Begroningskarakterisering og beluftningsydelse Genvinding af fine-porediffuser i spildevandsbehandlingsanlæg
Som et kritisk trin i den aktiverede slamproces i kommunale spildevandsrensningsanlæg (WWTP'er), giver beluftning til iltforsyning ikke kun tilstrækkelig ilt til at opretholde mikroorganismers grundlæggende livsaktiviteter, men holder også slammet suspenderet, hvilket letter adsorption og fjernelse af forurenende stoffer. Beluftning er også den mest-forbrugende enhed i spildevandsanlæg og tegner sig for 45 % til 75 % af anlæggets samlede energiforbrug. Derfor påvirker beluftningssystemets ydeevne direkte renseeffektiviteten og driftsomkostningerne for renseanlægget. Beluftningsudstyr er en nøglekomponent i beluftningssystemet, hvor fine bobleluftere er de mest almindeligt anvendte i kommunale renseanlæg på grund af deres høje iltoverførselseffektivitet (OTE). Men under lang-drift ophobes forurenende stoffer uundgåeligt på overfladen og i porerne i belufterne. For at sikre spildevandskvaliteten kræves yderligere lufttilførsel fra blæsere, hvilket fører til øget energiforbrug. Desuden forværrer forurening poretilstopning og ændrer beluftningsmaterialet. Tryktabet (dynamisk vådt tryk, DWP) af beluftningskomponenterne stiger ved længerevarende drift, hvilket øger blæserens udgangslufttryk og forårsager yderligere energispild.
Forurenende stoffer, der ophobes på overfladen og inde i porerne i fine boblebeluftere, omfatter biologisk, organisk og uorganisk begroning. Organisk begroning skyldes adsorption og udfældning af organisk stof og aflejring af mikrobielle sekreter. Uorganisk begroning består typisk af kemiske præcipitater dannet af polyvalente kationer, såsom metaloxider. Ud fra om de kan fjernes ved fysisk rensning, kan forurenende stoffer kategoriseres som fysisk reversibel eller fysisk irreversibel begroning. Fysisk reversibel tilsmudsning kan fjernes ved simple fysiske metoder som mekanisk skrubning, da disse forurenende stoffer er løst fastgjort til beluftningsoverfladen. Fysisk irreversibel tilsmudsning kan ikke elimineres ved fysisk rengøring og kræver en mere grundig kemisk rengøring. Inden for fysisk irreversibel begroning betegnes forurenende stoffer, der kan fjernes ved kemisk rensning, kemisk reversibel begroning, mens de, der ikke kan fjernes selv ved kemisk rensning, betragtes som uoprettelig begroning.
I øjeblikket omfatter fine boblebeluftere, der anvendes på hjemmemarkedet, traditionelle gummimaterialer såsom ethylenpropylendienmonomer (EPDM) og nyere materialer som høj-densitetspolyethylen (HDPE). Gasfordelingslaget af HDPE-beluftere er dannet ved at belægge det indre lufttilførselsrør med smeltet polymer med porediametre ca. (4,0 ± 0,5) mm. HDPE tilbyder gode kemiske, mekaniske og slagfaste egenskaber og en lang levetid. Dens porestørrelser er imidlertid inkonsekvente og ujævnt fordelt, hvilket gør dem tilbøjelige til at afsætte forurenende stoffer. EPDM-materialet er meget fleksibelt med porer skabt ved mekanisk skæring. EPDM-beluftere har et højere antal porer pr. arealenhed, hvilket producerer mindre bobler (minimum 0,5 mm). Den hydrofile natur af gummimembranen begunstiger også bobledannelse. Imidlertid har mikroorganismer en tendens til at hæfte og vokse på EPDM-overflader ved at bruge blødgøringsmidler som et substrat. Samtidig bevirker forbruget af blødgørere, at beluftningsmaterialet hærder, hvilket i sidste ende fører til træthedsskader og forkortet levetid. Derfor er det nødvendigt at undersøge forurenende akkumuleringsmønstre på disse to materialer og de deraf følgende ændringer i iltoverførselseffektiviteten og tryktabet.
