Удаление аммиачного азота из микро-загрязненной речной воды и сборных сточных вод с использованием насадок МББР из различных материалов
Биопленочный реактор с подвижным слоем (MBBR) сочетает в себе преимущества процесса с активным илом и традиционного процесса биопленки, что делает его инновационной и революционной технологией в современной биологической очистке сточных вод. Многочисленные предыдущие исследования показали, что процесс MBBR может эффективно снизить давление удаления азота из городских сточных вод. Упаковки био-носителей в процессе MBBR могут транспортировать биопленку по всему реактору, способствовать контакту между биопленкой, кислородом и субстратами реакции, а также повышать эффективность реакций разложения. Благодаря своим уникальным характеристикам стабильности и плотности они имеют широкие перспективы применения.
В настоящее время большинство упаковок био-носителей MBBR в основном изготавливаются из таких материалов, как полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полиуретан (ПУ) и пористый полиуретан (ППК). Среди них набивки MBBR на основе PE- обладают хорошим эффектом удаления цветности, CODCr, аммиачного азота, общего азота, общего органического углерода и летучих фенолов в сточных водах; Полипропиленовые набивки в основном используются в комбинированных процессах MBBR, таких как комбинированный процесс MBBR-AO и комбинированный процесс MBBR-MBR; Набивки из ПУ и ППК имеют высокую пористость, что может обеспечить большую площадь прикрепления микроорганизмов, позволяя микроорганизмам быстро и стабильно расти, тем самым эффективно удаляя органические загрязнители и различные питательные вещества из сточных вод. В настоящее время набивки из полиэтилена и полипропилена являются двумя широко используемыми типами. Упаковки из полиэтилена имеют более широкое применение и обладают лучшими характеристиками, в то время как упаковки из полипропилена имеют более высокую гидрофильность и большую удельную поверхность, что более способствует прикреплению микроорганизмов. Оба типа насадок имеют свои преимущества и недостатки, оба обладают хорошей механической прочностью и низкой стоимостью. Однако имеется мало сообщений об их эффектах удаления аммиачного азота из микро-загрязненной речной воды и смешанных ливневых сточных вод-в процессе совмещенного процесса МББР-АО. В данной статье исследуется влияние добавления различных типов био-наполнителей-носителей MBBR (материалы PE и PPC) в совмещенный процесс MBBR-AO на эффективность удаления аммиачного азота из микро-загрязненной речной воды и объединенных ливневых-сточных вод. Одновременно он анализирует скорость образования биопленки и срок службы различных упаковок био-носителей MBBR с целью улучшения конкретных методов выбора различных упаковок био-носителей MBBR в процессе MBBR для очистки сточных вод.
1. Процесс очистки сточных вод
1. 1Технологический процесс и подробности упаковки био-носителя
Устройство очистки сточных вод, использованное в этом исследовании, представляет собой -реактор с биологическим псевдоожиженным слоем собственной разработки, использующий совмещенный процесс MBBR-AO. Основная технологическая схема показана на рисунке 1(a), а конкретное оборудование включает в себя решетку, подъемный насос, био-несущие насадки МББР, встроенный высоко-резервуар для биологического удаления азота, высокоэффективный-отстойник, систему аэрации и т. д. Расход входящего потока в реактор составляет 50 м³/сут (приблизительно 2 м³/ч), эффективное время гидравлического удержания составляет 5 часов, а эффективный объем реактора составляет около 10 м³.
Набивки био-носителя MBBR в устройстве для очистки сточных вод представляют собой набивки на основе полиэтилена- и наполнители из геля PPC. Насадки на основе ПЭ- имеют форму кольцевых излучений размером Φ25×10 мм, 19 отверстий и пятиугольных каналов, с удельной поверхностью примерно 500 м²/м³ [рис. 1(б)]; Набивки гелевого носителя PPC имеют кубическую форму с размером Φ10×10×10 мм и удельной площадью поверхности около 5000 м²/м³ [Рисунок 1(c)].
