просечним масеним концентрацијама од само 5,32 мг/Л и 6,42 мг/Л. Просечне количине уклањања амонијачног азота биле су 9,44 мг/Л и 6,84 мг/Л, а просечне стопе уклањања биле су 63,96% и 51,58%, респективно. Ово указује да ППЦ амбалажа има одређени ефекат на уклањање амонијачног азота из комбиноване атмосферске{30}}канализације. Висока концентрација амонијачног азота у комбинованој канализацији атмосферских вода-може бити последица увођења других сложених компоненти у канализацију, чиме се инхибира разградња амонијачног азота од стране ППЦ амбалаже. У поређењу са ПЕ паковањима, ППЦ паковања имају мање поре и већу порозност. Нечистоће и суспендоване честице у комбинованој канализацији атмосферских вода-могу блокирати поре ППЦ амбалаже, што доводи до агломерације унутар паковања и на тај начин смањује ефикасност уклањања амонијачног азота. У међувремену, претходне студије су откриле да биофилмови мањи од 1 мм могу изазвати блокаду пора унутар паковања. Иако биофилми могу убрзати унутрашњу блокаду паковања, они нису главни фактор.
Током краткорочног рада МББР-АО процеса, просечне стопе уклањања амонијачног азота из ПЕ амбалаже за комбиновану атмосферску-канализацију (95,71% за Црпну станицу 1 и 84,49% за Црпну станицу 2) биле су нешто веће од оних за микрополу{57 речну воду (4%). Насупрот томе, просечне стопе уклањања амонијачног азота из ППЦ амбалаже за комбиновану атмосферску{10}}канализацију (63,96% за пумпну станицу 1 и 51,58% за пумпну станицу 2) биле су нешто ниже од оних за микро{15}}загађену речну воду (75,52%). За ПЕ амбалажу, у поређењу са микро-загађеном речном водом, ниска концентрација раствореног кисеоника у комбинованој атмосферској{19}}канализацији је погоднија за истовремену нитрификацију и денитрификацију микроорганизама на ПЕ амбалажи за уклањање азота. Током формирања биофилма у ППЦ амбалажи, муљ се адсорбује у унутрашњост паковања, што доводи до повећања концентрације раствореног кисеоника, што не погодује истовременој нитрификацији и денитрификацији унутрашњих микроорганизама, што доводи до смањења брзине уклањања амонијачног азота у комбинованој оборинској води{{2}микроводе{2} и речних вода{21}
Укратко, додавање ПЕ амбалаже је погодније за разградњу амонијачног азота у комбинованој атмосферској-канализацији МББР-АО спојеним процесом у кратком року.
Ефекат уклањања амонијачног азота ПЕ и ППЦ амбалаже на комбиновану атмосферску{0}}канализацију током-дуготрајног рада процеса
Као што је приказано на слици 6, током дуготрајног-(96-дана) рада процеса МББР-АО спојеног са ПЕ амбалажом, масене концентрације амонијачног азота комбиноване атмосферске воде-канализације из пумпне станице 1 [Слика 6(а)] (слика 6(а)] и опсега пумпе од 2б до 2 25 мг/Л и 3 до 35 мг/Л, респективно, са великим флуктуацијама. Просечне масене концентрације амонијачног азота биле су 10,20 мг/Л и 8,93 мг/Л, респективно. После третмана МББР-АО спојеним процесом, просечне масене концентрације амонијачног азота у ефлуенту су се смањиле на 2,93 мг/Л и 2,67 мг/Л, са просечним количинама уклањања од 7,27 мг/Л и 6,26 мг/Л, и просечним стопама уклањања од 71,27%, односно 71,27%, респективно 7,27 мг/Л. Није било значајне разлике у разградњи амонијачног азота у комбинованој атмосферској-канализацији из пумпне станице 1 и пумпне станице 2 додавањем ПЕ амбалаже током дуготрајног-(96-дана) рада МББР-АО стопе уклањања спојеног азота је одржавано око 4%. Ово указује да додавање ПЕ паковања у МББР-АО спојени процес има добар ефекат уклањања амонијачног азота у комбинованој атмосферској-канализацији током дуготрајног-(96-дневног) рада. Када је МББР-АО повезан процес са ПЕ паковањима радио у каснијој фази (84-96 дана), без обзира да ли је доток био комбинован са атмосферске воде и канализације из пумпне станице 1 или пумпне станице 2, концентрација амонијачног азота у ефлуенту се значајно повећала, а стопа уклањања амонијачног азота била је значајно нижа од брзине уклањања у раној фази процеса у раној фази рада. То је због тога што се после дуготрајне употребе саме ПЕ амбалаже оштећују и старе, а храпавост површине паковања се мења, што доводи до смањења радне чврстоће и капацитета уклањања амонијачног азота.