Denne undersøgelse tog fine bobleluftere udskiftet efter års drift fra to kommunale renseanlæg med lignende procesforhold som forskningsemner. Forurenende stoffer på belufterne blev ekstraheret og karakteriseret lag for lag for at identificere deres hovedkomponenter. Baseret på dette blev effektiviteten af rengøringsmetoder til at genvinde iltoverførselseffektiviteten af belufterne evalueret med det formål at levere grundlæggende data og tekniske referencer til den langsigtede optimerede og stabile drift af fine boblebeluftningssystemer.
1 Materialer og metoder
1.1 Introduktion til Renseanlæggene
Begge spildevandsanlæg er placeret i Shanghai og bruger processen anaerob-Anoxic-Oxic (AAO) som kernebehandling. WWTP A anvender et hvirvelkornskammer + konventionelt AAO + høj-fiberfilter + UV-desinfektionsproces. WWTP B bruger et beluftet gruskammer + konventionel AAO + høj{10}}sedimentationstank + UV-desinfektionsproces. Begge anlæg opfylder stabilt Grade A-standarden for "Decharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants" (GB 18918-2002). Specifikke design- og driftsparametre er vist iTabel 1.
1.2 Udvinding og karakterisering af beluftningsforurenende stoffer
De fine boblebeluftere, der blev brugt i eksperimenterne, var en rørformet HDPE-belufter (Ecopolemer, Ukraine) indsamlet fra anlæg A og en rørformet EPDM-belufter (EDI-FlexAir, USA) indsamlet fra anlæg B. Fotos af begge er vist iFigur 1. Det gamle HDPE-rør havde været i drift i 10 år, med dimensionerne D×L=120 mm×1000 mm og en porediameter på (4±0,50) mm, i stand til at producere fine bobler på 2~5 mm. Det gamle EPDM-rør havde været i drift i 3 år, med dimensionerne D×L=91 mm×1003 mm, hvilket gav fine bobler på 1,0~1,2 mm med en minimumsboblediameter på 0,5 mm.
De gamle HDPE- og EPDM-rør blev hentet fra de aerobe tanke, lagt på husholdningsfilm og skyllet med deioniseret vand. Mekanisk skrubning blev udført ved hjælp af en flamme-steriliseret klinge for at skrabe forurenende stoffer af, der var fastgjort til beluftningsoverfladen.
For yderligere at studere virkningen af tilsmudsning på iltoverførselsydelsen blev der udført kemisk rensning af HDPE-røret. Efter mekanisk skrubning blev HDPE-røret gennemblødt i henholdsvis 5 % HCl og 5 % NaClO-opløsninger i 24 timer. De gamle rør, mekanisk skrubbede rør og kemisk rensede rør blev tørret i en 60 graders ovn (model XMTS-6000) i 60 timer. Deres overflader blev derefter undersøgt ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM, model JSM-7800F, Japan), energidispersiv røntgenspektroskopi (EDX, Oxford Instruments, UK) og konfokal laserscanningsmikroskopi (CLSM, model TCS SP8, Tyskland). HCl-renseopløsningen blev filtreret gennem en 0,45 μm membran, og kvantitativ analyse af polyvalente kationer (herunder Ca, Mg, Al, Fe ioner, etc.) blev udført ved hjælp af induktivt koblet plasma optisk emissionsspektrometri (ICP, model ICPS-7510, Japan). Da HCl og NaClO kan forårsage denaturering og ældning af EPDM-membranen, blev der ikke udført kemisk rensning på EPDM-røret. EPDM-røret blev skåret i 5 cm x 5 cm membranstykker og gennemblødt i HCl til kvantitativ analyse af polyvalente kationer i opløsningen.
1.3 Test af apparatur og metode til iltoverførselsydelse til belufteren
Ydeevnen for iltoverførsel af fine bobleluftere blev testet i henhold til "Bestemmelse af rent vands iltoverførselsydelse for fine boblebeluftere" (CJ/T 475-2015). Testopsætningen er vist iFigur 2.
