Effekt af A2O-MBBR + Konstruerede vådområder kombineret proces til behandling af landligt husspildevand

Effekt af A2O-MBBR + CWs kombineret teknologi til behandling af husholdningsspildevand

I de senere år har staten dybt fremmet udviklingsstrategien for revitalisering af landdistrikterne, med fokus på at forbedre levemiljøet og stille højere krav til rensning af husholdningsspildevand. I øjeblikket omfatter hovedprocesserne for rensning af husholdningsspildevand biologiske metoder, økologiske metoder og kombinerede processer, hvoraf de fleste stammer fra rensning af byspildevand. Landdistrikter er imidlertid karakteriseret ved spredte befolkninger, hvilket fører til adskillige problemer såsom høj spredning af spildevand, vanskeligheder ved opsamling, små behandlingsskalaer, lav ressourceudnyttelse og utilstrækkelige rensefaciliteter. Endvidere er der betydelige forskelle i spildevandskvalitet og -mængde, geografisk placering, klima og økonomiske niveauer på tværs af regioner, hvilket gør det vanskeligt at standardisere behandlingsteknologier; simpel vedtagelse af teknologier til behandling af byspildevand er ikke mulig. Infrastrukturen til spildevandsopsamling, såsom kloaknet, er ofte utilstrækkelig i landdistrikterne. Spildevandsopsamlingen påvirkes let af kombinerede kloakoverløb og grundvandsinfiltration, hvilket resulterer i lav organisk koncentration i spildevandet og øget vanskelighed ved biologisk kvælstoffjernelse. De store udsving i spildevandskvalitet og -mængde i landdistrikterne gør det vanskeligt at opretholde en stabil biomassekoncentration i renseanlæg. Desuden begrænser lave vintertemperaturer den biologiske behandlingskapacitet, hvilket fører til lav effektivitet og ustabil spildevandskvalitet, der er tilbøjelig til at overskride standarder i traditionelle aktiveret slamprocesser. Derfor er der et presserende behov for at udvikle spildevandsbehandlingsteknologier, der er egnede til lokale forhold, med stærk modstandsdygtighed over for stødbelastninger, stabil langtidsdrift, lavt energiforbrug og høj behandlingseffektivitet.

Landdistrikter i Kina har en tendens til at foretrække lave-omkostninger, let-at-at administrere teknologier til rensning af husholdningsspildevand, hvor biologiske og økologiske kombinerede processer er en vigtig forskningsretning. I øjeblikket anvender meget anvendt integreret emballeret spildevandsbehandlingsudstyr i landdistrikter hovedsageligt processer såsom Anaerob-Anoxic-Oxic (A2O) og Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Undersøgelser viser, at MBBR-processen er mere afhængig af anlægsdesign end på præcis driftskontrol, der ikke kræver professionelt teknisk personale til regulering, hvilket gør den praktisk til drift og vedligeholdelse. Dette er mere velegnet til de praktiske behov for rensning af husholdningsspildevand, hvor der er knapt med teknisk personale. Dens fordele omfatter høj biomassekoncentration, stærk modstandsdygtighed over for stødbelastninger, høj behandlingseffektivitet og lille fodaftryk. Forskning af Luo Jiawen et al. indikerer, at tilføjelse af MBBR-medier til A2O-processen kan forbedre dets spildevandsbehandlingskapacitet markant. Zhou Zhengbing et al., i et egentligt husspildevandsprojekt i landdistrikterne, designede en to-trins anaerob/anoxisk-biologisk beluftet filter kombineret proces, der opnåede en stabil spildevandskvalitet, der opfylder Grade A-standarden GB 18918-2002 Municipal Waste Pollutants Discharge Plant. Derudover bruges Constructed Wetlands (CW'er) ofte til rensning af husholdningsspildevand. For eksempel, Zhang Yang et al. brugte biochar som fyldstof til at modificere et konstrueret vådområde, idet fjernelsesrater for TN, TP og COD kunne nå op på henholdsvis 99,41%, 91,40% og 85,09%. Tidligere forskning udført af vores gruppe viste også, at slam-biokul-fyldstof kunne forbedre nitrogen- og fosforfjernelsesevnen i konstruerede vådområder, forbedre det overordnede systems behandlingseffektivitet og effektivitet og gøre systemet mere modstandsdygtigt over for stødbelastninger. Med udgangspunkt i ovenstående forskning, for at udforske en kombineret teknologi, der er egnet til rensning af husholdningsspildevand og løse udfordringer såsom vanskeligheder med at opretholde en stabil biomassekoncentration, svag modstandsdygtighed over for stødbelastninger og spildevandskvalitet, der er tilbøjelig til udsving og overskridelse af standarder i landdistrikternes spildevandsrensningsanlæg, placerede forfatteren en A2O-MBBR-proces på forhånd for at skabe en integreret biofilm-ophængning. fast-filmaktiveret slam-miljø (IFAS), hvilket øger systemslamkoncentrationen og forbedrer behandlingseffektiviteten. I betragtning af den økologiske udnyttelse af ledige arealer som damme og lavninger i landdistrikter og kombination af konstruerede vådområder som en poleringsbehandlingsproces, blev metoder såsom brug af slam-biokul-fyldstof, recirkulering af nitrificeret væske og plantning af nedsænkede planter anvendt for at øge driftsstabiliteten af ​​det sammensatte vådområde. Således blev en A2O-MBBR + CWs kombineret proces konstrueret.

I denne undersøgelse, hvor der blev brugt råspildevand fra et landsbyspildevandsrensningsanlæg i Hefei som rensningsobjekt, blev der konstrueret en -pilotforsøgsopsætning af A2O-MBBR + CWs kombinerede proces. Påvirkningen af ​​sæsonbestemte vandtemperaturændringer på dets behandlingsydelse blev undersøgt. Indikatorer for forurenende stoffer i tilløbs- og spildevandet blev overvåget under drift for at undersøge fjernelseseffektivitet og driftsstabilitet. Samtidig blev den økonomiske gennemførlighed af processen analyseret. Målet er at give datareference og grundlag for anvendelsen af ​​A2O+-konstrueret vådområde kombineret teknologi i landlige husspildevandsrensningsprojekter i Kina, og at tilbyde referencer til at fremme husspildevandsrensning og bygge smukke, økologisk beboelige landsbyer i landdistrikter.

