Ammoniak-nitrogenfjernelse fra mikro-forurenet flodvand og kombineret spildevand ved brug af MBBR-pakninger af forskellige materialer
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) kombinerer fordelene ved den aktiverede slamproces og den traditionelle biofilmproces, hvilket gør den til en innovativ og revolutionerende teknologi inden for moderne biologisk spildevandsrensning. Adskillige tidligere undersøgelser har vist, at MBBR-processen effektivt kan lette nitrogenfjernelsestrykket fra byspildevand. Bio-bærerpakningerne i MBBR-processen kan transportere biofilmen til hele reaktoren, fremme kontakten mellem biofilmen, oxygen og reaktionssubstrater og forbedre effektiviteten af nedbrydningsreaktioner. På grund af deres unikke stabilitets- og tæthedsegenskaber har de brede anvendelsesmuligheder.
På nuværende tidspunkt er de fleste MBBR bio-bæreemballager hovedsageligt lavet af materialer som polyethylen (PE), polypropylen (PP), polyurethan (PU) og porøs polyurethan (PPC). Blandt dem har PE-baserede MBBR-pakninger en god fjernelseseffekt på chroma, CODCr, ammoniak-nitrogen, totalt nitrogen, totalt organisk kulstof og flygtige phenoler i spildevand; PP-pakninger bruges mest i kombinerede MBBR-processer, såsom MBBR-AO kombineret proces og MBBR-MBR kombineret proces; PU- og PPC-pakninger har høj porøsitet, hvilket kan give et større fastgørelsesområde for mikroorganismer, hvilket gør det muligt for mikroorganismer at vokse hurtigt og stabilt og derved effektivt fjerner organiske forurenende stoffer og forskellige næringsstoffer i spildevand. PE- og PPC-pakninger er to meget anvendte typer i øjeblikket. PE-pakninger anvendes mere bredt med bedre ydeevne, mens PPC-pakninger har stærkere hydrofilicitet og større specifikt overfladeareal, som er mere befordrende for vedhæftning af mikroorganismer. Begge typer pakninger har deres egne fordele og ulemper, og begge har god mekanisk styrke og lave omkostninger. Der er dog få rapporter om deres ammoniak-nitrogen-fjernelseseffekter fra mikro-forurenet flodvand og kombineret regnvand{10}}spildevand i den MBBR-AO-koblede proces. Dette papir undersøger virkningen af at tilføje forskellige typer MBBR-bio-bærerpakninger (PE- og PPC-materialer) i den MBBR-AO-koblede proces på effektiviteten af fjernelse af ammoniaknitrogen fra mikro-forurenet flodvand og kombineret regnvand-spildevand. Samtidig analyserer den biofilmdannelseshastigheden og levetiden for forskellige MBBR bio-bærerpakninger med det formål at forbedre de specifikke udvælgelsesmetoder for forskellige MBBR bio-bærerpakninger i MBBR-processen til spildevandsrensning.
1. Spildevandsbehandlingsproces
1. 1 Procesflow og bio-oplysninger om transportørpakke
Spildevandsbehandlingsenheden, der bruges i denne undersøgelse, er en selv-designet biologisk fluid bed-reaktor, der anvender MBBR-AO-koblet proces. Hovedprocesflowet er vist i figur 1(a), og det specifikke udstyr omfatter et gitter, en løftepumpe, MBBR bio-bærerpakninger, en integreret høj-effektiv biologisk nitrogenfjernelsestank, en høj-sedimentationstank, et beluftningssystem osv. Indløbsstrømningshastigheden på 50 m³ er 50 m³. m³/h), den effektive hydrauliske retentionstid er 5 timer, og reaktorens effektive volumen er ca. 10 m³.