Apparatet er en struktur i rustfrit-stål, der måler 1,2 m × 0,3 m × 1,4 m, med organiske glasvinduer på begge sider. Belufteren blev fastgjort i midten ved hjælp af en metalstøtte, med en nedsænkningsdybde på 1,0 m. En multi-parameter vandkvalitetsanalysator (Hach HQ30D, USA) blev brugt til at overvåge koncentrationen af opløst oxygen (DO) i realtid. Vandfrit natriumsulfit blev brugt som deoxygeneringsmiddel og cobaltchlorid som katalysator. Trykmålerens aflæsning repræsenterede lufterens dynamiske våde tryk (DWP, kPa). Måleresultater blev korrigeret for temperatur, saltholdighed og DO. Den standardiserede oxygenoverførselseffektivitet (SOTE, %) blev brugt som evalueringsindeks.
Blæserens energiforbrug er relateret til både lufttilførselsflowhastighed og udgangslufttryk, som påvirkes af lufterens henholdsvis SOTE og DWP. Derfor blev et beluftningsenergiforbrugsindeks J (kPa·h/g), der repræsenterer den kombinerede effekt af SOTE og DWP, brugt til at vurdere belufterens ydeevne. Det er defineret som det tryktab, som lufteren skal overvinde pr. masseenhed overført ilt. J beregnes ud fra hældningen af den lineære regressionspasning mellem DWP/SOTE og luftstrømningshastigheden (AFR), som vist i følgende ligning:
Hvor:
AFRer luftstrømningshastigheden, m³/h;
ρlufter luftdensiteten, taget som 1,29 × 10³ g/m³ ved 20 grader;
yO2er oxygenindholdet i luft, taget som 0,23 g O2/g luft.
2 Resultater og analyse
2.1 Ydeevne for iltoverførsel af nye, gamle og rensede beluftere
Figur 3viser SOTE og DWP for belufterne ved forskellige luftstrømshastigheder.
Fra figur 3(a) og (b) var SOTE-værdierne for de nye HDPE- og nye EPDM-rør henholdsvis (7,36±0,53)% og (9,68±1,84)%. EPDM-røret producerer mindre bobler med et større specifikt overfladeareal, hvilket øger gas-væskekontaktarealet og opholdstiden, hvilket resulterer i højere SOTE. SOTE af begge beluftere faldt med stigende AFR, fordi en højere AFR øger boblernes antal og begyndelseshastigheden, hvilket fører til flere boblekollisioner og dannelsen af større bobler, hvilket hindrer iltoverførsel fra gas til væskefase. SOTE af EPDM-røret viste en mere udtalt faldende tendens med stigende AFR sammenlignet med HDPE-røret. Dette skyldes, at porerne i HDPE-belufteren er stive og ikke ændrer sig med AFR, mens porerne i EPDM-belufteren er fleksible og åbner bredere med øget AFR, hvilket danner større bobler og reducerer SOTE yderligere.
Efter lang-drift faldt SOTE af HDPE-røret til (5,39±0,62) %, en reduktion på 26,7 %, hovedsagelig på grund af ophobning af forurenende stoffer, der tilstoppede porerne og reducerede antallet af effektive porer til bobledannelse. Mekanisk skrubning øgede HDPE-rørets SOTE til (5,59±0,66) %, men genvindingen var ikke signifikant, muligvis fordi forurenende stoffer på HDPE-røret ikke kun var fastgjort til overfladen, men også aflejret inde i porerne, hvilket gjorde dem vanskelige at fjerne ved mekanisk skrubning. Jiang et al. fundet, at NaClO effektivt kan fjerne forurenende stoffer fra HDPE-rør og genoprette deres beluftningsydelse. Efter NaClO-rensning restituerede SOTE af HDPE-røret til (6,14±0,63) %, hvilket er 83,4 % af det nye rørs niveau, stadig ude af stand til at restituere sig helt. Dette skyldes, at forurenende stoffer ved langvarig drift bliver tæt knyttet, hvilket ændrer porestrukturen, blokerer luftstrømmen, øger boblesammensmeltningen, reducerer det boblespecifikke overfladeareal og opholdstid og dermed hindrer iltoverførsel. Samtidig forårsager tilsmudsning ujævn luftfordeling, hvilket forringer den samlede ydeevne.
SOTE af det gamle EPDM-rør faldt til (9,06±1,75) %, en reduktion på 6,4 %. Udover poretilstopning fra ophobning af forurenende stoffer, bruger biologisk begroning blødgørere i materialet, hærder belufteren og deformerer porerne. De deforme porer kan ikke vende tilbage til deres oprindelige tilstand, hvilket producerer større bobler og sænker SOTE. Mekanisk skrubning øgede SOTE af EPDM-røret til (9,47±1,87)%, næsten genoprettede det til niveauet for det nye rør, hvilket indikerer, at forurenende stoffer på EPDM-røret var løst fastgjort til overfladen og for det meste kunne fjernes ved mekanisk skrubning.