Слика 7 приказује промене у концентрацији амонијачног азота, концентрацији амонијачног азота у ефлуенту, количини уклањања амонијачног азота и брзини уклањања амонијачног азота током дуготрајног-функционисања МББР-АО процеса спојеног са ППЦ паковањима. Масене концентрације амонијачног азота комбиноване атмосферске -канализације из Црпне станице 1 [Слика 7(а)] и Црпне станице 2 [Слика 7(б)] кретале су се од 3 до 35 мг/Л, са просечним масеним концентрацијама амонијачног азота од 10,96 мг/Л, односно 10,96 мг/Л, односно 10,96 мг/Л. После третмана МББР-АО спојеним процесом, просечне масене концентрације амонијачног азота у ефлуенту су се смањиле на 3,96 мг/Л и 3,39 мг/Л, са просечним количинама уклањања од 7,00 мг/Л и 4,71 мг/Л, и просечним стопама уклањања од 63,87%, односно 58%. Током-дуготрајног рада МББР-АО процеса, додавање ППЦ паковања имало је нешто бољи ефекат деградације амонијачног азота у комбинованој атмосферској-канализацији из пумпне станице 1 него оне из пумпне станице 2, али разлика није била значајна. Ово указује на то да додавање ППЦ паковања у МББР-АО спојени процес има одређени ефекат уклањања амонијачног азота у комбинованој атмосферској-канализацији током дуготрајног-радња. Брзина уклањања амонијачног азота у процесу МББР-АО спојеног са ППЦ паковањима током дуготрајног-радња била је већа од оне током краткотрајног-радња. То је зато што се током{36}}дуготрајног рада, муљ акумулира унутар ППЦ паковања, формирајући локалну анаеробну или аноксичну средину, која обезбеђује погодну животну средину за животне активности нитрификујућих бактерија. Нитрификујуће бактерије се брзо размножавају, а брзина локалне реакције се убрзава
Укратко, додавање ПЕ амбалаже је погодније за разградњу амонијачног азота у комбинованој атмосферској-канализацији од стране МББР-АО спојеног процеса током дуготрајног-радња. У међувремену, ПЕ амбалаже треба благовремено заменити или очистити након дуготрајне-кориснице како би се осигурало да амонијачни азот из канализације и даље може бити ефикасно уклоњен током-дуготрајног рада МББР-АО процеса.
Радни век паковања за био{0}}носач од различитих материјала
У поређењу са ППЦ паковањем, ПЕ амбалажа има дужи век трајања током-дуготрајног третмана микро-загађене речне воде и комбиноване атмосферске воде-канализације помоћу МББР-АО процеса. Као што је приказано на слици 8(а), ППЦ паковање доживљава шљаку и оштећење током процеса пречишћавања отпадних вода МББР-АО спојеним процесом. У међувремену, старење и агломерација се дешавају унутар паковања након дуготрајног-радња [Слике 8(б) и 8(ц)]. ППЦ паковања имају слабу пропустљивост муља. Иако сунђер{13}}попут ППЦ амбалаже има велику специфичну површину, њихове унутрашње поре се лако адсорбују муљем и тешко се отичу. Дуготрајно-акумулација муља унутар амбалаже има тенденцију да формира анаеробну или аноксичну средину, узрокујући да се боја паковања постепено мења из смеђе у црну. То доводи до проблема као што су трошење, ломљење, старење и агломерација ППЦ паковања током дуготрајног-радња, чиме се скраћује њихов радни век. Ово је такође главни фактор за лош ефекат ППЦ амбалаже у уклањању амонијачног азота из комбиноване атмосферске-канализације [Слике 5(а) и 5(б)]. Насупрот томе, ПЕ амбалажа у основи није имала горенаведене проблеме током дуготрајног-пречишћавања отпадних вода МББР-АО спојеним процесом, уз бољу издржљивост и дужи век трајања. Разумна конфигурација носача може ефикасно ублажити утицај протока воде на биофилм, омогућавајући биофилму да расте стабилно без оштећења.
Закључци
У овој студији, ПЕ био-паковање за носач и ППЦ паковања додато је током процеса пречишћавања отпадних вода МББР-АО спојеног процеса. Испитивани су утицаји материјала за паковање на разградњу амонијачног азота у микро-загађеној речној води и комбинованој атмосферској-канализацији, као и на брзину формирања микробног биофилма и век трајања амбалаже са различитим материјалима. У поређењу са ППЦ паковањима, ПЕ паковања имају спорију стопу формирања биофилма, али дужи век трајања. У међувремену, било да се користи у дугорочно-или краткорочном-третману микро-загађене речне воде и комбиноване атмосферске воде-канализације помоћу МББР-АО спојеног процеса, ПЕ амбалаже показују боље ефекте деградације амонијачног азота. Резултати истраживања пружају техничку подршку за избор материјала за паковање у процесима пречишћавања отпадних вода.