Усовершенствованная микробная очистка сточных вод чеснока с использованием процесса MBBR + A/O
Обзор
Чесночные сточные водыв первую очередь возникает в результате процессов нарезки и промывания во время обработки чеснока. Он характеризуетсявысокие концентрации органических веществ, sзначительный уровень азота и фосфора и содержит значительное количество аллицина.. Аллицин (диаллилтиосульфинат) представляет собой летучую жидкость, ответственную за резкий запах чеснока, химически нестабильный и высокореактивный. Аллицин может подавлять рост различных микроорганизмов. Сброс сточных вод с высокой-концентрацией чеснока без очистки приводит к серьезным последствиям для окружающей среды. Некоторые исследователи использовали такие методы, как мембранная фильтрация, окисление Фентона и микро-электролиз, но эти методы не оказались эффективными для очистки сточных вод с чесноком, а использование больших доз химикатов увеличивает затраты на последующую очистку. Многие ученые предложили методы биологической очистки с использованием анаэробных-аэробных комбинированных процессов. Однако из-за антибактериальных свойств аллицина микроорганизмы трудно культивировать, а эффективность лечения не идеальна. Поэтому целью биологической очистки являетсякультивировать и акклиматизировать штаммы микробов, способные адаптироваться к чесночным сточным водам и усиливать их биодеградацию..
Это исследование включало культивирование и скрининг.Бактериальные штаммы эффективны в разложении сточных вод чеснока, которые затем были введены вРеактор биопленки с подвижным слоем (MBBR). Используя инокулированный ил и метод формирования биопленок, увеличивающий скорость потока, были созданы биопленки для улучшения удаления азота и фосфора из сточных вод. За этим последовала дальнейшая биохимическая обработка A/O (бескислородная/кислородная). Согласно стандарту GB18918-2002, уровни ХПК и аммиачного азота в сточных водах (NH₃-N) могут соответствовать вторичному стандарту (ХПК: 100 мг/л, NH₃-N: 25–30 мг/л). Этот процесс эффективно снижает содержание органических веществ в сточных водах, снижая сложность последующих этапов очистки.
1. Экспериментальный отдел
1.1 Проектирование технологического процесса
Общая технологическая схема очистки сточных вод чесноком показана на рис.Рисунок 1, причем основным компонентом являетсябиодеградация в системе MBBR + A/O. Три проверенных и выделенных штамма, эффективно разлагающих сточные воды чеснока – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. и Achromobacter sp. – смешивались с активным илом и вводились в установку МББР для облегчения ее быстрого запуска-.
1.2 Процесс обработки MBBR + A/O
После прохождения через грубые и тонкие сита для удаления взвешенных веществ чесночные сточные воды перекачиваются непосредственно в MBBR. Качество притока показано вТаблица 1. Сточные воды из MBBR попадают непосредственно в систему A/O. Из-за низкого содержания органических веществ в сточных водах MBBR сточные воды из сырого чеснока целесообразно добавлять в резервуар для кислорода (O) в качестве дополнения к источнику углерода для процесса A/O. Для проверки ударопрочности системы скорость загрузки MBBR органическими веществами постепенно увеличивалась в ходе непрерывной работы и контролировалось качество сточных вод.
1.3 Параметры процесса
1.3.1 Растворенный кислород (DO)
Чрезмерно высокий уровень кислорода в биопленке может препятствовать денитрификации, в результате чего MBBR теряет способность одновременной нитрификации и денитрификации. Чрезмерно низкий уровень растворенного кислорода может привести к размножению нитчатых бактерий, влияя на качество сточных вод и подавляя процесс нитрификации.
1.3.2 Время гидравлического удержания (HRT)
Чрезмерно короткая HRT вызывает интенсивные условия реакции, при которых сточные воды, содержащие большую часть органических веществ, сбрасываются до полного поглощения. Непрерывный приток удерживает микроорганизмы в состоянии постоянного биоразложения, снижая эффективность и увеличивая потребление энергии. Чрезмерно длительная ЗГТ приводит к истощению питательных веществ; без питательных веществ микроорганизмы снижают свою активность и метаболические потребности, чтобы просто поддерживать выживание.
1.3.3 Отношение углерода-к-азоту (C/N)
Низкое соотношение C/N может привести к катализу превращения аммиака в другие вещества, влияя на удаление аммиачного азота. Он также легко вызывает нитевидное набухание, непрерывный рост которого влияет на флокуляцию, что приводит к набуханию ила и его плаванию. Высокое соотношение C/N неблагоприятно для микробного биоразложения и роста, увеличивая органическую нагрузку на микроорганизмы.