Fra figur 3(c) og (d) var DWP for det nye EPDM-rør (6,47±0,66) kPa, signifikant højere end det for det nye HDPE-rør [(1,47±0,49) kPa]. Dette skyldes, at EPDM-rørets porediameter er mindre end HDPE-rørets, hvilket resulterer i større modstand, når bobler presses igennem. Efter lang-drift steg DWP for det gamle HDPE-rør til (4,36±0,56) kPa, 2,97 gange det nye rør. Stigningen i DWP er relateret til både graden af poretilstopning og materialeændringer. Mekanisk skrubning reducerede DWP for HDPE-røret til 2,25 gange det nye rør. NaClO-rensning reducerede det yderligere til (2,04±0,45) kPa, 1,39 gange det nye rør. Dette indikerer igen, at de fleste forurenende stoffer på HDPE-røret blev aflejret inde i porerne og ikke kunne fjernes effektivt ved mekanisk skrubning, hvilket kræver NaClO-rensning for at genoprette ydeevnen. DWP for det gamle EPDM-rør steg til (8,10 ± 0,94) kPa, 1,25 gange det nye rør, og faldt til 1,10 gange efter mekanisk skrubning.
Figur 4viser ændringen af DWP/SOTE (betegnet som DWP') med AFR for belufterne.
En lineær regressionsligning blev brugt til at tilpasse DWP' versus AFR, og energiforbrugsparameteren J blev opnået fra hældningen. J-værdierne for de nye HDPE- og nye EPDM-rør var henholdsvis 0,064 og 0,204 kPa·h/g, hvilket indikerer, at pr. masseenhed ilt overført, skal EPDM-røret overvinde større tryktab. På udskiftningstidspunktet steg J-værdierne for HDPE- og EPDM-rørene til henholdsvis 0,251 og 0,274 kPa·h/g. Tilsmudsning af lufteren, der fører til øget tryktab, kan påvirke blæserens sikre drift. Efter mekanisk skrubning faldt J-værdierne for HDPE- og EPDM-rørene til henholdsvis 0,184 og 0,237 kPa·h/g. Ændringer i J kan bruges til kvantitativ analyse af beluftningsforurenende stoffer. Forskellen i J mellem det gamle rør og det mekanisk skrubbede rør er forårsaget af fysisk reversibel begroning. Forskellen mellem den mekanisk skrubbede slange og den nye slange skyldes fysisk irreversibel tilsmudsning. Forskellen mellem det mekanisk rensede rør og det kemisk rensede rør er forårsaget af kemisk reversibel tilsmudsning, mens forskellen mellem det kemisk rensede rør og det nye rør er forårsaget af uoprettelig begroning. Figur 5 viser ændringerne i energiforbrugsparameteren J for belufterne.
FraFigur 5, for HDPE-røret udgjorde fysisk reversibel og fysisk irreversibel begroning henholdsvis 35,8 % og 64,2 % af den samlede begroning. Inden for den fysisk irreversible begroning udgjorde kemisk reversibel og uoprettelig begroning henholdsvis 42,8 % og 21,4 %. For EPDM-røret udgjorde fysisk reversibel og fysisk irreversibel begroning henholdsvis 52,9 % og 47,1 %. Uoprettelig tilsmudsning forekommer ikke i starten, men akkumuleres over tid, hvilket i sidste ende bestemmer lufterens levetid. Derfor bør der etableres rimelige rengøringsplaner for at bremse overgangen fra reversibel til irreversibel besmudsning og minimere ophobningen af uoprettelig begroning.
