Видалення аміачного азоту з мікро-забрудненої річкової води та комбінованих стічних вод за допомогою ущільнювачів MBBR із різних матеріалів
Реактор біоплівки з рухомим шаром (MBBR) поєднує в собі переваги процесу активованого мулу та традиційного процесу біоплівки, що робить його інноваційною та революційною технологією в сучасній біологічній обробці стічних вод. Численні попередні дослідження показали, що процес MBBR може ефективно зменшити тиск видалення азоту з міських стічних вод. Упаковки біо-носіїв у процесі MBBR можуть транспортувати біоплівку до всього реактора, сприяти контакту між біоплівкою, киснем і реакційними субстратами та підвищувати ефективність реакцій деградації. Завдяки своїм унікальним характеристикам стабільності та щільності вони мають широкі перспективи застосування.
Наразі більшість упаковок для біо-носіїв MBBR виготовляються в основному з таких матеріалів, як поліетилен (PE), поліпропілен (PP), поліуретан (PU) і пористий поліуретан (PPC). Серед них ущільнення MBBR на основі поліетилену (PE-) мають хороший ефект видалення кольоровості, CODCr, аміачного азоту, загального азоту, загального органічного вуглецю та летючих фенолів у стічних водах; ПП-ущільнювачі здебільшого використовуються в комбінованих процесах MBBR, таких як комбінований процес MBBR-AO та комбінований процес MBBR-MBR; Упаковки PU та PPC мають високу пористість, яка може забезпечити більшу площу прикріплення для мікроорганізмів, дозволяючи мікроорганізмам швидко та стабільно рости, тим самим ефективно видаляючи органічні забруднювачі та різні поживні речовини у стічних водах. Упаковка PE та PPC є двома широко використовуваними типами в даний час. Упаковки з поліетилену ширше застосовуються з кращими характеристиками, тоді як упаковки з поліетиленового волокна мають більшу гідрофільність і більшу питому поверхню, що сприяє прикріпленню мікроорганізмів. Обидва типи набивання мають свої переваги і недоліки, і обидва володіють хорошою механічною міцністю і низькою вартістю. Однак є кілька повідомлень про їхні ефекти видалення аміачного азоту з мікро-забрудненої річкової води та комбінованих дощових-стічних вод у сполученому процесі MBBR-AO. У цьому документі досліджується вплив додавання різних типів біо-упаковок-носіїв MBBR (матеріали PE та PPC) у сполучений процес MBBR-AO на ефективність видалення аміачного азоту з мікро-забрудненої річкової води та комбінованих дощових-стічних вод. Одночасно він аналізує швидкість утворення біоплівки та термін служби різних ущільнювачів біо-носіїв MBBR з метою вдосконалення конкретних методів вибору різних ущільнювачів біо-носіїв MBBR у процесі MBBR для очищення стічних вод.
1. Процес очищення стічних вод
1. 1 Деталі упаковки технологічного процесу та біо-носія
Пристрій для очищення стічних вод, який використовується в цьому дослідженні, — це власно-сконструйований біологічний реактор із псевдозрідженим шаром, що використовує сполучений процес MBBR-AO. Основний технологічний процес показано на малюнку 1(a), а спеціальне обладнання включає решітку, підйомний насос, ущільнювачі для біо-носіїв MBBR, інтегрований високо-бак для біологічного видалення азоту, високо-ефективний відстійник, систему аерації тощо. Швидкість потоку в реакторі становить 50 м³/день (приблизно 2 м³/год), ефективний гідравлічний час утримання становить 5 годин, а ефективний об'єм реактора становить близько 10 м³.
Біо{0}}упаковки MBBR у пристрої для очищення стічних вод — це ущільнювачі на основі PE- та гелеві ущільнювачі PPC. Упаковки на основі PE- мають форму кільцевих випромінювань розміром Φ25 мм × 10 мм, 19 отворів і п’ятикутних каналів, з питомою площею поверхні приблизно 500 м²/м³ [Рисунок 1(b)]; Упаковки гелевих носіїв PPC є кубічними з розміром Φ10 мм × 10 мм × 10 мм і питомою площею поверхні приблизно 5000 м²/м³ [Рис. 1(c)].