1.4 Запуск биопленки MBBR-
Запуск биопленки-: использовался инокулированный ил + метод увеличения скорости потока-.. В реактор вводили активированный ил, обогащенный MBR-, с начальной концентрацией взвешенных в смеси твердых веществ (MLSS) приблизительно 5,82 г/л. Начинали аэрацию и в реактор добавляли полиэтиленовые носители с помощьюкоэффициент заполнения около 60%.ДЕЛАТЬв реакторе контролировалсявыше 4,0 мг/л. Скорость притока повышали ступенчато с шагом 20 л/ч: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 л/ч, при этом каждая скорость потока сохранялась в течение 1 дня. На этом этапе ни один осадок не тратился впустую. На поверхности носителей образовывалась светло-желтая биопленка, к которой прикреплялись и размножались микроорганизмы. После успешного запуска биопленки-стабильная работа продолжалась, поддерживаяВремя удержания осадка (SRT) 30 дней.. Во время стабильной работы скорость загрузки органических веществ в MBBR корректировалась для наблюдения за ее влиянием на удаление ХПК, азота и фосфора.
2. Результаты и обсуждение.
2.1 Анализ качества сточных вод MBBR во время запуска биопленки-
Интенсивность аэрации в МББР регулировали для контроля концентрации РК. Когда содержание растворенного кислорода было ниже 4,0 мг/л, интенсивность аэрации была недостаточной для поддержания равномерного турбулентного движения носителей с высоким -потоком, что препятствовало адекватному перемешиванию и затрудняло образование биопленки на поверхностях носителей. Когда содержание растворенного кислорода составляло 4,0–6,0 мг/л, носители тщательно смешивались с активным илом и сточными водами. Наблюдалось изменение цвета носителей с белого на желтовато-коричневый, что указывает на успешное прикрепление и рост микробов при такой интенсивности аэрации, как показано на рис.Рисунок 2.
Кривая изменения ХПК входящих и выходящих потоков на начальном-этапе показана на рис.Рисунок 3(а). Первоначальное снижение эффективности лечения было связано с очень низким количеством прикрепленных микроорганизмов на носителях; разложения микроорганизмами только в активном иле было недостаточно для удаления большого количества органики. По мере запуска-количество прикрепленных микроорганизмов на носителях увеличивалось, постепенно образуя биопленку. Концентрация ХПК в сточных водах постепенно стабилизировалась, а эффективность удаления ХПК стабилизировалась выше 90%.
Кривая изменения притока и стока МББР NH₃-N показана на рис.Рисунок 3(б). Нитрификация аэробными бактериями в активном иле эффективно удаляет аммиачный азот. Начиная с 7-го дня концентрация входящего NH3-N постепенно возрастала. К 23-му дню, хотя приток NH₃-N все еще увеличивался, скорость удаления также увеличивалась. Это произошло потому, что нитрифицирующие бактерии изначально растут медленно; со временем их популяция увеличивалась, биопленка созревала, а скорость удаления NH₃-N постепенно увеличивалась и стабилизировалась.
Кривая изменения входного и выходного TN MBBR показана на рис.Рисунок 3(в). В отличие от удаления аммиачного азота, эффективность удаления TN первоначально снизилась. Это произошло потому, что в среде реактора было достаточно источников кислорода и углерода, что ограничивало рост денитрифицирующих бактерий. Однако по мере формирования биопленки эффективность удаления TN начала улучшаться. К 20-му дню, хотя концентрация входящего TN увеличилась, выходящий TN и скорость удаления стабилизировались и колебались в пределах 50–60%.
Кривая изменения входного и выходного TP МББР показана на рис.Рисунок 3(г). С момента запуска-до стабильной работы скорость удаления TP оставалась стабильной. Хотя концентрация поступающего TP изначально была высокой, а затем снизилась, эффективность удаления не претерпела существенных изменений, что указывает на способность системы удалять фосфор. Степень удаления ТП в системе поддерживалась на уровне 80–90%.
В итоге,поддержание уровня DO в системе MBBR на уровне 4–6 мг/л, зрелая биопленка развивается после 20 дней непрерывного кормления.. По сравнению с традиционными процессами с активным илом, система MBBR обеспечивает высокую ударопрочность и высокую эффективность очистки, эффективно снижая сложность последующих стадий очистки сточных вод при переработке чеснока.