2.2 SEM-observation af nye, gamle og rensede beluftere
Figur 6viser SEM-billeder af overfladerne på nye, gamle og mekanisk skrubbede beluftere. Den porøse struktur af det nye HDPE-rør er tydeligt synlig, mens overfladen af det nye EPDM-rør er glat med rene-skårne porer. Efter flere års drift ændrede overflademorfologien af begge beluftere sig betydeligt. Ujævne stanglignende og blokerede forurenende stoffer dækkede fuldstændigt overfladen med forurenende aggregater omkring og inde i porerne, hvilket forhindrede iltoverførsel og øgede tryktab. Efter mekanisk skrubning blev de fleste forurenende stoffer på EPDM-rørets overflade fjernet, men porerne forblev tilstoppede. For HDPE-røret faldt forureningslagets tykkelse, men porerne var stadig dækket.
2.3 Uorganisk begroningsanalyse af nye, gamle og rensede beluftere
EDX blev brugt til yderligere at analysere hovedelementernes sammensætning af beluftningsoverfladerne, med resultater vist iTabel 2. Kulstof, oxygen, jern, silicium og calcium blev påvist på både HDPE- og EPDM-overflader. HDPE-røret indeholdt også magnesium, mens EPDM-røret indeholdt aluminium. Det udledes, at uorganiske forurenende stoffer på HDPE-røret var siliciumdioxid, calciumcarbonat, magnesiumcarbonat og jernphosphat, mens dem på EPDM-røret var siliciumdioxid og aluminiumoxid. Disse uorganiske bundfald dannes, når koncentrationerne af uorganiske ioner fra kommunalt spildevand og aktiveret slam nåede mætning på beluftningsoverfladen. Efter mekanisk skrubning viste de uorganiske elementer på beluftningsoverfladerne ringe forskel i forhold til de gamle rør, hvilket indikerer, at mekanisk skrubning ikke effektivt kan fjerne uorganiske forurenende stoffer. Kim et al. fandt ud af, at uorganiske forurenende stoffer efter lang-drift bliver dækket af organiske forurenende stoffer, der klæber tæt til overfladen og inde i porerne, hvilket gør dem vanskelige at fjerne ved mekanisk skrubning.
Efter HCl-rensning blev metalioner på beluftningsoverfladerne fuldstændigt fjernet. HCl korroderede en del af det organiske lag, der dækkede overfladen, trængte ind i den og reagerede med metalioner, og fjernede uorganiske bundfald gennem neutralisering og nedbrydning. HCl-renseopløsningen, der blev brugt til at gennembløde belufterne, blev analyseret af ICP for at beregne indholdet af uorganiske forurenende stoffer. Ca-, Mg- og Fe-indholdet for HDPE-røret var henholdsvis 18,00, 1,62 og 13,90 mg/cm², mens Ca-, Al- og Fe-indholdet for EPDM-røret var henholdsvis 9,55, 1,61 og 3,38 mg/cm².
2.4 Organisk begroningsanalyse af nye, gamle og rensede beluftere
For kvantitativt at undersøge fordelingen af organiske forurenende stoffer, blev Image J-software brugt til at beregne biovolumen og substratdækningsforhold for totale celler, polysaccharider og proteiner fra CLSM-mikrografer, med gennemsnit taget som endelige resultater (Figur 7).
Fra figur 7(a) var proteiner og totale celler hovedkomponenterne i organiske forurenende stoffer på henholdsvis HDPE- og EPDM-rørene, med maksimale totale volumener, der nåede 7,66×10⁵ og 7,02×10⁵ μm³. Det samlede cellevolumen på EPDM-røret var 2,5 gange større end på HDPE-røret, hvilket er i overensstemmelse med fund af Garrido-Baserba et al., som rapporterede højere total DNA-koncentration på gamle EPDM-beluftere sammenlignet med andre materialer. Wanger et al. fandt ud af, at når mikroorganismer binder sig til EPDM-rør, hvis det omgivende miljø mangler tilstrækkeligt organisk substrat, vendte de sig til at bruge EPDM-membranblødgøringsmidler. Mikroorganismer kan bruge blødgørere som kulstofkilde, der accelererer vækst og reproduktion og derved intensiverer den biologiske begroning på EPDM-overfladen. Polysaccharid- og proteinindholdet på EPDM-røret var meget lavere end på HDPE-røret, muligvis på grund af den højere slamalder i plante B sammenlignet med plante A, hvilket førte til lavere koncentration af ekstracellulært polymert stof (EPS). Som hovedkomponenter i EPS blev proteiner og polysaccharider udskilt af mikroorganismer væsentlige kilder til organiske forurenende stoffer på HDPE-rørets overflade i Plant A.
