Ammoniaaklämmastiku eemaldamine mikro-reostunud jõeveest ja kombineeritud kanalisatsioonist, kasutades erinevatest materjalidest MBBR pakendeid
Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) ühendab endas aktiivmudaprotsessi ja traditsioonilise biokile protsessi eelised, muutes selle uuenduslikuks ja revolutsiooniliseks tehnoloogiaks kaasaegses bioloogilises reoveepuhastuses. Arvukad varasemad uuringud on näidanud, et MBBR-protsess võib tõhusalt leevendada linnareovee lämmastiku eemaldamise survet. MBBR protsessi bio-kandjapakendid võivad transportida biokile kogu reaktorisse, soodustada kontakti biokile, hapniku ja reaktsioonisubstraatide vahel ning parandada lagunemisreaktsioonide tõhusust. Tänu oma ainulaadsetele stabiilsus- ja tihedusomadustele on neil laialdased kasutusvõimalused.
Praegu on enamik MBBR-i bio{0}}kandepakendeid valmistatud peamiselt sellistest materjalidest nagu polüetüleen (PE), polüpropüleen (PP), polüuretaan (PU) ja poorne polüuretaan (PPC). Nende hulgas on PE-põhistel MBBR-pakenditel hea kroomi, CODCr, ammoniaaklämmastiku, üldlämmastiku, orgaanilise süsiniku üldsisaldus ja lenduvate fenoolide eemaldav toime reovees; PP-pakendeid kasutatakse enamasti kombineeritud MBBR-protsessides, nagu MBBR-AO kombineeritud protsess ja MBBR-MBR kombineeritud protsess; PU- ja PPC-pakendid on suure poorsusega, mis võib pakkuda mikroorganismidele suuremat kinnitusala, võimaldades mikroorganismidel kiiresti ja stabiilselt kasvada, eemaldades seeläbi tõhusalt reoveest orgaanilised saasteained ja erinevad toitained. PE- ja PPC-pakendid on praegu kaks laialdaselt kasutatavat tüüpi. PE-pakendeid kasutatakse laialdasemalt parema jõudlusega, samas kui PPC-pakendeid on tugevam hüdrofiilsus ja suurem eripind, mis soodustab mikroorganismide kinnitumist. Mõlemal pakenditüübil on oma eelised ja puudused ning mõlemal on hea mehaaniline tugevus ja madal hind. Siiski on vähe teateid nende ammoniaaklämmastiku eemaldamise mõju kohta mikro-reostunud jõeveest ja kombineeritud sademevee{10}}reoveest MBBR-AO-ga seotud protsessis. Selles artiklis uuritakse erinevat tüüpi MBBR bio-kandepakendite (PE ja PPC materjalid) lisamise mõju MBBR-AO sidestusprotsessis ammoniaaklämmastiku eemaldamise efektiivsusele mikro-reostunud jõeveest ja kombineeritud sademevee{16}}reoveest. Samal ajal analüüsib see erinevate MBBR bio{18}}kandepakendite biokile moodustumise kiirust ja kasutusiga, eesmärgiga täiustada erinevate MBBR bio{19}}kandepakendite spetsiifilisi valikumeetodeid reoveepuhastuse MBBR protsessis.
1. Reoveepuhastusprotsess
1. 1 Protsessi voo ja bio-kandja pakkimise üksikasjad
Selles uuringus kasutatud reoveepuhastusseade on ise{0}}konstrueeritud bioloogiline keevkihtreaktor, mis kasutab MBBR-AO sidestusprotsessi. Protsessi põhivoog on näidatud joonisel 1(a) ja konkreetsed seadmed hõlmavad võre, tõstepumpa, MBBR bio-kanduri tihendeid, integreeritud suure-tõhususega bioloogilise lämmastiku eemaldamise paaki, suure-tõhususega settepaaki, õhutussüsteemi jne. m³/h), efektiivne hüdrauliline retentsiooniaeg on 5 tundi ja reaktori efektiivne maht on umbes 10 m³.