MBBR bio-bærerpakningerne i spildevandsbehandlingsenheden er PE-baserede pakninger og PPC gelbærerpakninger. De PE-baserede pakninger er i form af ringformede strålinger med en størrelse på Φ25 mm×10 mm, 19 huller og femkantede kanaler, med et specifikt overfladeareal på ca. 500 m²/m³ [Figur 1(b)]; PPC-gelbærerpakningerne er kubiske med en størrelse på Φ10 mm×10 mm×10 mm og et specifikt overfladeareal på ca. 5.000 m²/m³ [Figur 1(c)].
1.2 Spildevandskvalitet
I denne undersøgelse blev spildevandsbehandlingsanordningen brugt til at behandle to typer vandområder: mikro-forurenet flodvand og kombineret regnvand-spildevand. Det mikro-forurenede flodvand kom fra en byflod i en region i Zhejiang med lave forureningsniveauer, og dens ammoniaknitrogenkoncentration var relativt lav med en gennemsnitlig massekoncentration på 5 mg/L. Det kombinerede regnvand-spildevand var indløbskilden fra to spildevandspumpestationer (Pumpestation 1 og Pumpestation 2) i et spildevandsrensningsanlæg i Zhejiang, med en relativt høj ammoniaknitrogenkoncentration på mellem 3 og 20 mg/L. Dette skyldes, at nogle nitrogenoxider i luften reagerer med regnvand og danner salpetersyre eller nitrater i nedbørsperioden, hvilket er mere befordrende for reproduktionen af ammoniak{12}}oxiderende bakterier, hvilket resulterer i et relativt højt indhold af ammoniaknitrogen i spildevandet. I mellemtiden blev pH-værdien af begge vandområder holdt mellem 7 og 9.
1.3 Driftsparametre for spildevandsbehandlingsanordningen
1.2.1 Indledende biofilmdannelsesproces
Spildevandsbehandlingssystemet blev startet ved at tilføje pakninger i partier til biofilmdannelse. Ifølge den faktiske fluidiseringseffekt af pakningerne i reaktoren blev den endelige volumenfraktion af de tilsatte pakninger bestemt til at være 20%. Under opstart-processen blev det suspenderede slam i systemet ikke returneret, og slamreturforholdet under spildevandsbehandling var 1:8.
1.2.2 Kontrol af enhedens driftsparametre
Spildevandsbehandlingsapparatet fungerede ved stuetemperatur (20 grader). Beluftningsudstyret i bunden af apparatet blev brugt til at kontrollere beluftningshastigheden under spildevandsbehandling. I mellemtiden blev den indgående strømningshastighed af enheden kontrolleret til 2 m³/h, og andre parametre under spildevandsbehandling forblev stort set konsistente. Det kombinerede regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 og Pumpestation 2, samt det mikro-forurenede flodvand, blev udvalgt som de indgående vandprøver.
2. Resultater og diskussion
2.1 Biofilmdannelseshastighed for MBBR-pakninger med forskellige materialer
Under opstartsfasen- af spildevandsbehandlingsenheden var kvaliteten af det indgående vand stabil. Efter tilsætning af pakningerne i batcher gennemgik pakningerne normal biofilmdannelse og modning.