1. Eksperimentel opsætning og forskningsmetoder

1.1 Kombineret procesflow

A2O-MBBR + CWs kombinerede proceseksperiment vedtog en serieoperation af en A2O-enhed, et kulstof-baseret vådområde under overfladen og en økologisk dam. A2O-enheden bestod af en forbløffende anaerob-anoxisk kontakttank og en aerob membrantank (MBBR). Både den forbløffede anaerobe tank og beluftningszonen i den aerobe MBBR-tank blev fyldt med suspenderet biofilmbærermedie for at tilvejebringe fastgørelsesoverflader til mikroorganismer til at danne biofilm. Det aktiverede slam og biofilm i tankene eksisterede side om side og dannede et IFAS-system, som stabilt kunne opretholde systemets biomasse. Den forbløffede anoxiske tank forbedrede denitrifikationsprocessen gennem recirkulation af nitrificeret væske. Den aerobe MBBR-tank havde et beluftningssystem i bunden for at forbedre dens nitrifikationsydelse. En polyaluminiumklorid (PAC) doseringsport blev sat inde i tanken til supplerende kemisk fosforfjernelse, hvilket muliggjorde effektiv fosforfjernelse. CWs-enheden omfattede et kulstof-baseret vådområde under overfladen og en økologisk plantedam. Det kulstofbaserede-baserede underjordiske flow-konstruerede vådområde tog et tre-trins fyldstoffiltreringssystem. Beluftningsskiver blev installeret i bunden af ​​påfyldningszonen til tilbageskylning af mediet for at afbøde tilstopning. Den nedsænkede planteøkologiske dam havde et kalkstenssubstratlag i bunden og var beplantet med koldt-tolerante nedsænkede planter Vallisneria natans og Potamogeton crispus. Opstillingen blev placeret udendørs. Et termometer blev installeret i den økologiske dam for at overvåge sæsonbestemte vandtemperaturændringer. Det detaljerede procesflow for A2O-MBBR + CWs kombinerede proces er vist iFigur 1.

1.2 Opsætningsdesign og driftsparametre

Den eksperimentelle opsætning blev konstrueret ved hjælp af 10 mm tykke polypropylenplader. Den forblændede anaerobe tank var fyldt med firkantede biofilmbærermedier og indeholdt ledeplader. Recirkulationsforholdet for den blandede væske for den anoxiske tank med dæmpning var 50%~150%, og den indeholdt også skærmplader. Den aerobe MBBR-tank blev opdelt med en skærm i en aerob beluftningszone og en sedimentationszone. Beluftningszonen blev fyldt med MBBR suspenderet bæremedie med et luft-til-vandforhold på 6:1~10:1. Sedimentationszonen havde en PAC-doseringsport og skrå plader til sedimentationshjælp. Det kulstof-baserede vådområde under overfladen: den primære fyldstofzone var fyldt med kalksten (~5 cm diameter), den sekundære fyldstofzone med zeolit ​​(~3 cm diameter) og den tertiære fyldstofzone med slam-biokul-fyldstof (~0,5~1,0 cm i diameter). Påfyldningshøjden for hver zone var 75 cm. En mellemrumszone på ca. 4 cm bred blev indstillet mellem de primære og sekundære fyldstofzoner til funktioner såsom tilføjelse af eksterne kulstofkilder, observation og vedligeholdelse/tømning (ingen kulstofkilde blev tilføjet under dette eksperiment). Den nedsænkede planteøkologiske dam blev fyldt med kalkstensfyldstof (~3 cm i diameter) i en højde på 20 cm. Nedsænkede planter blev plantet med en rækkeafstand på 10 cm og planteafstand på 10 cm. Eksperimentet brugte råt spildevand fra en landsbys spildevandsrensningsanlæg i Hefei som indflydelse. Forsøgsperioden var fra 25. maj 2022 til 17. januar 2023, i alt 239 dage. Nedsænkede planter blev høstet én gang den 2. december med en frekvens på cirka én gang hver 6. måned. Den designede spildevandsbehandlingskapacitet var 50~210 L/d. Detaljerede designparametre for opsætningen er vist iTabel 1.

1.3 Eksperimentelle metoder

1.3.1 Eksperimentelt design

1.3.1.1 Test af optimal spildevandsbehandlingskapacitet

Efter vellykket prøvedrift af forsøgsopstillingen (stabil spildevandskvalitet) blev den optimale spildevandsbehandlingskapacitetstest udført fra den 25. maj 2022 til den 30. juni 2022. Under betingelser for opretholdelse af et aerobt tankluft--til--forhold på 6:1, nitrificeret væskeindhold P0Al%2O 2 %) og 8%, 3%, 3%, 20%, på ca. 3,7 g/d, blev opstillingens spildevandsbehandlingskapacitet gradvist øget (50, 60, 70, 80, 100, 120, 150, 180, 210 L/d). Ændringer i spildevandskvaliteten blev overvåget for at udforske den optimale spildevandsbehandlingskapacitet for opstillingen. I denne periode varierede vandtemperaturen mellem 24,5 ~ 27,1 grader. For at sikre stabil overholdelse af spildevand om vinteren, var den vedtagne spildevandsstandard Grade A-standarden for GB 18918-2002 "Udledningsstandard for forurenende stoffer til kommunale spildevandsrensningsanlæg".