1.2 Качество сточных вод
В данном исследовании устройство очистки сточных вод использовалось для очистки двух типов водоемов: микро-загрязненной речной воды и смешанных ливневых-сточных вод. Микро-загрязненная речная вода была взята из городской реки в районе провинции Чжэцзян с низким уровнем загрязнения, а концентрация аммиачного азота в ней была относительно низкой, со средней массовой концентрацией 5 мг/л. Объединенные ливневые сточные воды- были источником притока двух канализационных насосных станций (Насосная станция 1 и Насосная станция 2) очистных сооружений в Чжэцзяне с относительно высокой концентрацией аммиачного азота в диапазоне от 3 до 20 мг/л. Это связано с тем, что некоторые оксиды азота в воздухе реагируют с дождевой водой с образованием азотной кислоты или нитратов в период дождей, что более способствует размножению бактерий, окисляющих аммиак-, что приводит к относительно высокому содержанию аммиачного азота в сточных водах. При этом значение pH обоих водоемов поддерживалось на уровне от 7 до 9.
1.3 Рабочие параметры устройства очистки сточных вод
1.2.1 Начальный процесс формирования биопленки
Запущена система очистки сточных вод путем добавления насадок порциями для образования биопленок. В соответствии с фактическим эффектом псевдоожижения насадок в реакторе конечная объемная доля добавленных насадок была определена равной 20%. В процессе запуска-взвешенный ил в систему не возвращался, а коэффициент возврата ила при очистке сточных вод составлял 1:8.
1.2.2 Контроль рабочих параметров устройства
Устройство очистки сточных вод работало при комнатной температуре (20 градусов). Аэрационное оборудование в нижней части устройства использовалось для контроля скорости аэрации при очистке сточных вод. При этом расход притока устройства контролировался на уровне 2 м³/ч, а другие параметры при очистке сточных вод оставались в основном постоянными. В качестве проб поступающей воды были выбраны объединенные ливневые-сточные воды насосной станции 1 и насосной станции 2, а также микро-загрязненная речная вода.
2. Результаты и обсуждение.
2.1. Скорость образования биопленок упаковок МББР из разных материалов
На этапе запуска-устройства очистки сточных вод качество поступающей воды было стабильным. После добавления насадок партиями насадки подвергались нормальному образованию и созреванию биопленки.
В одних и тех же условиях эксплуатации скорость образования биопленки био-упаковок-носителей из разных материалов существенно различалась в зависимости от их индивидуальных характеристик. Скорость образования биопленки набивок на основе полиэтилена- была относительно низкой, что требовало добавления химических веществ, таких как глюкоза, для культуры с закрытой аэрацией. При наблюдении за работой насадок из ПЭ и ППК в сопряженном процессе МББР-АО было обнаружено, что примерно через 5 дней после добавления насадок из ПЭ на поверхности носителей появилась тонкая желтовато-коричневая биопленка. После непрерывной работы в течение примерно 1 недели на поверхности носителя появилось большое количество парамеций, эпистилисов, коловраток и небольшое количество вихрей, что указывает на то, что биопленка в основном созрела и запуск системы на данный момент завершен. Напротив, скорость образования биопленки у насадок из ППК была выше, и биопленка в основном созревала примерно за 3 дня, в то время как ил мог адсорбироваться внутри насадок. Образование биопленки способствует улучшению активности бактерий, окисляющих аммиак. По сравнению с упаковками из полиэтилена, большая удельная поверхность упаковок из полипропилена больше способствует образованию биопленок и иммобилизации микроорганизмов. Для полиэтиленовых набивок из одного и того же материала, предназначенных для очистки различных типов сточных вод, эффект образования биопленки набивками также показал значительные различия. На рисунке 2(а) видно, что на поверхности полиэтиленовых упаковок в микрозагрязненной речной воде наблюдалась тонкая светло-коричневая биопленка. Однако на рисунке 2(b) показано, что слой биопленки на поверхности полиэтиленовых упаковок в объединенных ливневых-канализационных сточных водах был фрагментирован, что указывает на то, что эффект формирования биопленки полиэтиленовых упаковок в микро-загрязненной речной воде был значительно лучше, чем в объединенных ливневых-сточных водах. Из рисунка 2(c) и рисунка 2(d) видно, что разница в эффекте образования биопленки набивками PPC в микро-загрязненной речной воде и объединенных ливневых-сточных водах не была значительной.
2. 2 Способность био-упаковок-носителей из различных материалов по удалению аммиачного азота
Содержание аммиачного азота является ключевым показателем для оценки фактического эффекта очистки сточных вод насосных станций. Таким образом, способность удаления аммиачного азота имеет важное практическое значение для выбора типов насадок био-носителей в сопряженном процессе МББР-АО.