1.2 Якість стічних вод
У цьому дослідженні пристрій для очищення стічних вод використовувався для очищення двох типів водойм: мікро-забрудненої річкової води та комбінованої зливової-стічної води. Мікро-забруднена річкова вода надходила з міської річки в регіоні Чжецзян з низьким рівнем забруднення, а концентрація аміачного азоту була відносно низькою із середньою масовою концентрацією 5 мг/л. Об’єднані зливові-стічні води були джерелом надходження двох каналізаційних насосних станцій (Насосна станція 1 і Насосна станція 2) очисних споруд у Чжецзяні з відносно високою концентрацією аміачного азоту в діапазоні від 3 до 20 мг/л. Це пояснюється тим, що деякі оксиди азоту в повітрі реагують із дощовою водою з утворенням азотної кислоти або нітратів під час періоду опадів, що більше сприяє розмноженню аміачно-бактерій, що окислюють бактерії, що призводить до відносно високого вмісту аміачного азоту в стічних водах. При цьому значення рН обох водойм підтримувалося між 7 і 9.
1.3 Параметри роботи очисного пристрою
1.2.1 Початковий процес утворення біоплівки
Система очищення стічних вод була запущена шляхом додавання упаковок партіями для формування біоплівки. Згідно з фактичним ефектом псевдозрідження насадок у реакторі, кінцева об’ємна частка доданих насадок була визначена як 20%. Під час-процесу запуску зважений мул у систему не повертався, а коефіцієнт повернення мулу під час очищення стічних вод становив 1:8.
1.2.2 Контроль робочих параметрів пристрою
Пристрій для очищення стічних вод працював при кімнатній температурі (20 градусів). Аераційне обладнання в нижній частині пристрою використовувалося для контролю швидкості аерації під час очищення стічних вод. При цьому швидкість потоку пристрою контролювалася на рівні 2 м³/год, а інші параметри під час очищення стічних вод залишалися в основному стабільними. Об’єднані дощові-стічні води з насосної станції 1 та насосної станції 2, а також мікро-забруднена річкова вода були обрані як зразки води, що надходить.
2. Результати та їх обговорення
2.1 Швидкість утворення біоплівки упаковок MBBR з різних матеріалів
Під час-фази запуску очисного пристрою якість води, що надходить, була стабільною. Після додавання упаковок партіями, упаковки піддавалися нормальному формуванню біоплівки та дозріванню.
За однакових умов експлуатації швидкість утворення біоплівки упаковок біо-носіїв із різних матеріалів суттєво відрізнялася через їхні властиві характеристики. Швидкість утворення біоплівки в упаковках на основі ПЕ-була відносно повільною, що вимагало додавання хімічних речовин, таких як глюкоза, для закритої аераційної культури. Спостерігаючи за роботою поліетиленових та поліетиленових упаковок у сполученому процесі MBBR-AO, було виявлено, що приблизно через 5 днів після додавання поліетиленових упаковок на поверхні носіїв з’явилася тонка жовтувато-коричнева біоплівка. Після безперервної роботи протягом приблизно 1 тижня на поверхні носія з’явилася велика кількість парамецій, епістилісів, коловерток і невелика кількість вихорів, що вказує на те, що біоплівка була в основному зрілою, а запуск-системи завершився на цьому етапі. Навпаки, швидкість утворення біоплівки на упаковках PPC була швидшою, і біоплівка в основному дозрівала приблизно за 3 дні, тоді як осад міг адсорбуватися всередині упаковки. Утворення біоплівки сприяє покращенню активності аміако-бактерій. У порівнянні з поліетиленовими упаковками велика питома поверхня упаковок PPC є більш сприятливою для утворення біоплівки та іммобілізації мікроорганізмів. Для поліетиленової упаковки з одного і того ж матеріалу, що обробляє різні типи стічних вод, ефект утворення біоплівки також показав значні відмінності. На малюнку 2(a) видно, що на поверхні поліетиленової упаковки в мікро-забрудненій річковій воді була тонка світло-коричнева біоплівка. Однак на малюнку 2(b) показано, що шар біоплівки на поверхні поліетиленової упаковки в комбінованих зливових-стічних водах був фрагментований, що вказує на те, що ефект утворення біоплівки поліетиленових упаковок у мікро-забрудненій річковій воді був значно кращим, ніж у комбінованих зливових-стічних водах. На рисунку 2(c) і малюнку 2(d) видно, що різниця в ефекті утворення біоплівки упаковок PPC у мікро-забрудненій річковій воді та комбінованій дощовій-стічній воді не була значною.
2. 2 Здатність видалення аміачного азоту упаковками біо-носія з різних матеріалів
Вміст аміачного азоту є ключовим показником для оцінки фактичного ефекту очищення стічних вод насосних станцій. Таким чином, здатність видаляти аміачний азот має важливе практичне керівне значення для вибору типів ущільнювачів біо-носіїв у сполученому процесі MBBR-AO.