Under de samme driftsbetingelser varierede biofilmdannelseshastigheden af bio-bærerpakninger med forskellige materialer betydeligt på grund af deres iboende egenskaber. Biofilmdannelseshastigheden for PE-baserede pakninger var relativt langsom, hvilket krævede tilsætning af kemikalier såsom glucose til lukket beluftningskultur. Ved at observere driften af PE- og PPC-pakninger i den MBBR-AO-koblede proces, blev det fundet, at ca. 5 dage efter tilsætningen af PE-pakninger opstod en tynd gullig-brun biofilm på overfladen af bærerne. Efter kontinuerlig drift i ca. 1 uge dukkede et stort antal paramecia, epistylis, hjuldyr og en lille mængde hvirvler op på bæreroverfladen, hvilket indikerer, at biofilmen grundlæggende var moden, og opstarten af systemet- var afsluttet på dette tidspunkt. I modsætning hertil var biofilmdannelseshastigheden af PPC-pakninger hurtigere, og biofilmen var stort set moden på ca. 3 dage, mens slam kunne adsorberes i det indre af pakningerne. Dannelsen af biofilm hjælper med at forbedre aktiviteten af ammoniak{13}}oxiderende bakterier. Sammenlignet med PE-pakninger er det store specifikke overfladeareal af PPC-pakninger mere befordrende for biofilmdannelse og mikrobiel immobilisering. For PE-pakninger af samme materiale, der behandler forskellige typer spildevand, viste den biofilmdannende effekt af pakningerne også betydelige forskelle. Det kan ses af figur 2(a), at der var en tynd lysebrun biofilm på overfladen af PE-pakninger i det mikro-forurenede flodvand. Figur 2(b) viser dog, at biofilmlaget på overfladen af PE-pakninger i det kombinerede regnvand-spildevand var fragmenteret, hvilket indikerer, at biofilmdannelseseffekten af PE-pakninger i det mikro-forurenede flodvand var signifikant bedre end i det kombinerede regnvands-kloakvand. Det kan ses af figur 2(c) og figur 2(d), at forskellen i biofilmdannelseseffekten af PPC-pakninger i det mikro-forurenede flodvand og det kombinerede regnvand-spildevand ikke var signifikant.
2. 2 Ammoniaknitrogenfjernelseskapacitet af bio-bærerpakninger med forskellige materialer
Ammoniak-kvælstofindhold er en nøgleindikator for vurdering af den faktiske renseeffekt af spildevand fra pumpestationer. Derfor har kapaciteten til fjernelse af ammoniaknitrogen en vigtig praktisk vejledende betydning for valget af bio-bærerpakningstyper i den MBBR-AO-koblede proces.
2. 3 Ammoniaknitrogenfjernelseseffekt af PE- og PPC-pakninger på mikro-forurenet flodvand under kort-drift af processen
Som vist i figur 3 var de gennemsnitlige indstrømmende ammoniaknitrogenmassekoncentrationer i den MBBR-AO-koblede proces med PE- og PPC-pakninger henholdsvis 3,69 mg/L og 3,39 mg/L. I mellemtiden svingede den faktiske indstrømmende ammoniak-nitrogenkoncentration betydeligt, hvilket var forårsaget af nedbør. I processen med PE-pakninger var den gennemsnitlige mængde ammoniak-nitrogenfjernelse og den gennemsnitlige fjernelseshastighed af det mikro-forurenede flodvand henholdsvis 3,12 mg/L og 84,55 %, hvilket var højere end for processen med PPC-pakninger (2,56 mg/L og 75,52 %). Dette indikerer, at tilføjelse af PE-pakninger i den MBBR-AO-koblede proces er mere befordrende for fjernelse af ammoniaknitrogen fra mikro-forurenet flodvand på kort sigt (inden for 12 dage).
2.4 Ammoniaknitrogenfjernelseseffekt af PE- og PPC-pakninger på kombineret regnvand-spildevand under kort-drift af processen
Som vist i figur 4, under den kortsigtede (18-dages) drift af MBBR-AO-koblet proces med PE-pakninger, var de gennemsnitlige indstrømmende ammoniak-nitrogenmassekoncentrationer af det kombinerede regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 [Figur 4(a)] og [2b. henholdsvis mg/L og 9,35 mg/L. Da PE-pakninger blev tilføjet på kort-sigtet (18-dages) behandling af kombineret regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 og Pumpestation 2 ved hjælp af den MBBR-AO-koblede proces, faldt ammoniak-nitrogenkoncentrationen i spildevandet betydeligt. De gennemsnitlige mængder af ammoniaknitrogenfjernelse var 6,93 mg/L og 7,9 mg/L, med gennemsnitlige fjernelsesrater på henholdsvis 95,71% og 84,49%. I løbet af den kortsigtede (18-dages) behandling af kombineret regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 forblev ammoniak-nitrogenfjernelsesraten over 90 % og nåede næsten 100 % på den 9. dag. Det behandlede spildevand kan være mere befordrende for væksten af vedhæftede mikroorganismer og fremmer derved fjernelsen af ammoniaknitrogen. I mellemtiden forblev ammoniak-nitrogen-fjernelsesraten under den kort-(18-dages) behandling af kombineret regnvand-spildevand fra Pumpestation 2 for det meste omkring 90 %, hvilket indikerer, at tilføjelse af PE-pakninger i den MBBR-AO-koblede proces har en stærk fjernelseseffekt på ammoniak-nitrogen i den kombinerede mængde af ammoniak-nitrogen i regnvandet (1 dag).