Reoveepuhastusseadmes olevad MBBR bio-kandjapakendid on PE-põhised pakendid ja PPC-geeli kandjapakendid. PE--põhised tihendid on rõngakujulise kiirguse kujuga mõõtmetega Φ25 mm × 10 mm, 19 ava ja viisnurksete kanalite eripinnaga ligikaudu 500 m²/m³ [joonis 1(b)]; PPC geeli kandjapakendid on kuupmeetrid, mõõtmetega Φ10 mm × 10 mm × 10 mm ja eripinnaga umbes 5000 m²/m³ [joonis 1(c)].
1.2 Reovee kvaliteet
Selles uuringus kasutati reoveepuhastusseadet kahte tüüpi veekogude puhastamiseks: mikro-reostunud jõevee ja kombineeritud sademevee-reovee puhastamiseks. Mikro-reostatud jõevesi pärines Zhejiangi madala saastetasemega linnajõest ja selle ammoniaaklämmastiku kontsentratsioon oli suhteliselt madal, keskmise massikontsentratsiooniga 5 mg/l. Kombineeritud sademevee{6}}reovesi oli Zhejiangi reoveepuhasti kahe reoveepumbajaama (pumbajaam 1 ja pumbajaam 2) sissevooluallikaks, mille ammoniaaklämmastiku kontsentratsioon oli suhteliselt kõrge, vahemikus 3–20 mg/l. Põhjus on selles, et osa õhus olevatest lämmastikoksiididest reageerib vihmaveega, moodustades sademete ajal lämmastikhapet või nitraate, mis soodustab ammoniaaki{12}}oksüdeerivate bakterite paljunemist, mille tulemuseks on suhteliselt kõrge ammoniaaklämmastiku sisaldus kanalisatsioonis. Samal ajal hoiti mõlema veekogu pH väärtus vahemikus 7–9.
1.3 Reoveepuhastusseadme tööparameetrid
1.2.1 Esialgne biokile moodustumise protsess
Reoveepuhastussüsteem käivitati biokile moodustamiseks partiide kaupa pakendite lisamisega. Vastavalt täidiste tegelikule keevkihistumisefektile reaktoris määrati lisatud täidiste lõplikuks mahuosaks 20%. Käivitusprotsessi ajal ei tagastatud süsteemi hõljuvat muda ja reoveepuhastuse ajal oli muda tagastussuhe 1:8.
1.2.2 Seadme tööparameetrite juhtimine
Reoveepuhasti töötas toatemperatuuril (20 kraadi). Reoveepuhastuse ajal aeratsiooni kiiruse reguleerimiseks kasutati seadme põhjas asuvat õhutusseadet. Vahepeal reguleeriti seadme sissevoolu voolukiirust 2 m³/h ja muud parameetrid reoveepuhastuse ajal jäid põhimõtteliselt samaks. Sujuva veeproovideks valiti pumbajaama 1 ja pumbajaama 2 kombineeritud sademevee-reovesi, samuti mikro-reostunud jõevesi.
2. Tulemused ja arutelu
2.1 Biokile moodustumise kiirus erinevatest materjalidest MBBR-pakendite puhul
Reoveepuhastusseadme{0}}käivitusfaasis oli sissevoolava vee kvaliteet stabiilne. Pärast pakendite partiidena lisamist läbisid pakendid normaalse biokile moodustumise ja küpsemise.