1.3.1.2 Kombineret proces, samlet behandlingsydelsestest

Testperioden var fra 1. juli 2022 til 17. januar 2023. Den optimale spildevandsrensningskapacitet blev sat til 120 L/d. Det aerobe tankluft-til-forhold var 6:1~10:1, og recirkulationsforholdet for blandet væske var 50%~150%. Indløbs- og spildevandskvalitetsindikatorer (TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N og COD) fra hver procesenhed blev overvåget. Vandtemperaturændringer i testperioden (påvirket af sæsonbetinget klima) blev registreret. Behandlingsydelsen af ​​A2O-MBBR + CWs kombinerede proces for husspildevand fra landdistrikter blev analyseret, og indflydelsen af ​​sæsonbestemte vandtemperaturændringer på den kombinerede process ydeevne blev undersøgt.

1.3.2 Prøveudtagning

I løbet af testperioden blev der udtaget prøver uregelmæssigt (ca. 1~2 gange om ugen) til vandkvalitetstestning. Prøver blev indsamlet fra det opstillede influent, forbløffet anaerobt-anoxisk tankspildevand, aerobt MBBR tankspildevand, kulstof-baseret underjordisk vådområdespildevand og nedsænket anlægs økologiske damspildevand. Indløbsprøver blev taget fra opstillingens indløbsrør, og spildevandsprøver fra hver enheds udløb. Vandkvalitetsindikatortestning blev afsluttet samme dag for prøvetagning. Testede indikatorer inkluderede TN, TP, NO₃^--N, NH₄⁺-N og COD. Hver gang der blev taget prøver, blev vandtemperaturaflæsningen fra termometeret i den økologiske dam registreret (varierende mellem 0~32 grader). Vandtemperaturen i den økologiske dam ændrede sig naturligt med sæsonbestemte temperaturforskelle. Den designede spildevandsstandard for forsøgsopstillingen fulgte Grade A-standarden i DB 34/3527-2019 "Udledningsstandard for vandforurenende stoffer til landdistrikternes husholdningsspildevandsbehandlingsanlæg". De designede indløbskoncentrationer og spildevandsstandarder er detaljeret iTabel 2.

1.3.3 Metoder til analyse af vandkvalitet

TN-koncentration i vandprøver blev bestemt ved hjælp af HJ 636-2012 "Vandkvalitet - Bestemmelse af total nitrogen - Alkaline kaliumpersulfat nedbrydning UV spektrofotometrisk metode". INGEN₃^--N-koncentrationen blev bestemt ved hjælp af HJ/T 346-2007 "Vandkvalitet - Bestemmelse af nitratnitrogen - Ultraviolet spektrofotometri (forsøg)". NH₄⁺-N-koncentrationen blev bestemt ved hjælp af HJ 535-2009 "Vandkvalitet - Bestemmelse af ammoniaknitrogen - Nesslers reagensspektrofotometri". COD blev bestemt ved hjælp af HJ 828-2017 "Vandkvalitet - Bestemmelse af kemisk oxygenbehov - Dichromate-metoden". TP-koncentrationen blev bestemt ved anvendelse af GB 11893-1989 "Vandkvalitet - Bestemmelse af total phosphor - Ammoniummolybdat spektrofotometrisk metode".

2. Resultater og diskussion

2.1 Indflydelse af spildevandsbehandlingskapacitet på kombineret procesydelse

Som vist iFigur 2 (a)(b), da den daglige spildevandsbehandlingskapacitet gradvist steg fra 50 l/d til 210 l/d, fjernelseseffektiviteten for TN og NH₄⁺-N af hver enhed i den kombinerede proces viste en faldende tendens. TN-fjernelsesraten faldt fra 91,55 % (50 L/d) til 52,17 % (210 L/d), og NH₄⁺-N-fjernelsesraten faldt fra 97,47 % (70 L/d) til 80,68 % (210 L/d). Dette skyldes, at stigningen i den daglige spildevandsbehandlingskapacitet reducerer den hydrauliske retentionstid, hvilket forkorter den tid, der er til rådighed for mikroorganismer til at nedbryde forurenende stoffer, hvilket resulterer i dårligere behandlingsydelse. Blandt dem bidrog A2O-enheden mest til TN og NH₄⁺-N fjernelse. Den gennemsnitlige indstrømnings-TN-koncentration for denne enhed var 38,68 mg/L, spildevandet var 16,87 mg/L, med en fjernelseshastighed på 56,29%. Den gennemsnitlige indflydelse NH₄⁺-N-koncentrationen var 36,29 mg/L, spildevandet var 5,50 mg/L, med en fjernelseshastighed på 84,85 %. For det kulstof-baserede vådområde under overfladen var den gennemsnitlige koncentration af TN-indløb 16,87 mg/L, spildevandet var 11,96 mg/L med en fjernelseshastighed på 29,10 %. For den nedsænkede planteøkologiske dam var den gennemsnitlige koncentration af indløbs-TN 11,96 mg/L, spildevandet var 9,47 mg/L med en fjernelseshastighed på 20,82%. Ydeevnen for nitrogenfjernelse af det kulstofbaserede-baserede underjordiske strømningsvådområde var bedre end det økologiske bassin, fordi det anaerobe-anoksiske miljø i det underjordiske strømningsvådområde er mere egnet til denitrifikation. Imidlertid har NH₄⁺-N-fjernelsesevnen for den økologiske dam var bedre end den for vådområdet under overfladen. Den gennemsnitlige indflydelse NH₄⁺-N-koncentrationen for det kulstof-baserede vådområde under overfladen var 5,50 mg/L, spildevandet var 4,04 mg/L, med en fjernelseshastighed på kun 26,53 %. For den økologiske dam er den gennemsnitlige indflydende NH₄⁺-N-koncentrationen var 4,04 mg/L, effluenten var 2,38 mg/L, med en fjernelseshastighed på 41,07 %. Dette skyldes, at det aerobe miljø i den økologiske dam er mere egnet til nitrifikation og omdanner mere NH₄⁺-N ind i NO₃^--N, hvilket resulterer i en højere NH₄⁺-N fjernelsesfrekvens. Da spildevandsbehandlingskapaciteten nåede 150 L/d, var TN-koncentrationen af ​​spildevandet 15,11 mg/L, hvilket oversteg Grade A-standarden i GB 18918-2002. For at sikre stabil TN-overholdelse var den maksimale spildevandsbehandlingskapacitet 120 L/d. Da spildevandsbehandlingskapaciteten nåede 210 L/d, blev spildevandet NH₄⁺-N-koncentrationen var 7,07 mg/L, hvilket oversteg Grade A-standarden i GB 18918-2002. Derfor er den maksimale spildevandsbehandlingskapacitet for NH₄⁺-N-overholdelse var 180 l/d.

