Ydeevne for fjernelse af forurenende stoffer af et S-MBBR-system til spildevandsbehandling med lavt C/N-forhold: COD, TN, NH₄⁺-N og TP-analyse

Analyse af ydeevnen til fjernelse af forurenende stoffer i et S-MBBR-system til spildevandsbehandling med lavt C/N-forhold

Indledning

Med accelerationen af ​​urbanisering og industrialisering stiger udledningen af ​​lavt C/N-forhold (lavt kulstof-til-nitrogenforhold) spildevand, hovedsageligt stammende fra husholdningsspildevand, fødevareforarbejdning, landbrug og cirkulerende kølevand. For at imødegå den dårlige effektivitet til fjernelse af total nitrogen (TN) i spildevand med lavt C/N-forhold, har kort-nitrifikation-denitrifikation og samtidig nitrifikation og denitrifikation (SND) tiltrukket sig opmærksomhed i de seneste år. Relativt set er reaktionsbetingelserne for SND-processen lettere at kontrollere, og den kan opnå både kulstoffjernelse og nitrogenfjernelse samtidigt. Derfor har det en betydelig fordel ved nitrogenfjernelsesbehandling for spildevand med lavt C/N-forhold. Sequencing batch-reaktoren (SBR) letter fjernelse af nitrogen og fosfor ved at kontrollere koncentrationen af ​​opløst ilt. Når biofilmen på bærerne kobles sammen med biofilmreaktoren (MBBR) i bevægelig leje for at danne et S-MBBR-system, giver biofilmen på bærerne stratificerede vækstbetingelser for aerobe nitrificerende bakterier og anoxiske denitrificerende bakterier, hvilket skaber et SND-mikromiljø, samtidig med at systemets specifikke overfladeareal og mikrobielle stabilitet øges. Undersøgelser har vist, at S-MBBR er overlegen i forhold til traditionelle processer med hensyn til nitrogen- og fosforfjernelseseffektivitet, stødbestandighed og systemstabilitet.

1 Materialer og metoder

1.1 Eksperimentel opsætning.Forsøgsopstillingen bestod hovedsageligt af en tilløbstank, en luftblæser, en omrører, en spildevandstank og hovedreaktoren. Reaktorens effektive volumen var 1,8 L, og behandlingskapaciteten pr. cyklus var 1 L. Reaktoren blev fyldt med en ny type bio-affitiv bærer med et fyldningsforhold på ca. 25 %. Den initiale koncentration af flygtige suspenderede faste stoffer (MLVSS) i reaktoren var 3000 mg/l.

1.2 Eksperimentelle materialer.Det affinitetsmodificerede-bærerfyldstof blev fremstillet ved fysisk blanding og skrueekstruderingsteknologi. Den specifikke procedure var som følger: 3% nul-valent jern, HDPE og hjælpematerialer (2% naturlig zeolit, 2% polyquaternium-10 og 1% talkumpulver) blev blandet ensartet. Derefter blev blandingen smeltet ved hjælp af en SJ-20 enkeltskrueekstruder og ekstruderet til granulære strimler (ca. 5 mm i diameter, 5-10 mm i længden). Til sidst blev disse faste partikler ekstruderet under anvendelse af en SJ-30 enkeltsnekkeekstruder for at fremstille den endelige bærer.

1.3 Driftsbetingelser.To reaktorer blev sat op: én med bærere (S-MBBR, betegnet som R1) og én uden bærere (SBR, betegnet som R2). Alle andre forhold blev holdt de samme. Det første trin var opstart- af fastgørelse af biofilm, drevet i en SBR-tilstand med et forhold på 3:3:2. Driftscyklussen omfattede indløbs-, statisk-, beluftningsreaktion, anoxisk omrøring, bundfældning og spildevandstrin (3 timer anaerob, 3 timers beluftning, 2 timers omrøring/aflejring/tilstrømning/udløb). NaHCO₃ blev brugt til at justere den indgående pH-værdi til omkring 8. Efter vellykket biofilmbinding blev ammoniaknitrogenkoncentrationen ændret for at reducere C/N-forholdet, og eksperimentet begyndte, som beskrevet i detaljer iTabel 1.