Samades töötingimustes varieerus erinevate materjalidega bio{0}}kandjapakendite biokile moodustumise kiirus nende olemuslike omaduste tõttu oluliselt. PE-põhiste pakendite biokile moodustumise kiirus oli suhteliselt aeglane, mistõttu oli suletud aeratsioonikultuuri jaoks vaja lisada kemikaale, nagu glükoos. Jälgides PE- ja PPC-pakendite tööd MBBR-AO-ga seotud protsessis, leiti, et umbes 5 päeva pärast PE-pakendite lisamist tekkis kandjate pinnale õhuke kollakas-pruun biokile. Pärast umbes 1-nädalast pidevat töötamist ilmus kandja pinnale suur hulk parameetsiaid, epistylisi, rotifereid ja väike kogus keeriseid, mis näitab, et biokile oli põhimõtteliselt küps ja süsteemi käivitamine oli selleks ajaks lõpetatud. Seevastu PPC-pakendite biokile moodustumise kiirus oli kiirem ja biokile oli põhimõtteliselt küps umbes 3 päevaga, samas kui muda võis pakendite sisemusse adsorbeeruda. Biokile moodustumine aitab parandada ammoniaaki{13}}oksüdeerivate bakterite tegevust. Võrreldes PE-pakenditega soodustab PPC-pakendite suur eripind biokile moodustumist ja mikroobide immobiliseerimist. Samast materjalist PE-pakendite puhul, mis käitlevad erinevat tüüpi reovett, ilmnes olulisi erinevusi ka pakendite biokile moodustamises. Jooniselt 2(a) on näha, et mikro-reostunud jõevees oli PE-pakendite pinnal õhuke helepruun biokile. Kuid jooniselt 2(b) on näha, et kombineeritud sademevee-reovee PE-pakendite pinnal olev biokilekiht oli killustatud, mis näitab, et PE-pakendite biokile moodustumine mikro-reostunud jõevees oli oluliselt parem kui kombineeritud sademevee{23}}reovees. Jooniselt 2(c) ja jooniselt 2(d) on näha, et erinevus PPC-pakendite biokile moodustumisel mikro-reostunud jõevees ja kombineeritud sademevee{28}}reovees ei olnud oluline.
2. 2 Erinevatest materjalidest bio-kandjapakendite ammoniaaklämmastiku eemaldamise võime
Ammoniaaklämmastiku sisaldus on võtmenäitaja pumbajaamade reovee tegeliku puhastusefekti hindamisel. Seetõttu on ammoniaaklämmastiku eemaldamise võimel oluline praktiline suunav tähtsus bio-kandjapakendite tüüpide valimisel MBBR-AO-ga seotud protsessis.
2. 3 PE- ja PPC-pakendite ammoniaaklämmastiku eemaldamise mõju mikro-reostunud jõeveele protsessi lühiajalise{2}}töötamise ajal
Nagu on näidatud joonisel 3, olid PE- ja PPC-pakendite MBBR-AO-ga seotud protsessi keskmised sissevoolu ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioonid vastavalt 3,69 mg/L ja 3,39 mg/L. Vahepeal kõikus tegelik sissevoolava ammoniaaklämmastiku kontsentratsioon oluliselt, mis oli tingitud sademetest. PE-täitematerjaliga protsessis oli keskmine ammoniaaklämmastiku eemaldamise kogus ja mikroreostunud jõevee keskmine eemaldamismäär vastavalt 3,12 mg/L ja 84,55%, mis olid kõrgemad kui PPC-pakendite puhul (2,56 mg/L ja 75,52%). See näitab, et PE-pakendite lisamine MBBR-AO-ga seotud protsessi soodustab ammoniaaklämmastiku eemaldamist mikro-reostunud jõeveest lühikese aja jooksul (12 päeva jooksul).
2.4 PE- ja PPC-pakendite ammoniaaklämmastiku eemaldamise mõju kombineeritud sademeveele{0}}reoveele protsessi lühiajalise{1}}töötamise ajal
Nagu on näidatud joonisel 4, olid MBBR-AO lühiajalise (18-päevase) töötamise ajal koos PE-pakenditega ühendatud sademevee-reovee sissevoolu ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioonid 1. pumbajaamast [Joonis 4]4b ja [Pumping Station]. vastavalt 7,24 mg/l ja 9,35 mg/l. Kui pumbajaama 1 ja pumbajaama 2 kombineeritud sademevee-puhastusse, kasutades MBBR-AO sidestusprotsessi, lisati lühiajalises-(18-päevases) (18-päevases) PE-pakendeid, vähenes ammoniaaklämmastiku kontsentratsioon heitvees märkimisväärselt. Ammoniaaklämmastiku eemaldamise keskmised kogused olid 6,93 mg/L ja 7,9 mg/L, kusjuures keskmine eemaldamismäär oli vastavalt 95,71% ja 84,49%. Lühiajalise-päeva (18-päevase) kombineeritud sademevee-puhastuse ajal pumbajaamast 1 püsis ammoniaaklämmastiku eemaldamise määr üle 90% ja jõudis 9. päeval peaaegu 100%ni. Puhastatud reovesi võib soodustada kinnitunud mikroorganismide kasvu, soodustades seeläbi ammoniaaklämmastiku eemaldamist. Samal ajal jäi pumbajaama 2 sademevee-reovee kombineeritud puhastamise (18-päevase) ajal ammoniaaklämmastiku eemaldamise määr enamasti 90% juurde, mis näitab, et PE-pakendite lisamine MBBR-AO sidemega protsessis avaldab tugevat eemaldamismõju ammoniaaklämmastikule (lühiajaline kombineeritud sademevees).