Som vist iFigur 2 (c), var den gennemsnitlige indgående COD under 100 mg/L, hvilket indikerer lavt organisk indhold. Stigningen i spildevandsbehandlingskapaciteten påvirkede ikke COD-fjernelsen signifikant, med COD-fjernelsesrater mellem 75%~90%. Da spildevandsbehandlingskapaciteten steg fra 50 L/d til 210 L/d, var den gennemsnitlige COD for spildevandet 19,16 mg/L, med en maksimal COD for spildevandet på 26,07 mg/L, stadig langt under 50 mg/L-standarden i GB 18918-2002, fordi A2O-enheden bidrog mest til Grad A-enheden. i den aerobe MBBR-tank skabte et aerobt miljø, der forbedrede den biokemiske kapacitet af aerobe mikroorganismer og styrkede COD-fjernelsen. Derudover gjorde recirkulationen af ​​nitrificeret væske i A2O-enheden det muligt for den forbløffede anoxiske tank yderligere at udnytte organisk materiale i spildevandet som en kulstofkilde, og fjerne en del af COD'en og samtidig forbedre denitrifikationen. Det kulstof-baserede vådområde under overfladen bidrog næstmest til COD-fjernelsen. Dets anaerobe-anoxiske miljø er befordrende for at bruge organisk materiale i spildevandet som kulstofkilde, der nedbryder en del af de organiske stoffer, samtidig med at denitrifikationen forbedres, hvilket også er grunden til, at det havde bedre TN-fjernelse. Ydermere kan substratlaget i det underjordiske strømningsvådområde adsorbere noget organisk stof. Den økologiske dam havde begrænset effekt på COD-nedbrydning. Den gennemsnitlige indflydende COD for den økologiske dam var 22,21 mg/L, og de mest let bionedbrydelige organiske stoffer var allerede blevet nedbrudt, hvilket efterlod organiske stoffer, der er sværere at nedbryde.

Som vist iFigur 2 (d)Efterhånden som spildevandsbehandlingskapaciteten steg, forblev koncentrationen af ​​spildevands-TP stabil. Stigningen i spildevandsbehandlingskapaciteten påvirkede ikke fjernelse af TP væsentligt. Den gennemsnitlige influent TP-koncentration var 3,7 mg/L, og den gennemsnitlige spildevandskoncentration var 0,18 mg/L, med en gennemsnitlig fjernelseshastighed på 95,14%, hvilket indikerer god TP-fjernelse. TP blev hovedsageligt fjernet i A2O-enheden. Den indgående TP-koncentration for A2O-enheden var 3,7 mg/L, og spildevandet var kun 0,29 mg/L, bedre end 0,5 mg/L-standarden i GB 18918-2002 Grade A. Dette skyldes, at A2O-enheden ikke kun havde biologisk fosforfjernelse, men også suppleret med phosphorfjernende organismer (PA-accuphorus) med kemisk fosforfjernelse ved at dosere 3,7 g/d PAC. Kombinationen af ​​biologisk og kemisk fosforfjernelse resulterede i, at over 90% af fosfor blev fjernet i A2O-enheden. Vådområdet under overfladen og den økologiske dam var hovedsageligt afhængig af mekanismer som substratadsorption, sedimentation, planteoptagelse og mikrobiel nedbrydning til fosforfjernelse. Desuden var TP-koncentrationen, der kom ind i vådområdet, allerede så lav som 0,29 mg/L, hvilket gjorde yderligere fjernelse vanskeligere. Disse kombinerede årsager førte til den generelle TP-fjernelse af vådområdet og den økologiske dam.

For at sikre stabil overholdelse af alle spildevandsindikatorer med GB 18918-2002 Grade A-standarden, blev den optimale spildevandsbehandlingskapacitet for denne proces bestemt til at være 120 L/d.