2. 3 Вплив на видалення аміачного азоту ПЕ та ППК упаковок на мікро-забруднену річкову воду під час короткочасної-функції процесу
Як показано на малюнку 3, середня масова концентрація аміачного азоту, що надходить, у процесі MBBR-AO, пов’язаному з поліетиленовими та поліетиленовими упаковками, становила 3,69 мг/л та 3,39 мг/л відповідно. При цьому фактична концентрація аміачного азоту, що надходить, значно коливалася, що було спричинено опадами. У процесі з ПЕ упаковками середня кількість видалення аміачного азоту та середня швидкість видалення мікро-забрудненої річкової води становили 3,12 мг/л і 84,55% відповідно, що було вищим, ніж у процесі з ПРС насадками (2,56 мг/л і 75,52%). Це вказує на те, що додавання поліетиленового ущільнювача в сполучений процес MBBR-AO більш сприяє видаленню аміачного азоту з мікро-забрудненої річкової води в короткостроковій перспективі (протягом 12 днів).
2.4 Вплив на видалення аміачного азоту упаковками PE та PPC на комбіновану дощову-стічні води під час короткочасної-функції процесу
Як показано на малюнку 4, під час короткострокової (18{3}}днів) роботи процесу MBBR-AO з поліетиленовою упаковкою середні масові концентрації аміачного азоту в об’єднаних зливових-стічних водах з насосної станції 1 [малюнок 4(a)] і насосної станції 2 [малюнок 4(b)] становили 7,24 мг/л і 9,35 мг/л відповідно. Коли поліетиленові ущільнювачі були додані під час короткострокової (18-днів) обробки комбінованих зливових-стічних вод від насосної станції 1 і насосної станції 2 за допомогою процесу MBBR-AO, концентрація аміачного азоту в стічних водах значно знизилася. Середні обсяги видалення аміачного азоту становили 6,93 мг/л і 7,9 мг/л із середніми показниками видалення 95,71% і 84,49% відповідно. Під час короткочасного-часу (18-днів) очищення комбінованих зливових-стічних вод насосної станції 1 швидкість видалення аміачного азоту залишалася вище 90% і досягла майже 100% на 9-й день. Очищені стічні води можуть бути більш сприятливими для росту прикріплених мікроорганізмів, тим самим сприяючи видаленню аміачного азоту. Тим часом, під час коротко{39}}термінового (18-денного) очищення комбінованих зливових і стічних вод з насосної станції 2, швидкість видалення аміачного азоту в основному залишалася на рівні близько 90%, що вказує на те, що додавання поліетиленових упаковок у поєднаний процес MBBR-AO має сильний ефект на видалення аміачного азоту в зливових і стічних водах у короткостроковій перспективі (18 днів).
Як показано на малюнку 5, у поєднанні процесу MBBR-AO з ущільнювачами PPC масові концентрації аміачного азоту в об’єднаних зливових-стічних водах з насосної станції 1 [малюнок 5(a)] та насосної станції 2 [малюнок 5(b)] становили від 3 до 20 мг/л і від 3 до 22 мг/л, відповідно, з великим коливання. Це може бути пов’язано з дощем, який спричиняє потрапляння оксидів азоту в повітрі в каналізаційну систему, що призводить до значних коливань концентрації аміачного азоту. Середні масові концентрації аміачного азоту в об’єднаних зливових-стічних водах з насосної станції 1 та насосної станції 2 становили 14,76 мг/л та 13,26 мг/л відповідно. Після короткочасної-обробки (24 дні) за допомогою процесу MBBR-AO, пов’язаного з насадками PPC, концентрація аміачного азоту в стічних водах значно знизилася із середніми масовими концентраціями лише 5,32 мг/л та 6,42 мг/л. Середні обсяги видалення аміачного азоту становили 9,44 мг/л і 6,84 мг/л, а середні показники видалення становили 63,96% і 51,58% відповідно. Це вказує на те, що ущільнювачі PPC мають певний вплив на видалення аміачного азоту з комбінованих дощових-стічних вод. Висока концентрація аміачного азоту в комбінованих дощових-стічних водах може бути спричинена введенням інших комплексних компонентів у стічні води, що перешкоджає розкладанню аміачного азоту насадками PPC. Порівняно з поліетиленовими упаковками PPC упаковки мають менші пори та вищу пористість. Домішки та зважені частинки в комбінованих дощових-стічних водах можуть блокувати пори ущільнювачів PPC, що призводить до агломерації всередині ущільнень і, таким чином, знижує ефективність видалення аміачного азоту. Тим часом попередні дослідження показали, що біоплівки розміром менше 1 мм можуть спричиняти закупорку пор всередині упаковки. Хоча біоплівки можуть прискорити внутрішню закупорку упаковок, вони не є основним фактором.