Efter mekanisk skrubning faldt mængden af totale celler, polysaccharider og proteiner på HDPE-røret med henholdsvis 1,49×10⁵, 0,13×10⁵ og 1,33×10⁵ μm³. På EPDM-røret var de tilsvarende fald henholdsvis 2,20×10⁵, 1,88×10⁵ og 2,38×10⁵ μm³. Dette indikerer, at mekanisk skrubning til en vis grad kan reducere organisk tilsmudsning.
Men for HDPE-røret steg substratdækningsområdet for polysaccharider og proteiner efter mekanisk skrubning -fra 2,75 % og 6,28 % til henholdsvis 4,67 % og 7,09 % [Figur 7(b)]. Dette skete, fordi de ekstracellulære polymere stoffer (EPS) har høj viskositet. Som følge heraf havde mekanisk skrubning den kontraproduktive effekt at sprede proteiner, polysaccharider og uorganiske forurenende stoffer mere ud over HDPE-rørets overflade, hvilket førte til større arealdækning. Dette forklarer sandsynligvis, hvorfor mekanisk skrubning ikke i væsentlig grad kunne genoprette beluftningseffektiviteten af HDPE-røret.
Efter NaClO-rensning faldt det totale antal celler, polysaccharider og proteiner på HDPE-røret med henholdsvis 2,34×10⁵, 3,42×10⁵ og 4,53×10⁵ μm³, hvilket viser signifikant højere fjernelseseffektivitet end mekanisk skrubning. NaClO oxiderer funktionelle grupper af organiske forurenende stoffer til ketoner, aldehyder og carboxylsyrer, hvilket øger moderforbindelsernes hydrofilicitet og reducerer forurenende vedhæftning til belufteren. Endvidere kan slamflokke og kolloider nedbrydes af oxidanter til fine partikler og opløst organisk stof.
3 Konklusioner
①SOTE-værdierne for de nye HDPE- og nye EPDM-rør var henholdsvis (7,36±0,53)% og (9,68±1,84)%. SOTE af EPDM-røret viste en mere udtalt faldende tendens med stigende AFR sammenlignet med HDPE-røret. Dette skyldes, at porerne i HDPE-belufteren er stive og ikke ændrer sig med AFR, mens porerne i EPDM-belufteren er fleksible og åbner bredere med øget AFR, hvilket danner større bobler og reducerer SOTE yderligere.
②På grund af akkumulering af forurenende stoffer på overfladen og inde i porerne faldt iltoverførselseffektiviteten af HDPE-røret med 26,7 %, og dets tryktab steg til 2,97 gange det nye rør. Da de fleste forurenende stoffer på HDPE-røret blev aflejret inde i porerne, var mekanisk skrubning ikke effektiv. Efter kemisk rensning genvandt SOTE af HDPE-røret til 83,4 % af det nye rørs niveau, og DWP faldt til 1,39 gange det nye rør, hvilket viste en betydelig forbedring af ydeevnen. På grund af aflejring af forurenende stoffer kunne den imidlertid ikke komme sig helt tilbage til sin oprindelige tilstand. For HDPE-røret udgjorde fysisk reversibel, kemisk reversibel og uoprettelig begroning henholdsvis 35,8 %, 42,8 % og 21,4 %.
③Efter lang-drift faldt EPDM-rørets oxygenoverførselseffektivitet med 6,4 %, og dets tryktab steg til 1,25 gange det nye rørs. Efter mekanisk skrubning blev EPDM-rørets beluftningsevne næsten genoprettet til niveauet for det nye rør, hvilket indikerer, at forurenende stoffer på EPDM-røret var løst fastgjort til overfladen og stort set kunne fjernes ved mekanisk skrubning. For EPDM-røret udgjorde fysisk reversibel og fysisk irreversibel begroning henholdsvis 52,9 % og 47,1 %.
④Proteiner var hovedbestanddelen af organiske forurenende stoffer på HDPE-røret, mens totale celler var hovedbestanddelen på EPDM-røret. Dette skyldes, at mikroorganismer anvender blødgørere i EPDM-materialet som kulstofkilde, hvilket accelererer deres vækst og reproduktion og derved intensiverer den biologiske begroning på EPDM-materialebeluftere.