2.2 Ydeevne for fjernelse af forurenende stoffer i den kombinerede proces

2.2.1 Ydeevne for COD-fjernelse

Som vist iFigur 3, i løbet af den overordnede behandlingsydelsestestperiode (1. juli 2022 til 17. januar 2023, spildevandsbehandlingskapacitet 120 L/d), viste vandtemperaturen en svingende nedadgående tendens, faldende fra 32 grader til 0 grader. COD-fjernelseshastigheden svingede, og faldet i vandtemperaturen havde ingen indlysende indflydelse på COD-fjernelsen. Kombineret medFigur 4, COD-fjernelsesraten varierede mellem 66,16%~82,51%, primært påvirket af indflydende COD-koncentration. Undersøgelser viser, at under anaerobe/anoksiske forhold er COD-fjernelse hovedsageligt afhængig af mikrobiel virkning. A2O-MBBR+CWs-processen veksler mellem anaerobe-anoksiske-oksiske-anoksiske-oksiske tilstande, hvilket forbedrer COD-fjernelsen. Under drift, da vandtemperaturen faldt, selvom den indgående COD varierede fra 80~136 mg/L, forblev spildevands-COD stabil under 50 mg/L, hvilket opfyldte Grade A-standarden for DB 34/3527-2019, hvilket indikerer god organisk nedbrydning. A2O-sektionen bidrog mest til COD-fjernelse. Den forbløffede anaerobe-anoxiske kontakttank havde en gennemsnitlig COD-fjernelseshastighed på 43,38 %, hvilket svarer til 65,43 % af den samlede COD-fjernelse. Den aerobe MBBR-tank havde en gennemsnitlig fjernelsesrate på 14,69%, hvilket udgør 19,87% af den samlede mængde. A2O-sektionen bidrog med over 85 % til COD-fjernelse, og dragede fordel af det store specifikke overfladeareal af medierne i den forbløffede anaerobe tank og den aerobe MBBR-tank, høj slamkoncentration og dannelsen af ​​en fødekæde fra bakterier → protozoer → metazoer, der effektivt nedbryder organisk materiale i vand. Den høje biodiversitet i IFAS-systemet sikrede god organisk fjernelse selv ved temperaturændringer. Derudover vil en del af det opløselige organiske stof i spildevandet i den forvirrede anaerob-anoxiske kontakttank blive brugt som kulstofkilde ved denitrificerende bakterier. I mellemtiden øgede recirkuleret blandet væske NO₃^--N-koncentration i den forbløffede anoxiske tank, der fremmer udnyttelsen af ​​kulstofkilder ved at denitrificere bakterier til at omdanne NO₃^--N/NEJ₂^--N til nitrogengas. Den høje COD-fjernelseshastighed i den forbløffede anaerobe-anoxiske kontakttank bekræfter yderligere, at denne proces effektivt kan udnytte organisk materiale i spildevand som en denitrifikationskulstofkilde. Det kulstof-baserede underjordiske flow-vådområde havde en gennemsnitlig COD-fjernelse på 7,18 %, hvilket svarer til 9,18 % af den samlede COD-fjernelse. Det anaerobe/anoxiske miljø i det underjordiske flow-vådområde er befordrende for mikroorganismer, der bruger organisk materiale som kulstofkilde, hvilket opnår COD-fjernelse, samtidig med at denitrifikationen forbedres. Relateret forskning viser også, at biokul-fyldstof kan adsorbere organisk stof gennem elektrostatisk tiltrækning og intermolekylær hydrogenbinding. Derfor vil slam-biokul-fyldstoffet i det underjordiske flow-vådområde også adsorbere noget organisk stof. Den nedsænkede planteøkologiske dam havde en gennemsnitlig COD-fjernelse på kun 3,68%, fordi COD'en, der kom ind i dammen, allerede var lav på 30,59 mg/L i gennemsnit og for det meste bestod af ildfaste organiske stoffer, fjernet hovedsageligt ved adsorption og planteoptagelse, med begrænset effekt.

2.2.2 Ydeevne for nitrogenfjernelse

Som vist iFigur 3, da vandtemperaturen gradvist faldt fra 32 grader til 12 grader, TN og NH₄⁺-N fjernelsesrater svingede. Den gennemsnitlige TN-fjernelsesrate nåede 75,61%, og den gennemsnitlige NH₄⁺-N-fjernelsesraten nåede 95,70 %. Når vandtemperaturen faldt til under 12 grader, TN og NH₄⁺-N fjernelsesrater viste en hurtigt faldende tendens, men de gennemsnitlige fjernelsesrater nåede stadig op på henholdsvis 58,56 % og 80,40 %. Dette skyldes, at sæsonbestemt vandtemperaturfald hæmmede mikrobiel aktivitet, hvilket svækkede denitrifikationsydelsen. Ifølge de statistiske resultater af koncentrationer af forurenende stoffer i influent og spildevand under den kombinerede procesdriftsperiode (1. juli 2022 til 17. januar 2023) vist iTabel 3, den gennemsnitlige indflydende TN og NH₄⁺-N-koncentrationerne var henholdsvis 36,56 mg/L og 32,47 mg/L. NH₄⁺-N tegnede sig for 88,81 % af TN. Indflydelse NO₃^--N (0,01 mg/L) var næsten ubetydelig. Gennemsnitligt spildevand TN og NH₄⁺-N-koncentrationerne var henholdsvis 11,69 mg/L og 3,5 mg/L, der begge levede op til Grade A-standarden i DB 34/3527-2019. Det gennemsnitlige spildevand NO₃^--N-koncentrationen var 6,03 mg/L, hvilket indikerer god nitrifikationskapacitet af denne proces, der omdanner NH₄⁺-N til NEJ₃^--N. Ophobningen af ​​NO₃^--N i spildevandet tyder på, at der stadig er plads til yderligere denitrifikation. Som vist iFigur 5 (a)TN-fjernelsen var højest i A2O-sektionen. Den forvirrede anaerobe-anoxiske kontakttank havde en gennemsnitlig TN-fjernelsesrate på 44,25 %, og den aerobe MBBR-tank havde en gennemsnitlig TN-fjernelsesrate på 9,55 %. Dette er resultatet af den kombinerede virkning af nitrificerende bakterier i den aerobe zone og denitrificerende bakterier i den anoxiske zone. Det kulstof-baserede konstruerede vådområde havde en gennemsnitlig TN-fjernelseshastighed på 11,07 %, fordi dets evne til at frigive kulstofkilder og dets anaerobe/anoxiske miljø er befordrende for denitrifikation og opretholder en vis nitrogenfjernelseskapacitet. Den nedsænkede planteøkologiske dam havde en gennemsnitlig TN-fjernelsesrate på kun 3,54%, med generel fjernelsesevne, fordi dens aerobe miljø ikke er befordrende for denitrifikation. Som vist iFigur 5 (b), NH₄⁺-N fjernelse blev primært fuldført i A2O-sektionen. Den forvirrede anaerobe-anoxiske kontakttank havde en NH₄⁺-N-fjernelseshastighed på 59,46 %, og den aerobe MBBR-tank havde en NH₄⁺-N-fjernelsesrate på 24,24 %. A2O-sektionen udgjorde 93,57% af den samlede NH₄⁺-N fjernelse. Den høje NH₄⁺-N-fjernelse i A2O-sektionen skyldes kontinuerlig beluftning i den aerobe MBBR-tank, hvilket tillader nitrificerende bakterier fuldt ud at udnytte DO til at omdanne NH₄⁺-N til NEJ₃^--N. Dette recirkuleres derefter til den anoxiske tank, hvor denitrificerende bakterier omdanner NO₃^--N til N2 til fjernelse. I løbet af testperioden var den gennemsnitlige TN-fjernelsesrate 68,40% og den gennemsnitlige NH₄⁺-N-fjernelsesraten var 89,45 %, hvilket indikerer god nitrogenfjernelsesydelse.