Nagu on näidatud joonisel 5, oli MBBR-AO-ga ühendatud protsessis PPC tihenditega pumbajaama 1 [joonis 5(a)] ja pumbajaama 2 [joonis 5(b)] ja pumbajaama 2 [joonis 5(b)] kombineeritud sademevee-reovee sissevoolava ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioonid vahemikus 20 kuni 3 mg/2L. vastavalt suurte kõikumistega. Selle põhjuseks võib olla vihmasadu, mis põhjustab õhus olevate lämmastikoksiidide sattumist kanalisatsioonisüsteemi, mille tulemuseks on sissetuleva ammoniaaklämmastiku kontsentratsiooni olulised kõikumised. Pumbajaama 1 ja pumbajaama 2 kombineeritud sademevee{13}}reovee sissevoolu keskmised ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioonid olid vastavalt 14,76 mg/L ja 13,26 mg/L. Pärast lühiajalist-töötlemist (24 päeva) MBBR-AO-ga seotud protsessiga PPC-pakendite abil vähenes ammoniaaklämmastiku kontsentratsioon heitvees märkimisväärselt, keskmised massikontsentratsioonid olid vaid 5,32 mg/l ja 6,42 mg/l. Ammoniaaklämmastiku eemaldamise keskmised kogused olid 9,44 mg/L ja 6,84 mg/L ning keskmised eemaldamismäärad vastavalt 63,96% ja 51,58%. See näitab, et PPC-pakenditel on teatav mõju ammoniaaklämmastiku eemaldamisele kombineeritud sademevee{30}}reoveest. Ammoniaaklämmastiku kõrge kontsentratsioon kombineeritud sademevee{32}}reovees võib olla tingitud muude keerukate komponentide sattumisest kanalisatsiooni, mis takistab ammoniaaklämmastiku lagunemist PPC-pakendite poolt. Võrreldes PE-pakenditega, on PPC-pakenditel väiksemad poorid ja suurem poorsus. Lisandid ja hõljuvad osakesed kombineeritud sademevee{35}}reovees võivad ummistada PPC-pakendite poorid, põhjustades tihendite sees aglomeratsiooni ja vähendades seega ammoniaaklämmastiku eemaldamise tõhusust. Vahepeal on varasemates uuringutes leitud, et alla 1 mm suurused biokiled võivad põhjustada pooride ummistumist pakendite sees. Kuigi biokiled võivad kiirendada tihendite sisemist ummistumist, ei ole need peamine tegur.
MBBR-AO ühendatud protsessi lühiajalise-töötamise ajal olid PE-pakendite keskmised ammoniaaklämmastiku eemaldamise määrad kombineeritud sademevee-reovee puhul (95,71% pumbajaamas 1 ja 84,49% pumbajaamas 2) veidi kõrgemad kui mikro{{7}.} mikroreostatud jõevee puhul (8.5.}%). Seevastu PPC-pakendite keskmised ammoniaaklämmastiku eemaldamise määrad kombineeritud sademevee{10}}reovees (63,96% pumbajaamas 1 ja 51,58% pumbajaamas 2) olid veidi madalamad kui mikroreostatud jõevee puhul (75,52%). PE-pakendite puhul, võrreldes mikro-reostunud jõeveega, soodustab madal lahustunud hapniku kontsentratsioon kombineeritud sademevee{19}}reovees lämmastiku eemaldamiseks paremini PE-pakendite mikroorganismide nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni. PPC täitematerjalide biokile moodustumise ajal adsorbeerub muda pakendite sisemusse, mis viib lahustunud hapniku kontsentratsiooni suurenemiseni, mis ei soodusta sisemiste mikroorganismide samaaegset nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni, mille tulemuseks on ammoniaaklämmastiku eemaldamise kiiruse vähenemine nii kombineeritud sademevees-{}{2wa2ge's kui ka mikroreostatud jõevees.