1.4 Eksperimentelt vand og podet slam.COD, NH₄⁺-N og total phosphor (TP) i det syntetiske spildevand, der blev brugt til biofilmstart-, blev leveret af henholdsvis C₆H₁₂O6, NH₄Cl og KH₂PO₄. Sporelementer var sammensat af EDTA-2Na (18,76 g/L), CoCl2·6H2O (0,3 g/L), CuS04·5H2O (0,32 g/L), NiCl2·6H2O (0,24 g/L), H3B004 g/L), H3B04 g/L), H3B04 g/L, 7,04 g/L, 7,04 g/l, (0,54 g/L), MnCl2·4H2O (1,24 g/L), NaMoO4·2H2O (0,28 g/L) og NaWO4·2H20 (0,1 g/L). Sammensætningen af det syntetiske spildevand var: C6H12O6 (0,47 g/L), NH4Cl (0,095 g/L), KH2PO4 (0,022 g/L), NaCl (0,1 g/L), NaHC03 (0,15 g/L), (MH2S01), (MH2S01) g/L), CaCl2 (0,05 g/L), FeS04·7H20 (0,02 g/L) og sporstoffer (1 mL/L). Slammet blev taget fra den sekundære sedimentationstank på et spildevandsrensningsanlæg i Dalian.

1.5 Analysemetoder.Rutineindikatorer blev målt i henhold til standardmetoderne specificeret i "Standardmetoder til undersøgelse af vand og spildevand" (4. udgave) og nationale standarder, herunder analyse af forureningsfjernelseskapacitet, membranbegroningsanalyse og gasproduktionsanalyse. Specifikt: NH4⁺-N blev målt ved den spektrofotometriske salicylsyrereagensmetode; TP ved den ammoniummolybdat-spektrofotometriske metode; NO₃⁻-N ved den spektrofotometriske metode med salicylsyre-koncentreret svovlsyrereagens; NO2⁻-N ved den spektrofotometriske N-(1-naphthyl)ethylendiamin-metode; TN var summen af ​​koncentrationerne af alle nitrogenformer; COD blev målt ved den hurtige fordøjelsesmetode; og slamkoncentration (inklusive MLSS og MLVSS) blev målt ved den gravimetriske metode.

2 Resultater og analyse

2.1 Ydeevne for COD-fjernelse

Organisk stof, der kom ind i reaktoren, blev fjernet gennem trin, herunder anaerob, aerob (beluftning), anoxisk omrøring, bundfældning og spildevand.Figur 1viser COD-fjernelsesydelsen af ​​reaktorerne på forskellige driftsstadier. Trin I var biofilmvedhæftningsstadiet, og trin II, III og IV var de stadier, hvor C/N/P-forholdet blev reduceret til henholdsvis 100:8:1, 64:8:1 og 32:6:1. De gennemsnitlige fjernelsesrater for R1 i hvert trin var henholdsvis 95,57 %, 96,25 %, 92,70 % og 94,18 %; de gennemsnitlige fjernelsesrater for R2 i hvert trin var henholdsvis 94,71 %, 96,19 %, 92,54 % og 94,68 %. Det kan ses, at denne proces har en god organisk materialefjernelsesevne, og under relativt stabile spildevandsforhold opfyldte den kravene i GB 18918-2002-standarden (COD-koncentration < 50 mg/L). Da systemet blev drevet ved et lavt C/N-forhold, blev kulstofkilden det begrænsende substrat, der driver effektiv metabolisme. Der var ingen signifikant forskel i COD-fjernelse mellem R1 og R2, hvilket viser, at den modificerede bærer havde ringe effekt på COD-fjernelse.

2,2 NH₄⁺-N- og TN-fjernelsesydelse

TN-fjernelsesprocessen omfatter to hovedtrin: nitrifikation og denitrifikation. Nitrifikation, som en aerob proces, er afhængig af tilstrækkelige aerobe mikroorganismer til at omdanne ammoniaknitrogen til nitrat.Figur 2 og 3vis henholdsvis NH₄⁺-N- og TN-fjernelsesevnen for reaktorerne. NH₄⁺-N og TN blev hovedsageligt fjernet under de aerobe beluftnings- og anoxiske statiske stadier. Trin I var biofilmvedhæftningsstadiet, og trin II, III og IV var de stadier, hvor C/N/P-forholdet blev reduceret til henholdsvis 100:8:1, 64:8:1 og 32:6:1. Den gennemsnitlige NH₄⁺-N-fjernelseshastighed for R1 var henholdsvis 92,53 %, 95,83 %, 99,70 % og 98,31 %; den gennemsnitlige NH₄⁺-N-fjernelseshastighed for R2 var henholdsvis 84,34 %, 91,82 %, 99,70 % og 97,52 %. De gennemsnitlige TN-fjernelsesrater for R1 var henholdsvis 89,53 %, 87,21 %, 82,44 % og 83,20 %; de gennemsnitlige TN-fjernelsesrater for R2 var henholdsvis 78,3 %, 78,89 %, 73,26 % og 76,66 %. Sammenlignet med R2 steg den gennemsnitlige NH₄⁺-N-fjernelseshastighed for R1 med henholdsvis 9,7 %, 4,36 %, 0 % og 0,82 %; de gennemsnitlige TN-fjernelsesrater steg med henholdsvis 14,35 %, 10,55 %, 12,54 % og 8,3 %. Det kan ses, at R1-systemet klarede sig bedre end R2 med hensyn til nitrogenfjernelse på alle stadier, især i de tidlige stadier af systemdriften, hvor forskellen gradvist stabiliserede sig i senere stadier.