Som vist iFigur 3, da vandtemperaturen faldt fra 32 grader til 0 grader, faldt TN-fjernelsesraten fra et maksimum på 79,19 % til 51,38 %. Kombineret medFigur 5 (a), when water temperature was >20 grader oversteg den gennemsnitlige TN-fjernelseshastighed 75% med en gennemsnitlig spildevandskoncentration på 8,41 mg/L, fordi mikrobiel aktivitet er højere i 20~32 graders området, hvilket fører til bedre denitrifikation, i overensstemmelse med forskning af Zhang Na et al. Når vandtemperaturen faldt fra 20 grader til 5 grader, faldt den gennemsnitlige TN-fjernelseshastighed til 65,44%, og den gennemsnitlige spildevandskoncentration steg til 12,70 mg/L. Når vandtemperaturen var 0 ~ 5 grader, faldt den gennemsnitlige TN-fjernelseshastighed til 52,75%, og den gennemsnitlige spildevandskoncentration steg til 17,62 mg/L, hvilket indikerer en vis indvirkning på TN-fjernelsen. Undersøgelser viser, at når vandtemperaturen falder, hæmmes mikrobiel aktivitet. Når vandtemperaturen<5.6°C, microorganisms are basically dormant, and population numbers sharply decrease, limiting pollutant degradation. When water temperature <4°C, microorganisms begin to die. However, in this process, even when water temperature dropped to 0°C, the TN removal rate still reached 51.52%, and effluent always met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. This is because the IFAS system in the A2O section maintained high biomass concentration. During the test period, MLSS concentration in the baffled anaerobic-anoxic contact tank and aerobic MBBR tank reached 6,000~8,000 mg/L. Additionally, recirculation of nitrified liquid further enhanced denitrification. Furthermore, wastewater passed sequentially through the limestone, zeolite, and sludge biochar filler zones of the subsurface flow wetland, where anaerobic and aerobic reactions occurred simultaneously. Various organics adsorbed on filler surfaces and the slow-release of carbon sources from biochar filler promoted denitrification, further enhancing nitrogen removal. Research indicates that biochar can increase the abundance and diversity of denitrifying microorganisms in wetlands. Also, due to its structure, subsurface flow wetlands have some thermal insulation effect, helping maintain internal microbial activity. Under the influence of multiple factors, the combined process exhibited strong resistance to low-temperature shock, maintaining over 50% TN removal even at 0°C. In summary, when water temperature is >5 grader, TN-fjernelsesevnen er god, med spildevand stabilt under 15 mg/L. På dette tidspunkt, i betragtning af fjernelse af andre forurenende stoffer, kan spildevandsbehandlingskapaciteten øges passende.

Som vist iFigur 3, efterhånden som vandtemperaturen gradvist faldt, NH₄⁺-N-fjernelsesraten faldt fra et maksimum på 99,52 % til et minimum på 74,77 %, og spildevands-NH₄⁺-N-koncentrationen steg fra et minimum på 0,17 mg/L til 8,40 mg/L. Faldende vandtemperatur hæmmer aktiviteten af ​​nitrificerende og nitritificerende bakterier, hvilket reducerer NH₄⁺-N removal. However, when water temperature >12 grader, det gennemsnitlige spildevand NH₄⁺-N-koncentrationen var 1,58 mg/L. Når vandtemperaturen er mindre end eller lig med 12 grader, er den gennemsnitlige NH₄⁺-N-koncentrationen steg til 6,58 mg/L, men udløbet NH₄⁺-N opfyldte altid Grade A-standarden i DB 34/3527-2019. Når vandtemperaturen var 20 ~ 32 grader, den gennemsnitlige NH₄⁺-N-fjernelsesraten oversteg 96 %. Kombineret medFigur 5 (b), spildevandet NH₄⁺-N-koncentrationen var under 2 mg/L i dette interval, hvilket indikerer høj nitrificerende bakterieaktivitet og fremragende samlet NH₄⁺-N fjernelse. Når vandtemperaturen gradvist faldt fra 20 grader til 12 grader, den gennemsnitlige NH₄⁺-N removal rate still exceeded 90%, showing good removal, as research indicates water temperature >12 grader er velegnet til at nitrificere bakterievækst, fremme nitrifikation. Derfor har NH₄⁺-N opretholdt høje fjernelsesrater i området 12~20 grader. Når vandtemperaturen gradvist faldt fra 12 grader til 0 grader, den gennemsnitlige NH₄⁺-N-fjernelsesraten nåede stadig 80 %. Eksisterende forskning viser, at nitrificerende bakterier næsten mister nitrifikationskapacitet ved 0 grader. Imidlertid viser resultaterne af denne undersøgelse, at selv ved 0 grader , NH₄⁺-N-fjernelseshastigheden oversteg 75 %, hvilket indikerer god nitrifikationsydelse af denne proces ved lave temperaturer. Dette skyldes, at IFAS-systemet i A2O-MBBR-sektionen i denne undersøgelse har en lang biofilmslamalder på op til omkring 1 måned, hvilket gør nitrifikationshastigheden i den biokemiske tank langt mindre påvirket af temperaturen end traditionelle aktiverede slamprocesser, hvilket væsentligt forbedrer nitrifikationsydelsen ved lave vintertemperaturer. Forskning af Wei Xiaohan et al. angiver også, at hovedårsagen til ikke-kompatibel NH₄⁺-N-spildevand under lave vandtemperaturforhold er utilstrækkelig aktiveret slamalder, hvor temperaturens indvirkning på nitrificerende aktivitet er sekundær. Derfor, selvom faldende vandtemperatur påvirkede nitrificeringsaktiviteten til en vis grad, sikrede den tilstrækkelige slamalder i denne proces NH₄⁺-N-fjernelse ved lave temperaturer. I testperioden er det gennemsnitlige spildevand NH₄⁺-N-koncentrationen var 3,50 mg/L, og den kombinerede proces udviste god og stabil nitrifikationsydelse.