Som vist i figur 5, i den MBBR-AO-koblede proces med PPC-pakninger, varierede de indstrømmende ammoniaknitrogenmassekoncentrationer af det kombinerede regnvand-spildevand fra pumpestation 1 [figur 5(a)] og pumpestation 2 [figur 5(b)] fra henholdsvis 0 mg/2, 2 og mg/2 til 2 mg/l. med store udsving. Dette kan skyldes nedbør, der får kvælstofoxider i luften til at trænge ind i kloaksystemet, hvilket resulterer i betydelige udsving i den indgående ammoniak-nitrogenkoncentration. De gennemsnitlige indstrømmende ammoniaknitrogenmassekoncentrationer af det kombinerede regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 og Pumpestation 2 var henholdsvis 14,76 mg/L og 13,26 mg/L. Efter kort-behandling (24 dage) ved MBBR-AO-koblet proces med PPC-pakninger, faldt ammoniaknitrogenkoncentrationen i spildevandet signifikant med gennemsnitlige massekoncentrationer på kun 5,32 mg/L og 6,42 mg/L. De gennemsnitlige mængder af ammoniak nitrogenfjernelse var 9,44 mg/L og 6,84 mg/L, og de gennemsnitlige fjernelsesrater var henholdsvis 63,96% og 51,58%. Dette indikerer, at PPC-pakninger har en vis effekt på fjernelse af ammoniak-nitrogen fra kombineret regnvand-spildevand. Den høje ammoniak-nitrogenkoncentration i det kombinerede regnvand-spildevand kan skyldes tilførslen af andre komplekse komponenter i spildevandet, og derved hæmme nedbrydningen af ammoniak-nitrogen fra PPC-pakninger. Sammenlignet med PE-pakninger har PPC-pakninger mindre porer og højere porøsitet. Urenheder og suspenderede partikler i det kombinerede regnvand-spildevand kan blokere porerne i PPC-pakninger, hvilket fører til agglomerering inde i pakningerne og dermed reducere effektiviteten til fjernelse af ammoniaknitrogen. I mellemtiden har tidligere undersøgelser fundet, at biofilm mindre end 1 mm kan forårsage poreblokering inde i pakningerne. Selvom biofilm kan fremskynde intern blokering af pakningerne, er de ikke hovedfaktoren.
Under den kortsigtede-drift af den MBBR-AO-koblede proces var den gennemsnitlige ammoniak-nitrogenfjernelse af PE-pakninger til kombineret regnvand-spildevand (95,71 % for Pumpestation 1 og 84,49 % for Pumpestation 2) en smule højere end for mikro{{7} flodvand (8 %). I modsætning hertil var den gennemsnitlige ammoniak-nitrogenfjernelse af PPC-pakninger til kombineret regnvand-spildevand (63,96 % for Pumpestation 1 og 51,58 % for Pumpestation 2) en smule lavere end for mikro-forurenet flodvand (75,52 %). For PE-pakninger sammenlignet med mikro-forurenet flodvand er den lave koncentration af opløst ilt i kombineret regnvand-spildevand mere befordrende for den samtidige nitrifikation og denitrifikation af mikroorganismer på PE-pakninger til nitrogenfjernelse. Under biofilmdannelsen af PPC-pakninger adsorberes slam ind i det indre af pakningerne, hvilket fører til en stigning i koncentrationen af opløst ilt, hvilket ikke er befordrende for den samtidige nitrifikation og denitrifikation af interne mikroorganismer, hvilket resulterer i et fald i ammoniak-nitrogen-fjernelseshastigheden i både kombineret regnvand{{21}{22}flodvand og mikroforurenet{22}flodvand.