Under trin I var koncentrationen af ​​indstrømmende NH4⁺-N lav, og kulstofkilden var relativt tilstrækkelig til grundlæggende at opfylde denitrifikationskravene, så TN-koncentrationen i spildevandet var lav. De inokulerede mikroorganismer var stadig i tilpasningsstadiet, og det funktionelle mikrobielle samfund i systemet var ikke fuldt etableret, hvilket resulterede i ustabil NH₄⁺-N-fjernelse, men det stabiliserede sig gradvist senere. Der blev ikke observeret nogen signifikant forskel mellem de to reaktorer (R1 og R2) i dette trin. Ved at gå ind i trin II steg den indflydende NH₄⁺-N-koncentration pludselig, men beluftningsbetingelserne blev ikke justeret samtidigt, hvilket forårsagede betydelige udsving i systemet, især i fjernelse af NH₄⁺-N og TN. Efter ca. 6 dages drift genvandt de to reaktorer gradvist stabilitet. Det spekuleres i, at den høje ammoniak-nitrogenbelastning fremmede den hurtige spredning af nitrificerende bakterier og derved forbedrede effektiviteten af ​​nitrifikationsprocessen. Efterhånden som systemdriften fortsatte, blev nitrifikations-denitrifikationssystemet i reaktorerne gradvist etableret og stabiliseret, og fluktuationen i TN-koncentrationen faldt. På grund af tilstedeværelsen af ​​den modificerede bærer opnåede R1-systemet lavere resterende TN, hvor bæreren forbedrede reaktorens TN-fjernelseshastighed og også forbedrede systemets tilpasningsevne til stødbelastninger. På dag 49 blev beluftningsintensiteten øget for at forbedre PO4-fjernelsen, hvilket fremmede en mere komplet nitrifikationsproces. Stigningen i nitrat produceret ved nitrifikation førte dog til en større efterspørgsel efter kulstofkilder til denitrifikation, mens den indgående kulstofkilde var relativt utilstrækkelig på dette stadium, hvilket resulterede i en vis grad af stigning i spildevands-TN. I trin III blev COD yderligere reduceret, hvilket gjorde kulstofkilden tilgængelig for denitrifikation i reaktoren endnu mere knap, hvilket yderligere begrænsede TN-fjernelsen, og det samlede niveau af TN-koncentration i spildevandet steg. Ikke desto mindre opretholdt R1-systemet stadig bedre TN-fjernelsesydelse end R2, hvilket demonstrerer bærerens forbedrende effekt. I trin IV blev ammoniak-nitrogenkoncentrationen øget yderligere. Baseret på erfaringer fra det foregående trin blev beluftningen øget en smule, og beluftningstiden blev forlænget til 4 timer, hvilket fremmer aktiviteten af ​​nitrificerende bakterier, gør nitrifikationsprocessen mere komplet og forbedrer effektiviteten til fjernelse af NH₄⁺-N yderligere. Men over for udfordringen med kulstofkildemangel var denitrifikationsprocessen begrænset, og TN-koncentrationen steg lidt i det senere stadium. Samlet set var R1-reaktoren stadig R2 overlegen, idet den viste stærkere TN-fjernelseskapacitet, hvilket indikerer, at efter lang-drift gav den stabile biofilmstruktur og synergistiske aerobe-anoxiske miljø dannet i R1 god plads og betingelser for den samtidige nitrifikations- og denitrifikationsproces (SND). Zhang Kefang et al. brugte en SBR-proces til at behandle spildevand med lavt C/N-forhold, hvilket opnåede oxidation af organisk stof, nitrifikation og denitrifikation i en enkelt reaktor med en TN-fjernelseshastighed på over 80 %. Disse resultater viser effektivt, at biologisk denitrifikation i et-trin er fuldstændig gennemførlig.