2.2.3 Fosforfjernelsesevne

Som vist iFigur 3TP-fjernelseshastigheden varierede lidt med vandtemperaturændringer, forblev stabil over 94%. Kombineret medFigur 6, koncentrationen af ​​indstrømmende TP varierede fra 3,03~4,14 mg/L, og koncentrationen af ​​TP i spildevandet varierede fra 0,14~0,28 mg/L, hvilket opfylder Grade A-standarden for DB 34/3527-2019. Denne proces er afhængig af den kombinerede virkning af biologisk fosforfjernelse (ved PAO'er) og kemisk phosphorfjernelse (ved PAC). Når vandtemperaturen falder, hæmmes PAO-aktiviteten, hvilket påvirker biologisk fosforfjernelse. Denne proces supplerer dog med kemisk fosforfjernelse ved at dosere 3,7 g/d PAC, der opretholder en stabil TP-fjernelseshastighed og reducerer virkningen af ​​vandtemperaturændringer på fosforfjernelse i den kombinerede proces. A2O-enheden havde den bedste TP-fjernelsesydelse. Den anaerobe-anoxiske enhedsudløbsgennemsnitlige TP-koncentration var 2,48 mg/L med en fjernelseshastighed på 32,61 %. Den gennemsnitlige TP-koncentration af aerobe enhedspildevand var 0,29 mg/L med en fjernelseshastighed på 59,51%. Den samlede TP-fjernelsesrate for A2O-enheden var 92,12 %. Det forvirrede design af A2O-MBBR-sektionen kan i vid udstrækning fjerne nitratnitrogen, der transporteres i den recirkulerede blandede væske, hvilket tillader anaerobe PAO'er at frigive fosfor mere grundigt i den anaerobe sektion og absorbere fosfor mere fuldstændigt i den aerobe sektion, hvilket øger den biologiske fjernelse af fosfor. Derudover opretholdt kemisk fosforfjernelse ved dosering på den ene side af den aerobe MBBR-tank en stabil TP-fjernelseshastighed, med spildevandskvalitet stabilt bedre end Grade A-standarden for DB 34/3527-2019. Biologisk fosforfjernelse i A2O-MBBR-sektionen sker hovedsageligt, når PAO'er i den forbløffede anaerobe tank bruger kulstofkilder til at omdanne en del af det organiske stof og flygtige fedtsyrer til polyhydroxyalkanoater (PHA'er). Når spildevand strømmer fra den forbløffede anaerobe tank til den aerobe MBBR-tank, bruger PAO'er derefter PHA'er som elektrondonorer for at fuldføre fosforoptagelsen. Den biologiske fosforfjernelsesevne påvirkes dog let af PAO-aktivitet, og lav vandtemperatur begrænser PAO-aktiviteten. For at opnå en stabil fosforfjernelse blev der derfor indarbejdet kemisk fosforfjernelse i procesdesignet. Derudover absorberer substratlagets adsorption i det kulstofbaserede vådområde under overfladen og væksten af ​​nedsænkede planter i den økologiske dam også noget fosfor.

Sammenfattende fungerede opsætningen stabilt i testperioden med en god generel ydeevne til fjernelse af forurenende stoffer. A2O-MBBR + CWs kombinerede proces opnåede gennemsnitlige fjernelsesrater på 68,40 %, 89,45 %, 73,94 % og 94,04 % for TN, NH₄⁺-Hhv. N, COD og TP. De gennemsnitlige spildevandskoncentrationer var henholdsvis 11,69 mg/L, 3,50 mg/L, 26,9 mg/L og 0,22 mg/L, alle opfylder Grade A-standarden i DB 34/3527-2019. Forskning af Wu Qiong et al. angiver, at A2O-MBBR er en sammensat proces af aktiveret slam og biofilm, med stor mikrobiel mængde, lang slamalder, høj volumetrisk belastning, lille volumen og fodaftryk, stærk modstandsdygtighed over for stødbelastninger, god spildevandskvalitet og stabil drift. Desuden er denitrifikationsydelsen af ​​biofilmprocesser om vinteren bedre end for aktiverede slamprocesser, hvilket gør den mere velegnet til behandling af lav{15}}temperaturspildevand om vinteren. Dette er også hovedårsagen til A2O-MBBR-sektionens gode forureningsfjernelse i denne undersøgelse. Den kombinerede A2O-MBBR + CWs proces i denne undersøgelse tilføjer en CWs poleringsbehandlingszone på basis af A2O-MBBR processen, hvilket yderligere forbedrer processens overordnede rensningsydelse og driftsstabilitet. Fjernelsen af ​​TN og NH₄⁺-N var mindre påvirket af sæsonbestemte vandtemperaturændringer, mens fjernelse af COD og TP var næsten upåvirket af sæsonbestemt vandtemperatur. I testperioden udviste den stærk modstandsdygtighed over for stødbelastninger, hvilket gør den velegnet til brug i landdistrikter med store udsving i husspildevandskvalitet og -mængde.