Sammenfattende er tilføjelse af PE-pakninger mere befordrende for nedbrydningen af ammoniaknitrogen i kombineret regnvand-spildevand ved den MBBR-AO-koblede proces på kort sigt.
Ammoniak-nitrogenfjernelseseffekt af PE- og PPC-pakninger på kombineret regnvand-spildevand under langvarig-drift af processen
Som vist i figur 6, under den langsigtede (96-dages) drift af den MBBR-AO-koblede proces med PE-pakninger, varierer de indflydende ammoniak-nitrogenmassekoncentrationer af det kombinerede regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 [Figur 6(a)] og [2b) fra Pumpestation 6 og [2b) 25 mg/L henholdsvis 3 til 35 mg/L med store udsving. De gennemsnitlige indstrømmende ammoniaknitrogenmassekoncentrationer var henholdsvis 10,20 mg/L og 8,93 mg/L. Efter behandling ved den MBBR-AO-koblede proces faldt de gennemsnitlige ammoniaknitrogenmassekoncentrationer i spildevandet til 2,93 mg/L og 2,67 mg/L, med gennemsnitlige fjernelsesmængder på 7,27 mg/L og 6,26 mg/L og gennemsnitlige fjernelsesrater på henholdsvis 71,01 % og 71,01 %. Der var ingen signifikant forskel i nedbrydningen af ammoniak-nitrogen i det kombinerede regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 og Pumpestation 2 ved at tilføje PE-pakninger under den langsigtede (96-dages) drift af MBBR-AO-koblet proces, og ammoniakfjernelsen blev holdt på omkring 7 %. Dette indikerer, at tilføjelse af PE-pakninger i den MBBR-AO-koblede proces har en god fjernelseseffekt på ammoniaknitrogen i kombineret regnvand-spildevand under lang-(96-dages) drift. Når den MBBR-AO-koblede proces med PE-pakninger fungerede i det senere trin (84-96 dage), uanset om indløbet var kombineret regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 eller Pumpestation 2, steg koncentrationen af ammoniak-nitrogen i spildevandet betydeligt, og ammoniak-nitrogen-fjernelseshastigheden var væsentligt lavere i det tidlige trin af fjernelsesprocessen. Dette skyldes, at efter lang tids brug er selve PE-pakningerne beskadiget og ældes, og pakningernes overfladeruhed ændres, hvilket fører til et fald i servicestyrke og ammoniaknitrogenfjernelseskapacitet.
Figur 7 viser ændringerne i indstrømmende ammoniaknitrogenkoncentration, ammoniaknitrogenkoncentration i udløbet, mængden af ammoniaknitrogenfjernelse og ammoniaknitrogenfjernelseshastigheden under den langsigtede-drift af MBBR-AO-koblet proces med PPC-pakninger. De indgående ammoniaknitrogenmassekoncentrationer af det kombinerede regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 [Figur 7(a)] og Pumpestation 2 [Figur 7(b)] varierede fra 3 til 35 mg/L, med gennemsnitlige indgående ammoniaknitrogenmassekoncentrationer på henholdsvis 10,96 mg/L og 10,96 mg/L. Efter behandling ved den MBBR-AO-koblede proces faldt de gennemsnitlige ammoniaknitrogenmassekoncentrationer i spildevandet til 3,96 mg/L og 3,39 mg/L, med gennemsnitlige fjernelsesmængder på 7,00 mg/L og 4,71 mg/L og gennemsnitlige fjernelsesrater på henholdsvis 63,87 % og 63,87 %. Under den langsigtede-drift af den MBBR-AO-koblede proces havde tilføjelse af PPC-pakninger en lidt bedre nedbrydningseffekt på ammoniaknitrogen i det kombinerede regnvand-spildevand fra Pumpestation 1 end fra Pumpestation 2, men forskellen var ikke signifikant. Dette indikerer, at tilføjelse af PPC-pakninger i den MBBR-AO-koblede proces har en vis