2.3 Ydeevne for TP-fjernelse

Ved spildevandsrensning er fosforfjernelse hovedsageligt afhængig af specifikke mikroorganismer, såsom fosfor-akkumulerende organismer (PAO'er), som absorberer opløseligt fosfor under aerobe forhold og frigiver fosfor under anaerobe forhold.Figur 4viser reaktorernes TP-fjernelsesevne. TP blev fjernet under det aerobe beluftningsstadium. TP-koncentrationen i trin I, II og III forblev uændret med en gennemsnitlig indløbskoncentration på 5,01 mg/L. I trin IV var den gennemsnitlige koncentration af influent TP 10,30 mg/L. De gennemsnitlige spildevandskoncentrationer for R1 i hvert trin var henholdsvis 0,27 mg/L, 0,16 mg/L, 0,13 mg/L og 1,92 mg/L med gennemsnitlige fjernelsesrater på henholdsvis 94,73 %, 96,78 %, 97,54 % og 81,35 %. De gennemsnitlige spildevandskoncentrationer for R2 var henholdsvis 0,39 mg/L, 0,35 mg/L, 0,33 mg/L og 0,33 mg/L, med gennemsnitlige fjernelsesrater på henholdsvis 92,19 %, 93,01 %, 93,61 % og 68,79 %. Sammenlignet med R2 steg de gennemsnitlige TP-fjernelsesrater for R1 med henholdsvis 2,75 %, 4,05 %, 4,20 % og 18,26 % i hvert trin.

I R1-systemet giver bæreren en overflade til mikrobiel vedhæftning, fremmer væksten og metabolismen af ​​PAO'er, hjælper med at danne en stabil biofilm, øger aktiviteten af ​​det mikrobielle samfund, og derved forbedrer reaktorens fosforfjernelseskapacitet og gør den biologiske fosforfjernelsesproces mere effektiv. I trin II, ved at ændre NH₄⁺-N-koncentrationen for at fremme nitrifikation, steg systemets iltforbrug. Derfor blev beluftningen på dag 49 øget for at fremskynde fosforfjernelsen. I trin III førte reduktionen i COD til kulstofkildemangel, hvilket ikke kun hindrede denitrifikationsprocessen, men også påvirkede PAO'ers metaboliske aktivitet. I trin IV kollapsede systemet, fordi C/N-forholdet i reaktoren faldt fra 8 til 5,3. Den intensiverede konkurrence om kulstofkilder reducerede den tilgængelige kulstofkilde for PAO'er i det anaerobe stadium, hvilket førte til et fald i PHA-syntese, hvilket igen påvirkede polyphosphathydrolyse og PHA-oxidation under aerobe forhold, hvilket i sidste ende hindrede PAO-vækst og fosforoptagelseskapacitet og resulterede i nedsat fosforfjernelseseffektivitet. Imidlertid var den resterende phosphor i R1 stadig lavere end den i R2, hvilket indikerer, at bærerens fremmende effekt stadig eksisterede.

3 Konklusion

Et sammenlignende eksperiment blev udført mellem det konstruerede S{{0}MBBR-system og SBR-systemet for systematisk at evaluere deres nitrogen- og fosforfjernelsesevne under spildevandsforhold med lavt C/N-forhold. Resultaterne viste, at S-MBBR-systemet klarede sig bedre end det konventionelle SBR-system med hensyn til fjernelse af COD, NH₄⁺-N, TN og TP. Især under kulstofkilde-mangelfulde forhold nåede de maksimale stigninger i fjernelsesrater for TN og NH₄⁺-N henholdsvis 14,35 % og 8,19 %. Derudover udviste S-MBBR-systemet stærk modstand mod belastningsstød og spildevandsstabilitet på forskellige driftsstadier. Introduktionen af ​​suspenderede bærere optimerede effektivt systemets mikromiljøstruktur, fremmede forekomsten af ​​samtidig nitrifikation og denitrifikation (SND), forbedrede mikrobiel diversitet og metabolisk aktivitet og forbedrede systemets samlede behandlingskapacitet. Forskningsresultaterne indikerer, at S-MBBR-teknologi har gode anvendelsesmuligheder for spildevandsbehandling med lavt C/N-forhold og kan yde teknisk support til optimering og opgradering af eksisterende spildevandsbehandlingsprocesser.