2.3 Økonomisk analyse af den kombinerede proces

Omkostningerne ved denne kombinerede proces omfatter hovedsageligt byggeomkostninger og driftsomkostninger til spildevandsrensning. Byggeomkostninger var til opsætning af eksperimentelle opsætning, herunder indkøb af tanklegemer, tilhørende elektrisk udstyr, medier, nedsænkede anlæg og rørfittings, i alt cirka 3.000 CNY. Baseret på den maksimale spildevandsbehandlingskapacitet under forsøget på 0,18 m³/d, er anlægsprisen pr. m³ renset spildevand ca. 16.700 CNY. Driftsomkostninger stammer hovedsageligt fra opsætningsdrift, herunder udstyrs energiforbrug, kemikalieomkostninger, omkostninger til bortskaffelse af slam og lønomkostninger. Elektrisk udstyr omfatter: fødepumpe (effekt 2 W, Q=2.8 m³/d), recirkulationspumpe (effekt 2 W, Q=2.8 m³/d), belufter (effekt 5 W, beluftningshastighed=5 L/min) og peristaltisk doseringspumpe (effekt 2 W). Beregnet ud fra faktisk maksimal forbrugseffekt: fødepumpe 0,13 W, recirkulationspumpe 0,19 W, belufter 1,25 W, doseringspumpe 2 W. Samlet faktisk forbrugseffekt er 0,00357 kW, dagligt strømforbrug 0,086 kWh. Elforbrug pr. m³ renset spildevand er 0,48 kWh. Ved brug af industriel elpris på 0,7 CNY/kWh er elprisen 0,33 CNY/m³. PAC kemikalieomkostninger er omkring 2,4 CNY/kg, forbrug 3,7 g/d. Påkrævet PAC pr. m³ spildevand er 20,56 g, koster 0,05 CNY/m³. Slambortskaffelsesomkostninger=slammængde × enhedsvolumen slambortskaffelsesomkostninger. Tørslamproduktionen pr. ton vand er 0,09 kg. Baseret på kommunal slamtransport og bortskaffelsespris på 60 CNY/ton, slambortskaffelsesomkostninger pr. ton vand=0.09 kg × 0,06 CNY/kg=0.054 CNY. Da pilotopsætningen kun krævede periodisk inspektion efter drift, blev arbejdsomkostningerne estimeret baseret på faktisk ingeniørerfaring. Et 10.000 tons anlæg om dagen drives af 1~2 personer. Forudsat at en enkelt persons løn er 3.000 CNY/måned, for 2 personer, er lønomkostningsindikatoren omkring 0,02 CNY/ton vand. Omkostningsdetaljer er vist iTabel 4. Sammenfattende er omkostningerne til operationsbehandling ca. 0,46 CNY/m³. Men efterhånden som spildevandsbehandlingskapaciteten øges, vil anlægs- og driftsomkostningerne pr. ton vand falde. Konstruktions- og driftsomkostningerne under pilottesten er kun til reference.

3. Konklusioner

A2O-MBBR + CWs kombinerede proces viste god ydeevne til rensning af husholdningsspildevand. Fjernelsen af ​​TP og COD var stort set upåvirket af vandtemperaturændringer. De gennemsnitlige fjernelsesrater for TN, NH₄⁺-N, TP, and COD reached 68.4%, 89.45%, 94.02%, and 73.94%, respectively. When water temperature ≤5°C, effluent quality stably met the Grade A standard of DB 34/3527-2019. When water temperature >5 grader, kunne spildevandskvalitet opfylde Grade A-standarden i GB 18918-2002 "Udledningsstandard for forurenende stoffer til kommunale spildevandsrensningsanlæg". Denne proces kan effektivt udnytte organisk materiale i systemet som en kulstofkilde for at forbedre denitrifikationen, og opretholde over 50 % TN-fjernelse selv ved vandtemperaturer så lave som 0 grader.

Den optimale spildevandsbehandlingskapacitet for A2O-MBBR + CWs kombinerede proces om vinteren var 120 L/d og 180 L/d i ikke-vintersæsoner. Sæsonbestemte vandtemperaturændringer (faldende gradvist fra 32 grader til 0 grader) havde kun en vis indflydelse på nitrogenfjernelsen ved den kombinerede proces. TN-fjernelsesraten faldt fra 79,19 % til 51,38 %, og NH₄⁺-N-fjernelsesraten faldt fra 99,52 % til 74,77 %. Selv ved 0 grader opfyldte spildevandskvaliteten stabilt Grade A-standarden for DB 34/3527-2019, og NH₄⁺-N-fjernelsesraten nåede stadig 74,77 %. Dette nyder godt af IFAS-systemet, hvor en slamalder på op til 1 måned sikrede nitrifikation ved lave temperaturer. Processen fungerede stabilt i testperioden og udviste stærk modstand mod vandtemperaturændringer.

Den forudgående A2O-MBBR-proces brugte to typer suspenderede biofilmbærere til mikrobiel vedhæftning, hvilket dannede et IFAS-system. Det kulstof-baserede underjordiske flow-vådområde brugte flere mediefyldstoffer, herunder slambiokul, kalksten og zeolit, hvilket forbedrede dets filtreringsydelse, samtidig med at det gav rigelig vedhæftningsoverflade til mikroorganismer, hvilket forbedrede dets biologiske behandlingskapacitet. Den forudgående A2O-MBBR-proces med IFAS har høj biomassekoncentration. Det bageste CWs kompositvådområde fungerer som et poleringsbehandlingstrin, der yderligere behandler spildevandet, hvilket gør det overordnede system mere modstandsdygtigt over for stødbelastninger.

A2O-MBBR + CWs kombinerede proces er velegnet til behandling af husspildevand i landdistrikter med store udsving i kvalitet og mængde. Det fungerer stabilt og effektivt med en behandlingsomkostning på ca. 0,46 CNY/m³. Desuden kan A2O-MBBR+CWs processektioner justeres fleksibelt i overensstemmelse med forskellige spildevandsstandarder, scenarier og formål. Denne kombinerede proces kan give datareference og grundlag for projekter til rensning af husholdningsspildevand i landdistrikter i Kina, tilbyde en ressourceudnyttelsesvej for ledige ødemarker i landdistrikter og har et bredt markedsanvendelsespotentiale under den nationale tendens med (hvis der lægges stor vægt på forbedring af landdistrikternes miljøkvalitet.