2.2 Анализ качества стоков во время стабильной работы
После фазы запуска-биопленки она созревает. Чтобы проверить ударопрочность системы MBBR, скорость загрузки органических веществ постоянно увеличивалась во время стабильной работы.
Кривая изменения ХПК входящего и выходящего потока МББР во время стабильной работы показана на рис.Рисунок 4(а). С 1-го по 5-й день при постоянном притоке эффективность удаления ХПК оставалась выше 95%, а концентрация ХПК в стоках достигала около 100 мг/л. С 5 по 20-й дни скорость притока увеличивали, постепенно увеличивая нагрузку органического вещества с 20 кг ХПК/м³·сут до 30 кг ХПК/м³·сут. Никаких существенных изменений в эффективности удаления не наблюдалось, а ХПК в сточных водах оставался в пределах 80–100 мг/л, что свидетельствует о высокой ударопрочности. После 20-го дня скорость притока еще больше увеличивали, непрерывно увеличивая загрузку органических веществ в реакторе с 30 кг ХПК/м³·сут до 37 кг ХПК/м3·сут, и поддерживали в течение 5 дней. Производительность MBBR по удалению ХПК оставалась выше 95%.
Рисунки 4(б) и (в)покажите кривые изменения NH₃-N и TN соответственно при стабильной работе. С 1-го по 5-й день при постоянном притоке в биопленке МББР наблюдалась одновременная нитрификация и денитрификация. Аэробные нитрифицирующие бактерии, прикрепленные к внешнему слою биопленки, полностью смешиваясь со сточными водами при аэрации, потребляют значительные источники азота за счет нитрификации. Денитрифицирующие бактерии во внутреннем бескислородном слое эффективно удаляют нитратный азот посредством денитрификации. С 5 по 20-й день по мере увеличения скорости притока эффективность удаления NH₃-N и TN изначально значительно снижалась. Примерно через 7 дней непрерывной работы система постепенно адаптировалась. Хотя эффективность удаления NH₃-N и TN затем увеличилась, она осталась ниже, чем в период низкого-потока. При постоянном притоке удаление NH₃-N достигало более 90%, при этом содержание NH₃-N в сточных водах составляло 10–15 мг/л, а удаление TN в основном поддерживалось на уровне выше 80%, при TN в сточных водах около 30 мг/л. После увеличения притока и достижения системой нового баланса под постоянным воздействием удаление NH₃-N стабилизировалось примерно на 80 %, при этом содержание NH₃-N в сточных водах составляло 50–70 мг/л, а удаление TN — около 60 %, при этом TN в сточных водах было ниже 50 мг/л.
Кривая изменения TP при стабильной работе представлена на рис.Рисунок 4(г). Концентрация ТР в сточных водах в основном поддерживалась на уровне около 10 мг/л. Первоначально, при постоянно низком потоке и низкой концентрации TP в притоке, эффект лечения был ограничен. По мере увеличения скорости притока и концентрации притока TP высокая эффективность очистки была достигнута на протяжении всей фазы воздействия и последующей работы с высокой-нагрузкой, при этом скорость удаления TP колебалась около 90%.
В итоге,при сильном ударе органической нагрузки эффективность удаления ХПК системы практически не изменилась, но удаление NH₃-N и TN снизилось более значительно.. Когда органическая нагрузка достигла максимума в 37 кг ХПК/м³·сут, эффективность удаления NH₃-N и TN из системы заметно снизилась.
2.3 Анализ качества сточных вод системы MBBR + A/O
После этапа запуска биопленки-и одного месяца стабильной работы в дальнейшем был добавлен процесс A/O для усовершенствованной очистки сточных вод MBBR. Градиентное увеличение скорости притока применялось для увеличения общей органической нагрузки с целью определения оптимальной скорости притока, соответствующей оптимальной ЗГТ.