Kokkuvõtteks võib öelda, et PE-pakendite lisamine soodustab lühiajaliselt MBBR-AO-ga seotud protsessi abil kombineeritud sademevee{0}}reovees ammoniaaklämmastiku lagunemist.
PE- ja PPC-pakendite ammoniaaklämmastiku eemaldamise mõju kombineeritud sademevee{0}}reoveele protsessi pikaajalise{1}}töötamise ajal
Nagu on näidatud joonisel 6, on MBBR-AO pikaajalise (96-päevase) töötamise ajal PE-pakenditega ühendatud protsessi ajal pumbajaama 1 kombineeritud sademevee-reovee sissevoolava ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioonid [Joonis 6(a)]d vahemikus [Pumbajaamast]2b 2 kuni 25 mg/l ja 3 kuni 35 mg/l, suurte kõikumiste korral. Keskmised sissevoolu ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioonid olid vastavalt 10,20 mg/L ja 8,93 mg/L. Pärast töötlemist MBBR-AO-ga seotud protsessiga vähenesid keskmised ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioonid heitvees 2,93 mg/L ja 2,67 mg/L, keskmised eemaldamiskogused olid 7,27 mg/L ja 6,26 mg/L ning keskmised eemaldamismäärad vastavalt 71,27% ja 7,01,0%. Pumbajaama 1 ja pumbajaama 2 kombineeritud sademevee{28}}reovees ei ilmnenud olulist erinevust ammoniaaklämmastiku lagunemises, lisades PE-pakendeid MBBR-AO-ga seotud protsessi pikaajalise (96-päevase) töötamise ajal ja lämmastiku eemaldamise kiirus ligikaudu 4 %. See näitab, et PE-pakendite lisamine MBBR-AO-ga seotud protsessis eemaldab hästi ammoniaaklämmastiku kombineeritud sademevee-reovees pikaajalise-(96-päevase) töötamise ajal. Kui MBBR-AO sideprotsess PE-pakenditega töötas hilisemas staadiumis (84-96 päeva), sõltumata sellest, kas sissevooluks oli kombineeritud sademevesi-reovesi pumbajaamast 1 või pumbajaamast 2, tõusis heitvee ammoniaaklämmastiku kontsentratsioon oluliselt ja ammoniaaklämmastiku eemaldamise kiirus töötamise algfaasis oli oluliselt madalam kui 90% töötamise algfaasis. Seda seetõttu, et pikaajalisel kasutamisel kahjustuvad ja vananevad PE-pakendid ise ning tihendite pinnakaredus muutub, mis toob kaasa kasutustugevuse ja ammoniaaklämmastiku eemaldamise võime vähenemise.
Joonisel 7 on kujutatud sissevoolu ammoniaaklämmastiku kontsentratsiooni, väljavoolu ammoniaaklämmastiku kontsentratsiooni, ammoniaaklämmastiku eemaldamise koguse ja ammoniaaklämmastiku eemaldamise kiiruse muutusi MBBR-AO-ga ühendatud protsessi pikaajalisel töötamisel koos PPC-pakenditega. Pumbajaama 1 [joonis 7(a)] ja pumbajaama 2 [joonis 7(b)] ühendatud sademevee-reovee sissevoolava ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioonid jäid vahemikku 3 kuni 35 mg/l, keskmine sissevoolava ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioon oli vastavalt 10,1 ja 96 mg/l. Pärast töötlemist MBBR-AO sidestatud protsessiga vähenesid keskmised ammoniaaklämmastiku massikontsentratsioonid heitvees 3,96 mg/L ja 3,39 mg/L-ni, keskmised eemaldamiskogused olid 7,00 mg/L ja 4,71 mg/L ning keskmised eemaldamismäärad vastavalt 63,87% ja 5,87,5%. MBBR-AO sidestatud protsessi pikaajalise-töö ajal oli PPC-pakendite lisamisel 1. pumbajaama kombineeritud sademevee{24}}reovee ammoniaaklämmastikule pisut parem lagunemismõju kui pumbajaama 2 omal, kuid erinevus ei olnud märkimisväärne. See näitab, et PPC-pakendite lisamine