2. 3 Влияние набивок из полиэтилена и полипропилена на удаление аммиачного азота из микро-загрязненной речной воды во время краткосрочной-работы процесса
Как показано на рисунке 3, средние массовые концентрации аммиачного азота в потоке процесса, связанного с MBBR-AO, с насадками из PE и PPC, составляли 3,69 мг/л и 3,39 мг/л соответственно. Между тем фактическая концентрация приходящего аммиачного азота значительно колебалась, что было вызвано дождями. В процессе с ПЭ насадками средний объем удаления аммиачного азота и средняя скорость удаления микро-загрязненной речной воды составили 3,12 мг/л и 84,55% соответственно, что выше, чем в процессе с насадками из ППК (2,56 мг/л и 75,52%). Это указывает на то, что добавление полиэтиленовых насадок в совмещенный процесс МББР-АО более способствует удалению аммиачного азота из микро-загрязненной речной воды в краткосрочной перспективе (в течение 12 дней).
2.4 Влияние набивок из полиэтилена и полипропилена на удаление аммиачного азота из ливневых сточных вод-при краткосрочной-эксплуатации процесса
Как показано на рисунке 4, во время краткосрочной -временной (18-дней) эксплуатации процесса МББР-AO, связанного с полиэтиленовыми насадками, средние массовые концентрации поступающего аммиачного азота в объединенных ливневых-сточных водах насосной станции 1 [рис. 4(a)] и насосной станции 2 [рис. 4(b)] составляли 7,24 мг/л и 9,35 мг/л соответственно. При добавлении полиэтиленовых насадок при краткосрочной -очистке (18-дней) объединенных ливневых сточных вод-насосной станции 1 и насосной станции 2 с использованием процесса, связанного с МББР-АО, концентрация аммиачного азота в сточных водах значительно снизилась. Средние объемы удаления аммиачного азота составили 6,93 мг/л и 7,9 мг/л, при этом средняя степень удаления составила 95,71% и 84,49% соответственно. При кратковременной-очистке (18-сут) объединенных ливневых-канализационных сточных вод насосной станции 1 степень удаления аммиачного азота сохранялась выше 90%, а на 9-е сутки достигла почти 100%. Очищенные сточные воды могут быть более благоприятными для роста прикрепленных микроорганизмов, тем самым способствуя удалению аммиачного азота. Между тем, во время краткосрочной-очистки комбинированных ливневых сточных вод насосной станции 2 степень удаления аммиачного азота в основном оставалась около 90 %, что указывает на то, что добавление полиэтиленовых насадок в совмещенном процессе МББР-АО оказывает сильное влияние на удаление аммиачного азота в комбинированных ливневых канализационных водах в краткосрочной перспективе (18 дней).
Как показано на рисунке 5, в процессе, связанном с MBBR-AO с насадками PPC, массовые концентрации поступающего аммиачного азота в объединенных ливневых-сточных водах насосной станции 1 [рис. 5(a)] и насосной станции 2 [рис. 5(b)] находились в диапазоне от 3 до 20 мг/л и от 3 до 22 мг/л соответственно с большими колебаниями. Это может быть связано с тем, что осадки приводят к попаданию оксидов азота из воздуха в канализационную систему, что приводит к значительным колебаниям концентрации поступающего аммиачного азота. Средняя массовая концентрация аммиачного азота в объединенных ливневых сточных водах насосных станций 1 и НС 2 составила 14,76 мг/л и 13,26 мг/л соответственно. После кратковременной-обработки (24 дня) методом МББР-АО в сочетании с насадками ППК концентрация аммиачного азота в сточных водах значительно снизилась, при этом средние массовые концентрации составили всего лишь 5,32 мг/л и 6,42 мг/л. Средние объемы удаления аммиачного азота составили 9,44 мг/л и 6,84 мг/л, а средние скорости удаления — 63,96% и 51,58% соответственно. Это указывает на то, что насадки из ППК оказывают определенное влияние на удаление аммиачного азота из смешанных ливневых сточных вод.-Сточные воды. Высокая концентрация аммиачного азота в объединенной ливневой канализации-может быть обусловлена введением в сточные воды других комплексных компонентов, тем самым тормозя разложение аммиачного азота насадками ППК. По сравнению с набивками из полиэтилена, набивки из полипропилена имеют меньшие поры и более высокую пористость. Примеси и взвешенные частицы в объединенных ливневых-канализационных водах могут закупоривать поры насадок ППК, что приводит к агломерации внутри насадок и тем самым снижает эффективность удаления аммиачного азота. Между тем, предыдущие исследования показали, что биопленки размером менее 1 мм могут вызывать закупорку пор внутри набивки. Хотя биопленки могут ускорить внутреннюю закупорку прокладок, они не являются основным фактором.