Кривая изменения ХПК показана на рис.Рисунок 5(а). Скорость притока последовательно увеличивалась: 100, 120, 130, 150, 170 л/ч. С момента запуска до максимального расхода органическая нагрузка на систему MBBR увеличилась с 20 кг ХПК/м³·сутки до 37 кгХПК/м³·сутки. Конечный сток из объединенной системы оставался стабильным, с концентрацией ХПК ниже 100 мг/л. При длительном шоке от высокой органической нагрузки система MBBR работала хорошо, хотя ХПК ее сточных вод показал небольшое увеличение, когда скорость потока достигла 150 л/ч. После поддержания скорости потока 170 л/ч в течение нескольких дней наблюдалась заметная тенденция к увеличению ХПК сточных вод МББР. Однако при последующем процессе A/O конечный сток объединенной системы все еще поддерживался ниже 100 мг/л. Это указывает на то, что даже при высокой нагрузке органическими веществами, равной 37 кг ХПК/м³·сут, комбинированный процесс по-прежнему оказывает сильное влияние на удаление сточных вод при переработке чеснока.
Кривые изменения NH₃-N и TN показаны на рис.Рисунки 5(б) и (в), соответственно. Сточные воды переработки чеснока содержат высокие концентрации аммиачного азота и общего азота, которые со временем могут увеличиваться из-за окисления. Обычно концентрация аммиачного азота колеблется в пределах 300–500 мг/л, а общего азота – 450–600 мг/л. При одновременной нитрификации и денитрификации в МББР удаление аммиачного азота было более эффективным, вероятно, потому, что нитрифицирующие бактерии более эффективно утилизируют сточные воды при аэрации. Денитрифицирующие бактерии требуют бескислородных условий и часто зависят от потребляемого органического углерода для денитрификации. При увеличении скорости притока основное внимание уделялось эффективности удаления NH₃-N и TN. С 1 по 4-е дни из-за низкой скорости потока и умеренного NH₃-N скорость удаления NH₃-N оставалась выше 90%, а эффективность удаления TN постепенно увеличивалась. Впоследствии скорость притока была значительно увеличена. Было четко замечено, что по мере увеличения скорости притока концентрации NH₃-N и TN в выходящих потоках на разных стадиях последовательно возрастали, при этом более высокие скорости притока приводили к более высоким концентрациям в выходящих потоках. По мере увеличения скорости потока биомасса на носителях биопленки увеличивалась, усиливая нитрификацию, при которой аммиачный азот окисляется нитрифицирующими бактериями до нитрата и нитрита под действием кислорода.
Кривая изменения концентрации ТП представлена на рис.Рисунок 5(г). Учитывая высокие концентрации ХПК и TN в поступающей воде, теоретически оптимальная концентрация TP для роста микробов превышает 100 мг/л. Однако концентрация входящего TP была намного ниже этого теоретического требования. Таким образом, концентрация TP в сточных водах MBBR оставалась около 10 мг/л, а конечная концентрация TP в сточных водах комбинированной системы поддерживалась на уровне 2–3 мг/л.
Характеристики осадка системы MBBR и последующей системы A/O до и после работы были измерены, как показано на рис.Таблица 2.
В итоге,когда скорость потока была увеличена до 150 л/ч, скорость удаления ХПК, NH₃-N, TN и TP была выше, чем при других скоростях потока.. Длительность ЗГТ при этой скорости потока составила 27 часов. Кроме того, концентрация осадка как в системах MBBR, так и в системах A/O существенно возросла после эксплуатации.
3. Заключение
После образования биопленки в MBBR эффективность удаления COD, NH₃-N, TN и TP была стабильной. В течение одного месяца непрерывной работы в стабильных условиях удаление ХПК достигло более 95 %, удаление NH₃-N и TN стабилизировалось примерно на 80 %, а удаление TP стабилизировалось на уровне около 90 %.
Сточные воды МББР подвергались дальнейшей очистке в системе А/О. Комбинированный процесс может выдерживать нагрузку органических веществ до 37 кг ХПК/м³·сут. Оптимальная продолжительность всего процесса составляла менее 27 часов. ХПК в конечных сточных водах стабилизировался ниже 100 мг/л, NH₃-N в пределах 10–20 мг/л, TN ниже 30 мг/л и TP ниже 10 мг/л. Концентрация ила в системе МББР после эксплуатации составила 8,5 г/л, а в системе А/О – 4,1 г/л, что значительно выше, чем до эксплуатации, что указывает на существенное увеличение микробной биомассы. Уровни ХПК и аммиачного азота после биологической очистки соответствовали стандарту вторичного сброса GB18918-2002. Для дальнейшей очистки можно использовать передовую технологию окисления Fenton для глубокой очистки биологически очищенных сточных вод для достижения стандарта сброса первого уровня.