MBBR-AO-ga seotud protsessis avaldab pikaajalisel töötamisel teatud sademevee{29}}reovees sisalduva ammoniaaklämmastiku eemaldamise efekti. Ammoniaaklämmastiku eemaldamise kiirus MBBR-AO-ga seotud protsessis PPC-pakenditega pikaajalisel-töötamisel oli kõrgem kui lühiajalise{34}}töötamise ajal. Seda seetõttu, et pikaajalisel-töötamisel koguneb PPC-pakendite sisse muda, moodustades lokaalse anaeroobse või anoksilise keskkonna, mis loob sobiva elukeskkonna nitrifitseerivate bakterite elutegevuseks. Nitrifitseerivad bakterid paljunevad kiiresti ja lokaalne reaktsioonikiirus kiireneb
Kokkuvõttes soodustab PE-pakendite lisamine ammoniaaklämmastiku lagunemist kombineeritud sademevee-reovees MBBR-AO-ühenduse protsessis pikaajalise{2}}töö käigus. Vahepeal tuleks PE-pakendid pärast pikaajalist-kasutust õigeaegselt välja vahetada või puhastada, et tagada kanalisatsiooni ammoniaaklämmastiku tõhus eemaldamine MBBR-AO-ühenduse protsessi pikaajalise töötamise ajal.
Erinevatest materjalidest bio{0}}kanduripakendite kasutusiga
Võrreldes PPC tihenditega on PE-pakendite kasutusiga pikem-reostunud jõevee-mikro- ja kombineeritud sademevee-reovee töötlemisel MBBR-AO ühendatud protsessiga. Nagu on näidatud joonisel 8(a), tekivad PPC-pakendid räbu ja kahjustused reoveepuhastusprotsessi käigus MBBR-AO-ga seotud protsessis. Samal ajal toimub pärast pikaajalist töötamist pakendite sees vananemine ja aglomeratsioon [joonised 8(b) ja 8(c)]. PPC-pakenditel on muda halb läbilaskvus. Kuigi käsnal{13}}nagu PPC-pakendeid on suur eripind, adsorbeerub muda nende sisepoorid kergesti ja neid on raske välja voolata. Muda pikaajaline kogunemine pakenditesse kipub moodustama anaeroobse või anoksilise keskkonna, mille tulemusel muutub tihendite värv järk-järgult pruunist mustaks. See põhjustab probleeme, nagu räbu, purunemine, vananemine ja PPC-pakendite pikaajaline töö{17}}aglomeratsioon, mis lühendab nende kasutusiga. See on ka peamine tegur, mis põhjustab PPC-pakendite halva mõju ammoniaaklämmastiku eemaldamisel kombineeritud sademevee{19}}reoveest [joonised 5(a) ja 5(b)]. Seevastu PE-pakenditel ei esinenud põhimõtteliselt ülaltoodud probleeme MBBR-AO-ga ühendatud protsessi pikaajalise reoveepuhastuse ajal, kuna neil oli parem vastupidavus ja pikem kasutusiga. Mõistlik kandja konfiguratsioon võib tõhusalt puhverdada veevoolu mõju biokilele, võimaldades biokilel stabiilselt kasvada ilma kahjustamata.
Järeldused
Selles uuringus lisati MBBR-AO-ga seotud protsessi reoveepuhastusprotsessi käigus PE bio{0}}kandjapakendid ja PPC-pakendid. Uuriti pakkematerjalide mõju ammoniaaklämmastiku lagunemisele mikro-reostunud jõevees ja kombineeritud sademevee-reovees, samuti erinevate materjalidega pakendite mikroobide biokile moodustumise kiirust ja kasutusiga. Võrreldes PPC tihenditega on PE-pakenditel aeglasem biokile moodustumise kiirus, kuid pikem kasutusiga. Vahepeal on PE-pakenditel parem ammoniaaklämmastiku lagunemismõju, olenemata sellest, kas neid kasutatakse mikro-reostunud jõevee ja kombineeritud sademevee{10}}reovee pikaajalisel-või-puhastamisel MBBR-AO-ga seotud protsessi abil. Uurimistulemused pakuvad tehnilist tuge reoveepuhastusprotsesside pakkematerjalide valikul.