В ходе краткосрочной-эксплуатации совмещенного процесса МББР-АО средние показатели удаления аммиачного азота полиэтиленовыми насадками из ливневых-сточных вод (95,71 % для насосной станции 1 и 84,49 % для насосной станции 2) были несколько выше, чем для микро-загрязненной речной воды (84,55 %). Напротив, средние показатели удаления аммиачного азота насадками ППК для смешанных ливневых сточных вод (63,96 % для насосной станции 1 и 51,58 % для насосной станции 2) были несколько ниже, чем для микро-загрязненной речной воды (75,52%). Для полиэтиленовых упаковок, по сравнению с микро-загрязненной речной водой, низкая концентрация растворенного кислорода в ливневых сточных водах-в большей степени способствует одновременной нитрификации и денитрификации микроорганизмов на полиэтиленовых упаковках для удаления азота. При формировании биопленок насадок ППК происходит адсорбция ила во внутреннюю часть насадок, что приводит к увеличению концентрации растворенного кислорода, что не способствует одновременной нитрификации и денитрификации внутренних микроорганизмов, в результате чего снижается скорость удаления аммиачного азота как из ливневых сточных вод, так и из микрозагрязненных речных вод.
Таким образом, добавление полиэтиленовых набивок в краткосрочной перспективе в большей степени способствует разложению аммиачного азота в ливневых сточных водах-в результате процесса, связанного с MBBR-AO.
Влияние набивок из полиэтилена и полипропилена на удаление аммиачного азота из ливневых сточных вод-при длительной-эксплуатации процесса
Как показано на Рисунке 6, во время длительной-временной (96-дней) эксплуатации процесса МББР-AO, связанного с полиэтиленовыми насадками, массовые концентрации поступающего аммиачного азота в объединенных ливневых-сточных водах насосной станции 1 [Рисунок 6(a)] и насосной станции 2 [Рисунок 6(b)] варьировались от 2 до 25 мг/л и от 3 до 35 мг/л соответственно с большими колебаниями. Средние массовые концентрации приходящего аммиачного азота составляли 10,20 мг/л и 8,93 мг/л соответственно. После обработки с помощью процесса, связанного с MBBR-AO, средние массовые концентрации аммиачного азота в сточных водах снизились до 2,93 мг/л и 2,67 мг/л, при этом средний объем удаления составил 7,27 мг/л и 6,26 мг/л, а средняя скорость удаления составила 71,27% и 70,10% соответственно. Не было значительной разницы в разложении аммиачного азота в объединенных ливневых сточных водах-насосной станции 1 и насосной станции 2 при добавлении полиэтиленовых набивок в течение длительного-}периода (96-дней) эксплуатации процесса, связанного с МББР-AO, а степень удаления аммиачного азота поддерживалась на уровне около 74%. Это указывает на то, что добавление полиэтиленовых набивок в совмещенный процесс МББР-АО оказывает хорошее влияние на удаление аммиачного азота в комбинированных ливневых-сточных водах в течение длительной-временной (96-дней) эксплуатации. При работе совмещенного процесса МББР-АО с полиэтиленовыми насадками на более поздней стадии (84-96 сут), независимо от того, представляли ли собой сточные воды совмещенные ливневые воды с насосной станции 1 или насосной станции 2, концентрация аммиачного азота в стоках значительно увеличивалась, а скорость удаления аммиачного азота была значительно ниже скорости удаления почти 90% на ранней стадии технологического процесса. Это связано с тем, что после длительного использования сами полиэтиленовые набивки повреждаются и стареют, а шероховатость поверхности набивок изменяется, что приводит к снижению эксплуатационной прочности и способности удалять аммиачный азот.