Під час короткочасної-експлуатації сполученого процесу MBBR-AO середні показники видалення аміачного азоту з поліетиленової упаковки для комбінованих зливових-стічних вод (95,71% для насосної станції 1 і 84,49% для насосної станції 2) були дещо вищими, ніж для мікро-забрудненої річкової води (84,55%). Навпаки, середні показники видалення аміачного азоту насадками PPC для комбінованих зливових-стічних вод (63,96% для насосної станції 1 і 51,58% для насосної станції 2) були дещо нижчими, ніж для мікро-забрудненої річкової води (75,52%). Для поліетиленової упаковки, порівняно з мікро-забрудненою річковою водою, низька концентрація розчиненого кисню в комбінованих зливових-стічних водах є більш сприятливою для одночасної нітрифікації та денітрифікації мікроорганізмів на поліетиленовій упаковці для видалення азоту. Під час утворення біоплівки упаковки PPC мул адсорбується всередині упаковки, що призводить до збільшення концентрації розчиненого кисню, що не сприяє одночасній нітрифікації та денітрифікації внутрішніх мікроорганізмів, що призводить до зниження швидкості видалення аміачного азоту як у комбінованих дощових-стічних водах, так і в мікро-забрудненій річковій воді.
Підсумовуючи, додавання поліетиленового ущільнення більше сприяє розкладанню аміачного азоту в комбінованих дощових-стічних водах за допомогою MBBR-AO сполученого процесу в короткостроковій перспективі.
Вплив на видалення аміачного азоту упаковками PE та PPC на комбіновану дощову-стічні води під час тривалої-функції процесу
Як показано на малюнку 6, протягом тривалого -терміну (96-днів) роботи процесу MBBR-AO з поліетиленовими упаковками, масові концентрації аміачного азоту, що надходять у комбіновані зливові-стічні води з насосної станції 1 [малюнок 6(a)] та насосної станції 2 [малюнок 6(b)] коливалися від 2 до 25 мг/л і від 3 до 35 мг/л відповідно з великими коливаннями. Середні масові концентрації аміачного азоту, що надходять, становили 10,20 мг/л та 8,93 мг/л відповідно. Після обробки за допомогою сполученого процесу MBBR-AO середні масові концентрації аміачного азоту в стічних водах знизилися до 2,93 мг/л і 2,67 мг/л, із середніми обсягами видалення 7,27 мг/л і 6,26 мг/л і середніми показниками видалення 71,27% і 70,10% відповідно. Не було суттєвої різниці в деградації аміачного азоту в комбінованих зливових-стічних водах з насосної станції 1 і насосної станції 2 через додавання поліетиленової упаковки протягом тривалого-терміну (96-днів) роботи з’єднаного процесу MBBR-AO, і швидкість видалення аміачного азоту підтримувалася на рівні близько 74%. Це вказує на те, що додавання поліетиленових ущільнювачів у з’єднаний процес MBBR-AO має хороший ефект видалення аміачного азоту в комбінованих дощових-стічних водах під час тривалої-експлуатації (96-днів). Коли поєднаний процес MBBR-AO з поліетиленовими упаковками працював на пізнішій стадії (84-96 днів), незалежно від того, чи входила комбінована дощова вода та стічні води з насосної станції 1 чи насосної станції 2, концентрація аміачного азоту у стічних водах значно зросла, а швидкість видалення аміачного азоту була значно нижчою, ніж швидкість видалення майже 90% на ранній стадії процесу. Це пов’язано з тим, що після тривалого використання ПЕ упаковки самі пошкоджуються та старіють, а шорсткість поверхні упаковок змінюється, що призводить до зниження експлуатаційної міцності та здатності видаляти аміачний азот.