fjernelseseffekt på ammoniaknitrogen i kombineret regnvand-spildevand under lang-drift. Ammoniaknitrogenfjernelseshastigheden for den MBBR-AO-koblede proces med PPC-pakninger under lang-drift var højere end under kort-drift. Dette skyldes, at der under langvarig-drift ophobes slam inde i PPC-pakningerne og danner et lokalt anaerobt eller iltfattigt miljø, som giver et passende livsmiljø for nitrificerende bakteriers livsaktiviteter. De nitrificerende bakterier formerer sig hurtigt, og den lokale reaktionshastighed accelererer
Sammenfattende er tilføjelse af PE-pakninger mere befordrende for nedbrydningen af ammoniaknitrogen i kombineret regnvand-spildevand ved den MBBR-AO-koblede proces under lang-drift. I mellemtiden bør PE-pakningerne udskiftes eller renses rettidigt efter lang-brug for at sikre, at ammoniaknitrogenet i spildevandet stadig kan fjernes effektivt under den langsigtede-drift af den MBBR-AO-koblede proces.
Levetid for bio-bæreremballager med forskellige materialer
Sammenlignet med PPC-pakninger har PE-pakninger en længere levetid under den langsigtede-behandling af mikro-forurenet flodvand og kombineret regnvand-spildevand ved den MBBR-AO-koblede proces. Som vist i figur 8(a) oplever PPC-pakningerne slaggedannelse og beskadigelse under spildevandsbehandlingsprocessen ved den MBBR-AO-koblede proces. I mellemtiden forekommer ældning og agglomerering inde i pakningerne efter lang-drift [Figur 8(b) og 8(c)]. PPC-pakningerne har dårlig slampermeabilitet. Selvom svampen-som PPC-pakninger har et stort specifikt overfladeareal, adsorberes deres indre porer let af slam og er svære at flyde ud. Langvarig-ophobning af slam inde i pakningerne har tendens til at danne et anaerobt eller anoxisk miljø, hvilket får pakningernes farve til gradvist at ændre sig fra brun til sort. Dette fører til problemer såsom slaggedannelse, brud, ældning og agglomerering af PPC-pakningerne under lang{17}}drift, hvilket forkorter deres levetid. Dette er også hovedfaktoren for den ringe effekt af PPC-pakninger til fjernelse af ammoniak-nitrogen fra kombineret regnvand-spildevand [Figur 5(a) og 5(b)]. I modsætning hertil havde PE-pakningerne stort set ikke ovenstående problemer under den langsigtede-spildevandsrensning ved den MBBR-AO-koblede proces, med bedre holdbarhed og længere levetid. En rimelig bærerkonfiguration kan effektivt buffere virkningen af vandstrømmen på biofilmen, så biofilmen kan vokse stabilt uden at blive beskadiget.
Konklusioner
I denne undersøgelse blev PE bio-bærerpakninger og PPC-pakninger tilføjet under spildevandsbehandlingsprocessen i den MBBR-AO-koblede proces. Effekterne af pakkematerialer på nedbrydningen af ammoniak-nitrogen i mikro-forurenet flodvand og kombineret regnvand-spildevand, samt den mikrobielle biofilmdannelseshastighed og levetid for pakninger med forskellige materialer, blev undersøgt. Sammenlignet med PPC-pakninger har PE-pakninger en langsommere biofilmdannelseshastighed, men en længere levetid. I mellemtiden, uanset om det bruges i lang- eller kortsigtet-behandling af mikro-forurenet flodvand og kombineret regnvand-spildevand ved den MBBR-AO-koblede proces, udviser PE-pakninger bedre nedbrydningseffekter på ammoniaknitrogen. Forskningsresultaterne giver teknisk støtte til udvælgelse af emballagematerialer i spildevandsbehandlingsprocesser.