На рисунке 7 показаны изменения концентрации входящего аммиачного азота, концентрации выходящего аммиачного азота, количества удаленного аммиачного азота и скорости удаления аммиачного азота во время длительной -работы процесса, связанного с MBBR-AO, с насадками PPC. Массовая концентрация аммиачного азота в объединенных ливневых сточных водах-сточных вод насосной станции 1 [Рисунок 7(a)] и Насосной станции 2 [Рисунок 7(b)] варьировалась от 3 до 35 мг/л, при этом средняя массовая концентрация аммиачного азота в притоке составляла 10,96 мг/л и 8,10 мг/л соответственно. После обработки с помощью процесса, связанного с MBBR-AO, средние массовые концентрации аммиачного азота в сточных водах снизились до 3,96 мг/л и 3,39 мг/л, при этом средний объем удаления составил 7,00 мг/л и 4,71 мг/л, а средняя скорость удаления составила 63,87% и 58,15% соответственно. В ходе длительной-работы совмещенного процесса МББР-АО добавление насадок из ППК оказало несколько лучший эффект разложения аммиачного азота в объединенных ливневых-сточных водах насосной станции 1, чем в сточных водах насосной станции 2, но разница была незначительной. Это указывает на то, что добавление насадок PPC в совмещенный процесс МББР-АО оказывает определенное влияние на удаление аммиачного азота в объединенных ливневых-сточных водах во время длительной-работы. Скорость удаления аммиачного азота в процессе МББР-АО, связанном с насадками PPC, при длительной-эксплуатации была выше, чем при кратковременной-эксплуатации. Это связано с тем, что при длительной-эксплуатации внутри насадок ППК скапливается ил, образуя локальную анаэробную или бескислородную среду, обеспечивающую подходящую среду обитания для жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий. Нитрифицирующие бактерии быстро размножаются, скорость местной реакции увеличивается.
Таким образом, добавление полиэтиленовых набивок в большей степени способствует разложению аммиачного азота в комбинированных ливневых-сточных водах в результате процесса, связанного с MBBR-AO, во время длительной-эксплуатации. Между тем, полиэтиленовые набивки следует своевременно заменять или очищать после длительного-временного использования, чтобы обеспечить эффективное удаление аммиачного азота из сточных вод во время-продолжительной работы процесса, связанного с MBBR-AO.
Срок службы био-упаковок-носителей из различных материалов
По сравнению с насадками из ППК, насадки из полиэтилена имеют более длительный срок службы при длительной-очистке микро-речных вод и смешанных ливневых сточных вод-с помощью совмещенного процесса МББР-АО. Как показано на рисунке 8(a), набивки PPC подвергаются шлакованию и повреждению в процессе очистки сточных вод с помощью процесса, связанного с MBBR-AO. Между тем, после длительной-эксплуатации внутри насадок происходят старение и агломерация [рис. 8(b) и 8(c)]. Набивки PPC имеют плохую проницаемость для ила. Хотя губчатые-набивки из ППК имеют большую удельную поверхность, их внутренние поры легко адсорбируются осадком и с трудом вытекают. Длительное -накопление ила внутри насадок имеет тенденцию образовывать анаэробную или бескислородную среду, в результате чего цвет насадок постепенно меняется с коричневого на черный. Это приводит к таким проблемам, как шлакование, поломка, старение и агломерация набивок КПП в процессе длительной-эксплуатации, тем самым сокращая срок их службы. Это также является основным фактором плохого эффекта насадок ППК при удалении аммиачного азота из ливневых сточных вод (рис. 5(а) и 5(б)). Напротив, полиэтиленовые набивки практически не имели вышеперечисленных проблем во время длительной -очистки сточных вод с помощью MBBR-AO-связанного процесса, обладая большей прочностью и более длительным сроком службы. Разумная конфигурация носителя может эффективно смягчать воздействие потока воды на биопленку, позволяя биопленке стабильно расти без повреждения.
Выводы
В этом исследовании насадки из био-носителя из полиэтилена и насадки из PPC были добавлены в процессе очистки сточных вод в рамках процесса, связанного с MBBR-AO. Исследовано влияние насадочных материалов на деградацию аммиачного азота в микро-загрязненных речных водах и сборных ливневых-канализационных водах, а также на скорость образования микробной биопленки и срок службы насадок из различных материалов. По сравнению с набивками из полипропилена, полиэтиленовые набивки имеют более низкую скорость образования биопленки, но более длительный срок службы. Между тем, независимо от того, используется ли при долгосрочной-или краткосрочной-очистке микро-речной воды и объединенных ливневых сточных вод-с помощью процесса MBBR-AO, полиэтиленовые набивки демонстрируют лучшее воздействие на аммиачный азот. Результаты исследований обеспечивают техническую поддержку при выборе упаковочных материалов в процессах очистки сточных вод.