На малюнку 7 показано зміни концентрації аміачного азоту в потокі, концентрації аміачного азоту у витікаючих водах, кількості видаленого аміачного азоту та швидкості видалення аміачного азоту під час довгострокової-роботи процесу MBBR-AO, пов’язаного з насадками PPC. Масові концентрації аміачного азоту в об’єднаних зливових-стічних водах з насосної станції 1 [Малюнок 7(a)] та насосної станції 2 [Малюнок 7(b)] коливаються від 3 до 35 мг/л, із середніми масовими концентраціями аміачного азоту в потоці 10,96 мг/л і 8,10 мг/л відповідно. Після обробки за допомогою комбінованого процесу MBBR-AO середні масові концентрації аміачного азоту в стічних водах знизилися до 3,96 мг/л і 3,39 мг/л, із середніми обсягами видалення 7,00 мг/л і 4,71 мг/л і середніми показниками видалення 63,87% і 58,15% відповідно. Під час довгострокової-експлуатації сполученого процесу MBBR-AO додавання насадок PPC мало кращий ефект розкладання аміачного азоту в комбінованих дощових-стічних водах з насосної станції 1, ніж у насосної станції 2, але різниця була незначною. Це вказує на те, що додавання ущільнювачів PPC у сполучений процес MBBR-AO має певний ефект видалення аміачного азоту в комбінованих дощових-стічних водах під час тривалої-експлуатації. Швидкість видалення аміачного азоту в процесі MBBR-AO у поєднанні з ущільнювачами PPC під час тривалої-експлуатації була вищою, ніж під час короткочасної-експлуатації. Це пояснюється тим, що під час тривалої-експлуатації осад накопичується всередині ущільнювачів PPC, утворюючи місцеве анаеробне або безкислородне середовище, яке забезпечує відповідне середовище для життєдіяльності нітрифікуючих бактерій. Швидко розмножуються нітрифікуючі бактерії, прискорюється швидкість місцевої реакції
Підсумовуючи, додавання поліетиленового ущільнювача більше сприяє розкладанню аміачного азоту в комбінованих дощових{0}}стічних водах за допомогою сполученого процесу MBBR-AO під час тривалої-експлуатації. Водночас після тривалого -користування поліетиленове ущільнення слід своєчасно замінити або очистити, щоб забезпечити ефективне видалення аміачного азоту зі стічних вод під час тривалої -роботи сполученого процесу MBBR-AO.
Термін служби упаковок біо-носіїв із різних матеріалів
Порівняно з ущільнювачами PPC, ущільнювачі з поліетилену мають довший термін служби під час тривалого-очищення мікро-забрудненої річкової води та комбінованих зливових-стічних вод за допомогою сполученого процесу MBBR-AO. Як показано на малюнку 8(a), ущільнювачі PPC зазнають шлаку та пошкоджень під час процесу очищення стічних вод у сполученому процесі MBBR-AO. Тим часом після тривалої-експлуатації всередині упаковки відбувається старіння та агломерація [Рис. 8(b) і 8(c)]. Насадки PPC мають погану шламопроникність. Незважаючи на те, що губка-на кшталт PPC упаковок має велику питому поверхню, їхні внутрішні пори легко адсорбуються мулом і важко витікають. Тривале -накопичення осаду всередині ущільнювачів створює анаеробне або безкислородне середовище, в результаті чого колір ущільнювачів поступово змінюється з коричневого на чорний. Це призводить до таких проблем, як утворення шлаків, поломка, старіння та агломерація ущільнювачів PPC під час тривалої-експлуатації, що скорочує термін їх служби. Це також є головним фактором поганого ефекту ущільнювачів PPC у видаленні аміачного азоту з комбінованих дощових-стічних вод [Рис. 5(a) і 5(b)]. На відміну від цього, поліетиленові ущільнювачі в основному не мали вищезазначених проблем під час тривалого-очищення стічних вод за допомогою сполученого процесу MBBR-AO, з кращою довговічністю та довшим терміном служби. Розумна конфігурація носія може ефективно буферизувати вплив потоку води на біоплівку, дозволяючи біоплівці стабільно рости без пошкодження.
Висновки
У цьому дослідженні поліетиленові біо-ущільнювачі та ущільнювачі PPC були додані під час процесу очищення стічних вод у зв’язаному процесі MBBR-AO. Було досліджено вплив пакувальних матеріалів на деградацію аміачного азоту в мікро-забрудненій річковій воді та комбінованих дощових-стічних водах, а також швидкість утворення мікробної біоплівки та термін служби упаковки з різних матеріалів. Порівняно з PPC упаковками поліетиленові упаковки мають меншу швидкість утворення біоплівки, але більший термін служби. Водночас, незалежно від того, чи використовуються вони для довгострокової чи короткострокової обробки мікро-забрудненої річкової води та комбінованої дощової-стічної води за сполученим процесом MBBR-AO, поліетиленові упаковки виявляють кращий вплив на руйнування аміачного азоту. Результати дослідження забезпечують технічну підтримку вибору пакувальних матеріалів у процесах очищення стічних вод.